автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка технических решений по использованию подземного пространства закрываемых угольных шахт для размещения отходов

- з ДЕК 1998

На правах рукописи МАКСИМОВ Валентин Юрьевич

УДК 622.14 : 622-17 : 658.567(047)

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ЗАКРЫВАЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОТХОДОВ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. ЯРУНИН С. А.

I Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. ПОСТНИКОВ В. И., канд. экон. наук, доц. ТРЕТЬЯКОВ И. О.

Ведущее предприятие — ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Ско-чинского.

Защита диссертации состоится « года

в час. на заседании диссертационного совета К-053.12.02 Московского государственного горного университета по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » . 199^г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доц. КОРОЛЕВА В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Реструктуризация угольной промышленности России в условиях перехода к рыночной экономике неизбежно приводит к закрытию значительного числа неперспективных шахт в Подмосковном бассейне. Восточном Донбассе, Прокопьевско-Киселёвском районе Кузбасса и других регионах. При этом в ТЭО на закрытие шахт не предусматриваете* использование основных фондов шахт - горных выработок. Хотя большая часть средств, выделяемых на лнхввдацию убыточных шахт, идёт на социальную защиту трудящихся и создание новых производств в районах закрываемых шахт, возникает острая напряженность в связи с трудоустройством высвобождаемых . трудящихся, функционированием служб в населённых пунктах, где закрываемые шахты были градообразующими.

С другой стороны, традиционная для России утилизация бытовых и промышленных отходов на полигонах встречает всё большие сложности с выделением новых площадей под них и экологическими проблемами данного способа.

В этой связи в мировой практике всё большее внимание уделяется ' использованию подземного пространства горных предприятий для размещения отходов. В России также проявляется большой интерес к данной проблеме, выполнена эколого-экономичесия оценка предложенной М1ТУ технологии, по конкретно технические решения по использованию подземного пространства для утилизации отходов, в большей степени, относятся к отходам горного производства (в первую очередь породы от проведения я ремонта выработок), оставляемых в выработанном пространстве действующих, а не закрываемых шахт. . ' . ',.

В этой связи обоснование и разработка технических решений по использованию подземного пространства закрываемых уюлькых шахт, отрабатывавших пологие пласты, для размещения продуктов термического

обезвреживания твёрдых бытовых отходов (ТБО) следует считать актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка технических решений по использованию подземного пространства закрываемых угольных шахт для размещения мелкофракционных шлаков (МФШ) от термического обезвреживания ТБО, обеспечивающей длительное экономически эффективное фушщионировакне шахты в качестве коммунально-бытового предприятия.

Идея работы заключается в рациональном -использовании при размещении в подземном пространстве отходов.основных фондов закрываемой угольной шахты - поддерживаемых горных выработок н подготовленных оставшихся запасов.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- возможность использования подземного пространства закрываемой шахты для размещения нетоксичных отходов определяется 1ндрогеологическими н геомеханическими условиями, а также выполнением требований к минимальному изменению существующих схем транспорта, вентиляции и водоотлива;

- важнейшим условием длительного и эффективного функционирования подземного пространства закрытой шахты -является частичное погашение технологических целиков у закладываемых выработок;

- Г эффективность использования подземного пространства закрытой . угольной шахты растбт с увеличением производительности предприятия по размещению отходои по гиперболической зависимости и определяется степенью

реализации вторичных ресурсов от термического обез^ешм&оа отходов.

-1 -

• • •'• ' '. к

Обоснованность м достоверность научных^ , -;/•/; Лннй, выводов н

рскожкшиЯ подтверждаются: —Л

ч ■■. \ ;

. - ; . -

- - • -* • л.

—представленным объемом обследованных н систематизированных горных выработок на двух п'чхтных полях;

• использованием современных методов эколого-экономической оценки предложенной технологической схемы.

Научное значение работы состоит в разработке методических основ оценки пригодности подземного пространства закрывающейся шахты для размещения отходов.

Практическая ценность работы заключается в разработке технологической схемы размещения продуктов термического обезвреживания ТБО в подземном пространстве шахты, обеспечивающей длительное эффективное использовав;:; ей основных фондов-выработок и оставленных подготовительных запасов после закрытия.

Реализация еиеодо« и рекомендаций. Разработки шая в диссертации технологическая схема размещения отходов в подземном пространстве закрываемой угольной шахты передана в ГК Росуголь для реализации.

На основе материалов диссертации сформирован подраздел программы Минобразования РФ " Эффективные технологии утилизации, обезвреживания и захоронения отходов" Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации. Приказ №526 от 25.02.98 г.

Апробация работы. Основные положения диссертации и резу льтаты исследований докладывались и получили одобрение на научно-технических совещаниях в ГК "Росуголь" и НТГА, яа^ научно-технических конференциях •Неделя горняка" а МЛГУ (1996-98 гг.)

Публикации. По результатам выполненных исследонашш опубликованы три научные статьи.

