Введение Актуальность работы. В условиях мощного антропогенного воздействия требуется

Введение
Актуальность работы. В условиях мощного антропогенного воздействия требуется
осуществлять поиск и выполнение экономически, социально и экологически
сбалансированных решений, которые должны обеспечить основную задачу - получение
природных ресурсов с минимальным воздействием на окружающую среду и социальную
сферу.
В основе загрязнения окружающей среды при ведении любых технологических процессов
горного производства лежит прежде всего загрязнение земли, вод или воздуха отходами
при нерациональном использовании недр, деградация этих элементов среды и нарушение
сложившихся равновесных биохимических и геохимических связей. В связи с этим в
основу инженерного решения задач охраны окружающей среды должно быть положено
прежде всего понятие о том, что при любом горно-технологическом производстве,
отходов как таковых не бывает, если их рассматривать как сырье для смежных или
сопутствующих производств.
Разработка и внедрение мероприятий по комплексному использованию полезных
ископаемых и так называемых отходов производства может дать значительный
экономический эффект не только на горных предприятиях, но и в других отраслях
народного хозяйства. Так как количество отходов велико и при сохранении
существующей технологии отработки по прогнозным данным будет возрастать,
использование их в качестве сырья для различных отраслей промышленности является
важной народнохозяйственной задачей.
Всё это определяет актуальность исследований по экономическому обоснованию
внедрения научно обоснованной технологии утилизации некондиционного сырья горнопромышленного комплекса РСО-Алания.
Методы исследований: анализ и обобщение литературных источников и данных практики;
аналитические методы изучения состава и свойств материалов; методы математического
планирования и обработки экспериментов;
6
лабораторные эксперименты; физическое и экономико-математическое моделирование;
технико-экономические расчёты с оценкой технологических решений и апробация на
практике.
Цель работы - научное обоснование комплексной природоохранной технологии
использования широкого спектра отходов горно-промышленного комплекса Республики
Северная Осетия - Алания в производстве ресурсосберегающих сварочных материалов.
Идея работы заключается в обеспечении сохранения и сбалансированного развития
геоэкологии Северо-Кавказского региона в результате применения отходов горного
производства в составе импортозамещающих сварочных материалов нового типа.
Научные положения, представляемые к защите:
1. Применение отходов горного производства и попутно добываемых пород в других
отраслях промышленности позволяет намного сократить общее число горнодобывающих
предприятий и увеличить количество практически безотходных, чистых производств,
кардинально решая тем самым вопросы защиты окружающей среды.
2. Использование отходов добычи доломитов, сланцев и туфа в качестве компонентов
обмазки сварочных электродов, позволяет улучшить их технологические свойства, при
одновременном снижении себестоимости на 15-18%.
3. Выбор экологически чистых вариантов освоения отходов горных предприятий
производится по критерию замыкающих затрат с учетом предотвращенного ущерба
окружающей среде.
4. Оптимизация рецептур композиций обмазки, полученная с применением
экспериментальных и расчетных методов, даёт возможность обеспечить снижение
содержания вредных веществ в сварочном аэрозоле на 10 - 20%, что благоприятно
скажется на здоровье сварщиков и снизит техногенную нагрузку на окружающую среду.
7
Научная новизна работы:
1. Определена область рационального использования продуктов переработки отвалов
карьеров РСО-Алания с учетом их свойств для комплексного улучшения экологии
горнопромышленного региона.
2. Предложены нетрадиционные технологии применения твёрдых отходов горного
производства, впервые в качестве компонентов обмазки электродов применены
слюдистые сланцы и вулканический пепел.
3. Разработаны принципиально новые рецептуры шихты для изготовления сварочных
электродов с улучшенными экологическими характеристиками, имеющие в своей основе
некондиционное сырьё.
4. Установлен характер влияния гранулометрического состава используемых компонентов
на физико-химические свойства новых материалов.
5. Обоснована экологическая целесообразность применения предложенных
ресурсосберегающих технологий, без необходимости строительства дополнительных
перерабатывающих комплексов в окрестностях эксплуатируемых месторождений.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Доказано, что утилизация некондиционных продуктов горного производства в качестве
компонентов обмазки сварочных электродов обеспечивает полноту использования недр и
оздоровление окружающей среды. Разработанные рекомендации по оценке и
обоснованию эколого-экономической эффективности освоения неиспользуемых отвалов
карьеров предложены в качестве основы для модернизации горного производства РСОАлании. Разработаны ТУ для трёх компонентов электродных покрытий наиболее широко
распространённых марок. Освоен технологический процесс изготовления электродов
марок ОСА, LB 52 TRU на ООО «Электрод-Цей» (г. Владикавказ) и ООО «Ротекс» (г.
