Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор и постановка задач исследований 10
1.1. Системные принципы в задачах прогноза экологических последствий при добыче полезных ископаемых 10
1.2. Теоретические положения и методы комплексной оценки воздействия породных отвалов на окружающую среду 21
1.3. Экологические последствия разработки угольных месторождений подземным способом 25
1.4. Мероприятия по снижению уровня воздействия породных отвалов на окружающую среду 30
Выводы 35
Цель и идея работы. Постановка задач исследований 37
ГЛАВА 2. Геоэкологическая оценка угольных бассейнов россии и характеристика техногенных массивов угольных шахт
2.1. Оценка геологического строения угольных бассейнов России 39
2.2. Породные отвалы угольных шахт России 56
Выводы 81
ГЛАВА 3. Оценка экологических последствий воздействия породных отвалов на окружающую среду
3.1 Формирование породных отвалов и параметры, влияющие на интенсивность загрязнения окружающей среды 83
3.2 Физико-химические свойства породной массы отвалов 92
3.3. Воздействие стоков с породных отвалов на почвы прилегающих территорий 99
3.4 Миграция токсичных компонентов в почву и подстилающие породы с отвалов угольных шахт 105
Выводы 109
ГЛАВА 4. Пылегазовые выбросы с поверхности породных отвалов 112
4.1 Потенциал породного отвала как источника пыли 112
4.2 Моделирование движения потоков воздуха при обтекании породных отвалов 123
4.3 Конвективно-турбулентный диффузионный перенос пыли в приземном слое атмосферы зоны действия породного отвала 134
4.4 Конвективно-турбулентный перенос газовых загрязнителей в приземном слое атмосферы зоны действия породного отвала 138
Выводы 140
ГЛАВА 5. Усовершенствованная методика оценки воздействия породных отвалов шахт на окружающую среду и мероприятия по их локализации 142
5.1 Усовершенствованные методические положения оценки воздействия породных отвалов на окружающую среду 142
5.2 Технологическая схема закладки выработанных пространств известняковых карьеров породой отвалов угольных шахт 145
5.3 Энергетическое обеспечение переработки породных отвалов путем подземной газификации остаточных запасов угля 149
Выводы 156
Заключение 158
Список использованной литературы
- Теоретические положения и методы комплексной оценки воздействия породных отвалов на окружающую среду
- Породные отвалы угольных шахт России
- Воздействие стоков с породных отвалов на почвы прилегающих территорий
- Конвективно-турбулентный диффузионный перенос пыли в приземном слое атмосферы зоны действия породного отвала
Введение к работе
Актуальность. В последние годы в мире растет значение угля как источника энергии и ожидается, что в перспективе такая тенденция сохранится. Согласно прогнозу «Energy Information Administration», к 2030 г. доля угля в мировом потреблении энергоносителей составит около 28 %, а в производстве электроэнергии - примерно 45 % (например, в 2004 г. – 43 %). В настоящее время уголь имеет ценовые преимущества перед нефтью и природным газом. Несмотря на возрастающие транспортные издержки, аналитики называют уголь «конкурентоспособным энергоносителем будущего». Долгосрочная программа развития угольной промышленности России также нацелена на реализацию потенциальных конкурентных преимуществ российских угольных компаний и переход к инновационному социально ориентированному типу экономического развития страны. Прогнозный диапазон рациональных объемов добычи угля в 2030 г. должен составить 380 - 430 млн т. При этом научные исследования, связанные с экологической оценкой реструктуризации и диверсификации угольной промышленности, позволят реформировать экономику страны во многих промышленных отраслях на собственной природно-ресурсной базе.
В соответствии с программой реструктуризации и общей стратегией развития угольной промышленности России предусматривается превращение ее в устойчиво функционирующую и рентабельную отрасль. В результате осуществляемой реструктуризации угольной промышленности России и ликвидации нерентабельных угледобывающих предприятий произошла ликвидация ряда шахт Кузбасса и Восточного Донбасса, а также полная ликвидация угольных шахт и разрезов Подмосковного угольного бассейна. Но весьма ощутимые масштабы воздействия на атмосферу и гидросферу, а также техногенная активизация геохимического переноса на территориях этих регионов сохраняются.
