Тема 1.2. Забруднення навколишнього середовища, пов’язані з роботою вугільної промисловості.

Забруднення навколишнього середовища, пов’язані з роботою вугільної промисловості

Вугільна промисловість - галузь паливної промисловості, підприємства якої здійснюють видобування, збагачення і брикетування кам'яного та бурого вугілля. Вугільна промисловість України є галуззю важкої індустрії, складовою паливно-енергетичного комплексу. З розвитком вугільної промисловості пов'язані чорна металургія, електроенергетика, коксохімія та інші галузі народного господарства. Видобування вугілля на території нашої країни почалося ще в XVIII ст. Тоді було відкрито Донецький вугільний басейн (1722). Першу вугільну шахту в Україні споруджено в Лисичанську (1795). До революції (1913) на Донбас припадало 86,8% вуглевидобутку Росії. Загальні запаси кам'яного вугілля складають 86,0 млрд. т до глибини 1800м.

Вугледобування України зосереджено в трьох басейнах: Донецькому та Львівсько-волинському кам'яновугільних басейнах, Дніпровському буровугільному басейні.

В кам'яновугільних відкладеннях Донбасу знаходиться 330 вугільних пластів, з них 130 мають робочу потужність більше 0,45 м. Найбільша потужність розроблюваних пластів 0,6-1,8 м. Пласти потужністю 2 м зустрічаються рідко.

У Львівсько-волинському кам'яновугільному басейні знаходиться 80 вугільних пластів максимальною потужністю 2 м, основна потужність 0,5-1,1 м.

У Дніпровському буровугільному басейні кількість пластів -З, з середньою потужністю 3-6 м. Максимальна потужність -12м.

Способи видобування вугілля

Видобування вугілля може здійснюватися відкритим чи закритим способами.

Розробка корисних копалин відкритим способом

Відкритими вугільними роботами називається комплекс робіт, при якому всі виробничі процеси, необхідні для видобування корисної копалини з надр землі, здійснюються на поверхні. При сучасній техніці відкритим способом можна розробляти родовища твердих корисних копалин будь-якої форми, розташованих нижче рівня земної поверхні.

Переваги відкритого способу порівняно з підземним:

• Застосування більш потужної техніки, в результаті чого досягаються більш високі техніко-економічні показники: продуктивність праці на кар'єрах значно вища, а собівартість видобутих корисних копалин нижча, ніж при підземній розробці.

• Більш високі темпи росту продуктивності праці і зниження собівартості видобутку.

• Менші втрати корисних копалин, кращі умови роздільного виймання.

• Легше збільшити, при необхідності, виробничу потужність кар'єру, ніж шахти.

• Більш висока безпечність праці і кращі виробничі умови.

Недоліки відкритого способу:

• Необхідність виймання, переміщення і складування у відвали великих об'ємів порожніх порід.

• Потрібні великі площі для розміщення відвалів порожніх порід.

• Деяка залежність від кліматичних умов і пори року.

Переваги відкритого способу добування вугілля в більшості випадків переважають над недоліками, і тому відкритий спосіб нині найбільш ефективний і перспективний.

Глибина відкритих кар'єрів досягає 400 метрів. Умови залягання родовищ відкритих розробок: горизонтальні, пологі, нахилені, штокоподібні, залягання у вигляді антиклінальних та синклінальних складок на узвишші, чи залягання висотно-глибинного типу.

Розробка корисних копалин підземним способом

Це комплекс робіт, при якому всі виробничі процеси, необхідні для видобування корисної копалини з надр землі, здійснюються під поверхнею землі.

Видобування вугілля підземним способом відбувається в шахтах - це самостійна виробничо-господарча одиниця гірничого підприємства. Рудні родовища, які розробляються підземним способом, представлені лінзами, штоками, пластами, куполами, жилами.

