Исследование состава и свойств карьерный вод разрезов Кузбасса для оценки их утилизируемости

Краткое описание

ВВЕДЕНИЕ... 3

1. ОТКРЫТАЯ РАЗРАБОТКА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ... 8

1.1. Перспективы развития открытой угледобычи в Кузбассе ... 8

1.2. Влияние открытой разработки угольных месторождений на природную окружающую сре-

ДУ... 14

1.3. Анализ структуры водопользования и водоотведе-

ния на разрезах... 20

Выводы... 28

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДООТВЕДЕНИЯ КАРЬЕРНЫХ ВОД РАЗРЕЗОВ КУЗБАССА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОЛЕБАНИЙ ОБЪЕМОВ СБРОСА... 29

2.1. Исследование водоотведения карьерных вод в водные объекты Кузбасса... 29

2.2. Выбор оборудования при сбросе карьерных вод в водные объекты Кузбасса... 31

2.3. Выявление закономерностей колебаний объемов сброса карьерных вод в водные объекты Кузбасса... 34

Выводы... 41

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И СОСТАВА КАРЬЕРНЫХ ВОД РАЗРЕЗОВ КУЗБАССА... 42

3.1. Исследование физических свойств карьерных вод... 42

3.2. Исследование макрокомпонентного состава карьер-

/ ныхвод... 44

з

3.3. Исследование микрокомпонентного состава и выявление закономерностей миграции микроэлементов

карьерных вод... 65

Выводы... 75

4. ВЫБОР ЭФФЕКТИВНОГО СПОСОБА ОЧИСТКИ КАРЬЕРНЫХ ВОД... 76

4.1. Анализ эффективности отстойных очистных сооружений... 76

4.2. Анализ эффективности фильтровальных очистных сооружений... 81

4.3. Выбор наиболее эффективного способа очистки

карьерных вод... 85

Выводы... 96

5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УТИЛИЗАЦИИ КАРЬЕРНЫХ ВОД... 97

5.1. Основные направления использования карьерных вод в Кузбассе... 97

5.2. Оценка пригодности карьерных вод для использования на собственные нужды и передачи сторонним организациям... 105

5.3. Использование карьерных вод для орошения сельскохозяйственных угодий... 109

5.4. Экономическая эффективности использования карьерных вод для орошения сельскохозяйственных угодий... 123

Выводы... 128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 132
Введение

Введение

В настоящее время в Кузбассе из всех отраслей промышлен- ности наибольшую техногенную нагрузку на окружающую среду создает угледобывающая отрасль. В Кузбассе насчитывается сорок две шахты и сорок три разреза. Преимуществом открытой разработки угольных месторождений является невысокая себестоимость добычи угля, высокая производительность и безопасность труда рабочих на предприятиях. Поэтому с каждым годом доля объемов добычи каменного угля открытым способом все более увеличивается. Поскольку на ближайшие 5-10 лет планируется увеличение доли открытых горных работ до 70% от всего объема добычи угля, то воздействие угледобывающей отрасли на окружающую среду в значительной степени будет определяться последствиями открытых горных разработок.

Отрицательное воздействие горные работы оказывают не только на недра, но и на водный бассейн, воздушный бассейн, земли и почвы, флору и фауну. Существенным негативным фактором ведения открытых горных работ является значительный ущерб, наносимый водному бассейну, в связи с этим все острее встает проблема охраны водных ресурсов ряда районов Кемеровской области. Это обусловлено сбросами в поверхностные водоемы и водотоки больших объемов сточных вод, содержащих, как правило, взвешенные и растворенные примеси. Особое значение имеют сточные карьерные воды, так как на эти воды приходится самая большая доля сброса. Это усугубляется еще и тем, что в течение года вода на разрезы поступает крайне неравномерно. Таким образом, существенный ущерб окружающей среде Кузбасса наносят карьерные воды.

Водоотведение карьерных сточных вод имеет ряд особенно- стей, которые заметно усложняют их сбор и очистку. Одна из осо-бенностей - это не фиксированность откачки сточных вод, т.е. сброс

карьерных вод на разрезах производится, как правило, в нескольких местах. В связи с этим работы, направленные на исследование со-^ става и свойств карьерных вод разрезов Кузбасса для оценки их

утилизируемое™ являются актуальными.

