Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующего положения в ТЭК по вопросу добычи и использования углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов (ЕРН) 16
1.1 Аналитический обзор научно-технических исследований и публикаций по радиоактивности углей 16
1.2 Радиоактивность углей различных месторождений 18
1.3 Радиационные выбросы от угольных ТЭС, использующих угли различных месторождений 22
Глава 2. Характеристика буроугольных месторождения Забайкалья и условия накопления радиоактивных элементов в углях 36
2.1 Геологическая характеристика исследуемых месторождений Забайкалья .36
2.1.1 Окино-Ключевское месторождение 44
2.1.2 Татауровское месторождение 54
2.1.3 Харанорское месторождение 62
2.1.4 Уртуйское месторождение 72
2.1.5 Кутинское месторождение .83
2.2 Методика исследования радиоактивности углей .90
2.2.1 Гамма-опробование углей в естественном залегании и в штабелях .90
2.2.2 Исследование проб угля в лабораторных условиях с применением гамма-спектрометра 93
2.3 Результаты исследования радиоактивности по месторождениям Забайкалья .96
Глава 3. Обоснование методики подготовки углей к отработке, путем разделения их на сорта на основе данных геологоразведочных работ .103
3.1 Закономерности распределения естественных радионуклидов в углях 104
3.2 Разработка кондиций для оценки запасов угля по сортам с учетом радиоактивности ...112
3.2.1 Порядок расчета 112
3.2.2 Обоснование кондиций оценки запасов угля по радиационному фактору .115
3.2.3 Обоснование выбора разведочной сети при эксплуатационно-разведочных работах .120
3.3 Оценка запасов радиоактивных углей по результатам геологоразведочных работ .122
Глава 4. Методика управления радиационным качеством углей путем секционно-погоризонтного картирования запасов с целью выбора вариантов выемки углей 133
4.1 Радиологическая характеристика сырьевой базы месторождения 133
4.1.1 Общие запасы радиоактивных углей в контуре разреза 133
4.1.2 Оценка степени зараженности угольной массы ураном в пределах площадей дополнительной разведки .134
4.2 Расчет допустимых содержаний урана в углях, поставляемых на ТЭЦ 140
4.3 Разработка методики планирования качества угля с применением секционно-погоризонтных карт 143
4.4 Динамика добычи угольной массы по сортам при автомобильном варианте вскрытия с учетом ее радиационных параметров 153
4.4.1.Условия формирования отвалов комплексных углей при избирательной выемке 158
4.4.2 Потери при отработке углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов 161
Глава 5. Комплексная технология оперативного управления радиационным качеством добытых углей 165
5.1 Использование приборных методов управления качеством углей в угольной промышленности 168
5.2. Система оперативного управления качеством угля по радиационному фактору 169
5.3 Методика и техника проведения радиационного контроля и управления качеством угля на технологических этапах разработки месторождения 170
5.3.1 Гамма-опробование подготовленных к отработке блоков и штабелей угольного склада 170
5.3.2 Гамма-экспресс анализ угля в автосамосвалах (ГЭА) 172
5.4 Методика определения эксплуатационных характеристик аппаратуры ОПУКУ 174
5.4.1 Геометрические условия измерения 174
5.4.2 Определение величины натурального фона 180
5.4.3 Вклад каждого датчика в общий замер... 184
5.4.4 Стабильность работы аппаратуры во времени 185
5.4.5 Определение пересчетных коэффициентов аппаратуры «Алмаз» на ОПУКУ 186
5.5 Гамма-спектрометрический анализ проб 195
5.6 Подготовка угля к реализации... 196
Глава 6. Мониторинг загрязнения окружающей среды при отработке, транспортировке и хранении угля с повышенным содержанием естественных радионуклидов ...201
6.1 Мониторинг разреза «Уртуйский»... 202
6.1.1 Транспортные дороги.. 204
6.1.2 Открытый склад угля. 205
6.1.3 Отвалы комплексного угля...206
6.2 Методика контроля...207
6.3 Результаты мониторинга объектов на разрезе «Уртуйский»... 209
6.3.1 Открытый угольный склад...209
6.3.2 Транспортные дороги... 210 6.3.3 Комплексный отвал № 2...210
6.4 Оценка негативного влияния результатов сжигания радиоактивных углей Уртуйского месторождения на Краснокаменской ТЭЦ на окружающую среду .213
6.4.1 Рекомендации по допустимой дозе облучения населения от выброса естественных радиоактивных веществ при сжигании углей 221
6.5 Мероприятия по снижению загрязнения территории разреза...223
Глава 7. Эколого-экономический эффект системы контроля качества угля по радиационно-гигиеническим параметрам ...226
7.1 Экономический эффект от внедрения системы оперативного контроля качества угля... 228
Заключение .230
Глоссарий .232
Литература .234
- Радиоактивность углей различных месторождений
- Татауровское месторождение
- Разработка кондиций для оценки запасов угля по сортам с учетом радиоактивности
- Общие запасы радиоактивных углей в контуре разреза
Введение к работе
В Долгосрочной программе развития угольной промышленности России на период до 2030 г. (рассмотренной 15 апреля 2011 г. на президиуме Правительства РФ) отмечено, что «…при существующих уровнях добычи угля запасов хватит на 600 лет». С использованием угля в настоящее время в мире производится примерно 44 % электроэнергии.
В России по итогам работы за 2010 г. доля использования газа на ТЭС составила 71 %, а угля – 26 %, мазута – 3 %. По прогнозу в 2020–2030-х гг. доля газа в топливном балансе ТЭС снизится до 60–64 %, а доля угля возрастет до 35–38 %.