Географія вугільної промисловості

Поклади кам'яного вугілля зосереджені в Донецькому та Львівсько-волинському басейнах. Найбільші центри Донецького басейну - Донецьк, Макіївка, Єнакієве, Горлівка, Торез. Частина басейну, яка знаходиться на лівому березі Дніпра Дніпропетровської області, називається Західним Донбасом. Його почали освоювати в післявоєнні роки. Вугілля Донбасу дуже висококалорійне. Майже половина його запасів - коксівне. Донбас - основна кам'яновугільна база України. В межах Донбасу налічується близько 300 шахт і 20 збагачувальних фабрик.

Основним районом залягання бурого вугілля є Дніпровський буровугільний басейн, у межах якого розвідано до 200 родовищ. У басейні 14 вугільних підприємств. Цей басейн пролягає у південно-східному напрямку від Житомирської області до Дніпропетровська. Родовища розміщені у Вінницькій, Житомирській, Київській, Кіровоградській, Черкаській, Дніпропетровській та Запорізькій областях. Невеликі поклади бурого вугілля є і в західних областях. Буро-вугільна промисловість сприяє формуванню територіально-виробничих комплексів державного і обласного значення, вона впливає на паливно-енергетичний баланс окремих областей степової та лісостепової частини України, поліпшує розміщення промисловості та використання трудових ресурсів.

Видобування відкритим способом

За технологічним призначенням розрізняють декілька етапів відкритої розробки родовищ вугілля. До основних етапів розробки відносяться:

• підготовка поверхні кар'єрного поля і осушення родовища;

• відкриття родовища і підготовка початкового фронту розкривних і видобувних робіт;

• розкривні роботи;

• видобувні роботи;

• рекультивація пошкоджених земель і поверхні відвалів.

Підготовка поверхні кар'єрного поля включає вирубку ліса і корчування пнів, осушення боліт і озер та усунення інших перепон, які не дозволяють ведення відкритих гірничих робіт. Осушення родовища створює умови для роботи обладнання і підвищення стійкості бортів кар'єру.

Задача другого етапу - створення транспортного доступу з поверхні до корисної копалини і підготовка початкового фронту гірничих робіт, що здійснюється шляхом проведення в'їзних та роз'їзних траншей.

Задачею третього етапу є видалення порожньої породи, що покриває і вміщує корисну копалину, для подальшого її видобутку.

Задача четвертого етапу - виймання з надр корисної копалини відповідно до вимог до її якості і заданою виробничою потужністю кар'єру.

Задачу п'ятого етапу становить приведення пошкоджених гірничими роботами грунтів і поверхні відвалів до стану, придатного до використання цих грунтів у народному господарстві.

Спосіб відкритої розробки родовищ корисних копалин визначається технологією виробництва відкритих гірничих робіт, під якою розуміється сукупність основних виробничих процесів, що забезпечують економічний і безпечний видобуток корисних копалин.

В наш час застосовують три основні способи відкритої розробки: екскаваторний, гідравлічний та комбінований.

При екскаваторному способі використовують різні механічні засоби вийняття та переміщення гірських порід - екскаватори, скрепери, колісний та конвеєрний транспорт та ін. При гідравлічному способі всі виробничі процеси здійснюються за допомогою води та спеціального обладнання - гідромоторів та землевсмоктувачів. Комбінований являє собою різні поєднання екскаваторного і гідравлічного способів відкритої розробки.

Екскаваторний спосіб універсальний, може використовуватися при розробці будь-яких гірських порід, і тому він найбільш поширений; гідравлічний застосовують при розробці м'яких порід, які легко піддаються розмиву водою.

При екскаваторному способі видобування загалом виконуються такі технологічні процеси:

• підготовка гірських порід до вийняття;

• виймально-вантажні роботи;

• переміщення гірської породи із забоїв на поверхню;

• складські роботи.

Підготовка вугілля до вийняття полягає головним чином у розпушенні, яке здійснюється в основному вибуховим способом і значно рідше - механічним.