-г-

Объё.и и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, содержит 193 страницы машинописного текста, 17 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 59 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В технико-экономических обоснованиях шкрыгия неперснемннных н особо убыточных шахт практически отсутствуют предложении но использованию основных фондов закрываемых предприятий, поддерживаемых горных выработок с объемом от 30 до 120 тыс. м' и подютомленных >апасов, находящихся к моменту закрытия шахты на ее балансе )ю приводи! к значительным затратам при ликвидации шахты, большая часIь которых идет на решение не технических, а социальных вопросов I ем не менее социальная напряженность остается в районах массовою закрьиия шахд высокой

Вопросам размещения отходов утледобывампимо проишодсчва. к первую очередь породы от проведения и ремонт имрмюшк. посвящены многочисленные исследования ИГД им Скочинскою. Домуш. \11 I > н лр коллективов, но все они выполнены применшельно к лейсчвуюшнм пимам Использование же отдельных вырабоюк обычно иыиичви.ши.и дворов, па закрытых шахтах для складских целей, гражданской обороны ш и окам к^ь убыточным, так как приходится поддерживай большинсик) шлчшыч служи при задалживании только 3-5°о обшао объёма шшемиою прооран*, та

Только в последние юды на основе опьма 1 ермании в сняш с ре 1ким увеличением числа закрываемых шахт в ряде рабо! ученых N11 ГУ (Малкии \ С Ярунин С.А., Шишиц И.Ю. и др.) сформулировано предложение о ра (мешении и подземном пространстве закрывающихся утольныч шач1 проемов гермического обезвреживания твёрдых бытовых и неюкси'шых прочыш генныч отходов в виде мелкофракционных шлаков. Выполнено зкологоокономн'ачмн' обоснование данного технического решения и пока юна ею безусловная

перспективность. В то же время технологическая сторона вопроса оставалась недостаточно проработанной.

Анализ опыта использования подземного пространства закрытых горных предприятий лл* размещения отходов различной токсичности, накопленный в Германии и других странах, позволил выделить основные направления размещения отходов в выработках закрываемых угольных шахт (рис. I).

Анализ современных способов утилизации отходов, особенно повсеместно производимых бытовых отходов, показывает, что наиболее экологически чистым является термическое или пиролизное обезвреживание отходов, после которого образуется 25-30% твёрдою нетоксичного и непатогенного остатка в виде мелкофракционных шлаков, размещаемых затем на обычных городских свалках и полигонах.

С учётом изложенного в работе решаются следующие задачи:

1 Подсчёт объёмов выработок, поддерживаемых, на момент закрытия шахты.

2. Подсчёт объёмов охранных целиков.

3. Геомеханический прогноз длительной устойчивости выработок.

4. Изучение гидрогеологических условий.

5. Анализ схем транспорта, вентиляции, водоотлива, поверхностного комплекса.

6. Обоснование технологических вариантов размещения обезвреженных отходов в шахте.

7. Экономическая оценка предложенных вариантов данной технологии.

В качестве объектов исследования приняты закрываемые шахты им. Кирова и "Горняцкая-Восточная" ш/у "Горняцкое" АО "Ростовуголь", отрабатывающие свиты пологих антрацитовых пластов тонких и средней мощности. Поверхностный комплекс шахт представлен зданиями и сооружениями, находящимися в удовлетворительном состоянии. Промплощадки шахты имеют подъездные железнодорожные и автомобильные пути, хорошо

Рис.1. Направления использования подземного пространства закрываемых горных предприятий для размещения отходов

-в-

развитую связь, котельные. На оОота площадках имеются сета хозянственно-гоггъепого водоснабжения.

Для условий объектов нсследоватет наиболее приемлемым является техлзлогнческая цепочкз, выделгшгая на рис. 1 жирной линией.

При ликвидации шахт в каждом шахтном поле остаются свыше 14 млн. т балансовых запасов. Следовательно, обе рассматриваемые шахты имеют достаточно развитую инфраструктуру, пригодную для приёма и переработки отходов для их последующего р«змещення в подземных пространствах шахт.

Для оценки пригодности подземного пространства шахт для размещения продуктов термического обезвредив; и шя ТБО и некоторых промышленных отходов разработаны методики определения объёмов подоемпого пространств;», оценки горно-геологиче;ких условий с учётом прогноза длительной устойчивости выработок гсомехпннческнх и гидрологических условий. Разработана методика анализа схем транспорта и вентиляции, имеющихся на шахтах к моменту закрыли. Предложены методические ooic.ii разработки пршщипналыгой технологической схемы размещения отходов в подземном пространстве.

Критерием методики экономической оценки принимаемых решений является чистая экономическая прибыль, вскрывающая заннтересс-»плссть угледобывающих предприятий в реализации перепрофнлизации закрываемой шахты. Для дополнительного анализа экономической эффективности размещения твёрдых отходов в подземном пространстве методика предполатт расчёт показателей экономического ущерба окружающей срече, народнохозяйственного эколого-экономического эффекта и сравнительной эколого-экономической эффективности и материальных затрат.

Исследование гидрогеологических условий шахты им, Кирова показало, ЧТО воды грунтового типа в четвертичных отложениях залегают до глубины 10,5 м, водообнльноеть'- от 0,01 до 0,001 л/с, т.е. весьма низкая. На глубине до 430 м встречено 23 водоносных горизонта в песчаниках, известняках н выветрившихся глинистых сланцах. Отдельные сближенные водоносные

горизонты образуют водоносные комплексы (первый - в интервале глубин от 20 до 140 м, представлен пятью слоями песчаников; второй - от 140 до 210 м, шесть

водоносных горизонтов, обладающие самыми разнообразными

*

гидродинамическими характеристиками, от безнапорных до напорных).