Прогнозы показывают, что в перспективе потребность в энергетических углях будет расти во всем мире.
Наиболее уязвимым местом в угольной энергетике является экологическое воздействие предприятий угольного топливного цикла. В последние годы внимание привлекает и радиационное загрязнение, создаваемое угледобывающими предприятиями и угольными ТЭС.
Радиационная опасность угледобывающих предприятий и угольных ТЭС, связанная с естественными радионуклидами, содержащимися в углях, – одна из важных проблем угольной энергетики, которая порой недооценивается в современном мире, но требует предельного внимания.
Угли с повышенным содержанием радионуклидов встречаются очень часто. Топливная энергетика на угле, по мнению экологов, относится к числу наиболее крупных источников загрязнения окружающей среды радионуклидами, однако серьезных шагов по ограничению выбросов ЕРН с продуктами сжигания углей не предпринимается. Нормы радиационной безопасности от НРБ-76 до НРБ-99/2009 ограничивают только применение шлаков в строительных целях. Аналогичные ограничения устанавливают Санитарные правила СП 2.6.1.798-99 «Обращение с минеральным сырьем и материалами с повышенным содержанием природных радионуклидов».
С позиции оценки качества ценность ископаемых углей представляет вся добытая из недр угольная масса, а качество углей оценивается соответствием их определенных свойств требованиям ГОСТ, ОСТ, ТУ и соглашений с потребителем. Основные показатели качества энергетических углей – рабочая и гигроскопическая влага, зольность, выход летучих веществ, содержание серы, ситовой состав, низшая теплота сгорания рабочего топлива, состав и плавкость золы. Нормативные документы, регламентирующие содержание естественных радионуклидов (ЕРН) в углях, в настоящее время, отсутствуют.
Требования потребителей к качеству углей, в том числе и их экологической безопасности, в условиях насыщения рынка постоянно растут и весьма разнообразны, поэтому создание эффективных систем контроля на многих угледобывающих предприятиях считается одним из главных направлений работ. Управление качеством углей является неотъемлемой частью технологической схемы разработки месторождения. В процессе совершенствования технологии горного производства, наряду со стандартными методами контроля и управления качеством углей, возникает необходимость применения современных методов, которые должны обеспечивать экспрессность, достаточную представительность анализируемого объема, возможность использования на различных этапах технологического процесса и обеспечивающую экологическую безопасность окружающей среды. Одним из возможных решений этого вопроса является разработка эффективной системы управления качеством углей, в том числе и радиационным.
В связи с этим возникла актуальная научно-техническая проблема: разработка эффективной технологии добычи бурых углей и управления их качеством с учетом наиболее полного использования полезного ископаемого, за счет сокращения потерь и снижения негативного влияния на окружающую среду радионуклидов, содержащихся в этих углях.
Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Ядерная и радиационная безопасность России», раздел 3.7, п. 2, 6 – 9 и «Энергетической стратегией России на период до 2030 г.», раздел VI, п.5.
Цель работы. Разработка и обоснование эффективных способов управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов на технологических этапах: от планирования добычи до отгрузки потребителям, обеспечивающих полноту извлечения из недр и экологическую безопасность.
Основные задачи исследования.
1. Выполнить анализ существующего положения в ТЭК по вопросу добычи и использования углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов (ЕРН) и негативного влияния продуктов сжигания радиоактивных углей на окружающую среду.
2. Оценить радиационные характеристики бурых углей Забайкалья и установить механизм накопления в них радиоактивных элементов, позволяющих делать прогноз наличия в угле радиоактивных элементов и выделять месторождения угля с их повышенным содержанием.
3. Разработать методику оценки радиационного качества углей на стадии геологоразведочных работ, позволяющую разделить запасы угля на технологические сорта с целью избирательности их выемки в соответствии с сортами и наиболее полного использования углей как энергетического сырья.
5. Разработать методические основы управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов по технологической схеме: от проектирования добычи до формирования партий угля заданного качества.
6. Обосновать и разработать эффективные способы оперативного управления качеством углей с целью полноты извлечения их из недр, минимизации загрязнения окружающей среды при добыче, транспортировке и хранении углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов.
Объект исследования. Буроугольные месторождения Забайкалья: Харанорское, Уртуйское, Татауровское, Кутинское и Окино-Ключевское, разрабатываемые открытым способом.
Предмет исследования. Технологические процессы: эксплуатационная разведка, добыча, транспортировка, подготовка шихты заданного качества для отгрузки заказчикам и хранения бурых углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов, обеспечивающие безопасность угольной продукции.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплекс методов исследований: анализ литературных источников, нормативно-технической и научно-методической документации; анализ результатов детальной и эксплуатационной разведок; результатов химических, теплотехнических, гранулометрических, рентгенорадиометрических, спектральных, рентгеноспектральных методов исследования углей и продуктов их сжигания; полевые экспериментальные работы, статистическая обработка данных; анализ методов определения качества угля и продуктов их сжигания по содержанию естественных радионуклидов; технико-экономический и экологический анализ эффективности предложенных методов оперативного управления радиационным качеством углей.
Фактический материал и личный вклад автора.
В работе использованы материалы исследовательских работ в рамках госбюджетной темы (Код 87.15.03) «Экологические проблемы, связанные с радиационно-гигиеническим качеством углей и методы их решения на угольных месторождениях Забайкалья» (2010 - 2013 г.г.). Основной фактический материал получен при выполнении исследовательских работ на Уртуйском месторождении, часть углей которого содержит повышенное содержание ЕРН (1989 – 2011г.г.), использованы фондовые материалы ОАО ППГХО и ФБУ «ТФГИ по Сибирскому федеральному округу», литературные источники и нормативные документы.
