Техногенные системы и опасности для окружающей среды

В результате изучения материала данной главы студент должен:

знать

• • опасности для окружающей среды систем горной, коксохимической, металлургической, нефтегазодобывающей, нефтехимической промышленности;
• • опасности для окружающей среды систем промышленной химии, ядерной энергетики, производства и транспорта электрической энергии;

уметь

• • распознавать техногенные воздействия разных видов вещества и энергии, используемых в наиболее мощных техногенных системах промышленности, транспорта, энергетики;
• • указывать негативное влияние па окружающую среду разных видов вещества и энергии, используемых в техногенных системах промышленности, транспорта, энергетики;

владеть

• • способностью сравнивать опасности для окружающей среды, создаваемые разными техногенными системами;
• • методиками оценивания опасностей для окружающей среды, создаваемых техногенными системами промышленности, транспорта, энергетики.

Техногенные опасности систем горного дела

Горное дело — отрасль техногенной деятельности, охватывающая научные исследования, разведку месторождений полезных ископаемых, строительство и эксплуатацию подземных сооружений, горнодобывающих предприятий, предприятий первичной переработки и обогащения минерального сырья в целях использования недр Земли.

Недра являются частью земной коры литосферы, расположенной ниже почвенного слоя, а при его отсутствии — ниже земной поверхности и дна водоемов и водотоков, простирающейся до глубин, доступных для геологического изучения и освоения. Недра включают в свой состав минералы и горные породы. Минерал представляет собой приблизительно однородный по составу и свойствам материал или массив абиотического вещества. Минералами являются прежде всего твердые материалы. Устойчивые агрегаты нескольких минералов образуют горные породы. Одна часть минералов и горных пород, которую использует человек, называется полезными ископаемыми; другая, неиспользуемая смежная часть пород называется пустыми породами. К твердым полезным ископаемым относятся уголь, руды металлов, соли, строительные материалы и др.

Разработка месторождения полезного ископаемого проводится после геологоразведочных работ, включающих поиск и разведку. Поиск состоит в отыскании месторождения и установлении целесообразности проведения разведки. Разведка позволяет определить качество ископаемого, тип смежных пород, водный режим месторождения, его газоносность и прочие условия залегания. Геологоразведка проводится дистанционными геофизическими методами, а также с помощью штолен, скважин, шурфов, и сопровождается определением запасов полезного ископаемого.

Запасы, использование которых экономически целесообразно, называются балансовыми. Запасы, которые могут быть добыты из разведанного месторождения посредством применяемых технологий, именуются промышленными. Разница между балансовыми и промышленными запасами представляет собой потери полезного ископаемого, величина которых может достигать 40% от балансовых запасов.

Способ разработки месторождения в зависимости от условий залегания и свойств полезных ископаемых и смежных пород может быть подземным, открытым, скважинным, подводным и комбинированным.

Разработка месторождений полезных ископаемых включает следующие основные работы:

• • по обеспечению доступа с поверхности земли, т. е. по вскрытию месторождения;
• • подготовке месторождения к извлечению минерала или горной породы;
• • извлечению, т. е. очистной выемке, полезного ископаемого.

К сопутствующим относятся работы, но осушке и дегазации горных пород месторождения, снижению водопритока и газоиосгупления в обслуживаемые работниками пространства и зоны. Одновременно с очистной выемкой проводятся выемка, перемещение и складирование пустых пород, доставка машин, механизмов и крепежных материалов, снабжение воздухом для дыхания, электрической энергией, энергией сжатого воздуха и др.

Полезное ископаемое после извлечения проходит, как правило, первичную переработку и обогащение. После завершения эксплуатации месторождения производится восстановление, т. е. рекультивация, участков земли, нарушенных горными породами.

Горное предприятие представляет собой промышленное предприятие, предназначенное для разведки или разработки месторождения полезных ископаемых. Горно-эксплуатационные предприятия проводят комплекс работ по добыче ископаемых. Горно-обогатительные предприятия выполняют не только добычу, но и обогащение полезных ископаемых, т. е. повышение концентрации целевых минералов в продуктах производства. Горные предприятия подземной разработки предстают шахтами и рудниками. Шахта объединяет в себе наземные сооружения и подземные горные выработки, представляющие собой полости, которые создаются в недрах и обустраиваются в соответствии с назначением. Рудник состоит из одной или нескольких шахт, обогатительной фабрики и других цехов (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема горного предприятия [4]:

• 1 — шахта; 2 — обогатительная фабрика; 3 — очистные сооружения шахтных вод;
• 4 — отстойник; 5 — очистные сооружения сточных вод обогатительной фабрики;

в — река Горные предприятия открытой разработки предстают карьерами или разрезами. Один или несколько карьеров, объединенных с обогатительной фабрикой, образуют горно-обогатительный комбинат. Горные предприятия по разработке россыпных месторождений предстают приисками, шахтами, разрезами и карьерами.