Особую остроту приобретают проблемы, связанные с экологическими последствиями, обусловленными, воздействием породных отвалов угольных шахт горнопромышленных регионов. Проекты проведения работ по экологической реабилитации нарушенных территорий, предусмотренные проектами ликвидации шахт, и обеспечивающие приведение территорий промышленных площадок ликвидируемых шахт в экологически безопасное состояние, как правило, не содержат действенных технических мероприятий по локализации воздействия отвалов на окружающую среду. В лучшем случае, все сводится к мониторингу этих воздействий.
Однако существующие методы оценки воздействия отвалов шахт на окружающую среду требуют более глубокого научного обоснование для реализации эффективных алгоритмов экологического мониторинга.
Поэтому исследования, посвященные совершенствованию методов прогноза переноса пыли, жидких и газообразных примесей в зонах действия породных отвалов угольных шахт, являются актуальными.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (гос. контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы являлось уточнение закономерностей переноса пыли, жидких и газообразных примесей в зонах действия породных отвалов угольных шахт для оценки воздействия породных отвалов угольных шахт на окружающую среду в процессе их эксплуатации, а также после ликвидации шахт для разработки технологических решений, обеспечивающих экологическую безопасность на всех этапах существования породных отвалов.
Идея работы заключается в том, что усовершенствованные методы прогноза переноса пыли, жидких и газообразных примесей в зонах действия породных отвалов угольных шахт основываются на адекватных моделях диффузии загрязнителей в почвенном слое, ветрового обтекания отвалов и конвективно-диффузионного переноса пылегазовых примесей в зоне действия отвалов, а обеспечение экологической безопасность достигается путем перемещения отвалов в выработанные пространства карьеров.
Основные научные положения работы заключаются в следующем:
1. На протяжении всех геотехнологических периодов существования
угольных шахт происходит отрицательное воздействие породных отвалов на
атмосферу, водные ресурсы и почву.
-
Миграция жидких загрязнителей в почвенный слой и подстилаю-щие породы в зоне действия породного отвала описывается одномерным уравнением конвективной диффузии с учетом кинетики сорбции загрязнителей.
-
Движение воздуха при обтекании породных отвалов следует моделировать системой уравнений турбулентного движения вязкой текучей среды О. Рейнольдса, используя для численного решения метод конечных объемов. Численное решение уравнений движения О. Рейнольдса позволяет визуализировать картину течения воздуха в особых зонах и прогнозировать пылегазовый перенос в приземном слое атмосферы.
-
Пылегазовый перенос целесообразно моделировать уравнением конвективно-турбулентной диффузии задавая скорость конвективного переноса по результатам расчета поля скоростей, формирующегося при обтекании отвала.
Новизна основных научных и практических результатов:
усовершенствованы методические положения комплексной геоэкологической оценки воздействия породных отвалов шахт на окружающую среду, позволяющие прогнозировать динамику распространения загрязнителей, поступающих с породного отвала, в окружающей среде;
обоснованы уточненные физические модели и математическое описание прогнозной оценки загрязнения почв и приземного слоя атмосферы, отличающаяся тем, что динамика полей концентраций загрязнителей, оценивается в результате вычислительных экспериментов и ситуационного анализа;
предложены математические модели и алгоритмы оценки воздействия стоков с породных отвалов на почвы прилегающих территорий, миграции токсичных компонентов в почву и подстилающие породы, а также конвективно-турбулентного перенос пыли и газовых загрязнителей в приземном слое атмосферы, основывающиеся на результатах моделирование движения потоков воздуха при обтекании породных отвалов;
усовершенствована структурно-функциональная схема системы оценки воздействия породных отвалов на окружающую среду и разработаны энергетически эффективные мероприятия по повышению экологической безопасности путем перемещения отвалов в выработанные пространства карьеров.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: большим объемом измерений (пылегазовый мониторинг и исследования почв проводились на горных отводах шахт Подмосковного бассейна, Восточного Донбасса и Кузбасса); корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической физики и современных достижений вычислительной техники; достаточным объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе теоретических исследований; удовлетворительной сходимостью расчетных значений с фактическими данными.