Обводнённость выработок небольшая, средняя величина многолетнего водопритока-363 м'/ч.

Прогноз гидрогеологических условий после закрытия работы шахты по добыче показывает, что водопритоки снизятся на 10-20%, режим водопоступления будет более стабильным. Сдренированность центральной части шахтного поля позволит размещать отходы в практически сухом массиве. Состав и свойства шахтной воды останутся без изменений. Сложившаяся система водоотлива сохраняется в любом случае, т.к. ниже шахты им. Кирова ведёт работу шахта им. Ленина. С учётом выполнения закладочных работ при частичном погашении целиков конечные деформации поверхности будут меньше, а процесс движения будет растянут во времени.

Шахтное поде шахты "Горняцкая-Восточная" отнесено в связи с очень, сложным тектоническим строением ко II группе сложности. Подземные воды кайнозоя образуют два водоносных горизонта - верхний безнапорный и нижний напорный, в палеогеновых отложениях - одни безнапорные или слабо напорные. Воды этих горизонтов используются населением. В каменноугольных отложениях водовмещающие породы-песчаники и известняки переслаиваются глинистыми сланцами (глинами), поэтому подземные воды каменноугольных отложений относятся к типу трещшшо-пластовых напорных вод с гидравлической связью между водоносными пластами а зонах тектонических нарушений. Величина напора достигает десятков метров. Зона значительной обводнённости прослеживается до глубины 275 м, средней обводнённости - до 490 и, ниже зстны незначительной обводнённости. Статические запасы и напоры подземных вод в значительной степени с дренированы при ведении горных работ. Величина водопритока колеблется от 160 до 190 и 1ч, при прорывах воды из локальных зон увеличивается до 350 м}/ч.

Прогноз на перспективу при закрытии шахты показывает, что несмотря на небольшие средние водопротоки гидрогеологические условия ожидаются ело с.'ь'ми. Это объясняется относительно высокой вероятностью вскрытия обводнённых тектонических нарушений при частичном погашении целиков. Горюши работами сдренировано только 20% площади шахтного поля, остальные вода - валорные. Обводнение выработок предопределит ухудшет:е физико-механических характеристик горных пород, снижение их устойчивости, будет усложнять заклздочные работы и окажет отрицательное влияние на формхгроватге состава шахтных вод. С учётом гидрогеологической обстановка подземной пространство шахты может быть использовано без доработки запасов (без погашения целиков), что существенно сокращает возможности размещения отходов. Деформгшгл земной поверхности будут значтггельно 1гиже.

При прогнозе геоыехшпгкекого состояния на длительно перспективу важно не только сцегапъ еозможность закладки поддеркатаеиых выработок МФШ в безопзегых условиях эксплуатации, но и обеспечить сохранение в допустимых пределах изменений гидрогеологической обстановки. Последнее предполагает прег« ращение образовать секущих тредцш во вмещающих породах до полной потери устойчивости слоя при частотном нзолеченнн целикоз.

Выбор перспективных для вторичного использовишя горних выработок осуществляется на основе шахтных данных, результатов обследоззтеш выработок, анализа условий их размещения.

Как показало обследовшше па шахте ни. Кирова, на участках, ргеполопдаших вне области влияши очистных работ, выработки, закреплённые Л2л;с шжерной крепью, нзходатся п удовлетворительном состоянии по 15-25 лет без перекреплеипя. Это свидетельствует о благоприятной геоыеханической обстановке вокруг поддерживаемых выработок шахты ira. Кирова. При выемке целиков следует избегать погатеши целиков в зонах размывов кроали, делающих eï неустойчивой.

Сложное тектоническое строение шахты "Горняцкая-Вое Ю'шая" приводило к осложпешио работ вследствие неустойчивой кровли, иаличия мелко

5-

амплитудных нарушений, пережимов и утонетш угольных пластов. Северовосточная часть шахтного поля характеризуется наличием крушюго нарушения с амплитудой до 20 м, сопровождающегося зоной неустойчивых пород и ложной кровли мощностью до 1,8 м. Массив разбит многочисленными трещшшш горного давлеши и едшекеиня, имеющими разную степень раскрытостн и развитыми в подработплном массиве до поверхности. Следовательно, :еомеха!шческое состояние шахты "Горняцкая-Восточная" является сложным и трудно прогнозируемым . при планируемом исполъзоеошш подземного пространства после закрытия шахты.

Выполнена систематизация выработок, пригодных для размещения отходов. На шахте им. Кирова общий обьйи таких выработок составил 448 тыс. ы3, из in fx 61,Т/а горшоиталышх и 33,1% наклонных, Наибольшее примените имеют шжергия (38,9%) и арочиаа металлическая крепь (35,5%). Запасы угля в целиках у этих выработок составили свыше 920 тыс.т, обьёы цсликов-574,6 тыс.«1. Дальность транспортировки-0,5-3,2 км. При 50% извлечении целиков можно создать дополнительные полости объемом шеоло 300 тыс. ы\ что в сумме с обьйиом выработок составит 736 тыс. и3.

