Обоснование технологических способов управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов при открытой угледобыче

Сидорова, Галина Петровна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование технологических способов управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов при открытой угледобыче
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологических способов управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов при открытой угледобыче"

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Забайкальский государственный университет» ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»

Сидорова Галина Петровна

Обоснование технологических способов управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов при открытой угледобыче

Специальности:

25.00.22 Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Чита 2014

005549517

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Забайкальский государственный университет» ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»

Научный консультант: Овсейчук Василий Афанасьевич

Официальные оппоненты: Папнчев Валерий Иванович

Лушпей Валерий Петрович Гриб Николай Николаевич

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Забайкальского государственного университета

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем комплексного освоения недр (ИПКОН РАН)

доктор технических наук, профессор Дальневосточного федерального университета (ДВФУ)

доктор технических наук, профессор технического института Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова (СВФУ)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф.Горбачева» (ФГБОУ ВПО «Куз-ГТУ»)

Защита состоится 10 июля 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.01 при Забайкальском государственном университете по адресу: 672039 г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЗабГУ, зал заседаний Ученого совета. Факс (3022) 41-64-44; E-mail: mailfazabgu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Забайкальского государственного университета

Автореферат разослан «10» апреля 2014 г.

Ученый секретарь -диссертационного совета Д 212.299.01 канд. техн. наук, доцент

И.А. Бондарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В Долгосрочной программе развития угольной промышленности России на период до 2030 г. (рассмотренной 15 апреля 2011 г. на президиуме Правительства РФ) отмечено, что «...при существующих уровнях добычи угля запасов хватит на 600 лет». С использованием угля в настоящее время в мире производится примерно 44 % электроэнергии.

В России, по итогам работы за 2010 г., доля использования газа на ТЭС составила 71 %, угля - 26 %, мазута - 3 %. По прогнозу в 2020-2030-х гг. доля газа в топливном балансе ТЭС снизится до 60-64 %, а доля угля возрастет до 35-38 %.

Прогнозы показывают, что в перспективе потребность в энергетических углях будет расти во всем мире.

Наиболее уязвимым местом в угольной энергетике является неблагоприятное экологическое воздействие предприятий угольного топливного цикла. В последние годы внимание привлекает и радиационное загрязнение, создаваемое угледобывающими предприятиями и угольными ТЭС.

Радиационная опасность угледобывающих предприятий и угольных ТЭС, связанная с естественными радионуклидами, содержащимися в углях, - одна из важных проблем угольной энергетики, которая порой недооценивается в современном мире, но требует предельного внимания.

Угли с повышенным содержанием радионуклидов встречаются очень часто. Топливная энергетика на угле, по мнению экологов, относится к числу наиболее крупных источников загрязнения окружающей среды радионуклидами, однако серьезных шагов по ограничению выбросов ЕРН с продуктами сжигания углей не предпринимается. Нормы радиационной безопасности от НРБ-76 до НРБ-99/2009 ограничивают только применение шлаков в строительных целях. Аналогичные ограничения устанавливают Санитарные правила СП 2.6.1.798-99 «Обращение с минеральным сырьем и материалами с повышенным содержанием природных радионуклидов».

Содержание естественных радионуклидов в добываемом угле не контролируется, и угли с их повышенным концентрациями поступают к потребителю, что приводит к дополнительной нагрузке на окружающую среду за счет выбросов из труб радиоактивных аэрозолей и образования золы с повышенным содержанием радиоактивных элементов. Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и шлаков. Они занимают значительные территории, которые не только не используются долгое время, но и являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности. Несмотря на большой объем накопленной информации о радиоактивности углей по отдельным угольным регионам (Арбузов, Во-

лостнов, Кизельштейн и др.), вопрос экологической безопасности использования углей, содержащих ЕРН, остается не решенным.

