3.34. Горнодобывающая промышленность

Предприятия горнодобывающей и перерабатывающей отраслей оказывают наибольшую техногенную нагрузку на окружающую среду. Так, в 2000 г. площадь нарушенных горными работами земель на территории России составила 1282,6 тыс.

Подземная разработка месторождений полезных ископаемых ведется на шахтах (уголь, вязкие битумы, соль, погребенные россыпи) и рудниках (руды черных и цветных металлов).

После переработки полезных ископаемых и их доставки до предприятия-потребителя рационально используется не более 1 % общей массы. Сама добыча сопровождается огромными сопутствующими массами невостребованного вещества. Так, при современном мировом объеме добычи угля и сланцев более 3 млрд т в год выход твердых, жидких и газообразных отходов составляет более 10 млрд т в год, т.е. более 3 т отходов на 1 т добытого товарного твердого топлива. Выброс отходов предприятий по добыче, обогащению и потреблению твердого топлива в основных бассейнах составляет 400 — 600 кг на человека в год.

Увеличивающиеся масштабы извлечения минерально-сырьевых ресурсов и рост степени взаимодействия человека с природной средой вызывают увеличение экологического риска, поскольку горное производство дает не только материальную основу существования общества, но и характеризуется повышенной опасностью технологических процессов, негативным воздействием их на окружающую среду и здоровье человека, а также воздействием самой окружающей среды на человека в рамках природно-производственных комплексов (ППК).

Угольная промышленность по объему выбросов техногенных компонентов занимает шестое место, и ее доля в общем балансе техногенного загрязнения не превышает 5—10%. Более значительными источниками загрязнений являются предприятия теплоэнергетики (25 %), черной (17 %) и цветной (10 %) металлургии.

Проблема энергетических отходов наиболее актуальна в угледобывающих регионах. Сегодня развитие угольной промышленности является нерегулируемым процессом, ведущим к нарушению экологического равновесия природной среды и переходу ее в ранг бедственного кризисного и критического уровней, негативно отражающихся на медико-демографическом состоянии населения и состоянии природных ресурсов. Экстенсивное развитие традиционного недропользования дает планируемое увеличение нагрузки на окружающую среду в 2010 —2020-е гг. на 25 % по аналогии с тенденцией за последние 5 лет, и при размещении горнодобывающих предприятий в освоенных районах будет достигнут еще больший рост негативных показателей.

В то же время существует реальная возможность перехода на другие, менее жесткие, уровни воздействия техногенеза, в частности угледобычи, соответствующие эффективному снижению негативных воздействий производства и обеспечиваемые комплексом средств инженерной защиты компонентов окружающей среды. Основные направления регулирования процессов загрязнения и защиты окружающей среды включают: снижение уровня загрязнения от теплоэнергетических установок малой, средней и большой мощности в 3 — 10 раз на основе реорганизации и модернизации котельных и ТЭЦ; снижение загрязнения среды от транспортировки угля путем глубокой его переработки в высоколиквидные продукты с получением жидких и газообразных топлив вблизи от мест добычи; широкое использование в энергетике горючих твердых отходов горного, лесного и других производств с получением новых облагороженных топлив; внедрение новых технологий глубокой переработки твердых топлив в районе их добычи с получением ликвидных продуктов; каптирование и использование попутного метана при разработке нефтяных и угольных месторождений; рациональное использование твердых горючих отходов горнодобывающей и лесной отраслей, обеспечивающих сокращение изъятия земель, выделения в атмосферу газообразных и пылевых веществ.

Анализ технологии и опыт переработки твердых горючих материалов показывает, что эколого-экономическая эффективность газификации может быть достигнута путем разделения на две последовательные стадии: аллотермический каскад, где осуществляется предварительный нагрев пылеугольной смеси; пароплазменный каскад, куда поступают пароводяная плазма и частично прогазифицированная пароугольная смесь из аллотермического каскада реактора.

