Технологія добування корисних копалин

Лекція 4. Технологія добування корисних копалин.

Перелік використаної літератури:

1. Колосов А.В. Эколого-экономические принципы развития горного производства, М., Недра, 1987, 257 с.
2. Николин В.И., Матлак Е.С. Охрана окружающей Среды в горной промышленности, Киев-Донецк, Вища школа, 1987, 187 с..
3. Архипов Н.А., Ельчанінов Е.А., Горбачев Д.Т. Добыча угля и  рациональное природопользование, М., Недра, 1987, 283 с. Красавин А.П. Защита окружающей Среды в угольной промышленности, М., Недра, 1991, 219 с.
4. Актуальные вопросы охраны окружающей Среды в топливо-энергетических и угольных комплексах, Пермь, ВНИИОСуголь, 1990, 245 с.
5. Говард А.Д., Ремсон И. Геология и охрана окружающей Среды, Л., Недра, 1982, 579 с.
6. Попов Г.Н. Разработка месторождений полезных ископаемых, М., ГНТИЛ ГД, 1963, 584 с.
7. Thomas L.J. An Introduction to Mining, Sydney, Methuen of Ausralia, 1978, 471 p

За масштабами впливу на оточуюче середовище гірничодобувна промисловість є чи не найбільшим чинником. Щорічно людство 100 млрд. т  гірничої маси для видобутку корисних копалин та будматеріалів.

Тільки в  СРСР щорічно при добуванні мінеральної  сировини утворювалось 8.5 млрд. т твердих  відходів (у тому числі у вугільній  промисловості 1.3 млрд. т). І використовується з них лише менше, ніж 10%! 

На кожні 1 млн. т добутої залізної руди порушується 600 га території, для сировини мінеральних добрив цифра становить 100 га, для нерудних мінералів -580 га. 40% порушених земель - відвали гірничодобувних підприємств!  При добування у відкритих кар’єрах 1 т вугілля  4 м³ породи йде у відходи, 0.25 м³ йде у відходи при шахтному добуванні, 0.15 м³ - в процесі збагачення.

Ще кілька цифр, які ілюструють кількість відходів гірничодобувної промисловості.  Залізна руда добувається із вмістом  окису заліза 30-35%, а необхідно металургам у два рази більше, сировина апатитів містить 10-15% P₂O₅, а для переробки потрібно більше, ніж 40%. У собівартості кольорових металів збагачення важить 20-35%.

Гірничодобувна  промисловість СРСР давала 70-75% всіх відходів країни (а використання знаходили лише 6-7%). Вугільна промисловість давала 1 млрд.т відходів (до речі, найбільший відсоток -50% відходів було на Донбасі, а в деяких шахтах цифра підіймалася за 100%).

Гірничорудна  чорної металургії давала 1,8 млрд.т  відходів, кольорової металургії -2 млрд.т, нерудних матеріалів - 0.4 млрд.т. Тільки відвали алюмінієвої промисловості накопичили 80 млн.т червоних шлаків (з яких можна було б зробити цеглу!). При збагаченні вугілля Прокопьєвсько-Кисілівського родовища у відходи йде 80% матеріалу, що добувається, із залишковим вмістом 20% вуглецю.

Структуру цих  земель демонструємо таким прикладом: з 163 тис.га порушених вугледобичею (за рік) територій в СРСР 69 тис.га займали розкривні роботи, 8.1 тис.га -  терикони, 3.3 тис.га - водовідстійники, 4 тис.га - шлаконакопичувачі.

У США під  добування корисних копалин зайнято 0.14% площі країни.

При неглибокому  заляганні корисних копалин їх добування  ведеться відкритим методом (Рис. 1). Варіанти механізованого зрізання верхнього  шару пустої породи та вибирання руди продемонстровані на Рис. 2,3. При горизонтальному розміщенні пластів та виходах копалин по схилах крутих берегів екскаватори “вгризаються” в пласт, відкидаючи порожню породу вниз по укосу. Результат такого добування можна побачити на Рис.4. В Аппалачах як результат такої контурної розробки утворилось 3200 км “високих стін” на флангах крутих укосів.  При вибиранні залізної руди в Хіббінгу, Міннесота, утворилась ущелина глибиною 160 м та довжиною 5,5 км. Відходи звалювали у відвали, висота яких перевищує 100 м. На Рис.5 зображений ландшафт, який спостерігають на територіях, де за допомогою драг добувалось золото. У випадку рудних тіл, які простираються углиб землі, відкриті кар’єри мають вигляд ступінчастих кратерів, які заглиблюються  на кілька сот метрів углиб землі, як то зображено на Рис.6. (мідний рудник). Маємо врахувати, що більшість вибраної породи височить териконами навколо збагачувальної фабрики. Цей “дешевий” спосіб найбільш спотворює обличчя землі.

