Full Text

Введение Несмотря на динамичное развитие угледобывающего кластера, разработку новых перспективных технологий и способов добычи угля [1-3], актуальной остается проблема образования террикоников из некондиционной руды и вскрышных пород. При разработке месторождений неизбежно, в большей или меньшей степени в зависимости от применяемой технологии добычи, некондиционная руда складируется в терриконики. В результате этого земли, занятые террикониками, на длительное время (вплоть до их ликвидации) исключаются из хозяйственного оборота. Некондиционная руда угледобывающих производств, складируемая в террикониках, как правило, представлена следующими основными группами минералов: кварцем, полевыми шпатами, иллитом, каолинитом, а также корундом, магнетитом, гематитом. Основными химическими элементами, содержащимися в террикониках, являются оксиды кремния, алюминия и железа, но также присутствуют и оксиды кальция, магния, марганца, серы, натрия, калия, цинка, титана, молибдена, свинца, ванадия, никеля и других элементов [4]. Такой состав пород террикоников и их физико-химические свойства при контакте с агрессивными природными факторами обусловливают неизбежность их негативного влияния на окружающую среду [5]. Негативные экологические эффекты террикоников Терриконики в значительной мере подвержены водной и ветровой эрозии, являются источниками пылевых и газовых выбросов. Под воздействием эоловых процессов происходит выдувание и развеивание складированной в отвалах мелкой фракции породы с дальнейшим попаданием в поверхностные слои почвы на прилегающей территории, что в свою очередь провоцирует негативные физико-механические реакции. Атмосферные осадки приводят к вымыванию из террикоников на прилегающие территории многих тонн породы, содержащей опасные компоненты. Временные водные потоки, образующиеся на склонах террикоников, попадают на прилегающую к ним территорию, при этом происходит унос несвязанных частиц почвы, ее засорение и загрязнение, а также разрушение плодородного слоя и раскрытие нижележащих слоев. Терриконики являются источниками загрязнения атмосферного воздуха угледобывающих районов. Часть террикоников подвержена процессам горения, что приводит к выбросам в атмосферу наряду с водными парами, образующимися при испарении и возгонке попадающих в зону горения атмосферных осадков, таких опасных компонентов, как серная кислота (сульфат-ион), углекислота, двуокись азота (нитрат-ион) [6-8]. Известные способы снижения негативного влияния террикоников на окружающую среду Формирование экологической техногенной нагрузки от террикоников определяет актуальность поиска путей снижения их негативного влияния на окружающую среду с целью предотвращения ее деградации. Одним из возможных путей решения проблемы является заполнение подземного выработанного пространства шахт закладочными материалами с применением некондиционной руды [9, 10]. Следует отметить, что закладка выработанных пространств в шахтах отходами угледобычи, несомненно, позволяет в значительной степени снизить образование террикоников, однако накладывает обременения на экономическую составляющую добычи угля. Даже при разработке месторождений руд цветных металлов и редкоземельных элементов, для которых обеспечение максимально возможного извлечения полезных ископаемых, в том числе и за счет охранных целиков, путем закладки выработанных пространств более актуально, зачастую подобные мероприятия оказываются весьма затратными и сказываются на себестоимости добываемых полезных ископаемых. Закладочный комплекс в составе горно-добывающего предприятия включает технологические процессы, нарушение любого из которых может привести к сбою всего процесса добычи полезного ископаемого [11]. В качестве одного из способов снижения негативных экологических эффектов от террикоников следует выделить их рекультивацию, которая в последнее время получила широкое распространение [12]. Наиболее эффективным в геоэкологическом отношении из известных способов рекультивации является санитарно-гигиенический, который состоит из двух этапов: технического и биологического. В целом работы по рекультивации являются высокозатратными с экономической точки зрения, а в случае, если они выполнены некачественно или без соблюдения требований технических регламентов, возможно возобновление негативного влияния на окружающую среду вследствие вторичных эмиссионных процессов. Рекультивация террикоников не предотвращает в полной мере их контакт с атмосферными водами, а антипирогены, мелиоранты и минеральные удобрения, вводимые в тело отвала при его рекультивации, вступают в физико-химические реакции с отходами угледобычи, делают их непригодными для дальнейшего применения, в частности при производстве большинства строительных материалов. Именно поэтому с течением времени происходит значительная потеря ресурсного потенциала террикоников, что снижает их ценность как техногенных месторождений. Складированные в террикониках отходы угледобычи в большинстве случаев экономически доступны для использования в различных отраслях промышленности