Диссертант обосновал и выполнил работы по оценке радиационных характеристик бурых углей Забайкалья и установлению источника накопления радиоактивных элементов, принимал непосредственное участие в разработке системы оперативного управления радиационными параметрами качества угля на стадиях добычи, транспортирования, хранения и подготовке шихты (Патент № 2498348 от 10.11.2013 г.), выполнил оценку распределения радионуклидов в продуктах сжигания углей Краснокаменской ТЭЦ через баланс урана и негативного влияния результатов сжигания углей на окружающую среду.
Автором вместе с коллегами сформулированы научные задачи, проведено опробование, экспериментальные исследования, разработана комплексная методика управления радиационным качеством углей на всех технологических этапах разработки месторождений: от планирования добычи до подготовки партий угля заданного качества.
С достаточной степенью детальности изучены 4 буроугольных месторождений Забайкалья: Окино-Ключевское, Харанорское, Татауровское, Кутинское. Наиболее детально – Уртуйское, которое было выделено для экспериментальных и исследовательских работ как наиболее характерное для месторождений с повышенным содержанием радиоактивных элементов не только на отдельных участках, но и в общей угольной массе.
Использованы результаты анализов 526 штуфных проб в.т.ч. по углю – 255, по вмещающим породам – 154, по гранитоидам – 73, по золе и шлаку – 44 . По Уртуйскому месторождению обработано более 1000 товарно-расчетных проб, отобрано и исследовано 96 проб грунта в радиусе 6 км от Краснокаменской ТЭЦ. Общее количество обработанных анализов более 6000.
Количественная оценка радиоактивных элементов в пробах золы, шлака, пород и угля проводилось в аналитической лаборатории ЦНИЛ ОАО « ППГХО» (Свидетельство об аттестации № 95.0088-2008 от 30.09.2008г.) с использованием сцинтилляционного гамма – спектрометра с программным обеспечением «Прогресс» по методике, разработанной «Всероссийским научно – исследовательским институтом физико-технических и радиотехнических измерений» (ГНМЦ «ВНИИФТРИ» - Свидетельство об аттестации № 40090.3Н700). Контрольные пробы исследовались в аккредитованных лабораториях ЛИЦИМС; ФГБУЗ ЦГ и Э № 107 ФМБА России.
Выполнена работа по статистической обработке результатов методики управления радиационным качеством углей на Уртуйском разрезе (1989-2011 г.г.)
Защищаемые научные положения.
1. Установлена связь урана, накопленного в углях Забайкалья с породами фундамента, представленными палеозойскими гранитами, что удалось подтвердить через баланс металла по цепочке: палеозойские граниты, осадочные углевмещающие породы и уголь. Это позволяет прогнозировать наличие повышенных концентраций радионуклидов в углях.
2. Предложена методика радиационной оценки углей по сортам: потребительский, энергетический и комплексный на стадии ведения геологоразведочных работ, позволяющая оконтурить и подсчитать запасы по сортам, оптимизировать систему их добычи и подготовки к реализации.
3. Обоснована методика секционно-погоризонтного картирования запасов, обобщения и обработки информации по содержанию естественных радионуклидов для эффективного управления качеством углей и выбора оптимальных вариантов выемки их по сортам.
4. Разработана комплексная технология оперативного управления качеством углей содержащих естественные радионуклиды при добыче, формировании грузопотоков, отгрузке потребителям, обеспечивающая оптимизацию технологических процессов и радиационную безопасность обращения углей.
Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается надежностью применяемых методов исследований; большим объемом высококачественных аналитических и экспериментальных данных, полученных современными методами исследований в аккредитованных лабораториях; высокой сходимостью результатов экспериментально - промышленных исследований по контролю радиационного качества углей с результатами независимых лабораторий с достоверностью 85 90%; положительными итогами внедрения результатов исследований в практику работы ОАО «ППГХО», что подтверждено результатами мониторинга; апробацией результатов на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах; патентами.
Научная новизна состоит в том, что впервые:
- предложен комплексный подход к проблеме разработки угольных месторождений с повышенным содержанием естественных радионуклидов, через систему управления качеством этих углей по радиационным параметрам, поэтапно: от прогноза содержаний радионуклидов в угле до подготовки партий угля для сжигания;
- установлена зависимость содержаний урана в угле от содержаний его в палеозойских гранитах фундамента, что позволяет прогнозировать повышенные концентрации урана в угольных месторождениях Забайкалья;
- разработана методика радиационной оценки углей, позволяющая разделить их по сортам: потребительский, энергетический, комплексный еще на стадии ведения геологоразведочных работ, каждый из которых может быть отработан оригинальной технологией;
- предложена методика секционно-погоризонтного картирования запасов, при открытой разработке сложноструктурных угольных месторождений, позволяющая эффективно управлять процессом добычи и транспортировки
угля;
- разработана и обоснована комплексная методика оперативного управления качеством углей по радиационным параметрам при добыче, формировании грузопотоков, подготовке партий угля, обеспечивающая радиационную безопасность угольной продукции.
Практическая ценность работы:
- разработана методика дополнительной и эксплуатационной разведки бурых углей с повышенными концентрациями радиоактивных элементов для оценки их распространения в пределах буроугольных месторождений;
- разработана методика гамма - опробования угля в естественном залегании и в штабелях угольного склада и гамма - экспресс анализа угля в автосамосвалах;
- создано методическое и программное обеспечение комплекса оперативного управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов, базирующиеся на понятии суммарная удельная активность Аэфф., которые могут быть использованы для разработки нормативных документов, регламентирующих использование углей с повышенным содержанием радиоактивных элементов на любом месторождении.
