Технологическая безопасность в минерально-сырьевом комплексе и охрана окружающей среды. Рубрика в журнале - Горные науки и технологии
Статья научная
Взвешенные вещества являются преобладающими загрязнителями сточных вод угольных предприятий. Базовая система очистки сточных вод, регламентируемая в НДТ № 15 ИТС-37-2017, не обеспечивает качества очистки до нормативных значений сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения. Используемый в данной технологии метод гравитационного осаждения в прудах-отстойниках эффективен для грубодисперсных частиц. Однако формирующиеся коллоидные системы из мелкодисперсных нерастворимых фракций являются сложными для разделения в условиях гравитационного поля. В качестве эффективного метода удаления взвешенных веществ из сточных вод рекомендуем использовать фильтрование через стационарный слой фильтрующих зернистых материалов. В работе проведено исследование кинетики и динамики фильтрования взвешенных частиц из сточных вод угольных предприятий на фильтрующих материалах различной природы. Построены кривые гравитационного осаждения взвешенных веществ из карьерных сточных вод. Выявлена зависимость степени очистки сточных вод от размера фракций фильтрующих материалов. В работе приведены результаты оценки эффективности применения фильтрующих материалов природного происхождения для очистки сточных вод угольных предприятий от взвешенных веществ. Результаты экспериментов показали, что наиболее эффективным и доступным зернистым фильтрующим материалом является кварцит Бобровского месторождения, который мы рекомендуем использовать, комбинируя его фракции 2,0-5,0 и 0,7-1,2 (в соотношении 1 : 2). Определена оптимальная скорость подачи промывочных вод на этапе регенерации фильтра с зернистой загрузкой.
Бесплатно
Оценка эффективности способов и средств дегазации углеметановых пластов
Статья научная
Представлены результаты анализа перспективных способов и технических средств, обеспечивающих повышение эффективности дегазации углеметановых пластов при их подземной разработке. По результатам анализа выделены традиционные способы и средства дегазации, эффективность которых составляет 12-25 %, и нетрадиционные способы с эффективностью десорбции метана до 40 %. В качестве классификационного признака нетрадиционных способов и средств десорбции метана газа принято условие снижение давления и повышение температуры угольной матрицы твёрдого газового гидрата. Выявлены условия перехода метана из газогидратного состояния в свободное с учётом реальных горнотехнических и техногенных условий шахт. Учитывая сложность подачи дополнительной тепловой энергии в угольный пласт, в качестве основного способа снижения давления в пласте принята разгрузка массива горных пород относительно исходного напряжённого состояния и дезинтеграция угля и пород при переходе от упругого их деформирования к упруго-пластичному и запредельному.
Бесплатно
Статья научная
Численное моделирование развития рудничных пожаров и взрывов является важным этапом в процессе разработки технических решений и мероприятий по повышению безопасности персонала, задействованного на подземных работах. От корректности результатов моделирования зависит, насколько принятые решения будут эффективны в случае возникновения реальной аварийной ситуации. В связи с этим должное внимание необходимо уделять каждой стадии моделирования, и в особенности начальной - стадии параметризации модели. В настоящем исследовании сформулирован общий принцип определения параметров моделей рудничных пожаров и взрывов для оценки их развития при помощи аналитического комплекса «АэроСеть». Такими параметрами в случае пожара являются тепло- и газовыделения, а в случае взрыва - избыточное давление на фронте ударной волны в очаге взрыва. Установлено, что при моделировании пожара целесообразно использовать эквивалентные тепло- и газовыделения, определяемые содержанием горючих компонентов в источнике горения. В случае горения горнопроходческой техники данные параметры возможно рассчитать на основании технических характеристик машины. В свою очередь, при моделировании несанкционированного взрыва взрывчатых материалов избыточное давление, определяемое безразмерной длиной активного участка горения , рассчитывается с учетом массы и удельной теплоты сгорания взрывчатого вещества, а также геометрических параметров выработки. При моделировании взрыва метановоздушной смеси избыточное давление рассчитывается с учетом газоносности пород по свободным горючим газам, длины буровзрывной заходки, размеров области повышенного трещинообразования, а также нижнего предела взрываемости метана. На основании предлагаемого принципа параметризации аварийных моделей в качестве примера выполнена разработка модели развития пожара и взрыва в существующих протяженных тупиковых выработках (длиной более 1000 м), проходимых соосно друг другу на разных высотных отметках. Произведено численное моделирование различных аварийных ситуаций в выработках с учетом ведения горных работ в сложных горнотехнических условиях.