Практическое значение работы заключается в том, что разработан единый подход и усовершенствована система комплексной геоэкологической оценки воздействия породных отвалов шахт на окружающую среду. Разработаны комплекты математических моделей и комплексы программных средств для оценки воздействия породных отвалов на окружающую среду, что повышает эффективность САПР геоэкологической экспертизы на всех этапах проектирования и эксплуатации территорий горных отводов действующих и ликвидируемых шахт.
Реализация работы. Уточненные закономерности воздействия породных отвалов угольных шахт на окружающую среду в процессе их эксплуатации, а также после ликвидации шахт использованы для разработки геотехнологических решений, обеспечивающих экологическую безопас-
6 ность на всех этапах существования породных отвалов угольных шахт г. Прокопьевска. Научные и практические результаты были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и межрегиональным научно-техническим программам, а также включены в учебно-методические материалы по курсу «Горнопромышленная экология» для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело».
Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2013 - 2016 гг.), на научно-технических советах АО ХК «СДС-Уголь» (г. Кемерово, 2013-2015 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2012 - 2015 гг.); Научно-практической конференции, посвященной 25-летию Горного института УрО РАН «Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях» (г. Пермь, 2013 г.), 10-й и 11-й Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2014 - 2015 г.).
Личный вклад автора состоит в проведении натурных наблюдений, обработке статистической информации, разработке математических моделей и вычислительных алгоритмов, проведении вычислительных экспериментов, формулировании научных положений, выводов и практических рекомендаций.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получено 2 патента РФ и издана монография.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 172 страницах машинописного текста, состоит из 5 глав, содержит 18 таблиц, 50 рисунков, список литературы из 128 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. Э.М. Соколову и д.т.н., проф. Е.И. Захарову за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований.
Теоретические положения и методы комплексной оценки воздействия породных отвалов на окружающую среду
Здесь алгоритмичность следует понимать в широком смысле слова, но при этом подразумевается возможность задания точно определяемой после довательности действий над различными математическими объектами, ха рактеризующими количество и качество природных ресурсов, и экологиче ское состояние окружающей среды. Разумеется, что техногенная деятель ность при рациональном природопользовании должна основываться на принципе эколого-экономической целесообразности. Принцип эколого экономической оптимальности представляет собой формальное описание конкретных представлений о том, что является оптимальным в экологии и экономике. Эти представления, прежде всего, отражают сложившиеся на практике черты интуитивного понимания разумности, выгодности и устой чивости функционирования систем природопользования. Эколого экономическая оптимальность является одним из основных показателей в ра циональном природопользовании, но эта оптимальность всегда характеризи руется несколькими критериями.
Рассматривая минерально-сырьевые ресурсы как основной объект технологического воздействия, следует учитывать взаимосвязь этого объекта с другими видами природных ресурсов и то, что любой вид минерально-сырьевых ресурсов является структурным элементом окружающей среды. Минерально-сырьевые ресурсы той или иной территории представляют собой аномалии в свойствах недр на определенных участках пространства, имеющие природное или техногенное происхождение. Минерально-сырьевые ресурсы представлены природными и техногенными месторождениями полезных ископаемых. Освоение месторождений полезных ископаемых – это один из наиболее сложных процессов природопользования. В современных условиях использование минерально-сырьевых ресурсов должно осуществляться с учетом условий внешнего и внутреннего рынков минерально-сырьевых товаров и ограничений, обусловленных требованиями экологической безопасности горного производства. Такой подход требует четко структурированной научной базы. В этом отношении весьма удобна новая классификация горных наук как системы знаний об освоении и сохранении недр [4 - 7]. Тогда системная оценка рациональности должна основываться на группе четырех показателей, отражающих результаты исследований, полученных методами недроведения, системотологии, геотехнологии и технологической минералогии.