- разработано методическое руководство по составлению секционно-погоризонтных карт качества углей, которое позволяют управлять радиационным качеством углей при планировании добываемого угля, обеспечить их радиационную безопасность;
- разработана и внедрена в практику работы ОАО «ППГХО» технология формирования и хранения штабелей радиоактивного угля.
Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований и практической реализации были представлены, докладывались и обсуждались на: Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2009–2014); VIII Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2010); V Международной конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук». Науки о Земле (Москва, 2010); XX Международном симпозиуме по планированию горных работ и выбору оборудования (Алматы. Казахстан, 2011); VI Международной научно-практической конференции «География, история и геоэкология на службе науки, практики и образования». Науки о Земле (Красноярск, 2011); Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии и использование минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2011); Международном научном семинаре им. Ю.Н. Руденко (Баку. Азербайджан, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения». (Чита, 20052013 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Современное российское общество: проблемы позицирования и развития». Науки о Земле (Москва, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая дискуссия: Окружающая среда – Здоровье человека» (Волгоград, 2010); Х Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (Кемерово, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе 23 в рецензируемых журналах из перечня ВАК, монография, получено два патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,7 глав, заключения и приложений, списка литературы из 286 наименований, изложена на 251 странице печатного текста, включает 64 таблицы, 58 рисунков и 4 приложения.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному консультанту, д-ру техн. наук, профессору В.А. Овсейчуку за постоянную помощь и консультации по выполняемой работе; профессору, д-ру техн. наук Ю.М. Овешникову; д-ру геол. минерал. наук Ю.В. Павленко; доценту, канд. техн. наук С.В. Смоличу; д-ру техн. наук, члену-корреспонденту Российской Экологической академии, ведущему научному сотруднику ИПКОН РАН Ю.П. Галченко; главному геофизику ОАО ППГХО Р.А. Суханову; заместителю начальника ЦНИЛ А.В. Тирскому; заместителю начальника ОООС ОАО ППГХО В.Н. Францеву; начальнику аналитической лаборатории ЦНИЛ В.А. Васиченко; главному геологу РУ «Уртуйское» В.Н. Максимову; начальнику ОТК РУ «Уртуйское» Г.М. Голоскоковой; старшему научному сотруднику ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» Д.А. Крылову за содействие, консультации и оказанную помощь в проведении лабораторных и промышленных испытаний, подготовке и обработке полученных результатов.
Радиоактивность углей различных месторождений
Удельная активность естественных радионуклидов (ЕРН) в углях различных месторождений различается в 102 103 и более раз, хотя при усреднении данных по странам они становятся близкими друг к другу. В таблице 1 приведены удель-ные активности ЕРН в углях месторождений различных стран – основных произ-водителей угля по данным на 1988 г. [327].
В целом по миру ср. 20 ср. 20 ср. Вариации пределов удельной активности урана в угольных месторождениях мира составляют 0,63600 Бк/кг, а при наличии в районах месторождений урано-вых аномалий 3,68,4 104 Бк/кг [327]. Данные о содержаниях других ЕРН в углях ограничены. По аналитическим ис-следованиям Д.А. Крылова (2011), удельные активности 226Rа в углях разных стран следующие: угли США – ср. 22 Бк/кг; Австралии – 30–48 Бк/кг; ФРГ – ср. 26 Бк/кг; Чехословакии – 4–13 Бк/кг; Польши – 2–35 Бк/кг.
Радионуклидный состав углей типа антрацитовый штыб Восточного Донбасса, по проведенным в последние годы исследованиям, определяется следующими показателями: 238U – (766 Бк/кг); 226Rа – (344 Бк/кг); 232Th – (212 Бк/кг); 40К – (30020 Бк/кг). Отмечается широкая вариация содержаний ЕРН в этих углях, что может быть связано с ограниченностью числа проб. В многолетних исследованиях, проведенных учеными Томского политехниче-ского университета, изучена геохимия радиоактивных элементов в углях место-рождений и бассейнов Северной Азии (Сибири, Дальнего Востока, Казахстана и Монголии). Показано, что «…содержание урана в углях месторождений и бассей-нов Северной Азии изменяется от 0,6 до 32,8 г/т, а тория – от 0,8 до 32 г/т» [11]. Установлено, что средневзвешенное содержание урана в углях Сибирского регио-на с учетом колоссальных ресурсов Западно-Сибирского угольного бассейна со-ставляет 1,5 г/т. Эта цифра ниже оценки угольного кларка (среднего содержания химического элемента в углях мира) и соответствует среднему геометрическому содержанию U в бурых углях мира. Средняя оценка содержания тория для углей Сибири составляет 2,4 г/т. Рассчитанное региональное среднее содержание тория для Сибири ниже угольного кларка, но выше среднего геометрического содержа-ния тория в бурых углях мира [9, 10]. Участки высокорадиоактивных углей из-вестны в месторождениях Иркутского и Канско-Ачинского угольных бассейнов, а также в угольных месторождениях Забайкалья и Монголии. Угли Кузнецкого бассейна характеризуются как слаборадиоактивные, но часть угольных пластов бассейна отмечаются повышенными средними содержаниями урана и тория. Даже в пластах с низкими средними встречаются участки, обога-щенные радиоактивными элементами. Содержания урана в них могут существен-но превышать рекомендуемые предельно допустимые концентрации для почв. Промышленное использование таких углей в качестве топлива требует тщатель-ного изучения выбросов радиоактивных элементов при их сжигании, а использо-вание таких шлаков и зол в хозяйственных целях должно быть ограничено [108].
