Каплунов Ю.В., Климов С.Л., Красавин А.П. Экология угольной промышленности на рубеже XXI века

Подождите немного. Документ загружается.

Выполненный анализ имеющейся проектной и нормативно-мето-

дической документации показал, что проектные решения по гидрогеоло-

гическим условиям затопления шахт принимаются достаточно обосно-

ванно.

При ликвидации предприятий угольной промышленности в обязатель-

ном порядке предусматриваются мероприятия по снижению водоприто-

ков в шахту и загрязнения шахтных и подземных вод, к которым отно-

сятся:

засыпка провалов и карстовых воронок над выходами угольных плас-

тов с последующим выравниванием поверхности с целью ограничения

поступления в шахты поверхностных вод;

тампонаж неработающих водозаборных, разведочных и технических

скважин;

возведение водоупорных перемычек в горных выработках шахт перед

их закрытием для регулирования потока шахтных вод;

при значительных притоках на закрываемых шахтах сооружение про-

тивофильтрационных завес на пути потока подземных вод для изоляции

их выхода в горные выработки;

сооружение скважин вертикального дренажа для перехвата потока за-

грязненных подземных вод;

оборудование гидронаблюдательных скважин для ведения мониторин-

га за гидрогеологическим режимом подземных вод и изменением хими-

ческого состава водоносных комплектов в процессе и после затопления

горных выработок шахт.

Примером комплексного подхода к снижению водопритоков в горные

выработки действующих и отработанных шахт является Кизеловский

угольный бассейн, отличающийся, как известно, особо сложными горно-

геологическими и гидрогеологическими условиями (наличие крупных

синклинальных структур, тектоническая нарушенность, закарстован-

ность вмещающих пород, высокая водообильность, повышенная кислот-

ность шахтных вод). В основу реализуемых мероприятий положены ре-

зультаты проведенных МНИИЭКО ТЭК исследований формирования

водопритоков и обводненности горных выработок шахт, а также харак-

тера изменения гидродинамического режима водоносных комплексов под

влиянием горных разработок. В общем виде мероприятия по уменьше-

нию водопритоков в шахты Кизеловского бассейна сведены в четыре

группы (табл. 29).

Закрытие шахт Кизеловского бассейна позволяет сократить объемы

сброса шахтных вод в 3—4 раза. Однако это не снижает остроты про-

блемы: даже при ликвидации всех шахт на поверхность будет свободно

изливаться высокозагрязненная ионами различных металлов кислая

шахтная вода объемом около 2 — 3 тыс. м

/ч. С этой водой будет еже-

суточно сбрасываться более 25 т ионов железа, до 5 т ионов алюминия

и значительные количества токсичных элементов. Сброс этих вод без

очистки недопустим.

Для снижения объемов выхода на поверхность кислых шахтных вод

и уменьшения загрязненности воды подземных водоносных горизонтов

необходимо, как минимум, выполнение следующего комплекса водоох-

ранных мероприятий:

сооружение водонепроницаемых перемычек для гидроизоляции гор-

ных выработок, пробуренных в закарстованных карбонатных породах

(17 перемычек);

засыпка провалов, прогибов, трещин на поверхности шахтных полей

(на выходах угольных пластов) для предотвращения увеличения объемов

шахтных вод во время паводков и снижения их кислотности;

прокладка специальных трубопроводов и гидроизолированных лотков

для организованного сбора и отвода сточных вод с шахтных полей, про-

кладка нагорных канав возле провалов, устройство противофильтраци-

онных экранов для предотвращения фильтрации загрязненных шахтных

вод в подземные водоносные горизонты.

В формировании основного объема шахтных водопритоков решающее

значение имеют трещино-карстовые воды карбонатных визейских отло-

жений, обладающие большими статическими и динамическими запасами.

Вместе с тем они играют важную роль в водоснабжении населенных пунк-

тов и промышленных предприятий. Территории, подверженные влиянию

шахт, являются зонами повышенного риска для расположенных на них

питьевых водозаборов. При затоплении шахт будет происходить подъем

уровней сдренированных горными выработками подземных вод. Вместе

с подъемом уровней ожидается региональное загрязнение карбонатных

водоносных горизонтов. Для своевременного принятия мер по предот-

вращению загрязнения подземных питьевых водозаборов необходима ор-

ганизация и создание опорных пунктов мониторинга подземных вод с бу-

рением наблюдательных скважин (21 скв.).