в качестве вторичных материалов, поскольку являются частично дезинтегрированными и размещаются на поверхности [13]. Особенно важным является тот факт, что терриконики располагаются на промышленно развитых территориях, имеющих как собственную транспортную сеть и другие виды инженерной инфраструктуры, так и потенциальных потребителей вторичных материалов для получения широкого спектра целевых продуктов. Отходы угледобычи, в силу своего минерального и химического составов, могут заменить первичное сырье в крупнотоннажных производствах, к примеру, при производстве строительных материалов. С применением террикоников угольных месторождений могут быть получены: щебень, песок из отходов дробления, тяжелые и легкие бетоны, активированные безклинкерные тонкомолотые гидравлические вяжущие, зернистые теплоизоляционные материалы [14]. Известны работы по применению отходов угледобычи в петрургической (камнелитейной) промышленности, при производстве аглопорита, в качестве источника сырья для металлургии (в частности для производства алюминия). На сегодняшний день достигнуты определенные успехи в исследовании возможности производства строительной керамики с применением отходов угледобычи [15]. Установлено, что негорелые отходы угледобычи являются высокоэффективными выгорающими добавками, а горелые терриконики - отощителями и интенсификаторами спекания в составе сырьевой шихты для производства строительной керамики. При применении террикоников в производстве строительной керамики могут быть получены высококачественные штучные стеновые материалы с высокой добавочной стоимостью, что делает подобные производства привлекательными с инвестиционной точки зрения. Наряду с этим следует отметить, что в целом природоохранная деятельность в области управления обращения с отходами угледобычи направлена на минимизацию размещения в окружающей среде неутилизированных остатков отходов, что обеспечивает снижение формируемой при этом экологической техногенной нагрузки и соблюдение действующих экологических норм и лимитов на размещение образовавшихся отходов. Сокращение доли образующихся отходов на единицу продукции и их переработка являются перспективным путем развития угледобывающей промышленности. Возможно, именно ужесточение нормативно-правовой базы на стыке природоохранной и промышленной деятельности, а также ее гармонизация с европейскими нормами позволит в ближайшее время многократно повысить объемы перерабатываемых террикоников. Однако в настоящее время, ввиду своей легкодоступности, первичные сырьевые материалы зачастую оказываются объективно дешевле вторичных. Экономическая составляющая добычи сырьевых материалов традиционно является определяющей при принятии решения о разработке природных или техногенных месторождений. При этом в последние годы в связи с исчерпанием легкодоступного природного сырья наблюдается тенденция повышения интереса к техногенным месторождениям. Консервация террикоников Все это определяет актуальность консервации террикоников, которая позволяет не только сократить негативное влияние террикоников на окружающую среду, но и сохранить заложенные в террикониках ресурсы последующей переработки. В дальнейшем, с преобразованием отложенного спроса в реальный, разработка террикоников в целях получения из них вторичных материалов позволила бы окончательно решить данную проблему. Количество террикоников, расположенных в настоящее время в угледобывающих районах, велико, а заложенный в них потенциальный ресурс является недооцененным. С учетом роста потребления минеральных сырьевых ресурсов в различных отраслях народного хозяйства страны, в особенности в строительстве, при постоянном увеличении стоимости добычи первичных ресурсов терриконики имеют перспективы быть высоковостребованными в среднесрочной перспективе в качестве экономически доступных конкурентоспособных вторичных материалов. Основным отличием консервации террикоников от рекультивации является сохранение их как техногенных месторождений. При этом ресурсный потенциал террикоников остается сохраненным за счет предотвращения их контакта с агрессивными природными факторами, которые приводят не только к физическим потерям массы пород террикоников в результате ветровой и водной эрозии, но и к снижению важных потребительских свойств их компонентов в результате трансформации под воздействием негативных физико-химических и биохимических процессов, инициированных проникновением воды, кислорода воздуха и микроорганизмов в тело террикоников. Проведенные нами исследования позволили предложить метод, технологию и комплекс технических решений по консервации террикоников. Технология консервации террикоников в общем виде представляет ряд последовательно проводимых технических мероприятий по подготовке и созданию конструкции терриконика, обеспечивающей сохранение ресурсного потенциала и приемлемый уровень его геоэкологической безопасности. В общем виде конструкция терриконика, на котором проведены работы по его консервации, представлена на рис. 1. Рис. 1. Конструкция консервации терриконика: 1 - тело