Эколого-экономический эффект технологии получения жидких топлив из углей на основе гидрогенизации существенен: при реализации такой технологии получают жидкое топливо из угля по конкурентоспособным ценам в сравнении с производством его из нефтяного сырья.

Нехимические методы получения жидкого топлива из углей также являются эффективными технологиями, направленными на рациональное развитие предприятий энергетики. Использование сверхвысокочастотной энергии для диспергирования и очистки угольного топлива является наиболее энергосберегающим при получении ультрадисперсного угля с частицами размером менее 20 — 40 мкм. Кроме того, этот метод определяет новые возможности, связанные с очисткой от золы обрабатываемого угля в процессе измельчения. При использовании ультрадисперсного угля вместо мазута при сжигании низкокалорийного топлива стоимость топлива вместе со стоимостью электроэнергии будет примерно в 2,5 раза меньше. Экономические расчеты использования смесей на основе ультрадисперсного угля для замены дизельного топлива показали, что стоимость этих смесей в два раза меньше стоимости дизельного топлива.

В современной природоохранной стратегии и тактике внедряются два подхода к освоению новых технологий: «наилучшая достигнутая» и «наиболее экологичная» технологии. Часто, по сути, обе разновидности совпадают.

Технологические решения и предложения, перечисленные выше, относятся к этому классу и способны при массовом внедрении смягчить многие воздействия горнодобывающего производства.

Основная технологическая схема горнодобывающего производства состоит из следующих инвариантных к виду полезного ископаемого операций: извлечение горной массы (сопровождается деформацией массива пород, разрушением поверхности, снижением продуктивности почв, снижением устойчивости сооружений и коммуникаций, изменением гидрогазодинамики массива и акваторий, изменением химизма породного массива, силовых полей); вентиляция подземных выработок (загрязнение атмосферного воздуха пылью и продуктами взрывания); шахтный водоотлив (загрязнение подземных и поверхностных вод); перемещение добытого вещества; складирование добытого вещества (сопровождается отторжением земель, механическим, химическим, радиационным загрязнением среды, изменением аэродинамики среды); потребление продукции и образование твердых, жидких и газообразных отходов (сопровождается загрязнением акваторий, сокращением водных запасов, снижением плодородия почв, затоплением, заводнением и деформированием поверхности, газодинамическим, акустическим и радиационным загрязнением); потребление и выделение энергии (воздействие силовых полей, тепловые, световые и другие физические эффекты).

Основные типы нарушений — геомеханические, гидромеханические, аэродинамические, биоморфологические; главные разновидности загрязнений — литосферные, гидросферные, атмосферные, биоценотические.

Основные формы нарушений: геомеханических — деформации. провалы, выемки, насыпи; гидродинамических — зарегулирование, затопление, истощение, заводнение, подпор; аэродинамических — разрежение, возмущение, инверсия; биоморфологических — повреждение, уничтожение, распучивание.

Среди литосферных загрязнений выделяют засорение, запыле- ние, замазучивание, закисление, заиливание, засоление химическими веществами (твердыми, жидкими и газообразными), закисление, минерализация, замутнение и загазованность; гидросфер- ных — основные формы сапробных загрязнений — эвтрофия и гипертрофия; атмосферных — загазованность, заражение, запы- ление, задымленность; биоценотических — зарастание, некроз и др.

Подземные горные работы оказывают большое влияние на гидрогеологию прилегающих территорий. При извлечении больших объемов полезного ископаемого, особенно с использованием систем разработки с обрушением налегающих пород, в зону сдвижения вовлекаются водоносные горизонты, часто на значительных площадях.

Огромные массы вод, которые откачивают из рудников, оказывают негативное воздействие на состояние гидроресурсов и почв не только вблизи места ведения горных работ, но и на значительных прилегающих территориях.