На шахте "Горняцкая-Восточная" объемы пригодных для размещения отходов выработок составляют 224 тыс. мэ (67% приходится иа горизонтальные выработки), при 50%-ном извлечешш целиков теоретически возыояшо создание 192 тыс.м3 дополнительных полостей, 'общий обь£м свыше 400 тыс. ы3. Сложные условия предопределили применение только прочной крепи во всех выработках (почти т^Ч) и делают проблематичным погашение цгяиков.

Таким образом, то объемам подземного простралстиа, типам крепи, состоянию поддерживаемых выработок, реальной возможности извлечения угля ш охрашшх целиков дгя создания дополнительных полостей наиболее перспективно поле шахты им. Кирова.

Окончательные выводы о возможностях обоих шахтных полей моазю сделать после анализа схем транспорта, вентиляции и водоотлива.

Пршшшшальиая технологическая схема приёма, переработки п рашешеика отходов в пожемном пространстве закрываемой шахты включает в

-10-

себя поверхностный комплекс по приему и переработке отходов, транспортную и венптяшкмшуто схемы, схему водоотлива, схему образования дополнительных полостей в технологических целиках и схему закладочных работ.

Наиболее слозишм вопросом перепрофшшзацип закрываемой шахты является вопрос приёмки и переработки отходов на поверхности шахты, в случае ТБО под переработкой понимается термическое обезвреживание. Эколопшеская оценка сжигания ТБО в шахтных котельных с дымовыми трубами высотой 20-25 м при рекомендуемой производительности 100 т ТБО в сутки, выполненная на кафедре ЭП МГГУ под руководством проф В.А. Херчепко и В.Т. Коваля, показала, что образующиеся при этом приземные концентрацхт дымовых газов, солей тяжёлых металлов и диоксидов значительно шпг 11Д'С. Тем не менее, использование шахтных котельных является вынужденной мерой, и при наличии тшесторов следует идт на строительство шнш-завода, основой которого является энергометаллургичесюш реа:стор конструкции Обнинского ФТИ, в котором осуществляется высокотемпературный процесс (более 2000°С) в жидком шлаковом рарплгзе отходов. Сырьём процесса могут быть низкосортные угли с зольностью до 50%. Мшш-завод обеспечивает термическую переработку бытовых и промышленных отходов с получением сплавов чёрных и цветных металлов и экологически чистого шлака, очистку уходящих газов от вредных прнмесей и пыли, производство тепловой и электроэнергии для удовлетворенна собственных нужд и потребителя п др. Для загрузки бытовых отходов в реактор с участием автора предложена специальная конструкция.

Техпологнческие схемы транспорта, вентиляция, водоотлива, схемы образования дополнительных полостей и закладочных работ определяются специально для кавдой конхретной шахты, по главным требованием к ним является их максимальная привязка к существующим на шахте схемам с мштмальныы их переоборудованием.

Особое значение среда этих схем приобретает для закрытой шахты схемы сооружения дополнительных полостей в охранных целиках закладываемых

-11-

МФШ выработок. Рекомендуемая производительность по термическому обезвреживанию ТБО в количестве 100 т/суг требует размещения в шахте только 20-25% от общего объёма ТБО, который составляют нетоксичные МФШ и зольный остаток. В год будет закладываться 12600 м3 подземного пространства. При условии заполнения только выработок срок функционирования шахт им. Кирова и "Горняцкая-Восточная" составит соответственно около 36 и 18 лет. Если же использовать дополнительные полости, образуемые в процессе 50%-ного извлечения охранных целиков, то срок работы перепрофшшровашшх шахт увеличивается ещё на 23 и15 лет соответствешю, при этом рационально используются ранее оставляемые, как правило, подготовленные промышленные запасы и обеспечивается собственным сырьём термическое обезвреживание отходов.

В этой связи создание дополнительных полостей следует считать необходимым элементом технологической схемы размещения отходов в подземном пространстве закрываемой шахты.

В качестве способа создам« таких полостей рекомендуется буродшековая выемка, которая позволяет с помощью одного и того же оборудования и бурить скважины, и закладывать их МФШ. В работе предлагается использование буро-закладочного комплекса БЗМ, прошедшего успешные испытания в Подмосковном бассейне, по второй технологической схеме (закладка и буровых скважин, и выработок)..

Анализ схем транспорта н вентиляции на шахтах им. Кирова, и "Горняцкая-Восточная" показал, что наиболее просто призязываются транспортные схемы доставки шлаков для закладки и угля от сооружения дополнительных полостей. Не возникает больших слоэкиостей и обеспечение надёжного проветривания при центральных схемах веипшяции, как, например, на шахте им. Кирова. При фланговых схемах проветривания и отсутствии парных выработок (шахта "Горняцкая-Восточная") ставится под сомнение целесообразность размещения отходов в выработках, а вкупе со слохсиьиш гидрогеологической и геомехашгоеской ситуациями при выемке целиков сделан вывод о признании шахты "Горняцкая-Восточная" непригодной на современном

-12-

уровне технических возможностей для размещения отходов в её подземном пространстве.