Это позволит изучить гидродинамический режим поднятия уровней

подземных вод, особенности изменения и взаимодействия химического

состава различных водоносных горизонтов как во время затопления шахт,

так и в последующий период стабилизации гидрогеологических условий

в пределах отработанных структур.

2.5.4. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

ИЗЛИВОВ ШАХТНЫХ ВОД НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ

При ликвидации шахт в обязательном порядке должны быть также пред-

усмотрены мероприятия по доведению до требуемого качества каждого

вида стоков (самоизливающихся шахтных вод, стоков с промплощадки

предприятия и из-под породных отвалов, хозбытовых стоков) перед их

сбросом в поверхностные водоемы:

строительство новых очистных сооружений с применением наиболее

эффективных и экономичных методов;

реконструкция существующих очистных сооружений (если они не

обеспечивают нормативную очистку);

передача стоков на очистные сооружения рядом расположенных дей-

ствующих шахт.

Выбор водоохранных мероприятий определяется их эффективностью,

экологической и экономической целесообразностью на основе сравнения

возможных вариантов.

Примером решения этой проблемы может стать Кизеловский уголь-

ный бассейн.

К настоящему времени 15 малых и средних рек Кизеловского уголь-

ного бассейна в результате сброса кислых шахтных вод превращены в

сточные канавы. Берега и русла этих рек-водоприемников приобрели

кислую реакцию (рН 2,8—4, концентрация ионов железа до 130 мг/дм

)

и оказывают негативное влияние на другие крупные реки (Яйва, Косьва,

Чусовая), являющиеся притоками реки Камы. Образован ряд искусст-

венных кислых водоемов общим объемом 3,6 млн м

, заполненных тех-

ногенными отложениями. Складирование токсичных пород на отвалах и

терриконах, а также покрытие токсичной пылью промплощадок пред-

приятий привели к закислению прилегающих территорий, стоков пород-

ных отвалов и поверхностных вод с промплощадок шахт и загрязнению

тяжелыми металлами.

После закрытия шахт накопленные техногенные загрязнения в водных

объектах и на огромных площадях региона остаются постоянным источ-

ником негативного воздействия на окружающую среду.

Для устранения негативных экологических последствий производст-

венной деятельности закрываемых и ранее закрытых шахт и восстанов-

ления воды в реках-водоприемниках необходимо выполнить комплекс

природоохранных мероприятий, включающих очистку кислых шахтных

вод, стоков породных отвалов и промплощадок шахт, а также мероприя-

тия по оздоровлению рек-водоприемников.

МНИИЭКО ТЭК для большинства шахт рекомендуется изливающую-

ся из шахт кислую воду очищать до ПДК с последовательным примене-

нием процессов нейтрализации, осветления и обработкой извлеченных

осадков. Для некоторых шахт кислую шахтную воду рекомендовано пере-

брасывать самотеком по поверхности на соседние шахты, изливающаяся

вода которых будет подвергаться полной очистке.

Первый этап очистки предусматривает применять двухрежимную ней-

трализацию с использованием в основном сухой гранулированной извес-

ти. Для некоторых шахт рекомендуется использовать известковую сус-

пензию или пасту. На большинстве установок нейтрализация проводится

в сочетании с оборотным осадком.

Второй этап — осветление нейтрализованной воды — осуществля-

ется в наклонных отстойниках. Выделенный осадок подвергается меха-

ническому обезвоживанию и термосушке или сушке на воздухе под на-

весом. Высушенный осадок по соответствующей технологии подвергает-

ся переработке на товарный продукт.

Стоки породных отвалов обезвреживаются в зависимости от условий

их формирования. Установлено, что из-под породных отвалов, кроме пе-

риодически дренирующихся стоков, которые формируются только за счет

атмосферных осадков (снеготаяние, дожди), в ряде случаев наблюдаются

постоянно изливающиеся стоки.