Цель работы заключается в обосновании возможности и целесообразности использования карьерных вод в народном хозяйстве.

Идея работы состоит в учете закономерностей сезонных колебаний объемов сброса и качества карьерных вод при выборе способа их утилизации.

Задачи исследования:

- установить характер воздействия сброса сточных вод на природную среду при открытой разработке угольных месторождений Кузбасса;

- определить объемы сброса сточных карьерных вод в вод-ные объекты;

:•? ' - выявить состав и свойства карьерных вод;

- разработать рекомендации по утилизации сточных карьерных вод разрезов Кузбасса.

Методы исследования: исследования производились путем анализа и обобщения литературных источников, статистической обработки результатов экспериментов и натурных наблюдений

Научные положения, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем:

- наибольший удельный вес в сбросе сточных вод и ущербе, наносимом им окружающей природной среде при открытой разработке угольных месторождений имеют, карьерные воды, доля которых в общем объеме сброса составляет более 70 %;

- объем сброса карьерных вод, состав загрязняющих примесей и их концентрация в карьерных водах изменяются в течение года

"-у в зависимости от количества атмосферных осадков и температуры

воздуха: максимальный сброс и наибольшая загрязненность воды приходится на март-апрель - сброс-8-13 м3, загрязненность - 560 мг/л, июнь-июль - сброс-8-9 м3, загрязненность - 580 мг/л и октябрь-ноябрь - сброс-7,5-8 м3, загрязненность - 430 мг/л;

- коэффициент миграции микроэлементов карьерных вод более чем в 2 раза превышает коэффициент миграции микроэлементов шахтных вод, что обусловлено дополнительным поступлением в карьерные воды микроэлементов из атмосферного воздуха, дождевых и талых вод;

- карьерные воды угольных разрезов Кузбасса по своим ирригационным, экологическим и технологическим критериям пригодны для орошения сельскохозяйственных угодий без предварительной подготовки.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении закономерностей влияния времени года на объемы сброса карьерных вод, физические свойства воды, микрокомпонентный и макрокомпонентный ее состав;

- в оценке величины влияния сбрасываемых карьерных вод на состояние водного бассейна региона;

- в разработке рекомендаций по использованию карьерных вод для орошения сельскохозяйственных угодий.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием гос-тированной измерительной аппаратуры и методик лабораторных испытаний, гостированных методов отбора проб и их дальнейших исследований.

Научное значение работы заключается в установлении закономерности влияния времени года на объемы сброса карьерных вод на физические свойства воды, микрокомпонентный и макрокомпонентный ее состав; в оценке влияния сбрасываемых карьерных вод на состояние водного бассейна региона, в разработке рекомендаций по

использованию карьерных вод для орошения сельскохозяйственных угодий.

Практическая ценность работы. Применение разработанных рекомендаций по использованию карьерных вод в сельском хозяйстве существенно улучшит гидрологическое состояние региона, сократит затраты на очистку сбрасываемых карьерных вод и значительно уменьшит стоимость работ по поливу сельскохозяйственных угодий.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Экологические проблемы горно-металлургического комплекса» (г. Красноярск, 2000 г.); на Пятом Международном Научном симпозиуме им. академика М.А. Усова (г. Томск, 2002 г.); на заседании технического совета ООО «Разрез «Губернский» (г. Белово, 2004 г.); на научно-технических конференциях преподавателей, аспирантов и студентов КузГТУ (г. Кемерово, 1998 - 2004 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано пять печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 33 рисунка и список литературы из 93 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Юрию Васильевичу Лесину за помощь при подготовке диссертационной работы.

Глава 1. Открытая разработка угольных месторождений

Кузбасса и ее влияние на окружающую среду 1.1. Перспективы развития открытой угледобычи в Куз-

бассе

Кузнецкий угольный бассейн является одним из крупнейших угольных бассейнов мира.