В связи с этим далее в диссертации разработана технологическая схема размещения МФШ от термического обезвреживания ТБО в первой очереди подземного пространства шахты им. Кирова. Учитывая, что первый опыт внедрения новой технология должен производиться в наиболее благоприятных условиях, для закладки МФШ в выработки и буровые скважины рекомендуется центральная часть шахтного поля II горизонта шахты им. Кирова с объёмом выработок около 98 тыс.м3 и дополнительных полостей (буровых скважин) с объёмом свыше 128 тыс.м3, что обеспечивает работу по приёму отходов с производительностью 100 т ТБО в сутки в течение 18 лет. Такая производительность не вызывает экологических сложностей, позволяет опробовать и скорректировать параметры технологической схемы и в то же время обеспечить приём ТБО от населённых пунктов с 50 тыс. жителей, включая инфраструктуру посёлков (больницы, рынки и т.п.).

Экономическая оценка предложенной технологии производилась для ' первой очереди подземного пространства шахты им. Кирова для трёх вариантов, отличающихся степенью использования вторичных ресурсов, получаемых попутно с термическим обезвреживанием ТБО: 1-прнём, термическая переработка ТБО, утилизация тепловой и электрической энергии, рекуперация сплавов чёрных и цветных металлов, размещение отходов в подземном пространстве; 2-то же, но га вторичных ресурсов реализуется только тепловая энергия; 3-только приём, и размещение отходов в подземном пространстве.

Результаты расчётов сведены в таблицу.

Как видно го приведённой таблицы, варианты 1 и 2 эффективны и выгодны как производству, так и {©роду, и региону. Только приём и размещение отходов в подземном пространстве закрытой шахты неэффективен. Отсюда можно сделать вывод, что экономическая эффективность использования подземного пространства для размещения ТБО определяется степенью реализации вторичных ресурсов от их термического обезвреживания.

Срашшгельвая экономическая оценка по вариантам 1-3

Испозьзоьавье торных выработок даа рущр..г£кия твердых огсодаа

Покаатеи« Полкген

Вариант / Вариант 2 Вариант 3

Валовый доход, тыс. руб./год 670,3 19376,3 7169,35 1368,75

Капитальные затраты, тыс. руб./год 163,0 669,6 669,6 249,6

Эксплуатационные затраты, тыс. руб./год 110,5 4099,2 - 4099,2 3470,2

Налоги н отчисления, тыс. руб./год 167,1 7494,6 2014,28 639,1

Чистая экономическая прибыль. 224,7 7112,9 386,3 -2939,5

тыс. руб./год

Эколого-экономический ущерб,

тыс, руб./год

всего : 11879,1 669,4 669,4 559,4

в том числе :

- атмосфере 401,1 120,0 120,0 10,0

- водным объектам 11030,0 510,2 510,2 510,2

- земельным ресурсам 448,0 39,2 39,2 39,2

Народнохозяйственный эколого -

экономический эффект, тыс. руб./ год -П208.8 18706,9 6499,95 809,35

Эффективность финансовых и

материальных затрат:

- на микроэкономическом уровне 0,8 1,49 0,08 -0,8

- на макроэкономическом уровне -27,3 2,92 0,36 -0,8

Ориентировочный расчет показал также, что если по экологическим факторам возможно увеличение производительности подземного пространства по размещению отходов, эффективность предприягия растёт по гиперболической зависимости.

Маркетинговые исследования подтвердили безусловное наличие заинтересованных производителей отходов в регионе с радиусоп 30 км от шахты.

При составлении бизнес-планов следует также учитывать, что перепрофилизация закрытой шахты в коммунальное предприятие по размещению отходов приводит к трудоустройству около 100 высвобождающихся при закрытии шахты горнорабочих без их переквалификации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится комплекс технических и технологических решений по использованию подземного пространства закрывающихся угольных шахт для размещения твёрдых нетоксичных отходов, что имеет существенное значение для рационального использования основных фондов закрываемых шахт и обеспечения улучшения экологической обстановки в угледобывающих регионах России.

Основные научные результаты, выводы н рекомендации заключаются в следующем:

1. Разработаны методические основы оценки пригодности подземного пространства закрывающейся угольной шахты для размещения в нём нетоксичных продуктов термического обезвреживания твёрдых бытовых и ряда промышленных отходов по технологическим и экономическим факторам.

2. Обоснованы принципиальные технические решения по размещению отходов в подземном пространстве закрывающейся угольной шахгы, включающие поверхностный комплекс, обеспечивающий приём, термическое

~)3 -

обезвреживание н доставку шлаков к вскрывающим выработкам, и максимально привяинные к существующим схемам схемы внутришахпюю транспорт, вещ тяпни и водоотлива, а также схему частичного погашения охранных целиков у закладываемых выработок и схему закладочных работ

3 Покаймо. чго дтя увеличения срока использования подземного пространства шахты для размещения отходов целесообразно создавать дополнительные полости в охранных целиках с закладкой этих полостей, а затем и прилегающих к ним участков выработок мелкофракционными шлаками.

4. Разработана техноло! ическая схема использования подземного пространства закрываемой шахты им. Кирова АО "Ростовуголь" как типичного представителя шахт Восточного Донбасса. Предложена последовательность работ по размещению шлаков от термического обезвреживания ТБО в первой очереди закладываемою МФШ подземного пространства

5. Рекомендуемая суточная производительность комплекса по переработке и ра5метению твёрдых бытовых отходов в подземном пространстве шахты им. Кирова - 100 т ТБО в сутки Срок работы шахты по размещению отходов с учётом 50% - ного погашения техноло! ических целиков - 58 лет.