Практически на всех разрезах имеются локальные участки окисленных уг-лей. Последние требуют специального обращения, т.к. часто характеризуются аномально высокими активностями 226Ra. Кроме того, например, для углей Кан-ско-Ачинского бассейна (Березовский и Назаровский разрезы в Красноярском крае) установлены товарные угли с повышенной активностью радия [5,7]. Содер-жание урана и тория в добываемых углях Кузбасса находится в пределах допус-тимых значений, за исключением угля, добываемого из шахт «Бутовская», «им. Димитрова», «им. Шевякова» и на разрезе Итатский (Таблица 1.2) [309, 310].
В США в штате Южная Дакота обнаружили в ряде пластов лигнита (лигнит – бурый ископаемый уголь низкого сорта – наиболее молодой из ископаемых углей) аномальное содержание урана, которое достигало 1600–3200 г/т. По результатам исследований к 1958 г. на западе США были обнаружены промышленные место-рождения урана в углях. На 1956 г. достоверные запасы пластов ураноносных уг-лей с промышленным содержанием U3O8 на уровне 0,15–0,25 % составляли в шта-тах Северная и Южная Дакота 300 тыс. т, а потенциальные – 400 тыс. т [307].
В 1993–1997 гг. Институтом промышленной технологии Минатома России со-вместно с Институтом горного дела им. А.А. Скочинского были выполнены ра-диационные обследования российских угольных шахт. По результатам этих об-следований было показано, что в шахтах радиационная опасность обусловлена выделением 222Rn в воздушное пространство, присутствием 226Ra и 228Ra в углях и вмещающих породах [207]. Установлено, что на 24 % из 159 обследованных шахт значения эффективной дозы облучения отдельных работников достигают уста-новленного нормами радиационной безопасности (НРБ-99) предела 5 м3/год. Средняя по отрасли доза облучения подземного персонала близка к 2 м3/год, что приводит к увеличению примерно на 15 % общего риска смерти, связанного с до-бычей угля. На 14 шахтах дозы облучения на отдельных рабочих местах превы-шают 5 м3/год, что по законодательству требует введения режима радиационной безопасности. Угольные шахты являются источниками радиационного загрязнения не только персонала угольных шахт, но и облучения населения в городах и поселках с угле-добывающими предприятиями. Это происходит в результате извлечения из недр земли вместе с углём громадного количества естественных радионуклидов. Уста-новлено, что на поверхности земли, над отработанными угольными пластами, за-частую происходит увеличение потоков радона, значительно превышающее до-пустимые санитарные нормы [7].
Наиболее изученным из группы естественных радиоактивных элементов в уг-лях является уран. Остальные радиоактивные элементы изучены слабо и только на отдельных месторождениях. Имеющиеся на сегодняшний день материалы по изучению ЕРН в углях, к сожалению, не дают полного представления о характере их распределения, формах нахождения, генезисе и уровнях накопления ни в од-ном из угольных бассейнов. Среднее содержание урана (кларк) в углях, по Я.Э. Юдовичу, составляет 3,6 г/т [128, 129]. Содержание урана в большей части угольных месторождений не пре-вышает кларкового, но имеются месторождения, в которых это содержание превы-шено в несколько раз. Причем месторождения эти разрабатываются без всякого радиационно-гигиенического контроля, уголь используется на ТЭС, котельных и в частных домах. Зола и шлак, обогащенные в несколько раз ЕРН, накапливаются на огромных территориях, образуя с годами, по сути, техногенные месторождения ЕРН. Одной из основных проблем в решении данного вопроса, как в России, так и за рубежом, является слабая изученность угольных месторождений на наличие ЕРН. Результаты исследований радиоактивности бурых углей Забайкалья приведены в Главе 2.
Татауровское месторождение
Общие сведения. Месторождение сосредоточено в северо-восточной части Улетовского района, в 60 км к юго-западу от г. Чита в пределах центральной час-ти Читино-Ингодинской впадины, заключенной между горными хребтами Ябло-невым и Черского. Ширина впадины в районе месторождения от 8 до 18 км. По-верхность ее ровная, слабовсхолмленная с отметками 682–694 м. Татауровское месторождение открыто в 1950 г., промышленная ценность его установлена в 1963 г. при проведении поисковых работ. В 1964–1966 гг. детально разведана вос-точная часть месторождения, расположенная на правобережье р. Ингода, на ос-тальной части проведены поисково-оценочные работы [276, 349]. Стратиграфия. В геологическом строении месторождения принимают уча-стие осадочные отложения раннемелового и четвертичного возраста. Нижнемеловые отложения залегают с несогласием на размытой поверхности древних интрузивных образований и представлены доронинской и тигнинской свитами. Доронинская свита разделена на две подсвиты: нижнюю – конгломераты, гра-велиты, разнозернистые песчаники, верхнюю – песчаники, алевролиты и аргилли-ты. В пределах месторождения изучена только верхняя подсвита, в нижней части которой залегают серые алевролиты с прослоями песчаников, а верхняя часть представлена монотонной толщей серых и темно-серых аргиллитов и алевроли-тов. Мощность доронинской свиты, по данным геофизических исследований, оценивается в 700–800 м.
Тигнинская (угленосная) свита – согласно залегает на верхней подсвите доро-нинской свиты и связана с нею постепенными переходами. По степени угленасы-щенности в разрезе свиты выделяются два горизонта. Нижний горизонт представ-лен переслаиванием аргиллитов, алевролитов, разнозернистых песчаников с ма-ломощными пластами и пропластками бурых углей, быстро выклинивающимися на коротких расстояниях. Мощность горизонта изменяется от 30 до 110 м, состав-ляя в среднем 70 м. Верхний горизонт характеризуется резким преобладанием песчаников над алевролитами и аргиллитами и присутствием угольных пластов большой мощности. Фациально горизонт не выдержан, в восточной части место-рождения преобладают алевролитовые породы, в западной части – грубо-, сред-не- и мелкозернистые песчаники. С уменьшением в разрезе количества мелкозер-нистых пород наблюдается уменьшение угленосности. Мощность горизонта в центре месторождения достигает 160 м.