Минерально-сырьевые ресурсы представлены теми или иными месторождениями полезных ископаемых. Всю совокупность месторождений полезных ископаемых на любой территории можно разделить на две группы – природные месторождения и техногенные месторождения. Природные месторождения полезных ископаемых – это природное скопление минерального вещества, содержащего компоненты, которые по количеству, качеству и условиям залегания пригодны для промышленного использования при конкретном уровне техники и экономических условиях. То же самое можно сказать и о техногенных месторождениях полезных ископаемых [8]. Следовательно, месторождения полезных ископаемых представляют собой природные системы, являющиеся предметом труда в процессе использования минерально-сырьевых ресурсов конкретной территории, ограниченной административными границами. Природные месторождения полезных ископаемых являются естественными системами. Так как понятие системы возникло применительно к искусственным системам, то возникают проблемы при формальном подходе из-за отсутствия явно выраженной цели возникновения и существования природных ресурсов [3]. И тем не менее очевидно, что если не известна цель, достижению которой служит система, то это не означает, что такой объект перестает быть системой. Поэтому следует использовать обобщенное понятие системы. В соответствии с положениями горной систе-мологии глобальную систему территориального природопользования можно разделить на две большие системы – это техногенные системы и естественные системы, к которым относятся, в том числе и месторождения полезных ископаемых. К системным свойствам естественных систем относят структурированность, взаимосвязанность подсистем и структурных элементов, подчиненность организации всей системы физически объективной цели (это проявляется как самоорганизация системы).
Месторождения полезных ископаемых являются аномальными проявлениями в земной коре, которые характеризуются высокой концентрацией полезных компонентов.
Геологические структуры месторождений полезных ископаемых взаимосвязаны как между собой, так и с окружающей средой. Эволюционно месторождения полезных ископаемых представляют собой геологические объекты, обеспечивающих той или иной уровень равновесия в земной коре. Нарушение этого уровня равновесия вызывает переход на другой уровень равновесия. Такой переход сопровождается геомеханическими, гидродинамическими, аэрогазодинамическими и теплообменными процессами.
Любые информационные аспекты территориальной системы природопользования обусловлены, прежде всего, используемой моделью системы. Применительно к системам использования минерально-сырьевых ресурсов это должны быть динамические модели, которые отображают процессы, протекающие в системе с учетом фактора времени (см. рисунок 1.1).
В динамические модели системы использования минерально-сырьевых ресурсов конкретного месторождения полезных ископаемых базовой характеристикой является состояние системы как некоторой внутренней совокупности свойств, значение которых в настоящий момент времени определяет текущее значение выходной величины.
Породные отвалы угольных шахт России
По горно-экономическим и структурным особенностям территория Кузбасса подразделяется на 25 геолого-экономических районов. Районы распространения отложений балахонской серии: Анжерский, Кемеровский, Ба-чатский, Прокопьевско-Киселевский, Араличевский, Терсинский, Бунгуро-Чумышский, Кондомский, Мрасский и Томь-Усинский, Крапивинский, Ти-товский, Завьяловский. Районы преимущественного развития осадков коль-чугинской серии: Ленинский, Беловский, Ускатский, Ерунаковский, Байдаев-ский, Осинниковский, Томь-Усинский (ш. «Распадская»), Плотниковский, Салтымаковский и Терсинский (месторождение Макарьевское).
Наблюдается довольно активная ликвидация шахт Кузбасса в Проко-пьевско-Кисилевском районе Кемеровской области. Причинами являются незначительность запасов, деконцентрация их на различных участках угольных пластов, а также неблагоприятные горно-геологические условия (маломощные пласты, углы залегания свыше 35).
Эколого-экономическая оценка возможности доработки оставшихся запасов представлена в таблице 2.1. Ноградская 6700 0,120 0,130 - 0,010 На основе эколого-экономической оценки целесообразность доработки запасов возможна на шахтах: «Бирюлинская», «Байдаевская», «Северный Маганак», им. Калинина, где эколого-экономический критерий имеет положительное значение.
Рекомендуемый вариант увеличения добычи коксующихся углей в Кузнецком бассейне предусматривает прирост их добычи до 90 млн т, а особо ценных марок коксующихся углей до 5,4 млн т.
Угольные месторождения Российского Донбасса. Восточная часть Донецкого бассейна (Российский Донбасс) площадью 12000 км2, расположенная в Ростовской области, имеет запасы угля, составляющие 1640 млн т, (1353 млн т - пригодные для эффективной отработки), распределенные между действующим шахтным фондом, шахтами, находящимися в стадии строительства и перспективными для нового строительства геологическими участками [114].