6. Экономическая оценка предложенной технологической схемы выполнена для трёх вариантов 1) с использованием в качестве вторичных ресурсов тепловой и электрической энергии и сплавов металлов, 2) с использованием только тепловой энергии от переработки ТБО; 3) без использования вторичных рес>рсов

Показано, что использование горных выработок хтя размещения отходов по вариантам 1 н 2 наиболее эффективно, как для угледобывающего предприятия, так и для города, региона, государства. 3 вариант неэффективен.

7.Маркетинговые исследования показали, что в радиусе до 30 км от закрываемой угольной шахты имеются производители отходов в объёмах, 31. чительно превышающих возможности шахты но их размещению.

8. Предложен комплекс решений по размещению нетоксичных твёрдых бытовых и ряда промышленных отходов, требующих термического обезвреживания, в подземном пространстве закрываемой шахты обеспечивает

-16-

рациональное использование основных фондов закрываемой шахты поддерживаемых юрных выработок н оставляемых при ликвидации шахты по.ноювленных промышленных мпасов. снижение социальной напряженности и повышение зколо!нческой чисюш в шахтерских ра ионах с закрывающимися шахтами

Основные но южеиня диссертации опубликованы в следующих работах

1 Яр)нин ( Д. Чакоршченнын ИМ, Максимов НЮ Потенциальные ВО1М0Ж1ЮС1И мноюцслевою испои, «звания подкмною пространства у| ильных шахт. -Горный ннформацнонно-аналитческий бюллетень. 1998, №3

2 Максимов В К) Методические основы разработки принципиальной 1ечноло( нческом счемы способа ра!мешения о■ходов в подземном пространен«: пимы Рчкопись лен в итда1ельство М, . N. №142 01 1 10 98 |

1 Максимов В К) I иси'машишия поддерживаемых выработок шахт по скисни и\ притдност /ия рашсшеши отходов Р>копись дел. в in.wie.ii.ciBO МП У, №143 от 1.10 98 I.

,. оч . . 5 7'Л'

государственный комитет российской федерации по высшему образованию

московский государственный горный университет

На правах рукописи МАКСИМОВ ВАЛЕНТИН ЮРЬЕВИЧ УДК - 622.14:622 - 17:658.567 (047)

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ЗАКРЫВАЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОТХОДОВ

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений

полезных ископаемых"

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. Ярунин С.А.

Москва -1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА..................................................................7

1.1 Структура ТЭО на закрытие шахт в различных регионах России..................8

1.2 Анализ способов утилизации твёрдых бытовых и промышленных отходов..............................................................................................................13

1.3 Анализ мирового опыта использования подземного пространства

горных предприятий для размещения ТБО и ТПО.........................................29

1.4 Задачи и методы исследования........................................................................51

Выводы.............................................................................................................52

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................53

2.1 Объекты исследования....................................................................................53

2.2 Методика исследования ................................................................................71

2.3 Методика экономической оценки использования горных выработок

для размещения твёрдых отходов..................................................................82

Выводы............................................................................................................93

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ШАХТ.................................95

3.1 Гидрологические условия шахт им. Кирова и, Горняцкая-

Восточная на момент перепрофилизации.....................................................95

3.2 Анализ состояния поддерживаемых выработок и прогноз его изменения на длительную перспективу.......................................................107

3 .3 Систематизация поддерживаемых выработок шахт по

степени их пригодности для размещения отходов.....................................115

Выводы..........................................................................................................127

4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПЕРЕОБОРУДОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ШАХТ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОТХОДОВ............................................................................................................129

4.1 Принципиальная технологическая схема размещения отходов в подземном пространстве................................................................................129

4.2 Рекомендации по изменению схем транспорта и вентиляции.....................140

4.3 Разработка технического предложения по созданию дополнительных полостей в подземном пространстве шахты и закладка...............................147

4.4 Рекомендуемые последовательность и технологическая схема

размещения отходов в подземном пространстве шахты им. Кирова...........153

Выводы............................................................................................................161

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И МАРКЕТИНГОВАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛАГАЕМЫХ РЕШЕНИЙ........................................................................163

5.1 Предпосылки экономической оценки использования подземного пространства шахты им. Кирова для размещения отходов..........................163

5.2 Экономическая оценка складирования отходов на полигоне.......................164

5.3 Экономическая оценка размещения отходов в горных выработках

шахты им. Кирова по возможным вариантам...............................................168

5.4 Расчёт сравнительной экономической эффективности................................172

5.5 Маркетинговые исследования........................................................................178

5.6 Рекомендации по созданию новых рабочих мест..........................................180

Выводы............................................................................................................184

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................186

ЛИТЕРАТУРА

189

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Реструктуризация угольной промышленности России в условиях перехода к рыночной экономике неизбежно приводит к закрытию значительного числа неперспективных шахт в Подмосковном бассейне, Восточном Донбассе, Прокопьевско-Киселёвском районе Кузбасса и других регионах. При этом в ТЭО на закрытие шахт не предусматривается использование основных фондов шахт - горных выработок. Хотя большая часть средств, выделяемых на ликвидацию убыточных шахт, идёт на социальную защиту трудящихся и создание новых производств в районах закрываемых шахт, возникает острая напряжённость в связи с трудоустройством высвобождаемых трудящихся, функционированием служб в населённых пунктах, где закрываемые шахты были градообразующими.

