Повышение экологической безопасности водоемких процессов добычи угля в Кузбассе

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 Кузбасс, 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. км, 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 гидровскрыши, обеспечивающих рациональное использование водных ресурсов, достигается в результате использования эффекта кольматации 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, гидровскрышных работ обусловлена высокой концентрацией дисперсных частиц в отработанной воде и низкой эффективностью используемых способов их осаждения.

2. При обороте воды происходит ее насыщение взвешенными породными 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 в 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 и режимами фильтрации, а уплотнение и проиливание 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 крупнокусковых 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 флокулянтов. При этом необходимым условием применения полимеров в гидрозакладочных и заило-вочных 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 методовсходимостью результатов статистического моделирования на ЭВМ и аналитических исследований структуры кусковых массивов и кольматации в них диспергированных веществ с экспериментальными даннымиположительными результатами промышленных испытаний и внедрения разработанных рекомендаций на шахтах и разрезах: «Коксовая», «Ноградская», им. Ворошилова, «Южная», «Грамотеинское шахтоуправление», «Черниговец», «Красногорский», «Томусинский» и других.

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 многофракционных дисперсных частиц при-повторном использовании технологической воды в гидрозакладочных и заиловочных процессах на угольных шахтах;

— обоснованы принципы создания локальных, замкнутых технологических схем водоснабжения гидрозакладочных 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 «Прокопьевск-уголь» 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 развивающейся промышленностью (г.Кемерово, 1979, 1982гг.), на шестой Всесоюзной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов по физике горных пород и процессов (г.Москва, 1977 г.), на Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири и задачам ускорения научно-технического прогресса (г.Кемерово, 1985 г.), на Всесоюзной конференции «Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (г.Москва, 1989 г.), на научно-практической конференции по проблемам улучшения работы предприятий в условиях перехода к рыночной экономике (г.Кемерово, 1990 г.), на второй научно-технической конференции «Экологические проблемы горного производства и размещения отходов» (г.Москва, 1995 г.), на первой международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г.Тула, 1996 г.), на третьей Международной научно-практической.

13 конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г.Кемерово, 1999 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 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.

238 Выводы.

1. Основным элементом замкнутых систем водоснабжения водоёмких технологических процессов добычи угля, служащим для улавливания и утилизации накапливающихся в оборотной воде тонкодисперсных породных частиц, могут служить техногенные породные массивы: отвалы пустых пород, закладочные массивы из кусковых материалов, обрушенные породы выработанных пространств. Такое использование породных массивов соответствует целям их образования и наиболее оптимально вписывается в технологический процесс.

2. При небольших размерах породных массивов, когда не обеспечивается необходимая степень осветления воды для повторного её использования, повышение эффективности осаждения взвесей при фильтрации воды в массиве достигается путем обработки исходных гидрозакладочных и заиловочных смесей синтетическими флокулян-тами. Для приготовления и ввода рабочих растворов флокулянтов в пульпу разработана, изготовлена и испытана в шахтных условиях опытно-промышленная установка, отличающаяся компактностью в конструктивном отношении и надежностью в эксплуатации.

3. Разработанные схемы замкнутого водоснабжения прошли испытания в промышленных условиях на гидрозакладочных, заиловочных и гидровскрышных комплексах, показали высокую эффективность и технологичность и рекомендованы к внедрению на угольных шахтах и разрезах Кузбасса.

4. Повышение экологической безопасности водоемких процессов добычи угля при внедрении рекомендуемых схем водоснабжения обеспечивается за счет предотвращения истощения и загрязнения водных объектов, улучшения санитарно-гигиенических условий труда горнорабочих, устранения опасности возникновения эндогенных.

239 пожаров, снижения потерь земли под отвалами и создания благопри ятных условий для рекультивации.

Экономический эффект от внедрения разработанных схем водо снабжения технологических процессов на основе применения флоку лянтов составляет 860 тыс. руб/год.

Заключение

.

На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности переноса и элиминирования дисперсных частиц при фильтрации высококонцентрированных суспензий через техногенные породные массивы с применением физико-химического способа обработки суспензий и утилизации осадка непосредственно в закладочном и заи-ловочном массивах и отвалах горных пород, что расширяет область научных знаний и повышает эффективность разработанных малоотходных технологий гидрозакладки, заиловки и гидровскрыши и что, в свою очередь, позволяет снизить техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечить рациональное использование водных ресурсов в угледобывающих регионах.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что экологическая опасность таких водоемких процессов добычи угля, как гидравлическая закладка выработанного пространства, профилактическое заиливание обрушенных пород, гидромеханизированная разработка наносов обусловлена, в первую очередь, высокой концентрацией дисперсных породных частиц в отработанной воде и низкой эффективностью используемых способов их осаждения. Оптимальным решением проблемы является создание замкнутых систем водоснабжения технологических процессов с улавливанием взвешенных дисперсных частиц непосредственно в техногенных породных массивах, образующихся в горном производстве: породных отвалах, закладочных массивах из кусковых материалов и массивах обрушенных пород в выработанном пространстве.