Четвертичные отложения включают плохо сортированный гравийно-га-лечный материал и, реже, линзы суглинков, супесей и песков, залегают повсе-местно на размытой поверхности нижнемеловых отложений. Их мощность обыч-но составляет 4,6–13,4 м, достигая на участках древнего вреза русла р. Инго- да 42,7 м.
Тектоника. Месторождение представляет собой брахисинклинальную складку северо-восточного простирания (Рисунок 2.4). Ширина складки в центральной части месторождения (в контуре выхода пласта III) составляет 5,4 км, длина 14 км, площадь ее в этом контуре 50,2 км2. Падение пород в восточном крыле струк-туры 3–6, в направлении к центру залегание пород выполаживается до горизон-тального. В западном крыле синклинали углы падения равны 7–8. Юго-восточ-ная часть структуры осложнена антиклинальным перегибом.
Угленосность месторождения связана с отложениями тигнинской свиты, в ко-торой выявлено более 15 угольных пластов и пропластков, из них промышленное значение имеют только три верхних пласта (сверху вниз): I, II и III. Пласты харак-теризуются спокойным залеганием и хорошо увязываются в разрезах. Угольные пласты и пропластки, заключенные в нижнем горизонте, маломощные (0,1–1,2 м) и выдержанные по мощности и площади, не увязываются в разрезе и не имеют промышленного значения. Пласт III – основной рабочий пласт, содержащий 66,3 % балансовых запасов угля месторождения, залегает на глубине от 6,12 м у выходов под четвертичные отложения до 150 м в осевой части синклинали, площадь распространения пласта 50,2 км. В западной и южной частях общая мощность пласта возрастает за счет увели-чения количества и мощности породных прослоев, в то время как суммарная мощность угольной массы резко сокращается. Мощность пласта изменяется от 1,8 до 19,8 м (средняя 7,7 м). Почва и кровля – преимущественно алевролиты и ар-гиллиты. В центральной части месторождения от пласта III отделяется пачка угля (0,2–3,6 м), которая по площади около 7 км2 приобретает характер самостоятель-ного пласта III б. Глубина залегания этого пласта изменяется от 135 у линии рас-щепления до 8 м на выходе под четвертичные отложения. В пределах участка де-тальной разведки мощность пласта IIIб довольно выдержанная (1,0–1,5 м). Строе-ние его в основном простое, кровля и почва включают аргиллиты, алевролиты и реже песчаники.
Пласт III a – верхняя отщепившаяся часть пласта III – распространен пре-имущественно в западной части месторождения на площади 13,3 км2. Глубина залегания пласта от 6 до 126 м (иногда 8–135,4), расстояние от вышележащего пла-ста II от 7 до 60 м, в среднем 30 м. Мощность пласта колеблется от 1,9 до 12,3 м, средняя мощность – 4,8 м. Строение пласта сложное (количество породных про-слоев достигает 7–10). Кровля, почва и породные прослои в основном состоят из разнозернистых песчаников, реже алевролитов и аргиллитов.
Пласт II залегает стратиграфически выше пласта III па глубине от 6–13 до 95 м, расстояние между ними изменяется от 1 до 68 м, составляет 44 м. Площадь рас-пространения пласта 22,5 км2. В восточной части месторождения пласт сливает-ся с пластом III, в полосе шириной 0,2–0,6 м пласт размыт. Промышленное зна-чение имеет только часть пласта, расположенная к северо-востоку от полосы размыва. Здесь он чаще простого строения. Мощность его колеблется от 0,2–0,5 м (у линии размыва) до 8,7 м (вблизи восточного выхода на поверхность), средняя мощность пласта составляет 3,5 м. В кровле пласта залегают преимущественно песчаники, реже алевролиты и аргиллиты; в почве встречаются как песчаники, так и глинистые породы примерно в одинаковых количествах.
Пласт I расположен в 23–50 м выше пласта II, залегает на глубине до 42 м непосредственно под четвертичными отложениями. Площадь распространения пласта составляет 12,3 км2. Пласт наиболее устойчив по мощности и строению в северо-восточной части месторождения, на остальной площади он характеризу-ется большей мощностью и сложным строением. Количество породных просло-ев составляет 6–14. Мощность пласта изменяется от 1,5 до 17,1 (средняя 8,5 м). Кровля его сложена песчаниками, алевролитами и аргиллитами, почва – аргил-литами, алевролитами, реже песчаниками [276, 349].
Качество и технологическая характеристика углей. По исходному мате-риалу из остатков высших наземных растений угли гумусовые принадлежат к классам гумолитов и фюзенолитов. Литотипный состав их сложный при широ-ком диапазоне сочетания петрогенетических типов и существенно различается у углей основных пластов. Все пласты сложены матовыми (49–78 %), полубле-стящими (22–28 %) и блестящими (12 %) углями (Таблица 2.5).
В вещественном составе углей преобладают гуминит (50–96 %), представлен-ный гумоколлинитом (30–50 %), гумодетринитом (20–25 %) и гумотеллинитом (10–20 %). Обычно мацералы группы гуминита образуют основную массу углей, в которую вкраплены фрагментарные мацералы, форменные элементы и мине-ральные примеси.