Для его решения необходим специальный комплекс исследований, который должен включать: изучение радиоактивных элементов в угольных пластах в естественном залегании, включающее прогноз повышенных содержаний радиоактивных элементов по месторождениям; детальное изучение выделенных месторождений на предмет радиоактивности углей; разработку систем отработки и управления потоком углей с повышенным содержанием радиоактивных элементов; контроль радиоактивных элементов в отходах угольных электростанций (зола и шлак); мониторинг окружающей среды при отработке и использовании углей с повышенным содержанием ЕРН; разработка нормативных документов, регламентирующих этот процесс.

С позиции оценки качества, ценность ископаемых углей представляет вся добытая из недр угольная масса, а качество углей оценивается соответствием их определенных свойств требованиям ГОСТ, ОСТ, ТУ и соглашений с потребителем. Основные показатели качества энергетических углей - рабочая и гигроскопическая влага, зольность, выход летучих веществ, содержание серы, ситовой состав, низшая теплота сгорания рабочего топлива, состав и плавкость золы. Нормативные документы, регламентирующие содержание естественных радионуклидов (ЕРН) в углях, в настоящее время, отсутствуют.

Требования потребителей к качеству углей, в том числе и их экологической безопасности, в условиях насыщения рынка постоянно растут и весьма разнообразны, поэтому создание эффективных систем контроля и управления качеством углей на многих угледобывающих предприятиях считается одним из главных направлений работ. Управление качеством углей является неотъемлемой частью технологической схемы разработки месторождения. В процессе совершенствования технологии горного производства, наряду со стандартными методами контроля и управления качеством углей, возникает необходимость применения современных методов, которые должны обеспечивать экспрессность, достаточную представительность анализируемого объема, возможность использования на различных этапах технологического процесса и обеспечивающую экологическую безопасность окружающей среды. Одним из возможных решений этого вопроса является разработка эффективной системы управления качеством углей, в том числе и радиационным.

В связи с этим возникла актуальная научно-техническая проблема: разработка эффективной технологии добычи бурых углей и управления их качеством с учетом наиболее полного использования полезного ископаемого, за счет сокращения потерь и снижения негативного влияния на окружающую среду радионуклидов, содержащихся в этих углях.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Ядерная и радиационная безопасность России», раздел 3.7, п. 2, б - 9 и «Энергетической стратегией России на период до 2030 г.», раздел VI, п.5.

Цель работы. Разработка и обоснование эффективных способов управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов на технологических этапах: от планирования добычи до отгрузки потребителям, обеспечивающих полноту их извлечения из недр и экологическую безопасность.

Основные задачи исследования.

1. Выполнить анализ существующего положения в ТЭК по вопросу добычи и использования углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов (ЕРН) и негативного влияния продуктов сжигания радиоактивных углей на окружающую среду.

2. Оценить радиационные характеристики бурых углей Забайкалья и установить механизм накопления в них радиоактивных элементов, позволяющих делать прогноз наличия в угле радиоактивных элементов и выделять месторождения угля с их повышенным содержанием.

3. Разработать методику оценки радиационного качества углей на стадии геологоразведочных работ, позволяющую разделить запасы угля на технологические сорта с целью избирательности их выемки в соответствии с сортами и наиболее полного использования углей как энергетического сырья.

5. Разработать методические основы управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов по технологической схеме: от проектирования добычи до формирования партий угля заданного качества.

6. Обосновать и разработать эффективные способы оперативного управления качеством углей с целью полноты извлечения их из недр, минимизации загрязнения окружающей среды при добыче, транспортировке и хранении углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов.

Объект исследования. Буроугольные месторождения Забайкалья: Харанорское, Уртуй-ское, Татауровское, Кутинское и Окино-Ключевское, разрабатываемые открытым способом.

Предмет исследования. Технологические процессы: эксплуатационная разведка, добыча, транспортировка, подготовка шихты заданного качества для отгрузки заказчикам и хранения бурых углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов, обеспечивающие безопасность угольной продукции.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплекс методов исследований: анализ литературных источников, нормативно-технической и научно-методической документации; анализ результатов детальной и эксплуатационной разведок;

результатов химических, теплотехнических, гранулометрических, рентгенорадиометриче-ских, спектральных, рентгеноспектральных методов исследования углей и продуктов их сжигания; полевые экспериментальные работы, статистическая обработка данных; анализ методов определения качества угля и продуктов их сжигания по содержанию естественных радионуклидов; технико-экономический и экологический анализ эффективности предложенных методов оперативного управления радиационным качеством углей.