Сливаемые шахтные воды сильно загрязняют поверхность и грунтовые воды, не позволяя использовать почву в традиционных для данного района направлениях. Наиболее распространенными загрязняющими веществами рудничных вод считаются хлористые соединения и свободная серная кислота, которой часто сопутствуют растворимые соли, главным образом сульфаты железа, меди, цинка, марганца, никеля и др. По хлористым и сернистым соединениям, а также содержанию Са, Mg, Na, К рудничные воды превосходят техническую воду в 5— 15 раз, что исключает возможность их использования без предварительной очистки и нейтрализации даже в технологических целях.

Системы экологической безопасности на горных предприятиях ориентированы на постоянный мониторинг геомеханического состояния породного массива, транспортных путей, вентиляционных и водоотливных средств, а также сопряженных с ними очистных сооружений. Самостоятельную задачу составляет также непрерывный анализ загазованности и запыленности горных выработок для предупреждения взрывоопасных ситуаций.

Защита водотоков предусматривает: организованный сток ливневых и технических вод путем устройства специальных гидротехнических сооружений (водосборных лотков, бетонных водовыпусков и т.д.); строительство отводных каналов или специальных устройств для пропуска воды естественных водотоков и перехвата склонового стока при размещении породных отвалов в балках и оврагах; устройство обвалования, нагорных канав, водоотводов и других простейших гидротехнических сооружений при размещении отвалов и карьеров на склонах; формирование бортов карьерных выемок и откосов отвалов, устойчивых к оползням и осыпям, поверхностей отвалов — к просадкам; обеспечение мероприятий по регулированию водного режима в рекультивационном слое, особенно если он сложен породами, обладающими неблагоприятными водно-физическими свойствами; создание экрана из капилляропрерывающих или нейтрализующих материалов (песок, камень, гравий, пленка и т. п.) при наличии в основании рекультивационного слоя токсичных пород; мероприятия, исключающие заболачивание рекультивируемой поверхности; формирование отвалов из пород, подверженных горению, по технологической схеме, исключающей их самовозгорание; при этом рекультивационный слой отвалов должен создаваться из пород, пригодных для биологической рекультивации.

При подземном способе разработки необходимо: перед отсыпкой шахтных отвалов с отведенных под них участков снимать плодородный слой почвы; в рекультивацию земель, нарушенных вследствие опускания земной поверхности с образованием на ней прогибов и провалов, включать снятие плодородного слоя почвы, планировку поверхности прогибов, заполнение провалов горной породой с последующей планировкой с нанесением плодородного слоя почвы, проведение мероприятий по предотвращению неблагоприятных процессов (иссушения, заболачивания, эрозии); при создании водоемов в незаполненных горной породой шахтных прогибах и провалах соблюдать условия, сформулированные для водохозяйственного направления рекультивации.

Снизить отрицательное влияние хвостохранилищ можно путем создания на обогатительных фабриках переделов по фильтрации шламовых пульп с подачей твердой фазы на закладку или в отвал, а жидкой — в оборотное водоснабжение фабрики; организации постоянного цикличного оборота нескольких карт хвостохранилищ, позволяющего исключить расширение занимаемых ими площадей.

Основными техническими направлениями реализации требований по охране гидроресурсов могут быть: выбор оптимальных методов и оптимальной степени очистки сбрасываемых шахтных вод в зависимости от местных условий с учетом возможного использования очищенных вод; применение специальных мер по изоляции горных выработок от водоносных горизонтов для предотвращения или уменьшения водопонижения под воздействием шахтного водоотлива в прилегающем к горному предприятию районе.

Анализ горно-геологических условий залегания запасов включает определение: мощности зоны аэрации; параметров влагоемкости пород и сезонной динамики влагонасыщенных отложений; механического состава и пористости пород; генезиса и стратификации отложений.

При этом экологическую значимость имеют свойства подстилающих грунтов, которыми характеризуется механизм массообмена между почвенными отложениями и горизонтом пород с напорным движением подземной влаги. Анализу подлежат отсутствие или наличие гидравлических связей, сезонная смена режимов увлажнения с атмосферно-промывочного на капиллярное подпитывание подземными растворами, транзитный перенос с делювиальными процессами и т.д.