Твердые полезные ископаемые, добываемые горными предприятиями, по составу и направлению использования разделяются на металлические, неметаллические и горючие.

Металлические полезные ископаемые подразделяются на руды:

• • черных металлов, содержащих железо, хром, марганец;
• • цветных металлов, содержащих медь, свинец, цинк, олово, никель, алюминий, титан, магний и др.;
• • радиоактивных металлов, содержащих уран, торий и др.;
• • драгоценных металлов, содержащих золото, платину, серебро;
• • легких, рассеянных и редких металлов, таких как бериллий, германий, кадмий, литий, ниобий, цирконий, тантал, таллий и др.

Неметаллические полезные ископаемые подразделяются:

• • на строительные материалы, охватывающие граниты, гнейсы, гравий, глины, известняки, песок, суглинки и др.;
• • сырье для металлургии, включающее графит, доломит, магнезит, огнеупорные глины, флюорит и др.;
• • сырье для химической промышленности, охватывающее апатиты, бор, серу, соли, мышьяк, фосфориты и др.;

• сырье для других отраслей промышленности, включающее асбест, барит, корунд, пегматит, полевой шпат, слюды, тальк и др.

Твердые горючие ископаемые подразделяются на антрацит, каменный уголь, бурый уголь, горючие сланцы и торф.

Продукция горных предприятий предстает следующими видами:

• • минеральным сырьем, т. е. рудными, нерудными и горючими ископаемыми, переработка и применение которых производится потребителем;
• • продуктами первичной переработки минерального сырья, т. е. рудными, угольными и другими концентратами, рудными агломератами и окатышами, рудными, нерудными и угольными брикетами, штучным камнем, гравием, щебнем, классифицированными песками, известковой мукой и др.;
• • продуктами переработки сопутствующих жидкостей и газов, т. е. водой, метаном и др.

Горно-обогатительное предприятие при подземном способе разработки месторождения имеет в своем составе очистные горные выработки и наземные сооружения и устройства. Очистные горные выработки, предназначенные для добычи полезного ископаемого, могут быть протяженными и камерными. Компонентами горных выработок являются устье, забои, бока, кровля и подошва. Забой представляет собой поверхность горных пород, перемещающуюся в пространстве вследствие разрушения.

Разрушение горных пород относится к основным процессам горного дела. Оно происходит при отбойке горных пород, разделке негабаритов, дроблении и измельчении горной массы. Разрушение при непосредственном контактном воздействии на породу механического инструмента называется механическим, а при воздействии энергии заряда взрывчатого вещества — взрывным. При отбойке горных пород механическим способом применяют породоразрушающие инструменты: резцы, горонки, шарошки и др. Посредством взрывов горную породу отделяют, измельчают и дробят.

В горных выработках размещаются добычные горные машины, устройства для транспортирования добытого полезного ископаемого и пустых пород, доставки оборудования и вспомогательных материалов, подачи воздуха и перемещения работников. В них прокладываются водоотливные и гидротранспортные трубопроводы, трубопроводы сжатого воздуха и электрические кабели. В пройденных выработках, склонных к обрушению, устанавливают крепь.

Наземный комплекс горного предприятия имеет в своем составе здания, сооружения и устройства, предназначенные:

• • для приема добываемого полезного ископаемого, его переработки, сортировки, очистки, обогащения, агломерации или изготовления окатышей (гранул);
• • приема и складирования пустых пород;
• • хранения готовой продукции на складах, а также ее погрузки в транспортные средства и отправки потребителю;
• • снабжения водой, сжатым воздухом и электроэнергией;
• • вентиляции горных выработок;
• • ремонта оборудования и хранения запасных частей и материалов;

• создания и обеспечения необходимых условий деятельности работников.

Основными зданиями и сооружениями, размещенными на промплощадке горного предприятия, являются надшахтные копры, надшахтные здания, административно-бытовой комбинат, здания и площадки отдельных эксплуатационных служб, электрическая подстанция, резервуары для воды, химическая лаборатория, эстакады, отвалы, железнодорожное хозяйство и т. д.