Вийняття, завантаження і переміщення вугілля здійснюється за допомогою екскаваторів, скреперів, різних транспортних засобів. Вугілля вантажать в транспортні засоби - думкари, автосамосвали та ін. При розробці м'яких гірських порід широко використовують багатоковшеві екскаватори. Вскришні породи можуть переміщуватись екскаватором безпосередньо у відвал. До основних видів кар'єрного транспорту відносять залізничний, автомобільний та конвеєрний, а також комбінований, що являє собою різні їх поєднання.

Корисні копалини транспортують в приймальні бункери збагачувальних фабрик чи на спеціальні склади, а вскришні породи - у відвал. Для переміщення порід у відвал застосовують одноковшеві чи багатоковшеві екскаватори, відвальні плуги, бульдозери та конвеєрні відвалоутворювачі.

До основних технологічних процесів при гідравлічному способі відкритої розробки відносяться:

• підготовка гірських порід до розмиву;

• розмив гірських порід;

• транспортування;

• відвалоутворення та складування.

Підготовка порід до розмиву звичайно полягає у їх механічному розпушенні екскаваторами чи бульдозерами. Розмивають гірські породи, транспортують їх і складають у відвал за допомогою гідромоторів та землевсмоктувачів.

Всі вказані вище технологічні процеси тісно пов'язані між собою і виконуються у суворо визначеній послідовності і у сукупності складають єдиний технологічний процес провадження відкритих гірничих робіт.

Підготовка гірських порід до вийняття полягає у зміні їх природного стану з метою безпечного та економічного вийняття з масиву прийнятим способом. Вийняття розсипчастих та м'яких порід проводиться всіма видами виймально-вантажного обладнання без попередньої підготовки.

Заводнення гірських порід значно ускладнює роботу людей та механізмів. Насичені водою корисні копалини змінюють свої властивості і стають непридатними для подальшої переробки, чим ускладнюють роботу по їх видобутку і переробці. Для зменшення вологості розроблюваних порід основної системи осушення родовища створюють місцеву систему по осушенню безпосередньо вийнятих блоків із застосуванням допоміжних дренажних засобів. При цьому намагаються максимально використовувати існуючу основну систему відкритого, підземного чи комбінованого осушення родовищ. Для осушення виїмкових блоків, поряд з широко застосовуваними на кар'єрах водовідвідними каналами та траншеями, часто використовують забивні фільтри чи системи голкофільтрів, принцип яких грунтується на штучному пониженні статистичного рівня води при відкачуванні Її з водоносних горизонтів. Необхідний ступінь осушення порід визначається способом розробки, застосованою технікою та технологією, вимогами до якості природних копалин.

Підготовка гірських порід вибухом. Дроблення гірських порід вибухом широко застосовується при відкритій розробці родовищ корисних копалин. Від організації буровибухових робіт на кар'єрі залежить ефективність решти технологічних процесів: завантаження, транспортування та укладки зірваних порід у відвал. Буровибухові роботи на кар'єрах повинні забезпечувати:

• достатній ступінь і рівномірність дроблення гірських порід;

• нормальну проробку підошви уступу без залишення порогів, які перешкоджають роботі екскаватора;

• створення розвалу гірської маси необхідної форми та розмірів;

• достатній для безперервної роботи екскаваторів об'єм зірваних порід;

• мінімальну сейсмічну дію вибуху на навколишні будівлі;

• високу економічність та безпечність праці.

Проведення підземного видобутку вугілля.

Способи відкриття родовища. Прості способи відкриття частіше застосовують при розробці родовищ підземним способом. Серед простих способів розрізняють відкриття вертикальним стволом, похилим стволом та штольний.

Дренажні та водовідливні гірничі виробки. Для ефективного відпрацювання шахтних полів необхідний комплекс осушувальних робіт. В гірничій практиці знаходять застосування поверхневий, підземний та комбінований способи осушення. Поверхневий спосіб осушення застосовується для попереднього зниження напорів підземних вод системою водознижуючих свердловин, пробурених з поверхні та обладнаних насосами. Підземний (шахтний) спосіб осушення здійснюється з використанням підземних виробок. На родовищах із складними гідрологічними умовами застосовують складний комбінований спосіб осушення з використанням глибоких свердловин, пробурених з поверхні, та спеціальних дренажних виробок чи цілих горизонтів.