Концентрация загрязняющих компонентов в стоках породных отвалов

в 8—15 раз больше, чем в кислых шахтных водах.

Для периодически изливающихся стоков разработана технология по

предотвращению их закисления. Внедрение этой технологии рекоменду-

ется проводить в сочетании с рекультивацией поверхности породных от-

валов. Технология по предотвращению закисления стоков породных от-

валов включает следующие процессы:

орошение породы отвала рабочим раствором реагента № 1;

обработка породы отвала реагентом № 2 (сухим дозированием) после

мокрой обработки реагентом № 1 с интервалом не более 3—5 ч;

организованный сбор и отведение нейтральных стоков породных от-

валов.

При наличии стоков породных отвалов с постоянным изливом прове-

дение рекультивации практически не должно отражаться на их составе.

Некоторое снижение загрязнения может наблюдаться только за счет раз-

бавления стоками периодического излива. Эти стоки должны локализо-

ваться и подвергаться соответствующей очистке с применением стацио-

нарных или передвижных установок. Очистке подлежит весь объем стока.

Что касается других угольных бассейнов и месторождений страны, то

анализ ТЭО на ликвидируемые предприятия показал, что существующее

состояние очистки, объемы и качество сбрасываемых стоков на момент

ликвидации и после нее предоставлены достаточно полно, при этом наи-

более подробно рассмотрены условия сброса шахтных и карьерных вод.

Установлено, что попутно забираемые воды всех рассмотренных пред-

приятий подвергаются очистке механическим либо физико-химическим

методом. Однако в силу ряда причин (несоответствие объема сбрасыва-

емых стоков мощностям очистных сооружений, отсутствие реагентов, за-

иливание отстойников, большой срок эксплуатации и т.д.) качество

очистки не соответствует предъявляемым требованиям и сточные воды

поступают в водоемы с превышением норм ПДС.

Целью принятых в рассмотренных ТЭО водоохранных решений яви-

лось прекращение отрицательного воздействия на поверхностные водо-

емы либо путем доведения качества сбрасываемых сточных вод (если

таковые имеются после ликвидации предприятия) до ПДС, либо путем

полного прекращения поступления последних в водоемы.

Для шахтных и карьерных вод приняты следующие проектные реше-

ния:

строительство новых очистных сооружений на прогнозируемый водо-

приток (предприятия АО «Кизелуголь»);

передача на очистные сооружения рядом расположенных шахт с их

предварительной реконструкцией (шахта «Байдаевская» АО «Кузнецк-

уголь»);

организация спуска в ранее погашенные шахты с предварительным

длительным отстаиванием в существующих карьерных выемках (шахта

«Красный Углекоп» АО «Прокопьевскуголь»);

заполнение горных выработок естественным путем до первоначаль-

ного уровня грунтовых вод и организация контроля за влиянием ликви-

дированного предприятия на природную среду в период стабилизации гид-

родинамического режима (шахта «Батуринская» и разрез «Батуринский»

АО «Челябинскуголь»).

2.5.5. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ВЗРЫВООПАСНЫХ СКОПЛЕНИЙ МЕТАНА

ПРИ ЛИКВИДАЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

При разработке проектов закрытия угольных шахт большое внимание

уделяется проблеме обеспечения экологической безопасности, имеющей

применительно к земной поверхности два основных аспекта:

геомеханический, т.е. меры по предотвращению опасных сдвижений

и провалов земной поверхности;

природоохранный, т.е. мероприятия по планировке и рекультивации

породных отвалов, осушению прудов-отстойников, рекультивации пром-

площадок и т.д.

Однако в условиях Донбасса существует еще одна недостаточно изу-

ченная группа явлений. Взрывы при ликвидации вертикальных стволов

в Чехии (1963 г.), Германии (1977 г.) и Голландии (1992 г.), повлекшие

за собой человеческие жертвы, показали, что для газовых шахт необхо-

димо особо выделять вопросы предупреждения образования взрывоопас-

ных скоплений метана в погашаемых горных выработках и примыкающих

к ним участках промплощадок.

Практика ликвидации шахт в угледобывающих странах Европы по-

казывает, что газовую безопасность можно обеспечить за счет достовер-

ного прогноза выделения и миграции метана, эффективной вентиляции

горных выработок и прилегающих к ним территорий и контроля за со-

стоянием атмосферы в местах возможного скопления метана.