Водопотребление при добыче и переработке полезных ископаемых обычно связано с хозяйственно-бытовыми и коммунальными нуждами, производственными и техническими, а также с пожаротушением. Для этого используют системы водоснабжения, в состав которых входят водозаборные сооружения, насосные станции, станции очистки и подготовки воды, магистральные или разводящие трубопроводы или каналы, резервуары и водонапорные башни, а также вспомогательные сооружения: лаборатории, склады и др.

В соответствии с видами водопотребления системы водоснабжения разделяют на хозяйственно-питьевые, технические (производственные) и противопожарные. Они могут быть как раздельными, так и совмещенными, по способу подачи воды — самотечными, с механической подачей и зонными, а по способу ее использования — прямоточными, оборотными, с повторным использованием.

В прямоточных системах вся забираемая вода задействована в технологических или других процессах однократно, после чего передается на очистку и сброс. В оборотных системах предусматривается многократное использование воды без ее сброса в природные воды, но каждый цикл использования должен предусматривать при необходимости очистку (кондиционирование). Для компенсации безвозвратных потерь проводится постоянная или периодическая подпитка систем оборотного водоснабжения. Повторно-последовательное использование воды предусматривает несколько технологических процессов, а затем очистку воды и сброс.

Основные направления совершенствования водопотребления горнодобывающих предприятий — сокращение потребления воды питьевого качества из рек, озер и городского водопровода, а также расширение использования шахтных и карьерных вод для хозяйственно-бытовых и технических нужд. Для этого проводится детальный анализ работы горного предприятия и разрабатывается ситуационный план (графический документ) расположения водных объектов, инженерных сооружений и устройств по использованию и охране водных ресурсов, на котором показано расположение на местности всех водных объектов, линий водопотребления и водоотведения, водозаборов и других сооружений (рис. 3.2).

Один из наиболее важных графических документов, по которому можно судить об эффективности использования водных ресурсов на предприятии, — схема водопотребления и водоотведения. Важнейший вид этих мероприятий — создание специализированной сети наблюдательных скважин на крупных горнопромышленных объектах для контроля за состоянием подземных вод. Специализированные защитные меры включают: ликвидацию области загрязнения подземных вод путем их откачки до практически полного стягивания контура загрязнения; локализацию области загрязнения путем откачки загрязненных вод до стабилизации контура загрязнения и недопущения дальнейшего распространения загрязняющих веществ по водоносному горизонту;

Рис. 3.2. Ситуационный план:

1 — рудник; 2 — обогатительная фабрика; 3 — пульповод; 4 — очистные сооружения шахтных вод; 5 — очистные сооружения сточных вод обогатительной фабрики; б — отстойник; 7 — поселок

создание гидравлических водоразделов (завес) между областью загрязненных вод и эксплуатируемыми чистыми подземными водами; создание гидравлического водораздела по вертикали путем одновременного отбора чистых и загрязненных вод ярусной системой скважин; создание непроницаемых экранов (стенок) в водоносном горизонте вокруг области загрязнения.

Рассмотрим, как решаются затронутые проблемы на железорудных карьерах. Лебединский горно-обогатительный комбинат — крупнейший водопотребитель в регионе. Расход технической и технологической воды на производственные нужды только за один год составил 676,4 млн м3, в том числе оборотной воды — 668,3 млн м3, или 98,8 %. Из Старооскольского водохранилища было взято всего лишь 2,2 млн м3 свежей воды. При осушении Лебединского месторождения ежегодно откачивается около 60 млн м3 воды, которая используется в технологических процессах.

Техническая и технологическая оборотная вода используется непосредственно в технологии производства окатышей, концентратов и при разработке рыхлой вскрыши в карьере способом гидромеханизации. Речная вода расходуется практически только на компенсацию испарения и фильтрационных потерь в хвостохранилище.