Фактический материал и личный вклад автора.

В работе использованы материалы исследовательских работ в рамках госбюджетной темы (Код 87.15.03) «Экологические проблемы, связанные с радиационно-гигиеническим качеством углей и методы их решения на угольных месторождениях Забайкалья» (2010 - 2013 г.г.). Основной фактический материал получен при выполнении исследовательских работ на Уртуйском месторождении, часть углей которого содержит повышенное содержание ЕРН (1989 - 2011г.г.), использованы фондовые материалы ОАО ППГХО и ФБУ «ТФГИ по Сибирскому федеральному округу», литературные источники и нормативные документы.

Диссертант обосновал и выполнил работы по оценке радиационных характеристик бурых углей Забайкалья и установлению источника накопления радиоактивных элементов, принимал непосредственное участие в разработке системы оперативного управления радиационными параметрами качества угля на стадиях добычи, транспортирования, хранения и подготовке шихты (Патент № 2498348 от 10.11.2013 г.), выполнил оценку распределения радионуклидов в продуктах сжигания углей Краснокаменской ТЭЦ через баланс урана и негативного влияния результатов сжигания углей на окружающую среду.

Автором вместе с коллегами сформулированы научные задачи, проведено опробование, экспериментальные исследования, разработана комплексная методика управления радиационным качеством углей на всех технологических этапах разработки месторождений: от планирования добычи до подготовки партий угля заданного качества.

С достаточной степенью детальности изучены 4 буроугольных месторождений Забайкалья: Окино-Ключевское, Харанорское, Татауровское, Кутинское. Наиболее детально - Ур-туйское, которое было выделено для экспериментальных и исследовательских работ как наиболее характерное для месторождений с повышенным содержанием радиоактивных элементов не только на отдельных участках, но и в общей угольной массе.

Использованы результаты анализов 526 штуфных проб в.т.ч. по углю - 255, по вмещающим породам - 154, по гранитоидам - 73, по золе и шлаку - 44 . По Уртуйскому месторождению обработано более 1000 товарно-расчетных проб, отобрано и исследовано 96 проб

грунта в радиусе 6 км от Краснокаменской ТЭЦ. Общее количество обработанных анализов более 6000.

Количественная оценка радиоактивных элементов в пробах золы, шлака, пород и угля проводилось в аналитической лаборатории ЦНИЛ ОАО « ППГХО» (Свидетельство об аттестации № 95.0088-2008 от 30.09.2008г.) с использованием сцинтилляционного гамма - спектрометра с программным обеспечением «Прогресс» по методике, разработанной «Всероссийским научно - исследовательским институтом физико-технических и радиотехнических измерений» (ГНМЦ «ВНИИФТРИ» - Свидетельство об аттестации № 40090.ЗН700). Контрольные пробы исследовались в аккредитованных лабораториях ЛИЦИМС; ФГБУЗ ЦГ и Э № 107 ФМБА России.

Выполнена работа по статистической обработке результатов методики управления радиационным качеством углей на Уртуйском разрезе (1989-2011 г.г.) Защищаемые научные положения.

1. Установлена связь урана, накопленного в углях Забайкалья с породами фундамента, представленными палеозойскими гранитами, что удалось подтвердить через баланс металла по цепочке: палеозойские граниты, осадочные углевмещающие породы и уголь. Это позволяет прогнозировать наличие повышенных концентраций радионуклидов в углях.

2. Предложена методика радиационной оценки углей по сортам: потребительский, энергетический и комплексный на стадии ведения геологоразведочных работ, позволяющая оконтурить и подсчитать запасы по сортам, оптимизировать систему их добычи и подготовки к реализации.

