Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Использование выработанного пространства калийных рудников для снижения техногенного воздействия отходов на окружающую среду

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Кондрашев, Петр Иванович, Соликамск

Открытое Акционерное Общество "Сильвинит"

На правах рукописи

Кондрашев Петр Иванович

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТХОДОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Специальность: 11.00.11

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук, Профессор, Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации М. П. Нестеров

Соликамск 1998

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты исследований, позволяющие обеспечить экологическую и производственную безопасность захоронения жидких солеотходов калийного производства и твердых токсичных отходов иных производств в выработанных пространствах действующих калийных рудников Верхнекамского месторождения каменных и калийных солей.

Ключевые слова:

• жидкие солеотходы,

• токсичные отходы,

• калийные рудники,

• экологическая безопасность,

•производственная безопасность.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..................................................................................................................................................6

1. Современное состояние проблемы удаления неутилизированных токсичных отходов из биосферы и пути ее решения................................................................................8

1.1. Удаление неутилизированных токсичных отходов из окружающей среды — общечеловеческая проблема. Современные пути ее решения в передовых странах...............8

1.2. Современное состояние проблемы избавления биосферы от неутилизируемых нерадиоактивных токсичных отходов в России........................................................................13

1.3. Экономические аспекты избавления биосферы от вредных веществ при их захоронении в выработанных пространствах.......................................................................................16

1.4. Калийные рудники Верхнекамского месторождения — как аккумулятор вырабатываемых пространств, могущих использоваться для захоронения токсичных отходов

промышленности..........................................................................................................................20

1.5. Задачи и методы их решения................................................................................................25

Основные выводы по разделу................................................................................................................29

2. Влияние жидких отходов калийных производств на деформи рованность междукамерных целиков...........................................................................................................31

2.1. Состояние изученности вопроса и анализ полученных результатов......................................31

2.2. Закономерности влияния рассолов на деформируемость каменной соли в образцах, имитирующих целики...................................................................................................................39

2.3. Закономерности влияния рассолов на деформируемость натурных междукамерных целиков...........................................................................................................................................47

Основные выводы по разделу................................................................................................................62

3. Методы оценки и прогнозирования геомеханического состояния выработанного пространства калийных рудников при размещении в нем жидких отходов калийного производства------------------------------------------------------------------------------------------64

3.1. Постановка задачи........................................................................................................................64

3.2. Закономерности, связывающие размеры возможных обрушений пород непосредственной кровли с их строением и шириной камер.....................................................................65

3.3. Прогнозирование уменьшения во времени объема камер до заполнения их жидкими солеотходами.................................................................................................................................82

3.4. Прогнозирование уменьшения во времени объема камер после заполнения их жидкими солеотходами...........................................................................................................................85

3.5. Прогнозирование влияния периодических откачек рассолов на динамику изменения

во времени объема камер с жидкими солеотходами................................................................92

Основные выводы по разделу................................................................................................................97

4. Методы увеличения эффективности использования выработанных пространств калийных рудников при размещении в них жидких солеотходов................99

4.1. Горнотехническое мероприятие, исключающее возможность выдавливания жидких солеотходов из камер обрушенными породами........................................................................99

4.2. Горнотехническое мероприятие, ограничивающее уменьшение объема камер при деформациях междукамерных целиков....................................................................................104

4.3. Горнотехнические мероприятия, увеличивающие эффективность использования выработанных пространств при размещении в них шламов.................................................113

Основные выводы по разделу..............................................................................................................122

5. Оценка эффективности использования выработанных пространств калийных рудников для размещения в них жидких солеотходов.............................124

5.1. Предмет оценки, ее цели и задачи.............................................................................................124

5.2. Основные исходные и методические положения, принятые при проведении оценки.........126

5.3. Основные статьи расходов, определяющих стоимость размещения жидких солеотходов в выработанных пространствах.....................................................................................129

5.4. Источник получения необходимой информации....................................................................133

5.5. Полученные результаты и их обсуждение................................................................................134

Основные выводы по разделу..............................................................................................................147

6. Основы экологической и производственной безопасности при размещении жидких токсичных отходов в действующем калийном руднике....................150

6.1. Постановка вопроса и его актуальность..................................................................................150

6.2. Обеспечение производственной безопасности.........................................................................151

6.3. Обеспечение экологической безопасности...............................................................................153

Основные выводы по разделу..............................................................................................................156

7. Геомеханическое обеспечение экологической безопасности при размещении твердых высокотоксичных нерадиоактивных отходов в действующих рудниках.......................................................................................................................157

7.1. Постановка вопроса и его актуальность..................................................................................157

7.2. Основные положения концепции безопасного размещения твердых высокотоксичных нерадиоактивных отходов в действующих калийных рудниках...................................161