Перед вибиранням розпушення твердих порід здійснюється за допомогою вибухів. При  цьому у повітря здіймаються хмари пилу. Більш небезпечно, що при вибухах в повітря виділяється окис вуглецю (близько 40 л на 1 кг вибухівки) та окиси азоту. Додамо, що при вийманні вугілля в атмосферу викидається крім пилу окис вуглецю, окис азоту, сульфурдіоксид, гідрогенсульфід, водень, метан інші вуглеводні.. Пожежі ще більше загострюють ситуацію із забрудненням атмотсфери, стаючи основними джерелами забруднення атмосфери карбондіоксидом, окислами сірки та іншими газами. Вітер прискорює поширення вогню, підіймаючи хмари пилу, а вода сприяє пожежам, змиваючи схили. Якщо для боротьби з пилом використовують воду, то для провітрювання глибоких кар’єрів доводиться створювати потужні вентиляційні системи. Газ та частки вугілля, що їх переносить вітер з кар’єрів, забруднюють великі площі, в результаті чого прозорість атмосфери для сонячного опромінення знижується для вугільних розрізів у 2-3 рази, для прилеглих територій в 1.5-2 рази у порівнянні з територіями, що віддалені на 10 км.

Глибокі кар’єри  більшим чи меншим чином порушують  рівновагу підземних вод. При  експлуатації можна відсмоктувати  воду з кар’єру, але після його закриття утворюється глибока водойма  часто з небезпечними домішками.

Для добування  копалин з глибоких горизонтів використовують шахтний метод (Рис. 7). Технологічні ланки технологічного шахтного комплексу представлені схемою на Рис. 8. Глибина шахт сягає кілометру і більше. Умови роботи шахтарів в штреках ідеальними не назвеш (див Рис. 9). На таких глибинах до інших чинників додається висока температура. Найбільш небезпечним агентом підземного простору в шахтах є метан. Його повільне виділення з вугільних пластів прискорюється при утворенні порожнин під землею, вибухах, роботі техніки. Найбільш щедрими на газ шахтами були на теренах СРСР шахти Донбасу, середня газовий дебіт яких відповідно дорівнює 46, 49, 46 та 33 м³/хв при глибинах розробки 768, 541, 545 та 478 м. Високе добове навантаження на очисний забій сприяє збільшенню виділенню метана. 55-75% Газу виділяється на ділянках виїмки вугілля, 15-40% - на вироблених просторах шахти. Щодобово з шахт виділяється від 20 до 70 тис м³ метану на кожні 1000 т видобутого вугілля. Метановмісні гази доводиться на більшості донецьких шахт відсмоктувати. Щорічно дебет метану становить для українських шахт близько 1 млрд. м³ на рік. Додатковим джерелом небезпеки та забруднення в забоях стає використання вибухових речовин. Метанова атмосфера в шахтах та наявність механічного та електричного обладнання сприяють виникненню вибухів та пожеж під землею. Доводиться обмежувати вентиляцію, що заважає ліквідації пожеж.

Тимчасово підіймемося  на поверхню та подивимося на відвали. Ми вже казали, що відходи збагачення вугілля вміщують біля 20% вуглецю. Разом  з порожніми породами проходки у відвалах (териконах) Донбасу міститься 5-15% вуглецю.  Таких відвалів тільки у Донбасі 1.5 тисяч, втрати з ними вугілля тут налічують до 3 млн. т на рік. Маса у відвалах є подрібнена, повітропроникна, тому легко окиснюється та займається. Горіння носить осередковий характер, температура в зоні горіння підіймається до 800-1200⁰С. Висока температура, вода сприяють розсипанню породи в порох, який вітром підіймається хмарами у повітря та розноситься на великі відстані. Такі тліючі пожежі можуть тривати роками, являючи собою джерела постійного викиду газопилових мас. На відстані 300 м від терикону, що горить, вміст карбондіоксиду становить 125 мг/м³, а сульфурдіоксиду 1.65 мг/м³.   Ще недавно в Україні таких палаючих відвалів налічувалось 270.