Основой достоверного прогноза метановыделения и миграции газа яв-

ляются оценка объемов выделения метана в подземные выработки, вы-

явление путей выхода газа на поверхность и определение возможных зон

его скопления. Решение этих задач существенно усложняется неизбеж-

ным изменением вентиляционной сети ликвидируемой шахты и режима

работы вентиляторов главного проветривания (ВГП). Отдельно оцени-

ваются максимальные объемы метана в старых выработках, из которых

возможен его подсос в засыпаемые стволы.

Важным моментом является установление зон возможного скопления

или выделения метана на земной поверхности вокруг стволов. Особое

внимание при этом необходимо обратить на примыкающие к ним выра-

ботки (каналы, ходки и др.) и места выхода на поверхность геологических

нарушений, крупных разломов или трещин. Отдельно оцениваются пере-

секаемые стволами породы на склонность их к размоканию и выщела-

чиванию. Их наличие может после ликвидации шахты привести к разви-

тию нежелательных и опасных геомеханических, гидрогеологических и

фильтрационных процессов.

На основе выполненного прогноза по конкретным ликвидирующим

объектам принимаются следующие решения:

обосновывается схема расположения и установки перемычек в при-

мыкающих к стволу выработках;

определяются места отбора проб воздуха в заперемыченных выра-

ботках и точки расположения датчиков дистанционного автоматического

контроля содержания метана;

выделяются зоны, опасные для использования электрооборудования

(примерно в радиусе до 20 м от мест возможного появления метана на

поверхности);

определяется очередность разборки (сноса) поверхностных зданий или

сооружений, препятствующих эффективному естественному проветрива-

нию промплошадки.

Важнейшей мерой по предотвращению и ликвидации взрывоопасных

концентраций метана является эффективная вентиляция горных выра-

боток и примыкающих к ним территорий. Ее организация и функциони-

рование включают два основных этапа.

На первом этапе, когда осуществляются подготовительные работы

на поверхности, демонтаж основного подземного оборудования и подго-

товка к засыпке стволов, вентиляторы главного проветривания работают

в нормальном режиме. До завершения этих работ выделяется сеть не

погашенных горных выработок, обеспечивающих «малый вентиляцион-

ный круг», необходимый для полной ликвидации шахты. При этом «не-

нужные» выработки заперемычиваются.

Второй этап проветривания начинается с сооружения на нижнем го-

ризонте воздухоподающего ствола бетонных опорно-изоляционных пере-

мычек со специальной системой металлических труб для проветривания

Эти трубы обеспечивают поступление свежей вентиляционной струи на

уровень перемычек и фильтрацию метана из нижерасположенного за-

кладочного массива. При этом засыпка вентиляционного ствола должна

отставать на один горизонт (первым должен быть ликвидирован возду-

хоподающий ствол), а вышерасположенные выработки проветриваются

в обычном режиме.

В процессе ликвидационных работ необходимо постоянно контроли-

ровать расход воздуха и устойчивость проветривания шахты. Для этой

цели на стадии проектирования закрытия шахты должны быть разрабо-

таны схемы вентиляции в соответствии с плановыми этапами погашения

горных выработок. Особое внимание должно быть уделено сохранению

заданного расхода и направления движения воздуха в горных выработках

при изменении (увеличении или уменьшении) аэродинамического сопро-

тивления элементов сети.

После полной засыпки стволов отвод газа из закладочного массива

осуществляется по дегазационным трубам диаметром примерно 100

150 мм, выведенным на поверхность через перекрытия стволов и зава-

ренным с торцов мелкой металлической сеткой. Перфорированная часть

труб длиной не менее 10 м размещается ниже разломов, трещин в nepе-

секаемых стволами породах, по которым возможна фильтрация газа на

поверхность. В любом случае эта часть дегазационных труб должна на-

ходиться ниже уровня коренных пород.