С другой стороны, традиционная для России утилизация бытовых и промышленных отходов на полигонах встречает всё большие сложности с выделением новых площадей под них и экологическими проблемами данного способа.

В этой связи в мировой практике всё большее внимание уделяется использованию подземного пространства горных предприятий для размещения отходов. В России также проявляется большой интерес к данной проблеме, выполнена эколого-экономическая оценка предложенной МГГУ технологии, но конкретно технические решения по использованию подземного пространства для утилизации отходов, в большей степени, относятся к отходам горного производства (в первую очередь породы от проведения и ремонта выработок), оставляемых в выработанном пространстве действующих, а не закрываемых шахт.

В этой связи обоснование и разработка технических решений по использованию подземного пространства закрываемых угольных шахт, отрабатывавших пологие пласты, для размещения продуктов термического обезвреживания твёрдых бытовых отходов (ТБО) следует считать актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка технических решений по использованию подземного пространства закрываемых угольных шахт для размещения мелкофракционных шлаков (МФШ) от термического обезвреживания ТБО, обеспечивающей длительное экономически эффективное функционирование шахты в качестве коммунально-бытового предприятия.

Идея работы заключается в рациональном использовании при размещении в подземном пространстве отходов.основных фондов закрываемой угольной шахты - поддерживаемых горных выработок и подготовленных оставшихся запасов.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- возможность использования подземного пространства закрываемой шахты для размещения нетоксичных отходов определяется гидрогеологическими и геомеханическими условиями, а также выполнением требований к минимальному изменению существующих схем транспорта, вентиляции и водоотлива;

- важнейшим условием длительного и эффективного функционирования подземного пространства закрытой шахты является частичное погашение технологических целиков у закладываемых выработок;

- эффективность использования подземного пространства закрытой угольной шахты растёт с увеличением производительности предприятия по размещению отходов по гиперболической зависимости и определяется степенью реализации вторичных ресурсов от термического обезвреживания отходов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- представленным объёмом обследованных и систематизированных горных выработок на двух шахтных полях;

- использованием современных методов эколого-экономической оценки предложенной технологической схемы.

Научное значение работы состоит в разработке методических основ оценки пригодности подземного пространства закрывающейся шахты для размещения отходов.

Практическая ценность работы заключается в разработке технологической схемы размещения продуктов термического обезвреживания ТБО в подземном пространстве шахты, обеспечивающей длительное эффективное использование её основных фондов-выработок и оставленных подготовительных запасов после закрытия.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная в диссертации технологическая схема размещения отходов в подземном пространстве закрываемой угольной шахты передана в ГК Росуголь для реализации.

На основе материалов диссертации сформирован подраздел программы Минобразования РФ 11 Эффективные технологии утилизации, обезвреживания и захоронения отходов" Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации. Приказ №526 от 25.02.98 г.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на научно-технических совещаниях в ГК "Росуголь" и НТГА, на научно-технических конференциях "Неделя горняка" в МГГУ (1996-98 гг.)

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы три научные статьи.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, содержит 193 страницы машинописного текста, 17 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 59 наименований.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

Реструктуризация угольной промышленности осуществляется в рамках реформирования всей экономики и приобретает качественно новый облик под действием рыночных механизмов.

Экономические реформы и развитие рыночных отношений делают неизбежными структурные преобразования в горнодобывающих отраслях и прежде всего в угольной промышленности. Объективными причинами таких преобразований являются сложные горно-геологические условия большинства разрабатываемых угольных месторождений, неблагоприятное их географическое размещение по отношению к основным потребителям угля на внутреннем и внешнем рынке. При наличии значительных мощностей газовой промышленности и развитой системы газопроводов эти причины оказывают существенное негативное влияние на конкурентоспособность продукции многих угольных предприятий.

Снижение конкурентоспособности угля, неудовлетворительное состояние производственного потенциала и технологической базы угольной промышленности (низкие технико-экономические показатели, высокая аварийность и травматизм), увеличение отставания от передовых угледобывающих стран - мировых лидеров -приводят к необходимости коренной реструктуризации угольной промышленности [1,2] Под реструктуризацией понимается процесс направленного изменения состояния отрасли, характеристики которого уже не обеспечивают её устойчивое развитие с учётом изменяющихся макроэкономических условий [3]. Завершением процесса реструктуризации должно стать новое устойчивое состояние отрасли в целом и её структурных элементов. На рис. 1.1 приведены основные цели реструктуризации угольной промышленности России.

Рис. 1.1 Основные цели реструктуризации угольной промышленности России.