2. При многократном повторном использовании технологической воды происходит насыщение ее взвешенными породными частицами и изменение их дисперсного состава в сторону уменьшения среднего размера. Разработана математическая модель предельного накопления взвесей в оборотной воде. Выявлено, что для предупреждения сброса загрязненной воды в водные объекты и обеспечения безаварийной работы замкнутых систем водоснабжения технологических процессов добычи угля степень улавливания взвешенных частиц в каждом цикле оборота воды должна составлять не менее 80−90%.

3. Выполненный комплекс натурных и лабораторных исследований позволил установить, что пространственно-временные изменения структурных и фильтрационных характеристик техногенных породных массивов, определяемые составом и свойствами исходного материала, способом его возведения и характером последующих воздействий, являются причиной формирования в породных массивах зон с различной водопронецаемостью и режимами фильтрации. В отвальных массивах наибольшей водопроницаемостью обладают нижние слои высотой до 15 м., в закладочных, наоборот, — верхние-до 10 м. При уплотнении и проиливании кусковых породных массивов квадратичная зависимость между скоростью фильтрации и гидравлическим градиентом переходит в линейную.

4. При фильтрации суспензий в техногенных породных массивах из крупнокусковых горных пород происходит улавливание взвешенных частиц в порах массива. Предложена математическая модель, связывающая интенсивность элиминирования механических примесей со структурными характеристиками фильтрующего массива и дисперсной фазы. При увеличении среднего размера кусков массива и уменьшении размеров взвешенных частиц интенсивность их улавливания снижается и оно осуществляется, в основном, за счет сорб-ций взвесей на стенках поровых каналов. При существующих структурных характеристиках и геометрических параметрах техногенных породных массивах в ряде случаев невозможно обеспечить необходимую степень осветления воды.

5. Установлено, что аргегатирование дисперсной фазы с помощью высокомолекулярных полимерных флокулянтов приводит к повышению интенсивности элиминирования примесей в крупнокусковых массивах и, соответственно, к снижению концентрации взвесей в оборотной воде. Важнейшим технологическим свойством полимеров при использовании в гидрозакладочных и заиловочных комплексах шахт является их агрегативная устойчивость при гидродинамическом и механическом воздействиях в пульповодах при скорости движения пульпы от 1 до 10 м/с.

6. Реагентная обработка отработанной воды с фильтрованием и утилизацией осадка в техногенных породных массивах обеспечивает повышение степени очистки вод в каждом цикле оборота более 90%, при котором не происходит насыщение оборотных вод дисперсными частицами, позволяя тем самым замкнуть системы водоснабжения технологических процессов и исключить сброс загрязненных вод в поверхностные водоемы.

7. Раработаны локальные схемы замкнутого водоснабжения гидрозакладочных комплексов, предусматривающие приготовление рабочих растворов реагентов на поверхности, их подачу в закладочные трубопроводы, очистку оборотных вод непосредственно в массивах, улавливание осветленной воды в участковых отстойниках и подачу ее на повторное использование в гидрозакладочных комплексах.

Такие схемы водоснабжения исключают потерю оборотных вод и попадание их в шахтный водоотлив, а также аварийный сброс загрязненных вод в поверхностные водоемы.

Улавливание мелких фракций непосредственно в гидрозакладочных массивах повышает их плотность на 10−15%.

8. Разработана технология профилактического заиливания выработанного пространства с использованием синтетических флокулянтов, которая предусматривает как централизованное так и локальное.

243 сгущение заиловочной пульпы. Повышение эффективности улавливания глинистой фазы в рбрущенных породах позволяет сократить на 90% ее вынос на откаточные горизонты угольных шахт и обеспечить замкнутое водоснабжение заиловочных комплексов.

9. Предложена схема замкнутого водоснабжения гидровскрышных работ, основанная на замыве четвертичных отложений, разрабатываемых гидравлическим способом, в отвальные массивы коренных вскрышных пород, укладываемых «сухим» способом. Данная схема водоснабжения позволяет исключить потери земли под гидроотвалами, предупредить эндогенные пожары на отвалах и снизить затраты на их рекультивацию.

10. Разработанные схемы замкнутого водоснабжения водоемких технологических процессов добычи угля прошли промышленную проверку на шахтах и разрезах Кузбасса и показали их высокую экологическую безопасность. Внедрение их в производство позволяет значительно сократить затраты на природоохранные мероприятия при разработке угольных местрождений в Кузнецком бассейне.