Капитальные вложения на одну тонну добываемого угля в Кузбассе ниже, чем в других угольных бассейнах, полная окупаемость их происходит через два - три года. Однако, имея запасы углей, относящихся к числу лучших по качеству и марочному составу, потенциальные возможности региона используются весьма слабо.

Потребительская ценность кузнецких углей очень высока и сфера их использования достаточно обширна:

1 энергетическое: пылевидное сжигание в стационарных ко- тельных установках (марки Д, СС, Г, ГЖО, ГЖ, КО, КС, КСН);

2 технологическое: коксование; полукоксование; производство углеродистого наполнителя для электродных изделий; сжигание в отражательных печах для спекания глинозема; сжигание в отражательных печах и т.д.;

3 поставляются на экспорт, потребляются промышленностью, служат сырьем для получения электроэнергии и тепла.

Анализ возможностей расширения использования кузнецких углей на ТЭС России показал, что на котлах Рефтинской, Троицкой, Верхне - Тагильской, Череповецкой ГРЭС, а также Омских ТЭЦ 4 и 5 экибастузскии уголь может быть замещен кузнецкими углями полностью практически без дополнительных капитальных вложений. Это приведет к существенному снижению выбросов в атмосферу и поступления золы на золоотвалы.

Добывая более шестидесяти пяти процентов коксующихся углей в России, Кузнецкий угольный бассейн был и остается основной сырьевой базой для производства кокса [1-10].

Основным потребителем коксующихся углей в стране является черная металлургия, на долю которой приходится более восьмидесяти процентов потребления кокса. В цветной металлургии кокс (3-14%) используется для производства цинка, алюминия, электродов и т.д. Незначительное количество крупнокускового кокса идет на литейное производство (до 4%), выпуск удобрений (до 10%), в химическую промышленность (до 1,5 %) для производства желтого фосфора, минеральной ваты, карбида кальция. В цветной металлургии кузнецкие угли используются в качестве основы углеродных и угле-графитовых материалов; для плавки медных концентратов; в строительной отрасли - для обжига кирпича, производства цемента, извести и так далее.

Отдельные виды углей, особенно продукты их переработки (полукокс и другие), применяются в качестве поглотителей различных веществ (сорбентов) и используются при производстве промышленных и бытовых фильтров, противогазов и так далее. [1-8].

Кузбасс, благодаря развитой угледобывающей промышленности, имеет большое значение для экономики России. И не смотря на то, что угольная промышленность переживает сегодня спад горного производства и замедление темпов развития научно-технического прогресса, концептуальный анализ, произведенный Министерством топлива и энергетики России, с учетом складывающихся тенденций развития отрасли, дает основание утверждать, что в ближайшие годы угольная промышленность войдет в период стабилизации производства с последующим увеличением объемов добычи [11-17].

Минтопэнерго России, исходя из потребности в углях для энергетики и коксования, с учетом прогноза цен на их добычу и транспор-

10

тировку до потребителя разработало прогноз добычи угля до 2010 год. Сведения по прогнозу добычи угля в Кузнецком бассейне приведены в таблице 1.1 [17-21].

Таблица 1.1

Прогноз добычи углей в Кузнецком бассейне на период до 2010 г., тыс. т.

1997 г. отчет 2000 г. 2005 г. 2010 г.

Мин. Макс. Мин. Макс. Мин. Макс.

87325 89350 101550 95100 119150 100050 127800

Большие запасы угля в Кузбассе позволяют ориентировать долговременную перспективу развития электроэнергетики на широком использовании угля как базового стратегического топлива, обеспечивающего потребность страны в топливе на сотни лет. С развитием угольной энергетики в определенной мере связана энергетическая безопасность и социальная стабильность России [9]. По состоянию на 01.01.2004 г. в Кузбассе добычу угля ведут семьдесят одна шахта и тридцать четыре разреза [22-28].

Разведанные запасы углей Кузбасса составляют 75,8 млрд. т., из них пригодные для открытых горных работ оцениваются в 15 млрд. т., в том числе, около 2 млрд. т. коксующихся углей дефицитных марок КЖ, К, ОС. Угольные запасы сосредоточенны в основном в мощных пластах и пластах средней мощности.