Бесплатно
Природа радиоактивности дренажных вод карьеров Новосибирской области
Статья научная
Актуальность исследования заключается в получении первых геохимических данных (включая информацию о радионуклидах) о дренажных водах разрабатываемых и затопленных карьеров в пределах восточных районов Новосибирской области. Целью исследования является выявление особенностей химического состава дренажных вод (широкого спектра химических элементов от Li до U). Лабораторное изучение химического состава методами титриметрии, ионной хроматографии, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой проводилось в Проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии (ПНИЛ ГГХ) Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета (ИШПР ТПУ). Измерение содержаний 222Rn в водах проводилось на комплексе «Альфарад плюс» в лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук (ИНГГ СО РАН). Разделение данных на однородные геохимические совокупности выполнено с помощью коэффициентов Са / Na, Са / Mg, Ca / Si, Mg / Si, Na / Si. Установлено, что химический состав изученных объектов весьма разнообразен. Доминируют воды SO4-HCO3 Na-Mg-Ca состава с величиной общей минерализации от 400 до 700 мг/дм3. Выявлены три геохимические группы вод. Первая представлена дренажными водами разрабатываемых карьеров бутового камня, вторая включает в себя объекты Горловского угольного бассейна и третья - отработанные затопленные карьеры. Первая группа характеризуется окислительными параметрами геохимической среды с Eh, изменяющимся в широком диапазоне от +84,6 до +261,0 мВ, pH от 6,9 до 8,6 и O2 раств. от 3,43 до 14,39 мг/дм3. Содержания радионуклидов составляют (мг/дм3): 238U 9,30 · 10-3 - 1,40; 232Th 1,00 · 10-6 - 2,16 · 10-3; активность 222Rn изменяется от 1 до 572,5 Бк/дм3. Отношение 232Th / 238U находится в диапазоне от 4,20 · 10-5 до 2,69 · 10-3 при среднем 8,40 · 10-4. Вторая группа отличается меньшей вариацией Eh от +133,2 до +199,6 мВ, pH от 7,5 до 8,5 и O2раств. от 6,81 до 10,43 мг/дм3. Концентрации радионуклидов изменяются (мг/дм3): 238U 2,26 · 10-3 - 2,90 · 10-2; 232Th 7,15 · 10-6 - 5,57 · 10-4. Отношение 232Th / 238U находится в диапазоне от 8,37 · 10-4 до 4,80 · 10-2 при среднем 9,54 · 10-3. Третья группа также характеризуется окислительной геохимической обстановкой с Eh +131,3 - +250,0 мВ, pH от 6,9 до 8,8 и O2раств. от 4,00 до 16,59 мг/дм3. Содержания радионуклидов составляют (мг/дм3): 238U 3,00 · 10-4 - 2,74 · 10-2; 232Th 1,65 · 10-6 - 1,15 · 10-5; активность 222Rn изменяется от 2 до 31 Бк/дм3. Отношение 232Th / 238U находится в диапазоне от 2,36 · 10-4 до 1,02 · 10-3 при среднем 6,25 · 10-4. В целом 232Th / 238U отношение изученных вод свидетельствует об их урановой природе радиоактивности. Полученные данные говорят о незначительном влиянии сброса дренажных вод разрабатываемых месторождений полезных ископаемых на окружающую среду.