Краснодар). Объём производства электродов на указанных предприятиях достиг 500 т.
Экономический эффект от производства од8
ной тонны электродов марки LB 52 TRU составляет 3000 руб., от применения такого же
их количества - 6500 руб.
На основании проведённых работ возможно создание принципиально новой для PC ОАлания отрасли промышленности.
Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается
использованием комплекса современных методов исследования: анализ и научное
обобщение литературных источников, статистических и практических данных;
аналитические, графические и графоаналитические методы; методы математической
статистики с применением вычислительной техники; методы математического
моделирования. А также достаточным объёмом экспериментальных данных; надёжностью
обработки статистической информации; корректностью и сходимостью результатов
моделирования и аналитических расчетов с натурными исследованиями; реализацией
разработок на практике.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы и её отдельные положения
докладывались и получили одобрение на П-й международной конференции по сварочным
материалам стран СНГ «Дуговая сварка. Материалы и качество на рубеже XXI века» г.
Орёл, 2001 г., IV-й международной конференции «Устойчивое развитие горных
территорий: проблемы регионального сотрудничества и региональной политики горных
районов» г. Владикавказ, 2001 г. и на 1-ой международной научно-практической
конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном
производстве» г. Одесса, 2002 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, получено 3 патента
РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав,
заключения и списка литературы из 126 наименований. Работа изложена на 212 стр.
машинописного текста, включает 43 рисунка и 35 таблиц.
9
1. Анализ воздействия предприятий горно-промышленного комплекса на окружающую
природную среду и современные представления о возможных направлениях утилизации
твёрдых отходов и некондиционных продуктов перерабатывающей промышленности.
1.1. Современное экологическое состояние и взаимодействие предприятий горнодобывающей отрасли с окружающей средой.
Добыча полезных ископаемых по многоплановости и необратимости воздействия на среду
является лидером среди промышленных технологий. Объем добычи полезных
ископаемых в мире удваивается каждые 10-15 лет. Интенсификация добычи минерального
сырья расширяет масштабы влияния на биосферу. К 1990 г. человек изменил исходные
природные ландшафты на 55% территории Земли, т.е. 2,3 га на жителя планеты. Доля
утилизации отходов добывающего и перерабатывающего производств не превышает 10%.
Общее количество не утилизированных отходов горного производства в России - до 45
млрд. тонн на площади 250 тыс. га. Деятельность рудников, карьеров и заводов вызывает
необратимые изменения в виде: разрушения земной коры; перераспределения
напряжений; изъятия из оборота почв; загромождения поверхности отвалами;
заболачивания или обезвоживания почв; изменения состояния элементов биосферы;
изменения характера атмосферных явлений и запыленности; увеличения уровня радиации;
изменения видов и количества флоры и фауны; возникновения биогенных мутаций, выход
на поверхность сточных вод, сход лавин и селей, изменение рН грунтовых вод и их
загрязнение [1].
Установлено, что элементы окружающей среды представляют собой единую систему, они
взаимосвязаны и взаимозависимы. Большинство из них образуют структуры глобального
плана, имеющие облик сфер: атмо-, гидро-, лито- и биосферу. Биосфера пронизывает все
оболочки, но основная масса ее сосредоточена на стыке атмосферы, литосферы и
гидросферы, образуя тонкую оболочку толщиной от десятков до первых сотен метров. По
степени мобильности, являющейся определяющим фактором распространения мине10
ральных загрязнений, геосферы образуют миграционный ряд: атмосфера -поверхностная
гидросфера - подземная гидросфера - биосфера - литосфера. Отдельно взятые компоненты
геосферы переходят самостоятельно из иммобильного в мобильное состояние, например,
при добыче полезных ископаемых. Окружающая среда обладает большим арсеналом в
разной степени выраженных аккумуляционных свойств. Это реакционные,
нейтрализационные, сорбционные, обменные свойства отдельных ее элементов. При этом
во многих случаях аккумуляционные свойства являются необратимыми в масштабах
больших промежутков времени. В наибольшей мере аккумуляционные свойства находят
проявление в литосфере при образовании разнообразных веществ, в том числе и
месторождений полезных компонентов, а также в растительном мире и почвенном
покрове. Под влиянием космических, планетарных и местных факторов аккумуляционная
деятельность элементов окружающей среды постоянно нарушается, следствием чего
является рассеяние и миграция веществ. С развитием человеческого общества
окружающая среда в возрастающей степени испытывает результаты его деятельности. В
настоящее время эта деятельность распространилась практически на все геосферы, кроме
подкорковой и внутренней частей планеты и проникла в космическое пространство. В
наибольшей степени она сосредоточилась в приповерхностной части Земли, т.е. в зоне
обитания основной видовой и количественной массы живого вещества. Деятельность
человека распространилась на все доступные геосферы и объединила их в ноосферу,
представляющую собой "очеловеченную природу". В вертикальном разрезе геосферы
исследованиями выделены зоны (рис. 1.1).