Технетические компоненты техногенных систем горного дела являются источниками детерминированных техногенных воздействий. Они также могут становиться источниками стохастических воздействий. К приемникам прямых и косвенных воздействий наряду с другими относятся антропные и неантропные, биотические, организмы окружающей среды.

Технетическими компонентами техногенных систем горного дела, создающими воздействия на антропные и биотические организмы окружающей среды, становятся:

• 1) технические устройства и сооружения, используемые для добычи и первичной переработки полезных ископаемых;
• 2) добываемые и перерабатываемые полезные ископаемые;
• 3) технетические вещества и энергия, применяемые при добыче и первичной переработке полезных ископаемых;
• 4) пустая порода и отходы добычи и переработки полезных ископаемых.

Антропные и биотические организмы окружающей среды являются приемниками прямых детерминированных техногенных воздействий, которые имеют следующие названия:

• 1) ингаляционное воздействие технетических веществ, поступающих во вдыхаемый воздух:
  • • из устройств и сооружений, используемых при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, в том числе ингаляционное воздействие оксида углерода в составе рудничного воздуха, удаляемого из горных выработок шахты непрерывно работающими вентиляторными установками,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав полезных ископаемых, включая ингаляционное воздействие паров ртути при добыче ртутных и ртутьсодержащих минералов,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав пустой породы и отходов добычи и переработки полезных ископаемых, в частности ингаляционное воздействие асбестосодержащих аэрозолей из отходов обогащения хризотилового асбеста;
• 2) воздействие ионизирующего излучения технетических веществ, входящих в состав пустой породы, полезных ископаемых и отходов их добычи и переработки, в том числе воздействие ионизирующего бета-излучения калия-40 в составе калийных солей (сильвинита), из которых производят удобрения;
• 3) акустическое воздействие звуковой энергии устройств и сооружений, используемых при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, включая акустическое воздействие звуковой энергии валковой дробилки при дроблении железной руды;
• 4) инфразвуковое воздействие колебательной энергии устройств и сооружений, используемых при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, в частности инфразвуковое воздействие колебательной энергии инерционного грохота при классификации бокситов;
• 5) вибрационное воздействие устройств и сооружений, используемых при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, в том числе вибрационное воздействие вибрационного грохота при классификации железной руды;
• 6) воздействие электромагнитного неионизирующего излучения устройств и сооружений, используемых при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, включая воздействие электромагнитного неионизирующего излучения электромагнитного сепаратора при обогащении марганцевой руды.

Антропные и биотические организмы окружающей среды становятся приемниками косвенных детерминированных техногенных воздействий, которые имеют следующие наименования:

• 1) кожно-резорбтивное воздействие технетических веществ, поступающих в воду:
  • • из устройств и сооружений, используемых при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, в том числе кожно-резорбтивное воздействие флотационных реагентов, поступающих в воду из флотационной машины при обогащении руд,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав полезных ископаемых, включая кожно-резорбтивное воздействие соединений мышьяка, поступающих в воду при гидравлической отсадке железной руды,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав пустой породы и отходов добычи и переработки полезных ископаемых, в частности кожно-резорбтивное воздействие сульфатов (гипса), поступающих в воду из породных отвалов угольных месторождений;
• 2) пищеварительно-резорбтивное воздействие технетических веществ, поступающих:
  • • из устройств и сооружений, используемых при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, в том числе пищеварительно-резорбтивное воздействие модификаторов флотации, поступающих в окружающую среду из флотационной машины при обогащении руд,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав полезных ископаемых, включая пищеварительно-резорбтивное воздействие соединений свинца, поступающих в окружающую среду при обогащении полиметаллических руд,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав пустой породы и отходов добычи и переработки полезных ископаемых, в частности пищеварительно-резорбтивное воздействие соединений кобальта, поступающих в окружающую среду из породных отвалов кобальтовых руд;
• 3) тепловое воздействие массива воздуха, изменяющего температуру вследствие потерь энергии из устройств и сооружений, используемых при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, в том числе тепловое воздействие массива воздуха, нагревающегося над терриконом породы с сульфидом железа, который окисляется с выделением теплоты.