Бесплатно
Статья научная
Загрязнение воздуха PM2.5 (твердые частицы размером 2,5 мк и менее) представляет собой не только значительную опасность для здоровья человека в повседневной жизни, но и опасный риск для рабочих при открытых горных работах, особенно на угольных разрезах. PM2.5 на угольных разрезах могут вызывать заболевания легких (например, пневмокониоз, рак легких) и сердечно-сосудистые заболевания из-за длительного воздействия вдыхаемой пыли. Поэтому точное прогнозирование PM2.5 имеет большое значение для минимизации загрязнения PM2.5 и улучшения качества воздуха на рабочих местах. В данном исследовании изучались метеорологические условия и выбросы PM2.5 на угольном разрезе во Вьетнаме с целью разработки новой интеллектуальной модели для прогнозирования выбросов и загрязнения PM2.5, применялась нейронная сеть с функциональными связями (FLNN) для прогнозирования загрязнения PM2.5 в зависимости от метеорологических условий (в частности, температуры, влажности, атмосферного давления, направления и скорости ветра). Вместо традиционных алгоритмов для обучения модели FLNN был использован алгоритм поиска методом голодных игр (HGS). Важнейшая роль HGS в данном исследовании заключается в оптимизации весов в модели FLNN, которая была названа моделью HGS-FLNN. Также были рассмотрены три другие гибридные модели, основанные на FLNN и метаэвристических алгоритмах, т.е. ABC (искусственная пчелиная колония)-FLNN, GA (генетический алгоритм)-FLNN и PSO (оптимизация роя частиц)-FLNN, для оценки возможности прогнозирования PM2.5 на угольных разрезах и сравнения их результатов с результатами модели HGS-FLNN. Исследования показали, что HGS-FLNN является лучшей моделью с самой высокой точностью прогнозирования загрязнения воздуха PM2.5 (в среднем до 94-95 %, при этом точность других моделей варьировалась от 87 до 90 %), а также наиболее стабильной моделью с наименьшей относительной ошибкой (в диапазоне от -0,3 до 0,5 %).
Бесплатно
Статья научная
В настоящей работе представлены результаты многолетних полевых исследований по оценке возможности применения ОСВ регионального предприятия водопроводно-канализационного хозяйства для ускоренного формирования устойчивого противоэрозионного растительного покрова на песчаных карьерах в Арктической зоне РФ с подтверждением оказания им стимулирующего эффекта на прорастание семян, дальнейший рост и развитие растений. Показано, что ОСВ может применяться двумя способами: нанесением на поверхность грунта сплошным слоем высотой от 5 до 10 см, и фрагментарно - слоем 2-3 см, а подзимний посев семян - непосредственно по поверхности грунта (под слой ОСВ) либо поверх осадка сточных вод. В обоих случаях отмечено ежегодное улучшение качественных и количественных показателей искусственно созданного травостоя - многократное, по сравнению с контролем, увеличение его высоты и плотности, биомассы, проективного покрытия и мощности сформированной дернины. Исследованы особенности формирования флористического состава созданных в песчаном карьере фитоценозов. Установлено, что независимо от количества и способа нанесения применение ОСВ способствует ускорению восстановительной сукцессии на песчаном карьере, а мощный травостой опытных вариантов путем привлечения пионерной растительности - усложнению его структуры и видового состава, быстрому зарастанию внутренних оголенных участков и возникновению элементов естественных фитоценозов, свойственных зональному типу растительности, а также стабилизации процессов эрозии на объекте исследования. Все это позволяет характеризовать сформированное в эксперименте с помощью ОСВ растительное сообщество как экологически устойчивое, имеющее перспективы к самостоятельному существованию и дальнейшему развитию. Результаты таких исследований могут послужить основой для организации мониторинга и разработки мероприятий по оптимизации растительности подобных экотопов.