терриконика; 2 - гидроизоляционный слой; 3 - газодренажный слой; 4 - разделительный геотекстильный материал; 5 - водно-дренажный слой; 6 - защитный слой грунта Работы по консервации начинаются с выположения поверхности и откосов тела терриконика 1 с уборкой мусора и захоронением негабаритов. Затем создаются системы: гидроизоляция для исключения проникновения в тело терриконика атмосферных осадков 2, газового дренажа для пассивной дегазации образующихся в теле терриконика газов 3 с разделительным слоем из геотекстильного материала 4, водного дренажа для отвода атмосферных осадков, попадающих на поверхность гидроизоляционного материала 5, защитного слоя грунта над гидроизоляционным слоем 6. Для повышения эффективности работы дренажных систем создается разуклонка (~3 %) на поверхности терриконика. Спланированная поверхность терриконика перекрывается разделительным геотекстильным материалом. Над ней проводится монтаж системы газового дренажа для пассивной дегазации тела терриконика. Учитывая особую важность обеспечения работоспособности системы пассивной дегазации, газовый дренаж выполняется из дренажного щебня или гальки толщиной 0,3 метра с его покрытием иглопробивными неткаными геотекстильными материалами, обладающими высокой пропускной способностью и долговечностью. Подобные геотекстильные материалы способны защитить чувствительные к повреждениям материалы с пониженной влагопроницаемостью (гидроизоляционный слой), которые укладываются поверх газодренажного слоя, от механических воздействий дренажного щебня. Поверх гидроизоляционного слоя укладывается дренажный слой, необходимый для отвода атмосферных осадков. Гидроизоляционный экран необходимо защитить сверху слоем из грунта, толщина которого должна быть не менее 1 метра с тем, чтобы корни растений не достигали гидроизоляционного материала и не разрушали его. В процессе хранения отходов угледобычи возможно образование газов в теле террикоников, особенно при активизации биохимических процессов и горения. Горные породы, попавшие на поверхности в иную, нежели чем в недрах, термодинамическую обстановку, становятся в водно-воздушных условиях неравновесными и испытывают физико-химические и биохимические преобразования. Рыхлый углесодержащий материал отходов угледобычи под воздействием атмосферной влаги и кислорода воздуха интенсивно окисляется вплоть до самовозгорания. Общей причиной самовозгорания углей и иных горючих пород почвы, кровли и межугольных прослоев является способность адсорбировать кислород, вступающий в химическое взаимодействие с потенциально горючим веществом. Такой процесс сопровождается выделением тепла и повышением температуры, что еще более усиливает процессы окисления [16]. Склонностью к самонагреванию и самовозгоранию в водно-воздушной среде обладают горные породы углисто-глинистого состава, имеющие повышенные пористость и содержание серы и железа (в виде пирита и марказита) [17, 18]. Разложение пирита и других сульфидов происходит не только в результате химического взаимодействия этих минералов с агентами выветривания, но и при широком участии постоянно присутствующих в поверхностной зоне свободного водообмена тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidaus [17]. Вследствие подкисления среды до рН ≤ 3,5 и образования серы при химическом окислении пирита создаются благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, которые вызывают деструкцию сульфидов и окисляют сульфидную серу до сульфат-ионов. При температуре, близкой к кипению воды, микроорганизмы прекращают свою жизнедеятельность, и с этого момента в горных породах протекают процессы, обусловленные химическими реакциями. Для исключения накопления образующихся при этих процессах газов до пожаро- и взрывоопасных количеств необходимо устраивать системы пассивной дегазации для удаления газа в атмосферу. Системы активной дегазации для террикоников неактуальны ввиду незначительных объемов образования газов. С учетом малых объемов образования газов достаточным является их отвод посредством устройства вытяжных труб, расстояние между которыми определяется расчетным методом для каждого отвала индивидуально. По нашим предварительным оценкам, это расстояние в большинстве случаев более 50 метров. Важным элементом вытяжных труб является обратный клапан, исключающий доступ наружного воздуха в тело терриконика, но позволяющий выходящим газам беспрепятственно попадать в атмосферу. Устройство вытяжной трубы (узел А) показано на рис. 2. Рис. 2. Узел А устройства вытяжной трубы; 1 - тело терриконика; 2 - гидроизоляционный слой; 3 - газодренажный слой; 4 - разделительный геотекстильный материал; 5 - водно-дренажный слой; 6 - защитный слой грунта; 7 - вытяжная труба; 8 - обратный клапан Гидроизоляционный экран для террикоников может быть выполнен так, как принято в практике при гидроизоляции подобных объектов (полигонов захоронения твердых коммунальных отходов, отходов производства, накопителей, отходов обогащения полезных ископаемых и иных), из отдельных полотнищ, соединённых между собой методами склеивания, сварки