7.3. Основы обеспечения экологической безопасности размещения твердых высокотоксичных отходов в калийных рудниках Верхнекамского месторождения............................163

7.4. Определение степени нагружения междукамерных целиков, обеспечивающей заданное ограничение сроков их деформирования и достигнутых ими деформаций.................167

7.5. Основные сценарии нестандартных ситуаций и их последствия при отсутствии предусмотренных барьеров или при последовательном выходе их из строя в связи с несоблюдением условий, которым они должны удовлетворять...............................................174

7.6. Результаты предварительной проработки возможности создания хранилища-могильника твердых высокотоксичных нерадиоактивных отходов в Соликамских калийных рудниках.....................................................................................................................180

Основные выводы по разделу..............................................................................................................191

Заключение по работе....................................................................................................................193

Литература..........................................................................................................................................197

Приложение № 1. Список машинописных работ внутреннего пользования ОАО Сильвинит, послуживших основой экономической оценки эффективности размещения шламов калийного производства в выработанных пространствах рудников................................205

ВВЕДЕНИЕ

Россия является одной из тех стран, где проблема охраны от вредного воздействия всевозможных токсичных отходов окружающей среды, в которой обитает человек и остальная фауна и флора, по существу никогда не решалась, подменяясь размещением их на земной поверхности на санкционированных и не санкционированных территориях, в лучшем случае в различных оболочках (бетон, бочки, пленки), имеющих ограниченные сроки службы, что однако именовалось захоронением.

В результате к настоящему времени на территории страны уже оказалось накопленным около 1, 5 млрд. тонн таких отходов, большая часть которых уже отравляет биосферу, а остальные — начнут ее отравлять в ближайшей перспективе.

Решение этой проблемы является весьма дорогостоящим, поскольку избавление от токсичных отходов окружающей среды в целом составляет около трети стоимости продукции, при которой они образуются. А таких денег у государства нет. Заставлять предприятия, которые вышли из государственной собственности, решать своими силами эту проблему, созданную самим государством в предшествующие десятки лет, бессмысленно. Но требовать с этих предприятий прекратить продолжение загрязнения биосферы своими отходами оно в праве. И делает это с применением все время ужесточающихся санкций.

Поэтому предприятия вынуждены искать пути избавления от своих неутили-зируемых отходов сами.

В данной работе приведены результаты исследований и проработок, направленных, во-первых, на изыскание экономически наиболее приемлемых и технически эффективных способов избавления от собственных неутилизируемых токсичных отходов калийного производства. И, во-вторых, на использование возможностей, имеющихся у добывающих калийную и каменную соли предприятий, для решения данной проблемы различными предприятиями в первую очередь

Пермского региона и смежных с ним, на которых образуются токсичные отходы, отвечающие определенным требованиям и ограничениям, и за размещение которых на ныне существующих на земной поверхности территориях, называемых полигонами или хранилищами, органы, отвечающие за охрану окружающей среды, неминуемо начнут брать в ближайшее время большие штрафы или вообще запретят ими пользоваться.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УДАЛЕНИЯ НЕУТИЛИЗИРОВАННЫХ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ ИЗ БИОСФЕРЫ И ПУТИ ЕЕ РЕШЕНИЯ

1.1. Удаление неутилизированных токсичных отходов из окружающей среды — общечеловеческая проблема. Современные пути ее решения в передовых странах

Неутилизируемые токсичные отходы производства и потребления всегда были и всегда будут образовываться в процессе жизнедеятельности человечества, а с развитием его потребностей в разнообразной продукции— во все больших размерах, пока переработка этих отходов с целью превращения их в нужное обществу сырье не станет дешевле добычи того же сырья традиционными способами с использованием природных ресурсов.

Даже в передовых, экономически развитых странах запада и востока, обладающих скудными сырьевыми ресурсами, превращение токсичных отходов в полезное вторичное сырье пока оказывается доступным лишь в определенных частных случаях, и потому проблемы избавления от них окружающей среды не решает.

Количество промышленных токсичных отходов, приходящихся на одного человека, уже в середине 80-х годов составляло в разных странах от 70 до 340 кг/год [1], при том что ежегодно оно увеличивается примерно на 3% [2]. В середине 80-х годов в США, например, таких отходов ежегодно образовывалось около 57 млн. тонн, в ФРГ— 5-10 млн. тонн, в Великобритании— 4-7 млн. тонн, во Франции — 2-17 млн. тонн и т.д. [3].

Из общего количества промышленных токсичных отходов около 80% приходится на отходы органического происхождения и только 20% — на неорганические [1].