При проведенні горизонтальних гірничих виробок здійснюється ряд загальних та допоміжних операцій у встановленій технологічній послідовності. Загальні операції включають буріння, заряджання та вибух шпурів, провітрювання, прибирання породи, кріплення виробки та прокладення шляху. До допоміжних операцій відносять нарощування труб для подачі стисненого повітря і води, налаштування водовідвідних каналів. Перед початком буріння шпурів перевіряють правильність напряму виробки, відмічають середину забою, а за реперами - рівень грунту. Після цього за допомогою шаблонів і висків розмічають розташування шпурів відповідно до паспорту буровибухових робіт. При проведенні горизонтальних виробок застосовують вогневий та електровогневий вибух за допомогою капсулів-детонаторів та вогнепровідного шнура, а також електропідпривання за допомогою електродетонаторів миттєвої та короткоуповільненої дії.

Проведення похилих виробок з точки зору технології виконання загальних операцій та їх організації у більшості аналогічне проведенню горизонтальних виробок і відрізняється лише деякими особливостями. Підготовка проходки похилих стволів передбачає влаштування гирла ствола, побудову тимчасових та постійних будівель і споруд, а також спеціальних естакад для завантаження посудин на поверхні.

Вертикальне видобування ускладнене технологічними особливостями побудови, буріння та вибухання ствола шахти.

У всіх випадках підземного видобування вугілля транспортується баддями за допомогою копра на електричній тязі. Вивантажене вугілля надходить в похилий жолоб, який закінчується секторним затвором.

Після транспортування вугілля на збагачувальну фабрику відбувається його переробка. Дроблення пластів: крупне - до 350-100 мм, середнє - до 100-40 мм, дрібне - 20-5 мм. Сортування проводиться способом самостійного грохочення, щоб виділити готовий продукт. В процесі збагачення вугілля брикетується.

Характеристика впливу на довкілля

При отриманні енергії у вугільно-паливному циклі (ВПЦ) спектри факторів, діючих на персонал та населення, а також масштаби їх дії дуже широкі та різноманітні. Вплив ряду факторів до цього часу вивчено недостатньо, і кількісна оцінка їх ефектів важка чи неможлива. Багато речовин, наприклад, органічні сполуки, які утворюються при спалюванні вугілля та особливо при його перетворенні в рідке чи газоподібне паливо, залишаються навіть не ідентифікованими. У ВПЦ основна дія на довкілля обумовлена викидами в атмосферу на етапі використання, тобто спалювання палива. Останні етапи циклу обумовлюють локальний вплив при видобутку, переробці і транспортуванні вугілля.

При відкритому способі видобування вугілля продуктивність праці одного робітника стає в 6 разів вищою, ніж при шахтному способі, проте з природокористування виводяться тисячі гектарів землі та створюються величезні території відвалів порожньої породи. У середньому видобуток 1 млн. т вугілля відкритим способом супроводжується знищенням 20 га природних угідь, а видобуток такої ж кількості вугілля шахтним способом - лише 5 га. В результаті порушуються геологічні структури масивів гірських порід, виникають кар'єрно-відвальні комплекси, породо- та шламосховища, рови. Змінюється ландшафт величезних територій.

Зменшення негативного впливу на довкілля

Частковим вирішенням проблеми високих експлуатаційних витрат на видобуток вугілля є впровадження, там, де це можливо, відкритої розробки родовищ, яка значно дешевша та потребує менших витрат виробництва в порівнянні з шахтним добуванням. Але є велика кількість причин, які обмежують розвиток відкритого видобутку вугілля. Це відсутність запасів вугілля, придатних до впровадження цього способу, і проблеми, пов'язані з довкіллям: порушення природних ландшафтів і необхідність рекультивації відпрацьованих вугільних кар'єрів. Широка механізація та автоматизація процесів видобутку, можливі при роботі в відкритих кар'єрах, забезпечують низькі витрати виробництва і знижують небезпечність для працівників. Аналогічні покращення можливі також при шахтному видобутку, де вони можуть привести до значної економії.