1.1. Структура ТЭО на закрытие шахт в различных регионах России

Концепция решения проблемы ликвидации неперспективных, особо убыточных шахт предусматривает поэтапную процедуру, включающую:

1. Определение платёжеспособного спроса на уголь на внутреннем и внешних рынках. В условиях рыночной экономики объём добычи угля в отдельных угледобывающих регионах будут определяться не столько производственными возможностями, сколько величиной спроса на уголь и угольную продукцию внутри страны и за рубежом [4-6]. В последние годы в России возникли диспропорции в производстве и потреблении угля, которые характеризуются одновременным существованием на угольном рынке свободных ресурсов углей и неудовлетворённой потребностью в них. Одной из основных причин разбалансированности спроса и предложения на угольную продукцию является высокая стоимость добычи угля и резкое увеличение транспортных расходов. В результате многие потребители не в состоянии закупать уголь по ценам, которые не обеспечат эффективность их собственных производств.

2. Определение соответствующего спросу необходимого потенциала.

3. Определение угольных предприятий, подлежащих выводу из эксплуатации.

4. Оценка социально-экономических и экологических последствий реструктуризации.

5. Разработка предложений по созданию новых рабочих мест для высвобождаемых трудящихся за счёт диверсификации угольного производства, всестороннего льготирования малого и среднего бизнеса, перевода рабочих в другие более динамично развивающиеся отрасли.

При проектировании закрытия неперспективных шахт особое внимание должно быть уделено проблеме обеспечения социальной защиты трудящихся, улучшения социальных условий в шахтёрских городах и посёлках.

В соответствии с программой реструктуризации угольной промышленности России и "Основным принципом санации и закрытия неперспективных и особо убыточных шахт и разрезов", утверждёнными Межведомственной комиссией по социально-экономическим проблемам угледобывающих регионов, в текущем десятилетии намечается закрытие около 100 неперспективных, особо убыточных предприятий [7-20].

Осуществление этой программы производится на основе ТЭО (проектов) ликвидации шахт и разрезов, разрабатываемых проектными и другими специализированными организациями отрасли по отдельным угледобывающим регионам страны. В случае подтверждения экономической нецелесообразности дальнейшей работы шахты и невозможности значительного улучшения её технико-экономических показателей за счёт рационализации горного хозяйства, технического перевооружения, объединения с соседними шахтами и других мер ТЭО должно обосновывать необходимость закрытия шахты и определить порядок её ликвидации. При этом должны быть оценены социально-экономические последствия закрытия шахты и разработана программа социальной защиты трудящихся.

В случае экономической нецелесообразности дальнейшей работы предприятия ТЭО предусматривают:

• безопасную доработку части оставшихся запасов угля в определённые сроки или порядок их списания и консервации;

• демонтаж и возможную реализацию горно-шахтного оборудования и металлоконструкций;

• консервацию горных выработок и изоляцию выходов их на дневную поверхность;

• возможность хозяйственного использования зданий, сооружений и подземного пространства в различных целях;

• предотвращение негативных последствий закрытия предприятия, определение источников затрат на эти цели;

• социальную защиту трудящихся ликвидируемого предприятия и членов их семей.

Отсутствие опыта разработки ТЭО ликвидации угледобывающих предприятий, недостаточно высокая квалификация некоторых разработчиков ТЭО привели к необходимости определённой формализации этого процесса. В 1994 году институтом "Центрогипрошахт" был разработан "Эталон ТЭО (проекта) ликвидации (санации) шахты", утвержденный Минтопэнерго РФ, который лёг в основу первых конкретных разработок. В дальнейшем Эталон был скорректирован и расширен Центрогипрошахтом и утверждён Минтопэнерго РФ по согласованию с Госгортехнадзором РФ [21].

Согласно Эталону, ТЭО (проект) ликвидации шахты (разреза) включает следующие разделы:

1. Местоположение предприятия. Природные условия и геологические характеристики шахтного (карьерного) поля.

2. Анализ производственно-плановой деятельности предприятия (фактические данные за 2-3 года, предшествующих году составления ТЭО (проекта) и прогнозируемые на текущий год.

3. Анализ рынка сбыта и прогноз спроса на уголь (в т.ч. предложения по обеспечению потребности в угле при ликвидации предприятия).

4. Причины ликвидации предприятия (отработка запасов, нецелесообразность дальнейшей работы предприятия из-за нерентабельности, отсутствия сбыта угля и др.).

5. Решение по оставшимся запасам угля (их доработке, полному или частичному списанию)

6. Порядок ликвидации предприятия (включая последовательность проведения работ по ликвидации горных выработок и демонтажу оборудования).

7. Использование основных фондов предприятия (прогнозируемые решения по перепрофилированию предприятия и использованию подземного пространства, зданий и сооружений поверхности для других производств).

8. Технические решения по обустройству поверхностного комплекса и созданию новых рабочих производств.

9. Экологические последствия ликвидации предприятия (включая оценку эффективности экологической реабилитации территории).

10.Социально-экономические последствия ликвидации предприятия (данный раздел содержит подробные мероприятия по трудоустройству высвобождаемых работников ликвидируемого предприятия, их социальной защите с расчётом необходимых затрат).

11. Экономическая оценка и финансовый анализ мероприятий в связи с ликвидацией предприятия (со сводной сметой затрат).

12.Календарные сроки выполнения и финансирования работ по ликвидации предприятия и созданию новых производств.

ТЭО (проект)содержит также комплект сметной документации (локальные и объектные сметные расчёты, сводка затрат на ликвидацию предприятия).

В 1993-1997гг.разработано более 100 ТЭО ликвидации и консервации не