или перехлеста. В местах примыкания гидроизоляционных материалов к откосам терриконика (узел Б, рис. 3) следует предусматривать их увеличенный перехлест, а в случае прогнозирования деформаций, подвижек или осадок терриконика - устройство компенсирующей складки, которая позволяет избежать порывов. Сопряжение гидроизоляционного слоя с грунтовым основанием надлежит осуществлять с помощью штрабы или зуба, заполненного пластичным материалом (глиной, суглинком). Подобная штраба или зуб с заделанным в нее гидроизоляционным материалом исключает возможность подсоса воздуха в тело терриконика, что минимизирует возможность самовозгорания. По наружному периметру терриконика в его основании следует проложить кольцевой дренаж из перфорированных труб, который позволяет отвести атмосферные воды от тела терриконика, прошедшего процедуру консервации. Для обеспечения долговременной работоспособности дренажной системы вокруг дренажной призмы целесообразно предусмотреть фильтрующий геотекстиль. Рис. 3. Узел Б примыкания гидроизоляционного материала к откосам терриконика: 1 - тело терриконика; 2 - гидроизоляционный слой; 3 - газодренажный слой; 4 - разделительный геотекстильный материал; 5 - водно-дренажный слой; 6 - защитный слой грунта; 7 - дренажная труба; 8 - дренажная призма; 9 - пластичный грунт в штрабе; 10 - компенсирующая складка К выбору материалов, обеспечивающих долговременную работоспособность конструкции консервации терриконика, необходимо подходить комплексно, с учетом их экономической доступности, долговечности, работы в условиях контакта с агрессивными природными и антропогенными факторами, технологичности устройства в конструкциях консервации. В качестве противофильтрационных материалов широкое применение в различных сооружениях получили пленочные экраны из полиэтиленовой пленки низкой плотности по ГОСТ 10354-82 толщиной 0,2-0,3 мм. Данный материал обладает хорошими показателями по водонепроницаемости и стойкости к наиболее распространённым химическим реагентам. Также можно отметить его экономическую доступность. Экраны из полиэтиленовой пленки обладают определенной деформативной способностью, что, с одной стороны, делает их удобными в использовании, но, с другой стороны, обусловливает возможность сравнительно легкой повреждаемости строительными механизмами при устройстве защитного слоя грунта. Вместе с тем пленки подвержены старению и значительному изменению свойств при перепадах температуры, воздействии циклов замораживания и оттаивания, ультрафиолетовом облучении. Зачастую встречается некачественное соединение отдельных полотнищ пленки при сварке, нарушение структуры, а в ряде случаев и целостности пленки при вдавливании относительно крупных фракций грунта (более 5 мм). При наличии в непосредственной близости от террикоников месторождений природных глин с подходящими свойствами возможно устройство противофильтрационных экранов из данных глин. Однако для достижения требуемого коэффициента инфильтрации слой глины должен быть значительной толщины, а его устройство трудоемко и сопряжено с необходимостью привлечения специализированной техники и персонала. В связи с этим наиболее перспективным при консервации террикоников представляется использование таких современных противофильтрационных рулонных материалов, как бентонитовые маты с геотекстилем и заполнителем из натриевого или кальциевого бентонита, которые более эффективны. Мировой опыт применения данных материалов показал, что они обеспечивают высокую надежность и практически полную герметичность противофильтрационной конструкции. Конструктивно бентоматы, как правило, представляют из себя иглопробивной каркас из тканых и нетканых полипропиленовых полотен, между которыми помещены гранулы натриевого или кальциевого бентонита. Полотна соединены между собой поперечным иглопробивным способом, что обеспечивает прочность и эластичность конструкции, а также равномерное распределение гранул бентонита внутри каркаса и их фиксацию. Структура бентомата представлена на рис. 4 [19]. Рис. 4. Структура бентомата: 1 - гранулы бентонита; 2 - нетканое геотекстильное полотно; 3 - тканое геотекстильное полотно; 4 - иглопробивные волокна Бентонитовые маты производят такие известные фирмы, как «NAUE» (Германия), «HUESKER» (Германия), «GSE» (Германия), «Техстройтекс» (Беларусь), «CETCO» (Польша), «Carpi» (Швейцария), «Изобент» (Беларусь), «БентИзол» (Россия), «Nilex» (Канада) и др. Бентонитовые маты производятся в больших объемах, конкурентоспособны по экономическим показателям с природными глинами и достаточно широко стали применяться в последнее десятилетие при устройстве противофильтрационных конструкций для широкого класса сооружений, таких как полигоны захоронения отходов, накопители, шламохранилища и др. Достаточно полно проработаны методические вопросы их использования для решения подобного класса задач в части создания противофильтрационных экранов. Особенно большой вклад в разработку методических указаний по устройству сооружений с укладкой бентонитовых матов внесла фирма «NAUE». Данная компания является