Разработка кондиций для оценки запасов угля по сортам с учетом радиоактивности
Для разделения угля по сортам с учетом их радиоактивности необходимо было определить степень негативного влияния продуктов сжигания угля на окру-жающую среду и биосферу в частности. Утверждающей методики расчета рассеяния радионуклидов в приземном слое атмосферы, учитывающей сочетание воздействия суммы ЕРН по пути поступле-ния в организм человека не было. В существующих справочных изданиях и мето-диках расчета рассеяния ЕРН были указаны отличающиеся друг от друга норма-тивы и приемы расчета. Поэтому разработана методика, основанная на оценке рассеяния золы от источника ТЭЦ, и на использовании данных по допустимым концентрациям ЕРН для лиц категории Б (ДКБ) в соответствии с «Нормами ра-диационной безопасности» (НРБ-76/87-99/2009) при условии поступления ЕРН только ингаляционным путем [192]. Категория Б – ограниченная часть населения, непосредственно не работающего с источниками ионизирующих излучений, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могущего подвергаться воз-действию радиоактивных веществ и других источников ионизирующих излуче-ний, применяемых в учреждении и (или) удаляемых в окружающую среду. 1. В качестве исходных для расчета поля рассеяния золы принимаются данные по фактическим выбросам ТЭЦ и расчетные предельно допустимые выбросы (разрешение на временно-согласованный выброс № 286 и том ПДВ, утвержден-ный областным комитетом по охране природы г. Читы). Полученные в результате расчета максимальные концентрации золы, Смах (в мг/м3 или долях предельно-допустимой концентрации для населенных мест, максимально-разовый) в при-земном слое атмосферы на границе санитарно-защитной зоны ТЭЦ, используются для оценки состояния приземного слоя атмосферы в плане его загрязнения радио-нуклидами, содержащимися в золе ТЭЦ. 2. Радионуклидный состав золы, выбрасываемый дымовыми трубами ТЭЦ, оп-ределялся радиохимическим анализом проб золы, отбираемой при сжигании уг-лей различного типа. 3. Результаты анализа по содержанию радионуклидов в золе (% или пКи/кг) пе-ресчитываются для определения их содержания в атмосфере (в пКи/м3) с исполь-зованием результатов расчета Смах золы в приземном слое атмосферы. 4. Путем сложения находится их суммарная активность (А), а суммарная до-пустимая концентрация (ДКБ) при этом рассчитывается по формуле, приведен-ной в разделе 3.6. НРБ–76/87 (НРБ–99/2009): где ДКБ – допустимая концентрация смеси радионуклидов для лиц категории Б, Ки /м3; i – номер радионуклида; Pi – относительное содержание i –го радионуклида в общей активности смеси, %; ДКБi – допустимая концентрация i –го радионуклида, пКи/ м3. 5. Определенное содержания суммы радионуклидов в Смах сравнивается с сум-марной допустимой концентрацией радионуклидов в атмосфере. 6. В случае если А ДКБ, сжигание угля с данными концентрациями радио-нуклидов возможно, а если А ДКБ определяется доля угля в смеси, т.е. шихте углей с различными содержаниями радионуклидов (при обязательном достиже-нии концентраций ЕРН в выбросах, дающих концентрацию в приземном слое ат-мосферы ниже ДКБ). 7. Результаты сжигания опытной партии угля на ТЭЦ показали, что содержание урана в угле увеличивается по сравнению с исходным углем в 3 раза. 8. Исходя из соблюдения требований п. 1.4 ОСП–72/87, п. 1.4.18 «Санитарных правил эксплуатации урановых рудников», ОСТ–95106–85 и ОСТ–9510230–86 (ОСПОРБ–99) о не превышении среднего содержания в золошлаке 0,002 %, сред-нее содержание урана в исходном угле должно составлять 0,0007 % (0,002 / 3 = 0,0007) [346]. 9. Для обеспечения такого среднего содержания в угле (с учетом контрастно-сти и неравномерности оруденения), верхним бортовым содержанием урана для потребительских углей (предназначенного для продажи населению) – принято 0,001 %. 10. Результаты сжигания опытной партии и расчеты, приведенные с использо-ванием этих данных, показывают, что для обеспечения установленных НРБ–76/87 (НРБ–99/2009) предельно допустимых выбросов по естественным радионуклидам при сжигании Уртуйского угля необходимо поддерживать среднее содержание урана не более 0,006 %. 11. Для обеспечения такого среднего содержания в угле (с учетом неравномер-ности и контрастности оруденения) верхним бортовым содержанием для энергети-ческого угля (предназначенного для сжигания на ТЭЦ ) принято – 0,01 %. 12. Все угли с содержанием урана более 0,01 % отнесены к углям комплексным. 13. Таким образом, временные кондиции по содержанию урана для углей Ур-туйского месторождения были установлены следующие: 1 сорт – потребительские – 0,0–0,001 %. 2 сорт – энергетические – 0,001–0,01 %. 3 сорт – комплексные – более 0,01 %. Что было утверждено протоколом № 109 от 05.06.1989 г. и подписано главным санитарным врачом СЭС г. Краснокаменск и Краснокаменского района. Следующий этап исследований проведен с 1991 по 1993 гг., совместно с ВНИПИ-промтехнологии и Института биофизики. Критериями подхода к решению задач исследования на этом этапе, так же стали требования норм радиационной безо-пасности о непревышении дозы облучения населения 1 мЗв в год и активности золошлаковых отходов, которые могут использоваться в строительных целях в населенном пункте - не более 370 Бк/кг. Исследования показали, что проявление радиоактивности связано с наличием в углях кроме урана, тория и калия-40, носит зональный характер и приурочено только к верхним частям пластов. Были выполнены обоснования применяемости этих углей по суммарной удельной активности (Аэфф). В расчетах учитывали условия сжигания углей и рас-сеяния ЕРН, закономерности поступления радиоактивных веществ по ингаляци-онной и пищевой цепочкам в организм животных и человека. На основе расчетов выведены формулы для определения дозы облучения человека, активности зо-лошлаковых отходов и предельных норм выбросов радиоактивных веществ в за-висимости от содержания ЕРН в углях. Результаты исследований использовались при разработке обоснований допустимых содержаний ЕРН в углях Уртуйского месторождения при сжигании на ТЭЦ и котельных, которые получили положи-тельные заключения Института биофизики, НИИ радиационной гигиены и Феде-рального Управления медико-биологических проблем при Минздраве РФ и стали основой для организации системы управления качеством угля по радиационному фактору.