Виникнення  підземних порожнин викликає проникнення туди як вод поверхневих та вод з підземних горизонтів. Кількість шахтних вод в Донбасі в середньому дорівнює 3.2 м³/т вугілля, але у різних шахтах цей показник коливається від 0.1 до 8.3 м³/т вугілля. Такі води при контакті з поверхнею вугільних розрізів та газами в штреках забруднюються, часто здобуваючи кислу реакцію. У більшості випадків ці води не придатні до вживання та мають властивості, що не дозволяють їх технічного використання без попередньої очистки. Вміст мулу в шахтних водах коливається в широких межах, найбільш характерний показник - 100-500 мг/л. Більшість шахтних вод Донбасу мають середню солоність (1-5 г/л). Вміст іонів металів (феруму, алюмінію, мангану, нікелю, кобальту, міді, цинку та стронцію на 1-2 порядку вище, ніж в тих водних горизонтах, за рахунок яких вони формуються. Але, як показали дослідження, вміст тяжких металів в водоймах-відстойниках не перевищує ГДК і можуть використовуватись для зрошення (більш мінералізовані перед цим мають бути розбавлені).  Додамо до того, що більшість вод має бактеріальне забруднення. Щорічно з шахт та розрізів СРСР відкачувалось 3 млрд.м³ вод, по 4 м³ на кожну тону вугілля. Тільки в Донбасі у річки зливається більше ніж 850 млн.м³ стічних вод. На свої потреби та сама промисловість забирає чистої води 1.5 млрд.м³. Для зменшення кількості шахтних вод здійснюють заходи на поверхні, щоб зашкодити водам поверхневих водойм проникати до шахт, а також дренажні роботи, як з поверхні (свердловини для відкачки води), так і підземні.

Як результат  відсмоктування води через шахти  рівень підземних вод в Донбасі  понизився на територіях загальною  площею 320 км², в той же час фільтрація з ставків-накопичувачів шахтних вод забруднила підземні води. Місцями мінералізація піднялась до 7-11 г/л води. В результаті на великих площах підземні резервуари стали непридатні для постачання питної води населенню.

Відходи добування  вугілля є небезпечними джерелами  забруднення водних ресурсів. Водні  та агрохімічні властивості грунтів  у зоні, що граничить з відвалами, на відстані 50-120 м від їх основи має тенденцію до погіршення. Підвищується мінералізація вод, зростає вміст заліза та алюмінію, вміст сульфатів, а також жорсткість вод.

Якщо йдеться  про добування та збагачення руд  кольорових металів, то маємо на увазі, що, по-перше, ці руди на відміну від залізних руд, містять від кількох процентів до тисячних часток проценту головного металу. Виключеннями є лише руди для виробництва алюмінію, магнію та титану, вміст яких від 10 до 30% основного металу. Наслідок цього: у десятки, сотні разів зростають кількості відходів збагачення, які утворюють відвали.

Другою відмінністю таких  руд є їх комплексний характер. Так, в рудах мідних та свинцево-цинкових родовищ звичайно містять кадмій, золото, срібло, селен, телур, молібден, сурму, арсен, бісмут, сульфур та ін. Складними по складу є також мідно-нікелеві, золоті, олов’яні, вольфрамові, молібденові руди, а також руди рідких металів. Серед складників таких руд присутні сильно токсичні речовини, тож вони стають складовими частинами пилових мас в газових викидах на всіх стадіях добування та збагачення, складовими частинами шахтних вод, рідких та твердих відходів збагачення. Наявність великого вмісту сульфуру навіть без залишків реактивів процесу збагачення  підвищує потенційну кислотність відходів, яка сприяє швидкому транспорту іонів металів до водних горизонтів. Все це показує, що взагалі влаштуванню відвалів потрібно надавати більше уваги. Наприклад, формування відвалів щільними (трамбованими) шарами, що перемежуються шарами водонепроникної глини значно знижує і газопроникність відвалів. Це зменшуючи їх окиснювальність і заважаючи розповсюдженню осередків горіння у випадку вугільних відвалів. З іншого боку знижується водопроникність підвалів, що зменшує швидкість дифузії складових частин відвалів до грунтових вод. Останньому сприяє також обваловка відвалів, а також створення в грунті гідроізолюючих бар’єрів шляхом буріння свердловин і нагнітання сумішей, які складаються з глини, цементу та рідкого скла.