Наиболее глубоко залегающая зона локализации полезных минералов -потенциальный
источник минерального загрязнения;
-расположенная над ней промежуточная зона, в которой концентрации полезных
минералов не представляют практического значения, но целостность ее служит гарантом
сохранности экосистем на земной поверхности;
11
-приповерхностная зона, в пределах которой сосредоточено основное количество живого
вещества - объект минерального загрязнения в результате техногенного воздействия.
100.000 ИОНОСФЕРА
4.000 2.ООО
10
О
-10
-100 -2ОО
-1000
-3000 -LO.OOO
Граница распространения жшкпвых Граница распростанения высшх растений
БИОСФЕРА
Эвфспическяя Афоническая зова
Нефтяные воды (присутствуют бактерии)
МПКС-13.ООО
Рис. 1.1 Вертикальный разрез геосферы.
Зона локализации представляет собой обводненный стратиграфический или
литологический горизонт или комплекс небольшой и переменной мощности, сложенный
между водоупорами, внутри которого опасности подвергаются только микроорганизмы.
Промежуточная зона состоит из чередующихся стратиграфических или литологических
горизонтов, среди которых и водоносные. Мощность промежуточной зоны составляет
десятки и сотни метров. Как и в зоне локализации, биологические объекты отсутствуют.
Если промежуточная зона оказывается
12
маломощной или отсутствует, месторождение располагается практически в зоне обитания
биологических видов.
В состав приповерхностной зоны или зоны обитания входят материнские породы и почвы,
породы зоны аэрации и грунтовых вод, грунтовые и поверхностные воды,
приповерхностные части атмосферы, населенные представителями растительного и
животного мира. Мощность зоны обитания на суше - первые десятки метров, в
континентальной гидросфере - первые сотни метров и в тропосфере также первые сотни
метров. В океаническом пространстве мощность зоны обитания живого вещества не
превышает сотен метров. Эта зона является основным объектом минерального поражения
в результате техногенного воздействия.
Каждое месторождение полезных ископаемых до начала эксплуатации является
потенциальным источником минерального загрязнения окружающей среды. С началом
разработки предприятия по добыче и переработке минералов становятся генераторами
загрязнений. Компоненты-загрязнители активизируются и становятся мобильными.
Образуются новые компоненты-загрязнители, которые не были свойственны исходному
состоянию.
Основополагающим признаком традиционных способов является образование вещества в
недрах вследствие извлечения на поверхность минералов, рудничных вод и газов. В зоне
обитания, извлеченные на поверхность минералы, складируются в отвалах, покрывающих
площади поверхности вместе с растениями, почвами и организмами. Отвалы, под
воздействием атмосферных и космических факторов разрушаются, химически
преобразуются, подвергаются водному и ветровому разносу.
Добытые минералы транспортными средствами доставляются на перерабатывающие
предприятия за сотни километров. В пути они подвергаются воздействию атмосферных и
космических факторов. К ним присоединяются механические потери, вследствие чего
транспортные артерии нередко загрязняются. Минералы измельчаются и подвергаются
воздействию реагентов.
13
Таблица 1.1 Классификация способов загрязнения экосистем окружающей среды.