Две трети промышленных токсичных отходов органического происхождения составляют твердые и около одной трети— жидкие и пастообразные, сгораемые после их термической обработки.

В связи с чрезвычайным ростом опасностей для населения и для окружающей среды в целом, который обусловливался накоплением токсичных отходов на земной поверхности (наводнения, смерчи, землетрясения, авиационные и другие катастрофы, а также терракты и т.п.) и необходимостью рано или поздно освобождать ее от них, но уже с гораздо большими трудностями и затратами и нанесенным к этому времени ущербом, основными реализуемыми направлениями в решении проблемы устранения таких отходов из атмосферы в развитых промышленных странах стали:

Во-первых, перевод их в используемое вторичное сырье, имеющее некоторую цену. Достигается это следующим путем: за счет разделения и классификации таких отходов по их видам, полного документирования их состава, свойств, мест накопления, форм сохранения и других сведений на каждом производстве, где они образуются и где они не утилизируются; за счет компьютерной передачи всех этих сведений на централизованные региональные и федеральные пункты сосредоточения соответствующей базы данных с целью информирования других предприятий и фирм о наличии этого сравнительно дешевого вторичного сырья, которое может быть востребовано и приобретено для производства той или иной продукции; и, наконец, за счет такого временного (до реализации) накопления и многобарьерного хранения подготовленных к продаже (или к устранению, если покупатель за отпущенное время не появится) таких отходов, при котором полностью исключается их проникновение в биосферу за этот срок.

Во-вторых, уничтожение путем сжигания горючих токсичных отходов, невостребованных ко времени окончания их безопасного хранения, сопровождающееся сбором всей образующейся при этом токсичной золы и шлаков. Это наиболее дорогой способ устранения токсичных отходов из биосферы. Его стоимость, если исключается образование газов типа диоксина, и обеспечивает-

ся полное уничтожение токсичности остающихся шлаков, доходит до 1500 долларов за тонну [4]. Производительность существующих в мире установок по такому сжиганию токсичных отходов сравнительно невелика (около 50 тыс. тонн в год) при капитальных затратах, измеряемых сотнями миллионов долларов. Поэтому для отечественных предприятий ориентировка на использование таких установок неприемлема.

При температуре сжигания, не превыщающей 1500° С, в основном уменьшается в 7-10 раз лишь объем токсичных отходов и в 2-3 раза затраты, но не устраняется образование газов типа диоксин, в связи с чем отравляется окружающая атмосфера. Поскольку при этом остаются высоко токсичные шлаки, не удаляемые с земной поверхности— проблема все равно остается нерешенной [5-10].

В-третьих, перевод за счет полной или частичной нейтрализации, осуществляемой тем или иным способом, негорючих невостребованных за время безопасного хранения токсичных отходов в нетоксичные или в менее токсичные, которые могут быть нейтрализованы [11, 12].

Стоимость нейтрализации токсичных отходов посредством химических реакций также в 2-3 раза меньше, чем их полное обезвреживание в сжигательных установках. Но при этом, во-первых, достигается лишь уменьшение токсичности отходов, а не полное избавление от нее. И, во-вторых, количество отходов не уменьшается, поэтому проблема удаления их с земной поверхности остается, лишь несколько теряя остроту.

И, в-четвертых, захоронение в могильниках, создающихся в геологических формациях — природных изоляторах (в солях, глинах, туфах, гранитах, гнейсах и эффузивах) тех невостребованных токсичных отходов, которые не могут быть безопасно для окружающей среды уничтожены путем сжигания и не могут быть полностью нейтрализованы. На этот путь избавления биосферы не только от радиоактивных токсичных отходов, на который по рекомендации МАГАТЭ уже

стали основные уранопроизводящие и потребляющие государства мира [13-15], но и от неутилизируемых нерадиоактивных высокотоксичных отходов, становится все увеличивающееся число государств [16-19].

Это наиболее перспективный путь решения проблемы, если он реализуется за счет использования пустот, уже образованных при добыче полезных ископаемых и всей инфраструктуры, которая для этого создавалась (шахтный подъем, шахтная вентиляция, шахтный транспорт, околоствольные шахтные дворы и наземные промплощадки). И если при этом предусмотрены и обеспечиваются мероприятия, исключающие возможность затопления выработок, используемых для размещения таких отходов, и последующее проникновение загрязненных отходами вод в водоносные горизонты.

Кроме того, при сжигании и нейтрализации токсичных отходов вместе с ними уничтожаются и содержащиеся в них ценные компоненты или утрачиваются нужные свойства последних. При размещении же таких отходов в выработанном пространстве они могут безопасно складироваться на любые сроки, превращаясь после накопления в соответствующих количествах и разработки экономически приемлемых технологий извлечения из них ценных компонентов в своеобр