Гарант газовой безопасности и предотвращения взрывов — надеж-

ный контроль состояния атмосферы в местах возможного скопления ме-

тана. Опыт показывает, что наиболее сложным является контроль кон-

центрации метана при ликвидации (засыпке) стволов. При этом необхо-

димо одновременно осуществлять два режима контроля: периодический

и непрерывный. Периодический контроль состояния атмосферы в стволе

обязательно должен производиться:

перед началом очередного цикла засыпки;

после остановки работ по засыпке более чем на 3 ч;

по окончании засыпки очередного горизонта ствола;

при изменении атмосферного давления более чем на 5 ГПа;

при регистрации повышенного содержания метана стационарными

датчиками, которая сопровождается аварийным сигналом.

Практически этот вид контроля представляет собой зондирование

ствола на содержание метана по всей его высоте от уровня закладки и

до поверхности.

Постоянный контроль содержания метана в атмосфере ствола осу-

ществляется дистанционными автоматическими датчиками. В соответст-

вии с инструкциями, разработанными в Англии, Германии и Чехии, дат-

чики постоянного контроля должны устанавливаться в стволах на глубине

не менее 50 м от поверхности. Превышение концентрации метана более

установленной на 1% оповещается звуковым и световым сигналами.

В инструкциях Англии предусмотрен дистанционный отбор проб воздуха

вакуумными воздухозаборниками на различных глубинах ствола для ана-

лиза их на содержание метана, кислорода и окиси углерода. С этой целью

в дегазационную трубу, оставленную в стволе, помещается «пучок» ре-

зиновых трубок для отбора проб воздуха на различных глубинах (для каж-

дой глубины свой цвет трубки). Автоматическими вакуумными газоана-

лизаторами осуществляется одновременный отбор проб и производится

запись самописцами содержания газов на разных глубинах ствола. При

концентрации метана более 1 % засыпка ствола приостанавливается. Это

сложная, но весьма эффективная схема контроля атмосферы позволяет

оперативно управлять процессом проветривания ствола.

При обнаружении взрывоопасных скоплений метана применяются

специальные меры по их ликвидации. Наиболее эффективными из них

являются:

остановка работ по закладке ствола до момента снижения концент-

рации метана под влиянием изменения барометрического давления или

естественной дегазации;

разгазирование ствола вентилятором местного проветривания;

остановка или реверсирование вентилятора главного проветривания;

искусственное увеличение перепада давления от устья ствола до уров-

ня закладки. На практике это осуществляется путем добавления воды к

закладочному материалу, что приводит к перепаду давления в зоне за-

сыпки ствола;

инертизация атмосферы в стволе путем подачи на уровень закладки

инертных газов (например, азота). Эта мера была использована в 1977 г.

при закрытии шахты «Саксен» в Германии. Более перспективным в на-

стоящее время представляется применение углекислого газа, который,

будучи тяжелее воздуха, способен вытеснять метановоздушную смесь из

ствола. Для создания безопасной атмосферы содержание СО

в ней

должно составлять примерно 40%, что достигается подачей 2 кг жидкого

СО

на 1 м

ствола. При инертизации атмосферы необходим контроль

содержания не только метана, но и кислорода.

Следует отметить, что вопросы метановой безопасности должны про-

рабатываться индивидуально для каждой шахты и каждого

ликвидируе-

мого ствола на основе детального изучения и анализа конкретных усло-

вий, выполнения соответствующих расчетов и моделирования. Меры,

представленные выше, следует рассматривать не как универсальный

набор стандартных решений и рекомендаций, а как описание общих прин-

ципов и подходов к затронутой проблеме.

2.5.6. РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОДЗЕМНОГО

ПРОСТРАНСТВА ЗАКРЫВАЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Под освоением подземного пространства в настоящее время понимается

изучение и использование его природных ресурсов для размещения в не-

драх различных объектов. Подземное пространство страны является

одним из важнейших ее ресурсов, освоение которого позволяет хотя бы

частично решить такие глобальные проблемы, как сохранение земли,

энергосбережение, экология [31].

Освоение подземного пространства развивается по трем основным

направлениям: строительство различных новых подземных сооружений

целевого назначения; использование естественных полостей недр; по-

вторное использование техногенного подземного пространства горных

предприятий. Наиболее актуальным и наименее развитым в настоящее

время представляется последнее.