Общие запасы радиоактивных углей в контуре разреза
Зараженность угольной массы ураном на ряде участков месторождения пре-допределяет необходимость рассмотрения допустимых условий сжигания углей на ТЭЦ и расчета объемов утилизации (захоронения) части комплексных углей. Основным нормативным параметром, определяющим возможность сжигания угольной массы, является величина предельно-допустимого выброса урана, кото-рая для условий Краснокаменской ТЭЦ определена расчетом и утверждена в раз-мере 3,1 т/год. Это потребовало определения общих запасов урана в пределах контура разре-за, а также общего количества угольной массы с повышенным содержанием ура-на, за счет которых может регулироваться количество урана в угле при годовом режиме усреднения. Наиболее достоверной является оценка радиоактивности углей, выполненная на стадии дополнительной разведки. Площади дополнительной разведки, на которых сосредоточены почти 70 % урансодержащих углей, оконтурены и оценены запасы этих углей. Как видно из таблицы 4.1, комплексные угли, доля которых около 7 % в общей угольной массе, содержат в себе около 40 % урана от общего его количества. Это позволяет регулировать содержание урана в углях при подготовке партий угля для отправки потребителям с заданным качеством. Поэтому все дальнейшие расчеты и обоснования выполнены для детально-разведанных запасов углей.
На эксплуатационные запасы урана распространены потери, принятые при подсчете запасов угольной массы. Ввиду отсутствия разубоживания среднее эксплуатационное содержание урана в угольных блоках соответствует содержанию в геологических блоках. Распределение эксплуатационных запасов угольной массы по сортам выполне-но на основании статистической обработки угольных интервалов скважин (Рису-нок 4.1) , опробованных на уран и использованных для подсчета среднего содер-жания урана. Критерием отнесения к сорту является среднее содержание урана по угольно-му интервалу в пределах принятых отметок горизонтов (высота уступа 12 м). Что в дальнейшем послужило основой для составления погоризонтных карт качества по радиационным параметрам. К комплексным отнесены интервалы с содержанием урана более 0,01 %, к по-требительским – с содержанием урана менее 0,001 %, все промежуточные значе-ния – к энергетическим. Подсчет эксплуатационных запасов комплексных углей выполнен по методике, принятой для подсчета запасов углей комплексных геологических блоков с со-хранением площади блока и определением новых коэффициентов рудоносности и средней угольной мощности. Энергетические и бытовые сорта разделены статистически для запасов угля в блоке за вычетом комплексного сорта пропорционально суммарному метражу и метропроцентам угольных интервалов.
Следует отметить, что среднее содержание урана в геологических блоках под-считано статистически, но в то же время количество урана в комплексных геоло-гических блоках не соответствует статистическому распределению. Поэтому при расчетах распределения эксплуатационных запасов углей по сор-там образуется «невязка» по урану (как положительная, так и отрицательная) в блоках 11-С1, 3-А, 12-С1, 27-С1 и 31-С1, отнесена в основном к энергетическому сорту углей. Сравнительный анализ таблиц 4.2 и 4.3 показывает, что при усреднении со-держания урана на высоту угольного уступа количество комплексного угля (без учета потерь) меняется незначительно (примерно на 3,5 %), а содержание урана в сорте сокращается на 11 %. Максимальное содержание урана в добываемых углях регламентируется сте-пенью эффективности улавливания золы – унос на ТЭЦ и объемом потребитель-ского угля, отгружаемого сторонним потребителям. Укрупненный расчет максимально допустимых содержаний урана в добывае-мых углях при полной производительности разреза и различной эффективности газоочистки приведен в таблице 4.4. Эффективность улавливания золы-унос на Краснокаменской ТЭЦ – 95 %, по-этому содержание урана в поставляемом на ТЭЦ угле не должно превышать 0,003 %. Пример расчета выбросов ТЭЦ г. Краснокаменск приведен в Главе 1. В основу расчета положена величина утвержденных ПДВ в размере 3,1 т/год и допущение о равномерном переходе урана при сжигании угля в золу – унос и шлаки без избирательного обогащения. Пример расчета плана добычи угля по сортам для подготовки партий угля за-данного качества приведен в таблице 4.5. Анализ сопоставлений распределения углей по сортам на горизонтах и в бло-ках с расчетами максимальных допустимых содержаний урана в углях и сопос-тавление расчетов, приведенных в таблицах 4.1 и 4.2, показывают, что, исполь-зуя подробную информацию о радиационном качестве угля, вынесенную на кар-ты качества по горизонтам и блокам, можно планировать отработку угля по го-дам с расчетным заданным качеством. Представленные расчеты выполняются ежегодно. В начале рассчитываются максимально допустимые содержания урана в углях, поставляемых на ТЭЦ г. Краснокаменск, которые учитываются при составлении годового плана добычи углей с учетом сортности. Обеспечение регламентируе-мых требований невозможно без эффективной системы планирования и управле-ния качеством углей по радиационным параметрам.
Похожие диссертации на Обоснование технологических способов управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов при открытой угледобыче