Одним з найбільш багатообіцяючих способів видобутку, що дозволяють істотно знизити капітальні затрати та витрати виробництва, є підземна газифікація вугілля. Дуже перспективні дослідження ведуться ще в декількох напрямках. В результаті цих досліджень можуть статися істотні зміни в методах розробки вугільних родовищ і використання вугілля.

В останні роки були отримані великі здобутки у вирішенні проблем транспортування вугілля, що набувають дуже серйозного характеру у випадку освоєння нових районів вугледобування, розташованих, як правило, далеко від центрів енергоспоживання. В наш час дедалі популярнішою стає можливість створення комплексних транспортних інфраструктур для перевезення вугілля. Наприклад, затрати при транспортуванні баржами будуть найменшими з усіх на відстані, що більша за 160 км. Залізниці більш доступні, ніж баржі, і зниження дальності перевезень може скоротити загальні транспортні витрати.

Альтернативним способом транспортування вугілля на далекі відстані є трубопроводи, але до цього часу вони не набули широкого розповсюдження. В пневматичних трубопроводах для переміщення вугілля застосовують тиск повітря; взагалі вони можуть стати найбільш ефективним засобом транспортування вугілля на відстані не менше 24 км. Зовсім недавно розпочалася експлуатація трубопроводів для транспортування вугільної пульпи на більш далекі відстані, при цьому виявилася їх висока ефективність. Щоб підвищити ефективність транспортування вугілля, краще за все використовувати вищевказані засоби комбіновано, застосовуючи кожний з них там, де це економічно доцільно.

Другий підхід до проблеми транспортування вугілля привів до створення комплексів: вугільна шахта - електростанція, електроенергія від яких передається на далекі відстані по лініях електропередачі високої напруги. Цей підхід особливо важливий для країн з великим запасами бурого вугілля, тобто вугілля з низькою теплотворною здатністю. Вирішенню проблеми транспортування вугілля може сприяти також будівництво у районах видобутку вугілля енергокомплексів, що виробляють електроенергію, синтетичні рідкі та газоподібні палива і хімічні продукти.

Іншим та, імовірно, найважливішим напрямком є вдосконалення технології використання вугілля. Одним з перспективних методів вважається спалювання вугілля в "киплячому шарі". Цей метод грунтується на використанні нової технології роботи котлоагрегату, який полягає в тому, що вугілля спалюється у вигляді шару часток, підтримуваних у "киплячому шарі" потоком повітря, який також забезпечує надходження кисню, необхідного для процесу горіння. При використанні "киплячого шару" наявність однорідної температури в топці котла дозволяє отримувати високу ефективність спалювання вугілля при середніх температурах (800-900°С), в результаті чого не відбувається розплавлення золи і наступного відкладення її на поверхні нагріву. Більш того, є можливим використання газів, що утворюються в процесі горіння і не викликають корозії в газовій турбіні, для виробництва електроенергії. Всередині "киплячого шару" може бути досягнута дуже висока інтенсивність теплопередачі, в результаті чого виникає сприятлива можливість введення труб котлоагрегату всередину "киплячого шару" і, звідси, скорочення їх довжини. Розрахунки та експерименти показують, що при спалюванні вугілля в "киплячому шарі" досягається високий термічний ККД - у межах 78-95%. На ряді дослідно-промислових установок був досягнутий термічний ККД 99% при порівняно низьких викидах забруднюючих газів. Крім того, використання в "киплячому шарі" вапняку чи інших аналогічних матеріалів забезпечує уловлення і видалення SO₂ в самому "киплячому шарі" в процесі спалювання; це важлива перевага при використанні вугілля з високим вмістом сірки. Таким чином, з точки зору захисту навколишнього середовища спалювання в "киплячому шарі" є одним з найбільш перспективних способів використання вугілля, розроблюваних в даний час.