Бесплатно
Статья научная
Длительное развитие горнорудной промышленности в Комсомольском, Кавалеровском и Дальнегорском районах Дальнего Востока России позволило сформироваться крупномасштабным горнопромышленным техногенным системам. В период перестройки работа горнопромышленного производства была приостановлена, а горные выработки (карьеры, штольни) и хвостохранилища не подвергались какой-либо консервации или рекультивации. В настоящее время работает только борная и свинцово-цинковая промышленность в Дальнегорском районе. Цель данной статьи - оценить состав рудничных вод, показать условия их формирования, наличие ионов и молекул различных элементов и установить параметры кристаллизации из них ряда гипергенных природных и техногенных минералов. В публикации приведена гидрохимическая характеристика рудничных вод в горнопромышленных техногенных системах олово-сульфидных, медно-оловянных, олово-полиметаллических и полиметаллических месторождений, показаны условия их формирования и негативное воздействие на гидросферу, а также здоровье людей, проживающих в данных районах. Исследования процессов окисления сульфидов и формирования рудничных вод выполнены методом физико-химического моделирования с использованием программного комплекса «Селектор». В широком интервале температур (от -25 до +45 °С) установлены Eh-pH параметры растворов, их состав в отношении устойчивых водных частиц (комплексных соединений и простых ионов), парагенетические ассоциации (парагенезисы) осаждающихся гипергенных минералов в зависимости от первичного состава руд и вмещающих пород. Установлено, что моделируемые микропоровые растворы, формирующие рудничные воды, имеют широкий спектр Eh-pH параметров: Eh от 0,55 до 1,24 В и pH от 0,3 до 13,8. Из них кристаллизуются техногенные минералы Fe, Cu, Zn, Pb и Sb из классов оксидов и гидроксидов, сульфатов и арсенатов. Высококонцентрированные рудничные воды до и после осаждения из них техногенных минералов, масса которых составляет сотни грамм, попадают в гидросферу. Полученные моделированием растворы содержат все элементы сульфидных руд: Cu, Zn, Pb, Fe, Ag, As, Sb и S, а их концентрации в форме водных частиц достигают десятков грамм, причем в криогенных условиях они на порядок и два выше за счет кристаллизации льда. Формы миграции элементов зависят от температурного режима. Показано отрицательное воздействие рудничных вод на гидросферу региона и здоровье населения, проживающего в нем. Установлено, что в рассматриваемых районах отмечается тенденция роста практически всех видов болезней в два раза как у взрослых, так и у детей, причем заболеваемость детского населения практически по всем рассматриваемым болезням значительно выше, чем у взрослых.
Бесплатно
Химические реакции и условия минералообразования на хвостохранилищах Дальнего Востока России
Статья научная
Касситерит-сульфидные и полиметаллические месторождения дальневосточного региона отрабатывались как открытым, так и подземным способами, что привело к появлению многочисленных горных выработок и хвостохранилищ (в период перестройки брошены без рекультивации), а также к формированию горнопромышленных техногенных систем. Сульфидная составляющая полезных ископаемых в горнопромышленной техногенной системе подвергается гипергенным и техногенным процессам (реакциям окисления и гидролиза). В результате формируются высококонцентрированные техногенные воды, из которых выпадают минералы из различных классов. В связи с этим сформулирована цель данной работы – показать возможность кристаллизации техногенных минералов из микропоровых растворов техногенных вод. При достижении данной цели решались следующие задачи: показать возможные реакции окисления и гидролиза техногенного минералообразования на хвостохранилищах; выявить Eh-pH параметры их выпадения из высококонцентрированных растворов; определить их возможные ассоциации. Исследования проведены с помощью натурных наблюдений и программного комплекса «Селектор». Полученные результаты позволяют продемонстрировать возможные химические реакции и физико-химические условия формирования минералов: Fe, Cu, Pb, Zn, Sb, Mg, Al и Ca из различных классов: оксидов и гидроксидов, сульфатов, карбонатов, арсенатов и силикатов. В статье впервые показаны реакции кристаллизации вторичных минералов (37 наименований) и их физико-химические условия. Установлено, что в интервале положительных температур кристаллизуются вторичные минералы: ярозит, питтицит, сидерит, тенорит, познякит, антлерит и ктенасит, а в криогенных условиях: скородит, халькантит, брошантит, церуссит, старкеит, эпсомит и ростит. Все остальные минералы, возможность выпадения которых показана в статье, кристаллизуются во всем рассматриваемом интервале – от –25 до +45 ºС. Натурные наблюдения и полученные при моделировании данные по формированию техногенных вод и кристаллизации вторичных минералов на поверхности и в толще хвостов обогащения на хвостохранилищах Дальнего Востока позволили показать высокую активность техногенных процессов. Так как хвостохранилища не рекультивированы, то процесс загрязнения окружающей среды, включая гидросферу, продлится на многие десятилетия.