Важливим фактором погіршення ландшафтів Донбасу стала швидка ерозія грунтів. Щодоби у світі страждає від ерозії 3200 га земель, що обробляються. Тільки у межах Донецької області нараховується більше мільйона гектарів еродованих земель, у тому числі 705 тис. га пашні, або 44% до її загальної площі. Розробка родовищ, особливо з обрушенням виробок, тягне за собою зсуви та деформації відпрацьованої земляної поверхні. В окремих випадках горні виробки стають причиною не тільки деформацій будівель, але й утворення провалів частин поверхні, осувань, підтоплень, утворення відкритих тріщин, глибоких мульд, уступів та ін. Приклад таких провалів, які виникли при відкачуванні рудничних вод на золотому руднику в ЮАР представлений на Рис. 10. За 5 років активного дренування шахт, в яких добувалось золота, на поверхні утворилось 8 вирів діаметром більше ніж 46 м та глибиною 27 м.

Подібні процеси сприяють швидкій ерозії грунтів, завдяки, наприклад, вимиванню верхнього шару грунту у тріщини, які виникли. У західному  Донбасі площі затоплених заливних земель у зоні підробки в межах полів 14 шахт перевищила 20 тис.га.

За даними Міністерства статистики в 1999 р. в Україні діяли 258 вугільних шахт і 10 розрізів, які  разом видобували за рік 77,2 млн.т  вугілля, видаючи на-гора на кожну 1000 т вугілля від 120 до 800 т породи. Значний внесок в хімічне забруднення оточуючого середовища України вносять також 75 вуглезбагачувальних фабрик. Біля них вже накопичилося близько 180 млн.т відходів вуглезбагачення, щорічний вихід яких складає зараз 5-6,4 млн.т. Всі ці відходи складені у відвали та терекони, що сягають висоти 60-100 м, вміщують до 2000 тис.м породи кожний з щорічним поповненням у 30-50 тис. м³. Такі відвали і терикони займають великі площі. Тільки у Луганській області ними зайнято 3180 га землі, а 984 га зайняті шлаконакопичувачами. На кожний мільйон видобутого вугілля займається та порушується 414 га землі, а за кожний рік експлуатації однієї умовної середньої шахти за розрахунками АТ "Північ-Антрацит" вилучається 3,3 га землі. Породи, що складають терикони та відвали, містять до 2,5 % сульфуру і від 3 до 20% вугілля, внаслідок чого вони самозапалюються і горять по 7-12 років, інтенсивно забруднюючи приземний шар повітря прилеглих до них територій. Всього у Донецькому вугільному басейні налічується 1060 діючих і старих відвалів та териконів, які містять близько 2 млрд.м ³ порід і займають площу понад 8,4 тис.га. 108 з цих відвалів горять, а 55 мають осередки горіння, яке отруює оточуюче середовище шкідливими викидами. Частка викидів породними відвалами, що горять, складає 10,1% від викидів всіх стаціонарних.

Основні обсяги викидів метану припадають на Донецький вугільний  басейн. Крім того, всі терикони є джерелами досить значного забруднення природного середовища продуктами водної і вітрової ерозії. Щорічно з кожного гектару середнього за величиною терикона здувається понад 35т грунту і вимивається велика маса водорозчинних солей.

На сьогоднішній день відходи вуглезбагачування  використовуються не більш як на 10 %, відходи вуглевидобування - на 12,5 %, вскришні породи - на ЗО %, а золошлакові відходи ДРЕС - на 25 %. На даний час рекультивація земель ведеться (або частково проведена) на 110 породних відвалах.

Просідання  поверхні спостерігається на площі  понад 8000 км² пересічно на 0,2 – 1,2 м. А в деяких місцях до 5,0 м.

Частка заповідного фонду  в Україні не перевищує 1,6%, у той  час коли у Німеччині ця цифра  складає 12%. У нас відкрито і розвідано  близько 8 тис. родовищ корисних копалин, з яких розробляється близько 4,5 тис. за допомогою 400 шахт і 1100 кар’єрів.