В настоящее время в различных стадиях ликвидационные работы ве-

дутся на 105 шахтах, и на 55 из них уже произведена ликвидация горных

выработок и демонтаж поверхностных зданий и сооружений.

В этих условиях гораздо более перспективным и актуальным пред-

ставляется не избавление от обременительного груза худших предпри-

ятий, а их переориентация и функционирование в новом качестве за счет

повторного использования имеющегося георесурса — сети капитальных

и подготовительных горных выработок. Ежегодные дотационные расходы

на поддержку средней убыточной шахты составляют до 40 млн руб. На-

правление этих денег на новое функциональное назначение уже имею-

щихся капитальных выработок позволяет частично, а где-то и полностью

решить социальные, технико-экономические и экологические проблемы

Кроме того, ежегодно, даже без закрытия шахт естественным образом

«погашается» до 25% капитальных горных выработок, закрепленных

долговечными конструкциями крепи — металлической, железобетонной

и бетонной. Это расточительное использование и уничтожение имеюще-

гося подземного техногенного георесурса в сложившейся социально-эко-

номической обстановке в стране является непродуманным и недопусти-

мым [32].

Техногенное подземное пространство, образующееся при подземной

разработке месторождений полезных ископаемых, в настоящее время

практически невостребовано, а его объемы огромны. Достаточно сказать,

что объем только вскрывающих и подготовительных выработок с боль-

шим сроком службы и хорошим доступом к ним с поверхности составляет

на шахте среднего масштаба (производительностью 1 млн т в год) 600 -

1200 тыс. м

, объем рабочего (отрабатываемого) пространства очистных

забоев, равный объему вынимаемого угля, составляет около 500 тыс. м

в год. Если учесть ориентировочно все шахты и рудники страны, то объем

их подземного пространства составляет 1 млрд м

капитальных и подго-

товительных горных выработок и 500 млн м

в год — очистных.

Наряду с этим на поверхности создаются «горы» продуктов перера-

ботки использования минерального сырья, промышленных и хозяйст-

венных отходов. Известно, что выданная из шахты порода вместе с «хвос-

Т А М И » обогащения и золой сжигания угля формирует объем отходов, до-

стигающий 120 млн т в год. Проблема освобождения поверхности от

этого пока бесполезного материала, постоянно «загрязняющего» окру-

жающую среду, беспокоит все страны.

Огромные объемы пустой породы, складируемой на поверхности, от-

ходы золы, шлаков теплоэлектростанций, металлургических и коксохи-

мических заводов, порода обогатительных фабрик характеризуются

циф-

рой в 12 млрд т в год. Только угольная промышленность «поставляет»

болee 1 млрд т в год породных отходов. Ущерб пылевого, газового и

гидрогеологического воздействия на плодородие почвы, на растительный

и животный мир сравним с потерей 15—20% национального дохода.

Темп накопления упомянутых материалов в последнее время столь

Высок, что создает реальную угрозу глобальной экологической катастро-

фы Особенно остро эта проблема стоит для московского региона, где

на сравнительно небольшой территории проживают около 17 млн чел.

и поэтому высок уровень потребления всех видов ресурсов, естествен-

но, и уровень образующихся отходов, который уже достиг «предела

роста» [33].

Вместе с тем огромные объемы подземного пространства в виде гор-

ных выработок различного срока существования, форм и мест располо-

жения на шахтах и рудниках остаются без пользы, погашаясь, как пра-

вило, естественным образом.

Проблема повторного использования горных выработок, образован-

ных в результате добычи полезного ископаемого, для целей размеще-

нии в них различных объектов народного хозяйства и отходов производ-

ства, особенно в связи с массовым закрытием угольных шахт, и осво-

бождения огромных подземных пространств приобретает все большее

значение для решения экономических, экологических и социальных

задач. В фондах государственного учета подземных выработок, пригод-

ных для повторного использования, на долю горных предприятий при-

ходится лишь 9%.

Различают следующие причины этого положения: организационные

(ведомственная разобщенность предприятий, осуществляющих добычу

полезных ископаемых, и предприятий, которые могут использовать под-

земное пространство в новом функциональном качестве; отсутствие еди-