Бесплатно
Статья научная
Глобальные вызовы (рост потребления георесурсов, климатические изменения, ограниченность запасов) повышают актуальность проблем роста накопления отходов и экологической модернизации добычи минерального сырья. В связи с этим существующие подходы к проектированию геотехнологий добычи металлов нуждаются в совершенствовании на основе концепции циркуляционного управления отходами и экологизации технологических процессов. Статья посвящена вопросу формирования концептуальных основ и направлений экологизации геотехнологий при выщелачивании металлов из твердых и жидких отходов обогащения полиметаллического сырья. В исследовании предложены рекомендации по совершенствованию подземного выщелачивания руд в блоках, позволяющие определить оптимальные условия для повышения полноты использования недр и уменьшения ущерба окружающей среде. Выявлено, что при извлечении металлов с циркуляцией раствора через рассольные камеры содержание ионов (Na, Cl, SO4 и Ca) в диализате было низким, а без циркуляции в рассоле - существенно превышало ПДК (по Na, Cl, SO4 и Ca). Это доказывает принципиальную возможность управления процессами подземного выщелачивания путем усиления окислительного потенциала растворителей за счет добавления промышленных окислителей. Установлено, что рост продолжительности агитационного выщелачивания (как с использованием, так и без механоактивации) приводит к равномерному расширению локальных максимумов выхода Pb из пульпы при снижении минимальной концентрации NaCl с 11-12 до 7 % при H2SO4 = 0,6 %. Одним из ключевых результатов исследования является обоснование расширения области использования дезинтеграторов для осуществления направленного активационного воздействия на хвосты обогащения. Практическое значение полученных результатов заключается в возможности оптимизации технологической схемы электрохимического извлечения металлов из техногенных стоков на основании полученных результатов применения циркуляции рассолов через рассольные камеры. Кроме того, совокупность полученных результатов использования дезинтегратора для повторного извлечения свинца из геоматериалов позволит разработать методику расчета параметров механоактивационного воздействия для повышения степени извлечения металлов из хвостов обогащения полиметаллического сырья РСО-Алания (Згидское, Садонское, Архонское месторождения). Наиболее перспективным направлением дальнейших исследований является обоснование путей использования подземного пространства для полного захоронения отходов (техногенных стоков и хвостов обогащения) после их многостадийной обработки.