Месторождения представлены свитами пластов, поэтому разрабатываются не только мощные, но и пласты малой (1-5 м) мощности, как правило, с наиболее ценными коксующимися углями. Из общего количества добываемых коксующихся углей 80 % перерабатывается на обогатительных фабриках Кузбасса [28, 30-34].

11

Открытая разработка месторождений благодаря высокой степени извлечения полезного ископаемого из недр, возможности достижения большей производственной мощности предприятия, повышению производительности труда, снижению себестоимости добычи, улучшению условий труда получила преимущественное (по сравнению с шахтной добычей) развитие. Открытая разработка месторождений позволяет создавать мощные комплексы по добыче, переработке и потреблению минерального сырья с высокой концентрацией производства, развитыми транспортными коммуникациями, минимальными расстояниями перевозок и низкими затратами на производство [35-37].

Открытая разработка углей Кузнецкого бассейна развивается с начала двадцатых годов и до сих пор является одним из перспек-тивнейших направлений разработки месторождений [38, 39]. Сравнивая открытый и подземный способы разработки, приходим к выводу, что по ряду показателей, таких как металлоемкость, потери угля, потребление леса, общий травматизм, себестоимость угля, открытый способ разработки гораздо выгодней (рис.1.1). Открытый способ разработки в стране характеризуется наиболее высоким уровнем механизации, чем достигнут на шахтах, в 3-5 раз меньшим уровнем себестоимости труда, в целом в 8-10 раз превышающим уровень добычи [40, 41], а также наиболее благоприятными условиями работы [42]. Добыча угля в промышленно развитых странах возрастает. Доля добычи угля на разрезах в странах СНГ с 1960 г. по 2003 г. увеличилась с 20,1 до 64 % [43-45].

Водопотребление

Численность

ЕЭна шахтах Шна разрезах

О на шахтах И на разрезах

160 1

140

Потери угля

Лес

Она шахтах В на разрезах

1

Затраты

В на шахтах Нна разрезах

300 т 250 200 150 100 50 0J

? на шахтах В на разрезах

Общий травматизм

55 50 45 40 35

25

20

15

10

5

0

шахтах Нна разрезах

Рисунок 1.1 Расход ресурсов на добычу угля открытым и подземным способом

Объем добычи угля открытым способом в Кузбассе, с учетом участков открытых горных работ при шахтах, достиг в 2003 г. 72,04 млн. т., что составляло 47,2 % от общей добычи [46-48].

В Кузбассе успешно функционирует ряд крупных разрезов, отвечающих требованиям конкурентоспособности, высокоэффектив-ности угледобывающих предприятий, обеспечивающих надежное удовлетворение спроса на угольную продукцию. Основные технико-экономические показатели по наиболее "крепким" разрезам приведены в таблице 1.2 [49-54].

Таблица 1.2

Основные показатели работы перспективных разрезов

Разрез Промышленная МОЩНОСТЬ, тыстонн Себестоимость добычи угля, руб./т Производительность труда рабочих, т/мес.

«Бачатский» 3000 112672 282,6

«Караканский» 2100 84992 156,5

«Ерунаковский» 1000 78177 171,0

«Красногорский» 3600 97865 312,2

«Сибиргинский» 3000 120765 206,6

«Талдинский» 1000 74199 151,8

«Кедровский» 1300 102239 145,6

«Черниговец» 3500 138354 82,0

«Междуречье» 4500 116976 88,9

14

В условиях рыночной экономики технология добычи должна обеспечивать лучшее извлечение угля, способствовать снижению площади нарушенных открытыми работами земель, стабилизировать все виды ресурсозатрат для поддержания требуемого объема добычи угля за счет более рационального внутрипроизводственного перераспределения, экономии и выделения средств для решения социальных и экологических проблем.

Высокое качество угольной продукции Кузбасса и разнообразие марочного состава, что видно из приведенного выше анализа состояния разведанных запасов для открытого способа добычи, позволяет сделать вывод как о возможности практически неограниченного расширения открытой угледобычи, так и о целесообразности выбора наиболее перспективных новых участков с позиции будущего спроса, экономической эффективности, экологической чистоты [55-57].