одним из мировых лидеров в производстве геосинтетических материалов и имеет опыт работы более 30 лет. В конструкции бентонитовых матов прочный и долговечный геотекстиль надежно удерживает слой бентонита, обеспечивая тем самым долгосрочную эксплуатацию материала. Водонепроницаемость подобного рулонного материала обусловлена набуханием в замкнутом пространстве бентонита при гидратации. Помимо этого, бентонитовые маты обладают способностью «самозалечиваться» при механических повреждениях за счет увеличения в объеме бентонита до 12 раз при контакте с водой, что особенно важно, поскольку механические повреждения возможны при перевозке и монтаже материала. Установлено, что бентонитовые маты с натриевым наполнителем являются наиболее высокотехнологичными из данной группы гидроизоляционных материалов, поскольку обладают наилучшим значением коэффициента фильтрации [19]. Применение геотекстильных материалов для устройства как газовых дренажных систем, так и систем по отводу ливневых вод обусловлено их высокими прочностными характеристиками и водопроницаемостью, а также долговечностью конструкций, построенных с их применением. При всем этом геотекстильные материалы удобны в хранении, транспортировке и монтаже. Толщина дренажной системы, устроенной при помощи геотекстильных материалов, в разы меньше, чем аналогичной по пропускной способности дренажной системы из природных материалов типа дренажного щебня или гальки. Заключение Сравнительный анализ технико-экономической и экологической эффективности общепринятой стратегии обращения с террикониками путем рекультивации с предлагаемой стратегией их консервации позволяет сделать вывод о том, что обе эти стратегии обеспечивают приемлемый уровень геоэкологической безопасности, но при этом рекультивация приводит к существенному снижению недооцененного в настоящее время ресурсного потенциала террикоников, в то время как при консервации обеспечивается его долговременная сохранность в период отложенного спроса на вторичные ресурсы. Применение предложенных метода, технологии и комплекса технических решений по консервации террикоников позволяет снизить техногенную экологическую нагрузку и обеспечить долговременное сохранение ресурсного потенциала. Консервация террикоников технически возможна, экономически доступна, экологически безопасна и может быть реализована в фактических условиях действующих строительно-монтажных организаций без применения узкоспециализированных технических средств и персонала. Консервация террикоников способна в значительной мере предотвратить процессы видоизменения складированной в них породы, которые происходят под влиянием атмосферных осадков, провоцирующих протекание физико-механических реакций. Сохранение заложенного в террикониках ресурса вместе с минимизацией контакта с окружающей средой позволит достичь синергетического эффекта в решении проблемы освоения ресурсного потенциала накопленных крупнотоннажных отходов угледобычи. Анализ современной рыночной конъюнктуры и спроса на первичные и вторичные минеральные ресурсы, а также прогнозов ее изменения в недалеком будущем позволяет сделать вывод о том, что отложенный спрос на ресурсный потенциал террикоников при постоянном росте цен на первичные минеральные ресурсы и усложнении условий их технико-экономической доступности будет со временем трансформироваться в реальный, а терриконики как техногенные месторождения в среднесрочной перспективе будут востребованы. Превращению отложенного спроса в реальный способствует не только истощение легкодоступных первичных сырьевых ресурсов, но и постоянное ужесточение природоохранной законодательной базы обращения с отходами производства. Проведенными нами исследованиями установлено, что наряду с известными направлениями использования террикоников, такими как производство песка и щебня, заполнителей для бетонов, каменного литья, зернистых теплоизоляционных материалов, технических грунтов для рекультивации нарушенных земель и в других целях, на их основе возможно получение строительной керамики путем использования специфического минералогического и химического составов террикоников. Разработаны технические решения по использованию материалов террикоников в качестве выгорающей и отощающей добавок при производстве строительных керамических изделий, конкурентоспособных по сравнению с аналогами, полученными из первичных материалов и характеризующимися высокой добавленной стоимостью, что является важным экономическим стимулом освоения террикоников как ценных техногенных месторождений.

About the authors

Iakov I. Vaisman

Author for correspondence.
Email: eco@pstu.ru
29 Komsomolskii av., Perm, 614990, Russian Federation

Doctor of Medical Sciences, Professor at the Department of Environmental Protection

Maxim F. Gaidai

Email: gaidaimaxim@yandex.ru
29 Komsomolskii av., Perm, 614990, Russian Federation

postgraduate student at the Department of Environmental Protection

References

Statistics

Views

Abstract - 274

PDF (Russian) - 50

PDF (English) - 56

Refbacks

• There are currently no refbacks.