Бесплатно
Экспериментальное исследование переходных тепловых режимов длинных очистных забоев
Статья научная
В условиях ограниченности минеральных ресурсов современные шахты и рудники стремятся к добыче все более труднодоступных и глубокозалегающих запасов полезных ископаемых. Увеличение глубины ведения горных работ приводит к возникновению проблем, связанных с обеспечением комфортных и безопасных условий труда в горных выработках. Основной задачей создания благоприятного микро-климата для горнорабочих является обеспечение допустимых значений температуры воздуха в рабочих зонах глубоких горизонтов шахт и рудников. На сегодняшний день особый интерес вызывают процессы формирования теплового режима в длинных очистных забоях (лавах), в которых применяется высокопроизводительное транспортно-добычное оборудование. В связи с этим в работе проводится исследование, направленное на определение особенностей формирования теплового режима в длинных очистных забоях. Исследование основано на экспериментальных данных, полученных в условиях лавы № 1 первой северной панели горизонта -440 м рудника 4 РУ ОАО «Беларуськалий». Результаты экспериментального изучения динамических микроклиматических параметров воздуха позволили установить, что тепловой режим в лаве носит переменный характер. Это обусловлено тем, что при ведении горных работ в лаве технологический цикл отработки запасов полезных ископаемых включает добычные и ремонтные смены, характеризующиеся различными мощностями тепловыделений. При этом влияние тепловой инерции оборудования в период его остановки в ремонтную смену играет важную роль в формировании теплового режима. Предполагается, что результаты экспериментального исследования переходных тепловых режимов в лаве при переходе от добычных смен к ремонтным выступят основой при разработке математической модели теплообменных процессов в горных выработках, способной учитывать нестационарную природу техногенных источников тепловыделений. Разработанная математическая модель позволит принимать наиболее безопасные и эффективные технико-экономические технологические решения по управлению проветриванием лав.
Бесплатно
Статья научная
Исследование структуры вентиляционных потоков в призабойной части тупиковой выработки является важным элементом при целенаправленном управлении ее проветриванием и обеспечении безопасности ведения подземных горных работ. Ранее проведенные исследования показывают, что, несмотря на общее понимание протекающих в тупиковой выработке процессов возникновения основного вихря и застойных зон, полученные результаты носят фрагментарный характер и без дополнительных исследований практически не поддаются единому концептуальному обобщению. В статье приведены результаты детального натурного эксперимента по исследованию процессов нагнетательного проветривания тупиковой выработки большого сечения (29,2 м2) с пятью различными вариантами отставания конца нагнетательного вентиляционного трубопровода от груди забоя: 10, 15, 17, 19 и 21 м. Для каждого варианта в соответствии с разработанной методикой эксперимента производили замеры скорости турбулентного вихревого воздушного потока в 25 различных характерных точках (сетка 5 х 5) в каждом сечении тупиковой горной выработки, которые выбирали через каждый метр от груди забоя до конца вентиляционного става, а также дополнительно еще через 1 м и еще через 10 м от конца вентиляционного става к устью выработки. Исследования проводили в стандартной тупиковой очистной выработке, проходимой буровзрывным способом, на золотосеребряном руднике «Купол», расположенном в Чукотском автономном округе. Расход подаваемого в выработку свежего воздуха во всех случаях сохраняли постоянным и равным типичному для рудника расходу 17,4 м3/с, определяемому расчетным значением по фактору проветривания выхлопных газов от двигателей внутреннего сгорания погрузочно-доставочных машин. При площади сечения конца трубопровода 0,8 м2 это дает среднюю скорость поступающей струи в 21,75 м/с. Данные натурного эксперимента дополняли результатами трехмерного численного моделирования в вычислительном пакете ANSYS Fluent. Исследовали стационарное движение воздуха в тупиковой выработке в режиме развитой турбулентности. Сравнительный анализ полученных результатов натурного и численного экспериментов убедительно показал, что во всех исследуемых случаях отставания (не более 21 м) вентиляционного трубопровода от груди забоя вентиляционная струя, выходящая из вентиляционного трубопровода, достигает груди забоя, а затем разворачивается вдоль него с различной интенсивностью и формирует обратное движение воздушного потока из тупика. Полученные результаты позволили получить линейное уравнение связи между максимальной относительной (к начальной скорости струи) скоростью на расстоянии 1 м от груди забоя и основного геометрического фактора зоны проветривания - отношения длины отставания конца трубопровода к характерному поперечному размеру - корню квадратному из площади поперечного сечения.
Бесплатно