1. 2. Влияние открытой разработки угольных месторож-

дений на природную окружающую среду

С увеличением производственной мощности горнодобывающих предприятий рост добычи топлива и минерального сырья, связанный с концентрацией добычи полезных ископаемых в отдельных районах и бассейнах, оказывает существенное влияние на окружающую природную среду.

Воздействие добычи твердых полезных ископаемых на окружающую среду отличается сложностью и многообразием форм, обусловленное тем, что природная среда является объектом и местом действия горного производства (рис. 1.2).

; :¦:¦¦¦ .. ¦. y,v.: .¦:: ;Ui:;- . I "?. -•'-''¦:¦:¦.'-'¦:¦'-:'•¦•:•:¦'¦:¦¦¦:¦'. .:-.•: .-...¦ ¦. ...

¦

:'' ¦ ' ¦.¦:¦.¦..

:;\v:¦¦¦:.-,.. ,; , , . ¦¦..¦¦¦¦

«¦у? .-¦¦ .-¦¦¦;¦¦ . . . . . t i-л ..._.. % .т/\. -л ...

•- I ,. .¦.!¦ ' ...

W;

Рис. 1.2. Экологический атлас Кузбасса

« ^ » - Районы интенсивного техногенного воздействия Земли, нарушенные при добыче полезных ископаемых Места понижения грунтовых вод в результате горных работ Реки, в которых затоплена древесина при молевом сплаве Источники теплового загрязнения

Ареал загрязнения снежного покрова техногенной пылью Повышение содержания техногенной серы в хвое пихты (более 50 % выше фонового) Полигоны промышленных отходов Населенные пункты, в которых имеются очистные сооружения

Отрицательное воздействие горных работ оказывается не только на недра, но и на водный бассейн, воздушный бассейн, земли и почвы, флору и фауну. В ряде работ представлены классификации воздействий на природу, как всего комплекса горных работ, так и отдельных процессов горного производства [58-61]. Наиболее полно, с нашей точки зрения, сведения о воздействии горного производства на окружающую среду по отдельным элементам биосферы учтены в классификации, приведенной в табл. 1.3. Однако, следует заметить, что окружающая среда включает в себя не только элементы биосферы, но и различные искусственные объекты, здания, сооружения, которые также подвергаются воздействию горных работ и являются элементами окружающей человека среды.

Горное производство воздействует практически на все элементы окружающей человека природной и искусственной среды, в том числе и непосредственно на самого человека, ухудшая условия его существования и нанося вред его здоровью. Наиболее интенсивно действие горных работ на окружающую среду проявляется в районах с высокой концентрацией горнодобывающих предприятий.

Таблица 1.3

Классификация воздействия горного производства на окружающую среду

Элементы Воздействие на эле- Результаты воздействия

биосферы менты биосферы

Водный бассейн:

Воды Осушение месторож- Уменьшение запасов подзем-

подземные дения, сброс сточных и ных, грунтовых и поверхност-

дренажных вод ных вод. Нарушение гидро-

геологического и гидрологи-

ческого режимов водного бас-

сейна

17

Продолжение табл.1.3

Элементы биосферы Воздействие на элементы биосферы Результаты воздействия

Воды поверхностные Осушение и перенос поверхностных водоемов и водотоков, сброс сточных и дренажных вод, водозабор для технических нужд предприятий Загрязнение водного бассейна сточными и дренажными водами. Ухудшение качества вод вследствие неблагоприятных изменений гидрохимических и биологических режимов поверхностных и подземных вод

Воздушный бассейн Организованные и неорганизованные выбросы в атмосферу пыли и газов Загрязнение (запыление и за-газовывание) атмосферы

Земли, почвы Проведение горных выработок, сооружение отвалов, гидроотвалов, хвостохра-нилищ и водохранилищ. Строительство промышленных и гражданских зданий и сооружений, прокладка дорог и других видов коммуникаций Деформации земной поверхности, нарушение почвенного покрова. Сокращение площадей продуктивных угодий различного назначения, ухудшение качества почв. Изменение облика территории, состояния грунтовых и поверхностных вод. Осаждение пыли и химических соединений вследствие выбросов в атмосферу, эрозионные процессы

Список литературы