Экосистемы Способы загрязнения Процессы загрязнения
234
воздух пылевой разнос, газовые выделения образование аэрозолей, испарение
почва утечка реагентов; разнос; выбросы при авариях и ремонтах, стоки химические и
обменные реакции, высыхание, инфильтрация
флора то же, что и для почв загрязнение пылью и жидкостями; усвоение загрязнителей из
почв
фауна то же, что и для почв потребление загрязненных растений и поверхностных вод
поверхностные воды подземные стоки; проливы растворов; поверхностный сток
дождевых и талых вод химическое загрязнение вод, флоры и фауны, сорбция
грунтовые воды утечки из продуктивного горизонта; фильтрация загрязненных вод
химические загрязнения, выщелачивание, растекание растворов
породы зон аэрации и грунтовых вод то же, что и для грунтовых вод сорбция,
выщелачивание, ионно-обменные процессы, новообразования
пром., гражданские сооружения, памятники аэрозоли, грунтовые воды химические и
сорбционные процессы, новообразования, изменение свойств
заповедные места, рекреационные зоны все перечисленные выше факторы химическое и
биохимическое загрязнение
подземные воды продуктивного горизонта растворы реагентов сорбционные и химические
процессы, изменение свойств грунтов
породы продуктивного горизонта и водо-упоров циркулирующие растворы, загрязнение
воды химические реакции, повышение минерализации, смешивание, растекание
месторождения полезных ископаемых растворы и загрязнение под воздействием бытового
потока и забора подземных вод то же, что для горных пород продуктивного горизонта
14
Хвосты сбрасываются в хранилища, которые становятся зонами инфильтрации жидкой
фазы в подстилающие породы и грунтовые воды, а высохшие пляжи - источниками пыли.
Добывающие и перерабатывающие предприятия, использующие перемещение и
дробление, обработку при нагревании и др. способы воздействия на минералы, влияют на
экосистему окружающей среды прилегающей территории. Подземные воды, извлечённые
на поверхность, содержат мобильные растворы и взвеси, попадающие в
гидрографическую сеть или накопители. При традиционной добыче минералов источник
загрязнений оказывает влияние, главным образом, на зону обитания. Многообразие
факторов, влияющих на загрязнение окружающей среды показано в (табл. 1.1). 1.2.
Технологии охраны окружающей среды
В соответствии с действующим законодательством способы вскрытия, системы отработки
месторождений и технологические схемы переработки минерального сырья должны
обеспечивать наиболее полное, комплексное и экономически целесообразное извлечение
из недр запасов основных и совместно с ними залегающих полезных ископаемых,
недопущения сверхнормативных потерь и разубоживания, рациональное использование
вскрышных пород и отходов переработки сырья.
На основе анализа результатов предыдущих исследований, законодательных актов по
охране недр и литературных источников [2, 3, 4], может быть предложен следующий
комплекс мероприятий по рациональному использованию полезных ископаемых и охране
недр (рис. 1.2).
Концептуальные основы охраны окружающей среды от минерального загрязнения могут
быть сформулированы следующим образом:
- главным объектом охраны и защиты являются компоненты наземной и подземной частей
биосферы;
- при традиционных технологиях добычи минералов воздействие сосредотачивается на
зоне обитания. Лишь после погашения предприятия оно может стать генератором
загрязнений.
15
Комплекс мероприятий по рациональному использованию полезных ископаемых и охране
недр
Обеспечение полноты извлечения полезных ископаемых
т
Комплексное использование полезных ископаемых
Охрана неиспользуемых запасов полезных ископаемых
При добыче
улучшение качества геологоразведочных работ осущест-нление доразведки
месторождений и участков
применение наиболее рациональных и эффективных методов добычи
расширение дооычи полезных
ископаемых открытым
способом
соблюдение технологии горных работ
дополнительная дооыча полезных ископаемых, в т.ч. повторная разработка участков и
месторождений
разработка мер экономического стимулирования более комплексного и полного
использования запасов и добытых руд
При переработке
повышение степени извлечения
полезных ископаемых за счет
совершенствования технологии
переработки
переработка отвалов и отходов, доизвлечение полезных компонентов
использование методов морального и материального стимулирования за повышение
качества поставляемого сырья
очистка шахтных и сточных вод и извлечение из них полезных компонентов
разработка мер экономического стимулирования более полного извлечения при обога
шении
комплексное изучение недр, технологическая оценка основ-ных и совместно с ним
залегающих полезных ископаемых и
содержащихся в них компонентов
разработка и внедрение технологических схем и методов обогащения и переработки
сырья, обеспечивающих комплексное извлечение полезных компонентов
создание комплексных производств, основанных на замкнутых циклах с организацией в
перспективе безотходных производств
поиск сфер применения (вт.ч нетрадиционных) всех полезных ископаемых
разраоотка мер экономического стимулирования комплексного использования всех
полезных компонентов руд и пород
тщательная разведка, учет и
документация всех выявленных
полезных ископаемых
разработка специальных мероприятий по сохранению некондиционных (забалансовых)
руд и отходов и предупреждение их от выветривания, выщелачивания и других вредных
влияний
предупреждение от застройки промышленными и жилыми объектами, затопление при
создании водохранилищ, перекрытия отвалами горных пород и хвостохранилищ
охрана гидрогеологического
режима прилегающих
территорий
Рис. 1.2. Мероприятия по рациональному использованию полезных ископаемых и охране
недр.
