Повышение экологической безопасности водоемких процессов добычи угля в Кузбассе Скрынник, Леонид Степанович

Введение к работе

Актуальность проблемы. На современном этапе развития экономики и формирования рыночных отношений в Российской Федерации охрана природы и рациональное использование природных ресурсов становится одной из важнейших задач общества. В Постановлениях правительства и Указах Президента России говорится о необходимости повышения эффективности мер по охране природы, широкого внедрения прогрессивных технологических процессов, развития комбинированных производств, обеспечивающих полное и комплексное использование природных ресурсов, сырья и материалов, исключающих или существенно снижающих вредное воздействие на окружающую среду.

Одним из видов производственной деятельности, наиболее сильно влияющих на состояние окружающей среды, является разработка месторождений полезных ископаемых. При их разработке изменяется естественный рельеф местности, нарушается гидрогеологический режим региона, загрязняются водные объекты и воздушная среда.

Остро вопрос охраны природы стоит в крупных топливно-энергетических комплексах восточных районов страны, в которых происходит интенсивная добыча угля. Одним из таких районов является Куз-басс^ где в настоящее время добывается более 100 млн.т угля в год. Высокая концентрация угледобывающих и перерабатывающих предприятий в бассейне, территория которого составляет всего 26,7 тыс.км², развитие открытого способа добычи наряду с густой населенностью и развитыми химической, металлургической и другими отраслями промышленности, создают сложную экологическую обстановку.

Ситуация усугубляется высокой стоимостью природоохранных объектов, сложностью изыскания средств на финансирование, отсутствием в ряде случаев научно обоснованных рекомендаций по снижению отрицательного воздействия горных работ на окружающую среду и ликвидации последствий этого воздействия.

Существенное влияние на природные объекты оказывают процессы горного производства, в которых обращаются большие объемы воды, загрязненной взвешенными веществами, а именно: шахтный и карьерный водоотлив, гидравлическая закладка и заиловка выработанного пространства, гидровскрышные работы на карьерах. Низкая эффективность разделения таких дисперсных систем как шахтные и карьерные воды, отработанная вода при гидравлической закладке и заиловке, гидровскрышная пульпа приводит к сбросу неочищенных стоков сверх существующих норм в водоемы, потерям земли под гидроотвалами, ухудшению санитарно-гигиенических условий труда горнорабочих и, в целом, росту экологической напряженности в зоне действия предприятия. Снижение вредного влияния добычи полезных ископаемых на окружающую природную среду в районах с развивающейся горной промышленностью является крупной научной проблемой, имеющей важное социальное и народнохозяйственное значение.

Работа выполнялась в соответствии с Региональной программой "Сибирь" (программа "Охрана природы индустриальных районов Сибири на примере Кузбасса") и целевой комплексной программой "Обеспечение комплексного использования основных видов минеральных ресурсов" и обобщает результаты более 10 научно-исследовательских тем и самостоятельных этапов исследований Кузбасского государственного технического университета, выполненных в период 1971- 99 гг. при непосредственном участии автора.

Цель работы - установление новых и уточнение существующих закономерностей массопереноса при водоемких технологических процессах гидрозакладки, заиловки и гидровскрыши для разработки теоретических положений экологически эффективных технологий и технических средств, обеспечивающих рациональное использование водных ресурсов.

Идея работы заключается в том, что экологическая эффективность технологий и технических средств процессов гидрозакладки, заиловки и

идровскрыши, обеспечивающих рациональное использование водных >есурсов, достигается в результате использования эффекта кольмата-иіи дисперсных частиц, обработанных флокулянтами при управлении фильтрационными потоками в породных массивах.

Основные теоретические положения, защищаемые автором:

1. Экологическая опасность гидравлической закладки выработанного пространства, профилактического заиливания, гидровскрыш-гых работ обусловлена высокой концентрацией дисперсных частиц в отработанной воде и низкой эффективностью используемых способов їх осаждения.

2. При обороте воды происходит ее насыщение взвешенными городными частицами и изменение их дисперсного состава в сторону уменьшения среднего размера, поэтому экологически рациональным направлением удаления дисперсных частиц является их осаждение в техногенных породных массивах, образуемых, в процессе горного производства.

3. Для предупреждения сброса концентрированных суспензий в водные объекты и обеспечения замкнутости систем водоснабжения технологических процессов коэффициент улавливания взвешенных частиц її каждом цикле оборота воды должен составлять не менее 0,8 - 0,9.

4. Пространственно-временные изменения структурных и фильтрационных характеристик техногенных породных массивов, обусловленные составом и свойствами исходного материала, способом их возведения, и характером последующих на них воздействий, являются причиной формирования массивов с различной водопроницаемостью н режимами фильтрации, а уплотнение и проилнвание крупнокусковых породных массивов приводит к переходу от турбулентной фильтрации суспензии в породных массивах к ламинарной фильтрации.

5. Безнапорная фильтрация оборотных вод в техногенных массивах из круппокускозых горных пород сопровождается

элиминированием взвешенных частиц в порах массива и, соответственно, осветлением воды, а интенсивность элиминирования зависит от структурных характеристик фильтрующего массива и дисперсной фазы.

6. Управление интенсивностью элиминирования дисперсных частиц и осветления воды обеспечивается агрегатированием дисперсной фазы с помощью полимерных флокуляшов. При этом необходимым условием применения полимеров в гидрозакладочных и заиловочных комплексах шахт является сохранение их флокулирующей активности при гидродинамическом и механическом воздействиях в пульповодах.