Анализ геологических условий Российского Донбасса показывает, что вмещающие угольные пласты породы являются наиболее прочными и устойчивыми, но трещиноватыми и обводненными, особенно в районах залегания антрацитовых углей, сосредоточенных в основном на территории Шахтин-ского, Несветаевского и Гуково-Зверевского угленосных районов. В геологическом строении принимают участие отложения, представленные свитами среднего (С 23-С 27\ и верхнего (С 31Л карбона. Литологический состав отложений карбона приведен в таблице 2.2. Таблица 2.2 - Литологический состав отложений карбона Литологический состав, % Свита Песчаники Сланцы, алевролиты Сланцы глинистые Известняки Уголь (С7) 25,6-44,1 27,4-38,0 20,8-34,8 1,30-7,20 0,50-0,70 (С5) 25,3-36,0 42,2-53,1 14,0-25,4 0,90-2,60 0,80-1,60 (С4) 15,8-37,2 34,5-54,0 16,8-35,0 0,20-1,60 0,60-0,80 (С3) 29,6-35,0 20,0-42,8 23,4-43,0 0,10-0,50 0,60-1,50 Как следует из таблицы 2.2, толща каменноугольных отложений представлена чередующимися между собой песчаниками, песчанистыми и глинистыми сланцами с прослойками известняков и углей. По данным Каталога шахтопластов Донецкого угольного бассейна [1] угленосные отложения Российского Донбасса насчитывают 74 пласта общей мощностью 26,34 м. Распределение пластов по мощности представлено следующим образом: до 0,7 м – 16,21 %; от 0,7 до 1,2 м – 51,35 % и от 1,2 до 2,0 м – 32,44 %. Таким образом, основные запасы угля сосредоточены в пластах мощностью 0,7-1,2 м.
Глубина залегания угольных пластов колеблется в пределах от 200 до 1000 м, причем около 32 % пластов разрабатываются на глубине 200-400 м, 36 % - на глубине 400-600 м и 9 % - на глубине 800-1000 м.
В результате анализа углов залегания отрабатываемых угольных пластов установлено, что на долю пологого падения приходится 77 % пластов, а остальная часть распределяется следующим образом: с углами падения от 18 до 35 разрабатываются 10 пластов; от 35 до 55 - 5 пластов; более 55 % - 2 пласта.
Распределение пластов по устойчивости непосредственной кровли и почвы, согласно методике, ВНИМИ [115], приведено в таблице 2.3, из которой видно, что 77 % пластов имеют ложную кровлю. Анализ обрушаемости основной кровли показал, что основной объем пластов (56,7 %) имеют обру-шаемость средней степени; труднообрушаемыми являются кровли 31 % пластов, кровля остальных пластов (12,5 % - 9 пластов) относится к легкой степени по обрушаемости.
Шахты Восточного Донбасса не отличаются большими водопритока-ми - 60-700 м3/ч; встречаются зоны повышенной водоотдачи, но они носят скорее локальный характер. Учитывая засушливый климат, маловодность рек, общий дефицит водных ресурсов можно отметить, что породы среднего карбона, вмещающие угольные пласты региона, умеренно водоносны.
Воздействие стоков с породных отвалов на почвы прилегающих территорий
При сопоставлении показателей ежегодно нарушаемых и ежегодно рекультивируемых площадей земель, очевидно, что темпы рекультивации ущественным образом отстают от совершения нарушения (80,7 га в 2001 г.; 29,5 га в 2005 г.) и деградации земель. Это объясняется нерациональной технологией горных работ и объективными факторами, связанными с условиями разработки месторождений. Причинами низких темпов рекультивации являются, с одной стороны, сложные горно-геологические условия, определяющие длительный срок эксплуатации месторождений, а с другой - несовершенство правового регулирования процессов рекультивации, слабый государственный контроль, что позволяет горнодобывающим предприятиям уклоняться от ответственности за восстановление нарушенных земель.