Антропные и биотические организмы окружающей среды могут оказаться приемниками стохастических техногенных воздействий, которые имеют следующие названия:

• 1) вибрационно-сейсмическое воздействие вследствие обрушения горных выработок, включая вибрационно-сейсмическое воздействие в результате горно-тектонических ударов на рудниках Ловозерского редкометалльного месторождения Кольского полуострова;
• 2) электрическое воздействие тока, доставляемого на горное предприятие, в результате происшествий на кабельных и воздушных линиях электропередачи, в частности электрическое воздействие переменного тока, доставляемого на горно-обогатительный комбинат посредством воздушной линии класса напряжения 220 кВ, вследствие косвенного электрического прикосновения;
• 3) взрывное воздействие оборудования под давлением, применяемого при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, вследствие разгерметизации, в том числе взрывное воздействие компонентов компрессорной установки для сжатия воздуха из-за взрывной разгерметизации;
• 4) пожарное воздействие вследствие горения:
  • • технетических веществ и материалов, используемых при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, включая пожарное воздействие вследствие горения горюче-смазочных материалов, необходимых при открытой разработке цементного сырья,
  • • технетических веществ, входящих в состав полезных ископаемых, в частности пожарное воздействие вследствие горения углерода руды чешуйчатого графита,
  • • технетических веществ, входящих в состав пустой породы и отходов добычи и переработки полезных ископаемых, в том числе пожарное воздействие вследствие горения породных отвалов конченного угля;
• 5) взрывное воздействие вследствие дефлаграции и детонации:
  • • технетических веществ и материалов, используемых при добыче и первичной переработке полезных ископаемых, включая взрывное воздействие вследствие детонации промышленных взрывчатых веществ, применяемых при дроблении горных пород,
  • • технетических веществ, входящих в состав полезных ископаемых, в частности взрывное воздействие вследствие дефлаграции угольной пыли,
  • • технетических веществ, входящих в состав пустой породы и отходов добычи и переработки полезных ископаемых, в том числе взрывное воздействие вследствие дефлаграции метана;
• 6) воздействие ионизирующего излучения технетических веществ, входящих в состав полезных ископаемых, вследствие разгерметизации устройств и сооружений с радионуклидами, включая воздействие ионизирующего излучения концентрата урановой руды из-за разгерметизации контейнера для хранения и транспортировки.

Указанные воздействия становятся опасными, если их уровни превышают предельно допустимые.

Эксплуатация угольных месторождений сопровождается выделением из угольного пласта и смежных горных пород метана. Выделение может быть обыкновенным, суфлярным (от фр. souffler — дуть) и внезапным. При обыкновенном выделении метан поступает в атмосферу со всей раскрытой поверхности пласта и горных пород. При суфлярном высвобождении шахтный газ поступает из разломов пород, скважин и шпуров в пласте и т. п. Вначале выход метана максимален, затем он постепенно сокращается. Продолжительность суфлярного поступления может составлять от нескольких дней до нескольких лет. Внезапное выделение происходит при быстром разрушении пласта с выбросом большого количества газа, выносом измельченного угля и образованием соответствующей полости.

Относительной метанообильностью шахты называется общее количество выделившегося в шахте метана, отнесенное к 1 т добываемого угля. Шахты по относительной газообильности делятся на несколько категорий (табл. 4.1). Категория шахты устанавливается ежегодно по замерам газообильности.

Таблица 4.1

Категории шахт по газообильности.

Выделение метана при эксплуатации угольных месторождений может приводить к ингаляционному, тепловому, пожарному и взрывному техногенным воздействиям.

Статистические данные о воздействиях техногенных систем горного дела на окружающую среду. Сведения Российского статистического ежегодника (2014 г.) [9] по добыче полезных ископаемых представлены в табл. 4.2 и 4.3.

Таблица 4.2

Добыча угля по видам.

Окончание табл. 4.2

Таблица 43

Добыча металлических руд и прочих полезных ископаемых

Сведения статистического сборника «Охрана окружающей среды в России», публикуемого с 2014 г. в электронном виде [7], представлены в следующих четырех таблицах.

Количество отходов, выбросы и сброс загрязняющих веществ при добыче полезных ископаемых показаны в табл. 4.4.

Образование отходов, выбросы и сброс загрязняющих веществ по годам

Таблица 4.4

Выбросы наиболее распространенных загрязняющих атмосферу веществ, отходящих от стационарных источников при добыче полезных ископаемых в 2013 г., представлены в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Выбросы наиболее распространенных загрязняющих веществ, тыс. т

Сброс основных загрязняющих веществ со сточными водами в водные объекты РФ при добыче полезных ископаемых в 2013 г. указан в табл. 4.6.

Таблица 4.6

Сброс основных загрязняющих веществ со сточными водами

Таблица 4.7

Площади рекультивированных земель при разработке месторождений полезных ископаемых в 2013 г. представлены в табл. 4.7.

Площади рекультивированных земель, га

Уровни техногенных воздействий систем горного дела на окружающую среду коррелируются с приведенными количествами продукции и отходов.