7. Очистка оборотных вод от загрязняющих их взвешенных дисперсных частиц с утилизацией осадка в техногенных породных массивах позволяет замкнуть системы водоснабжения водоемких технологических процессов горного производства и снизить ущерб, наносимый окружающей природной среде.

Методы исследования. Для решения проблемы использовался комплексный метод, включающий обобщение и анализ литературных источников и данных практики, экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях фильтрации воды и переноса взвесей в кусковых породных массивах, применение математического и физического моделирования структуры природных массивов и фильтрования в них взвесей, широкую промышленную проверку результатов и рекомендаций на шахтах и разрезах Кузбасса.

Достоверность научных положений подтверждается экспериментальными исследованиями, выполненными в лабораторных и натурных условиях процесса фильтрации и переноса взвесей в кусковых породных массивах, с использованием современных методов; сходимостью результатов статистического моделирования на ЭВМ и аналитических исследований структуры кусковых массивов и кольматации в них диспергированных веществ с экспериментальными данными; положительными результатами промышленных испытаний и внедрения

разработанных рекомендаций на шахтах и разрезах: "Коксовая", "Но-градская", им. Ворошилова, "Южная", "Грамогеинское шахтоуправление", "Черпиговсц", "Красногорский", "Томусинский" и другие.

Научная новизна разработанных теоретических положений заключается в следующем:

предложена методика расчета фильтрации взвесенесущих потоков в кусковых породных массивах, образующихся при разработке месторождений полезных ископаемых, отличающаяся тем, что в ней учитываются наличие фильтрационных зон в породных массивах и изменение характера основного закона фильтрации, обусловленные воздействием сил горного давления, собственного веса пород и условиями формирования;

предложены способы очистки высококонцентрированных суспензий от взвешенных веществ, отличающиеся тем, что элиминирование и утилизация дисперсных частиц осуществляется непосредственно в техногенных массивах, формируемых из горных пород без предварительной их подготовки и сортировки;

предложен способ повышения интенсивности элиминирования дисперсных частиц в техногенных породных массивах, отличающийся тем. что повышение интенсивности элиминирования достигается изменением структурных характеристик дисперсной фазы с помощью высокомолекулярных синтетических флокулянтов;

разработана математическая модель накопления многофракци-онпых дисперсных частиц при повторном использовании технологической воды в гидрозакладочных и заиловочных процессах на угольных шахтах;

обоснованы принципы создания локальных, замкнутых технологических схем водоснабжения гпдрозакладочпых и заиловочных комплексов на основе осаждения взвесей в техногенных породных массивах с помощью синтетических флокулянтов, отличающиеся высокой технологичностью и эколого-экономической эффективностью.

Практическая ценность работы состоит в разработке технологии очистки промышленных сточных вод горнодобывающих предприятий от взвешенных веществ фильтрованием в массивах из отходов горного производства с использованием флокулянтов, а также способов снижения выноса мелких фракций при заиловке и гидравлической закладке выработанного пространства крупнокусковыми и зернистыми закладочными материалами, и сокращение потерь земли при гидравлических работах на разрезах.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при создании экологически безопасных схем водоснабжения гидрозакладочных и заиловочных комплексов, а также гидровскрышных работ на разрезах Кузбасса.

Рекомендации по приготовлению рабочих растворов флокулянтов, их дозированию и режиму подачи в технологические суспензии положены в основу нормативно-технических документов: "Временное руководство по использованию синтетических флокулянтов для очистки и удержания мелких частиц в закладочном массиве при гидравлическом способе закладки", утвержденное ОАО "Прокопьевскуголь" и "Рекомендации по формированию изоляционных барьеров в выработанном пространстве наклонных и пологих пластов шахт Кузбасса", утвержденные ГТУ "Главкузбассуголь".

Научные и практические результаты включены в учебные пособия: "Рациональное использование и очистка воды при разработке угольных месторождений Кузбасса" (1982г.), "Охрана водных ресурсов на шахтах и разрезах Кузбасса" (1996г.), а также используются при чтении курсов "Охрана природы", "Природопользование" и "Экономика природопользования" для студентов горных специальностей.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных семинарах по охране окружающей среды на предприятиях Минуглепрома СССР (г.Москва, 1976,

1989гг.), на Республиканских конференциях по проблемам охраны окружающей среды в районах с интенсивно разливающейся промышленностью (г.Кемерово, 1979, 1982гг.), на шестой Всесоюзной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов по физике горных пород и процессов (г.Москва, 1977г.), па Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири и задачам ускорения научно-технического прогресса (г.Кемерово, 1985г.), на Всесоюзной конференции "Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений" (г.Москва, 1989г.), на научно-практической конференции по проблемам улучшения работы предприятий в условиях перехода к рыночной экономике (г.Кемерово, 1990г.), на второй научно-технической конференции "Экологические проблемы горного производства и размещения отходов" (г.Москва, 1995г.), на первой международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г.Тула, 1996г.), па третьей Международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (г.Кемерово, 1999г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано п 36 печатных работах, включая два учебных пособия.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения шести глав и заключения, списка литературы из 137 наименований литературных источников отечественных и зарубежных авторов и семи приложений. В ней содержится 288 страниц машинописного текста, в том числе 65 рисунков и 32 таблицы.