Оценка фактической техногенной нагрузки и экологического состояния почвенного покрова в современных условиях представляет серьезные трудности, поскольку государственной статистической отчетности о химическом и ином загрязнении почвенного покрова не существует. Исключительно разрозненное представление о загрязнении почвенного покрова можно получить по данным ежегодных обобщений, выполнявшихся упраздненными ныне областными (краевыми) комитетами по охране окружающей среды. Поэтому для оценки уровня загрязнения почвенного покрова использовались материалы ежегодной статистической отчетности по образованию, использованию, обезвреживанию, транспортированию и размещению отходов производства и потребления по шахтам ООО УК «Прокопьевскуголь».
Анализ этих материалов показал, что в процессе производства, например, по ООО «Шахта Ворошилова» образовалось 134823,077 тонн отходов. Из них 1 класса опасности - 0,003 тонны, 2 класса опасности отходов нет, 3 класса опасности - 8,01тонна, 4 класса опасности- 82776,902 тонны, отходы 5 класса опасности составили 52038,162 тонны и из них 51983,78 тонны составляют отходы от добычи угля. Из общего объема образованных отходов обезвреживается 8,502 тонны, передано другим организациям для использования 82628,282 тонны и использовано самим предприятием 52198,190 тонн.
При разработке угольных залежей сложной структуры, особенно тонкослоевых, имеет место значительное засорение угля породой в результате вовлечения в продуктивную угольную толщу пород междупластий достаточно большой мощности, низкая степень селекции, разубоживание угля при производстве буровзрывных работ и отработке контакта породы и угля. Достаточно большая часть угля смешивается с вскрышными породами и вывозится в отвал. Анализ технико-экономических показателей ведения горных работ и расчетных технологических показателей, позволяющих оценить полноту и комплексность использования добываемого минерального сырья по таким предприятиям как ООО «Шахта Зенковская», ООО «Шахта Коксовая», ООО «Шахта Ворошилова» ООО УК «Прокопьевскуголь» показал, что индекс рациональности использования минеральных ресурсов на протяжении исследуемого периода изменялся от 77,55 % до 98,77 %. Самый высокий показатель рациональности достигнут ООО «Шахта Коксовая» в 1999г. 98,97 %. В настоящее время этот показатель по ООО «Шахта Коксовая» составляет 95,99 % и является наиболее высоким по сравнению с другими угледобывающими предприятиями ООО УК «Прокопьевскуголь». Показатель комплексности по трем угледобывающим предприятиям ООО УК «Прокопьевскуголь» изменялся от 55,1 % до 78,2 %.
Комплексное использование ресурсов показывает эффект от производства и потребления дополнительной продукции, экономию затрат на нейтрализацию вредного воздействия отходов на окружающую среду, экономию затрат при замене природного сырья вторичным, а также позволяет достигать экономии затрат на воспроизводство природных ресурсов. Коэффициент безотходности по исследуемым угледобывающим предприятиям ООО «Шахта Коксовая», ООО «Шахта Ворошилова» и ООО «Шахта Зенков-ская» очень высок и достиг, начиная с 2001 г., 100 % (рисунок 2.13).
Этот факт свидетельствует об эффективном использовании отходов угледобывающего производства на исследуемых предприятиях. Коэффициент безотходности достаточно высок и может достигать 100 %, как правило, на тех горнодобывающих предприятиях, где добыча угля осуществляется гидравлическим способом, и отходы производства полностью используются для закладки выработанного пространства.
Однако такая ситуация характерна не для всех предприятий угледобывающей отрасли. Необходимость наращивания объемов добычи угля в Кузбассе приводит к образованию и складированию новых объемов твердых минеральных отходов в промышленном теплоэнергетическом и угольном комплексе не менее 4,5-5,0 млн т.
В ближайшем будущем, в связи с разработкой более насыщенных зольным материалом угольных пластов и ростом добычи поток твердых отходов от переработки углей увеличится. Таких отходов в состоянии длительного хранения (30-60 и более лет) накоплено в Кузбассе не менее 200-250 млн т.
Конвективно-турбулентный диффузионный перенос пыли в приземном слое атмосферы зоны действия породного отвала
Осаждение пыли на поверхность прилегающих к отвалу территорий приводит к ухудшению качества почвы: снижению биологической ценности и способности к самоочищению. Витающая в атмосферном воздухе пыль влияет на здоровье человека, поражая легкие; снижает прозрачность атмосферы; увеличивает вероятность осадков, туманов и облаков; снижает поток солнечной радиации, что вызывает изменение окружающей температуры и биологической скорости роста деревьев; влияет на плодородие почвы; частицы пыли являются ядрами конденсации и служат катализатором химических реакций в атмосфере [18, 19, 22, 25, 26, 30].