Нові технології. Синтетичні палива з вугілля можуть відкрити нову главу в історії його використання і замінити паливо з природної нафти і газу у двигунах. Теоретично хімічні процеси отримання синтетичної нафти і газу добре відомі, і зараз головним завданням в цій галузі є подальша розробка промислової технології. В принципі перетворення вугілля в газоподібне чи рідке паливо полягає в додаванні водню до вуглецю, який міститься у вугіллі, при особливих високотемпературних умовах, інколи в присутності каталізаторів, щоб забезпечити більш ефективний перебіг реакції.

Існує два способи отримання газоподібного палива з вугілля. Один з них пов'язаний з реакцією вугілля з водяною парою при високому тиску та температурі в реакторі. При цьому способі додаткова енергія надходить через часткове окислення вугілля. Продукт, отримуваний у цьому процесі, називається низькокалорійним газом; його теплота горіння - 4-9 МДж/м³. Цей газ може бути економічно використаний на місці в багатьох областях. Якщо при газифікації замість атмосферного повітря використовується чистий кисень, одержується газ з більшою теплотою горіння - 9-20 МДж/м³. Можливе також виробництво газу з теплотою горіння, близькою до теплоти горіння природного газу. Це досягається при застосуванні каталітичної реакції, яка називається метанація. Інший спосіб отримання висококалорійного газу являє собою безпосередню реакцію між вугіллям і воднем - гідрогенізація.

Підземна газифікація вугілля є одним з найдешевших способів вилучення вугілля. На відміну від газифікації, вилучення вугілля не потребує спеціального промислового обладнання для виробництва синтетичного газу. Через цю особливість підземна газифікація вугілля привертає до себе особливу увагу. Підземну газифікацію вугілля особливо доцільно застосовувати в тих випадках, коли вугільні прошарки залягають надто глибоко, щоб забезпечити його економічне добування традиційними засобами. Зазвичай газифікація відбувається або шляхом вдування під тиском кисню, в результаті чого створюється низькокалорійний газ, або шляхом подачі потоку з суміші кисню з парою для отримання синтетичного газу з більш високою теплотою горіння. В більшості випадків з метою отримання висококалорійного газу можливо також здійснювати подачу водневого потоку.

Рідкі палива у вигляді синтетичної сирої нафти можуть бути отримані з вугілля трьома основними способами. В першому з них синтетичний газ, отриманий шляхом газифікації вугілля, за допомогою процесу синтезу перетворюється в рідке паливо (процес Фішера-Тропша). В другому в процесі піролізу (нагрівання у відсутності кисню) виробляється синтетична нафта, яка потім обробляється воднем з метою отримання високоякісного рідкого палива. Потім можна здійснити спалювання вугілля і фільтруванням видалити з утвореного продукту попіл. Після очищення продукту від розчинників і його обробки воднем отримується синтетична нафта.

Основні проблеми виробництва синтетичних газоподібних і рідких палив з вугілля носять глобальний характер; необхідна побудова надійної великої демонстраційної установки, яка не справляє шкідливого впливу на довкілля. Витрати виробництва цих видів палива поки що значно вищі, ніж витрати видобутку природного газу і нафти, і цей факт є найбільшою перешкодою на шляху широкого використання вказаних способів. Однак є тверда впевненість в тому, що ці проблеми будуть вирішені у найближчий час, оскільки на національному та міжнародному рівнях докладаються дедалі значніші зусилля, спрямовані на вдосконалення технологій та підвищення економічності виробництва синтетичних палив з вугілля. Таким чином, є добрі перспективи того, що врешті-решт вугілля буде використовуватись у вигляді рідкого палива для двигунів та інших цілей.

УЗАГАЛЬНЕННЯ

Нафтова і газова промисловість забезпечують ресурсами широкий спектр галузей промисловості. Щороку зростають обсяги видобутку природного газу, нафти, вугілля. Разом з цим зростає і вплив на довкілля при розвідуванні, видобуванні, транспортуванні, переробці і використанні паливно-енергетичних ресурсів.

Література для самоосвіти: 1, 3, 7, 9