Требования в области охраны окружающей среды при добыче минералов сводятся к
следующему:
-исследование геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических свойств
локализующей месторождение структуры для выяснения взаимоотношений со смежными
геологическими структурами и поверхностными элементами окружающей среды;
-исследование физико-химических и водно-физических свойств минералов, а также
свойств подземных вод локализующей месторождение струк16
туры для определения потенциала самозащиты и самовосстановления подвергшихся
вредному воздействию элементов окружающей среды, локализация остаточных растворов
в пределах контура;
- восстановлению до исходного состояния подвергшихся вредному воздействию
экосистем окружающей среды;
- осуществление специальных мероприятий для защиты жизненно важных объектов
(водозаборов, карьеров, рудников, месторождений полезных ископаемых, в том числе
подземных вод), в отношении которых создается опасность вредного воздействия;
- использование потенциала самозащиты и самовосстановления элементов окружающей
среды;
- максимальное извлечение из недр основного и сопутствующих минералов;
-организация мониторинга экосистем окружающей среды, подвергающихся воздействию,
включая послеэксплуатационный период.
Реализация концепции обеспечивает надежную охрану экосистем окружающей среды при
использовании прогрессивных технологий добычи минералов, в т.ч. геотехнологий принципиально нового способа, обладающего потенциалом бережного отношения к
природе.
Основные направления охраны окружающей среды включают (табл. 1.2):
- контрольные мероприятия, обеспечивающие мониторинг экосистем окружающей среды
в районе добычи минералов в течение эксплуатации и в послеэксплуатационный период;
- ограничительные мероприятия, помогающие уменьшить воздействия разработок на
окружающую среду;
- ликвидационные мероприятия, устраняющие негативные воздействия на окружающую
среду при применении технологий (приведение района в исходное состояние).
17
Таблица 1.2
Мероприятия по охране экосистем окружающей среды
Экосистемы Контрольные Ограничительные Ликвидационные
1234
Воздух определение источников загрязнения; определение пунктов, чистоты состава и
проведение наблюдений компактность сооружений; ограничение движения транспорта;
исключение потерь реагентов при соблюдении мероприятий не требуется
Почвенный покров и поверхность определение источников загрязнения; определение
состава и проведение контроля; контроль почв после рекультивации и стерильности
культур ограничение изъятия земли; ограждение площадей; снятие почв; улучшение
дорог; сооружение канав; гидроизоляция площадок; пылепо-давление нейтрализация
проливов; сбор загрязненных грунтов; ликвидация сооружений; захоронение осадков;
рекультивация нарушенных земель
Растительный покров определение источников загрязнения; определение состава
контроля; определение загрязнений минимизация вырубок растительности; защитные
мероприятия в отношении почвы уничтожение загрязненной растительности,
восстановление растительного покрова;
Животный мир учет видов в районе месторождения; установление мест водопоя и путей
миграции наземных животных ограждение объектов и мест водопоя; предупреждение
употребления загрязненной растительности захоронение животных, погибших от
загрязнений
Поверхностные воды установление выходов поверхностных и грунтовых вод;
определение состава; контроль осадков; оборудование пунктов контроля организация
стока и отражение потоков; создание отстойников; отвод потоков; сооружение нагорных
канав;создание охранных зон ликвидация загрязнённых донных отложений; чистка или
захоронение загрязнённых вод; ликвидация загрязнённых объектов
Список литературы