Интенсивность поступления пыли в окружающую среду зависит от аэродинамических свойств отвалов, их размеров и массы, механических и физико-химических свойств породной массы, возраста отвала, механических и физико-химических свойств подстилающей поверхности, климатических и метеорологических факторов и др. Аэродинамические характеристики отвала в свою очередь определяются его типом, размерами, формой и проницаемостью слагающих пород.
На шахтах Подмосковного угольного бассейна преимущественно использовались конические и хребтовые отвалы, при отсыпке которых происходит сегрегация породы по крупности и по составу. Физическая сущность этого процесса состоит в следующем. Кусок породы движется по наклонной плоскости, образованной другими кусками породы. Эта плоскость не ровная, а имеет углубления и выступы, размеры которых зависят от размеров кусков, слагающих эту плоскость. Катящийся по такой плоскости кусок многократно сталкивается с этими неровностями, теряя часть своей энергии. Вероятность того, что кусок задержится в какой-либо точке плоскости, зависит от соотношения его размеров с размерами неровностей наклонной плоскости, а также от кинетической энергии, которой он обладает. Это приводит к тому, что крупные куски катятся дальше мелких фракций, скапливаясь в нижней части отвала. Таким образом, подвергающаяся наибольшей ветровой нагрузке верхняя часть отвала обогащается мелкими фракциями, подверженными интенсивному пылеуносу.
Каждая технологическая схема складирования пород обусловливает присущую ей структуру отвала, которая также оказывает существенное влияние на физико-химические процессы, протекающие в отвале, активность которых в частности зависит от измельчения и перемешивания разнородной горной массы в присутствии кислорода воздуха.
Под влиянием атмосферных процессов происходит трансформация поверхности породных отвалов. Так, например, осадки приводят к смыву с поверхности отвала породной массы, которая, так же как и сдуваемая с отвала ветром пыль, поступает на прилегающие к отвалу территории. Исследования динамики изменения профиля поверхности отвалов на основе измерений высоты реперов, установленных на склонах отвалов в виде координатной сетки площадью 400 м2 показали, что за 6 месяцев наблюдений профили поверхности терриконов претерпели существенные изменения. При этом наблюдались как опускание поверхности за счёт смыва породной массы, так и наращивание поверхностного слоя за счет массы поступающей с вышележащей части отвала. Кроме того, после интенсивных осадков в теле отвала образуются промоины глубиной свыше 1 м. При этом смыв породной массы с отвала в среднем составляет порядка 5-25 кг/м2 за теплый период года.
Загрязнение окружающей среды породными отвалами можно определить на основе сопоставления значений концентрации поллютантов на прилегающих к отвалу территориях и их фоновых значений для данного района. Кроме того, при наличии в окрестностях отвала других источников выбросов необходимо провести идентификацию загрязняющих веществ. И, наконец, весьма важной задачей является оценка динамики загрязнения окружающей среды породными отвалами.
Получить ответы на поставленные выше вопросы можно с помощью геоинформационных технологий посредством совмещения слоев с нанесенной информацией по загрязнению почв и снежного покрова [120]. Это позволяет произвести районирование территории по динамическим особенностям её загрязнения. При этом выделяются зоны устойчивого, реликтового и современного загрязнения, а также территории, где загрязнение отсутствует. Устойчивое загрязнение определяется по совпадению очагов загрязнения на почвенной карте и карте загрязнения снежного покрова. Площади с устойчивыми типами загрязнения расположены в районе источников загрязнения, которые продолжают влиять на качество атмосферного воздуха. Реликтовое загрязнение фиксируется повышенным содержанием химических элементов только в почвах, и не сопровождаются аномальными концентрациями в снежном покрове [36, 38]. Для территорий с реликтовым загрязнением источник поступления загрязняющих веществ либо прекратил существование или он не связан с загрязнением воздушного бассейна