3. Обоснована методика секционно-погоризонтного картирования запасов, обобщения и обработки информации по содержанию естественных радионуклидов для эффективного управления качеством углей и выбора оптимальных вариантов выемки их по сортам.

4. Разработана комплексная технология оперативного управления качеством углей содержащих естественные радионуклиды при добыче, формировании грузопотоков, отгрузке потребителям, обеспечивающая оптимизацию технологических процессов и радиационную безопасность обращения углей.

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается надежностью применяемых методов исследований; большим объемом высококачественных аналитических и экспериментальных данных, полученных современными методами исследований в аккредитованных лабораториях; высокой сходимостью результатов экспериментально - промышленных исследований по контролю радиационного качества углей с результатами независимых лабораторий с достоверностью 85 - 90%; положительными итогами внедрения резуль-

татов исследований в практику работы ОАО «ППГХО», что подтверждено результатами мониторинга; апробацией результатов на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах; патентами.

Научная новизна состоит в том, что впервые: - предложен комплексный подход к проблеме разработки угольных месторождений с повышенным содержанием естественных радионуклидов, через систему управления качеством этих углей по радиационным параметрам, поэтапно: от прогноза содержаний радионуклидов в угле до подготовки партий угля для сжигания;

- установлена зависимость содержаний урана в угле от содержаний его в палеозойских гранитах фундамента, что позволяет прогнозировать повышенные концентрации урана в угольных месторождениях Забайкалья;

- разработана методика радиационной оценки углей, позволяющая разделить их по сортам: потребительский, энергетический, комплексный еще на стадии ведения геологоразведочных работ, каждый сорт из которых может быть отработан по отдельной технологии;

- предложена методика секционно-погоризонтного картирования запасов, при открытой разработке сложноструктурных угольных месторождений, позволяющая эффективно управлять процессом добычи и транспортировки угля с учетом его качественных показателей;

- разработана и обоснована комплексная методика оперативного управления качеством углей по радиационным параметрам при добыче, формировании грузопотоков, подготовке партий угля, обеспечивающая радиационную безопасность угольной продукции.

Практическая ценность работы:

- разработана методика дополнительной и эксплуатационной разведки бурых углей с повышенными концентрациями радиоактивных элементов для оценки их распространения в пределах буроугольных месторождений;

- разработана методика гамма - опробования угля в естественном залегании и в штабелях угольного склада и гамма - экспресс анализа угля в автосамосвалах;

- создано методическое и программное обеспечение комплекса оперативного управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов, базирующиеся на понятии суммарная удельная активность Аэфф_, которые могут быть использованы для разработки нормативных документов, регламентирующих использование углей с повышенным содержанием радиоактивных элементов на любом месторождении.

- разработано методическое руководство по составлению секционно-погоризонтных карт качества углей, которое позволяют управлять радиационным качеством углей при планировании добычи и обеспечить их радиационную безопасность;

- разработана и внедрена в практику работы ОАО «ППГХО» технология формирования и хранения штабелей радиоактивного угля.

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований и практической реализации были представлены, докладывались и обсуждались на: Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2009-2014); VIII Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2010); V Международной конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук». Науки о Земле (Москва, 2010); XX Международном симпозиуме по планированию горных работ и выбору оборудования (Алматы. Казахстан, 2011); VI Международной научно-практической конференции «География, история и геоэкология на службе науки, практики и образования». Науки о Земле (Красноярск, 2011); Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии и использование минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2011); Международном научном семинаре им. Ю.Н. Руденко (Баку. Азербайджан, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения». (Чита, 2005-2013 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Современное российское общество: проблемы позицирования и развития». Науки о Земле (Москва, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая дискуссия: Окружающая среда - Здоровье человека» (Волгоград, 2010); X Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в про-мышленно развитых регионах» (Кемерово, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе 23 в рецензируемых журналах из перечня ВАК, монография, получено два патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,7 глав, заключения и приложений, списка литературы из 286 наименований, изложена на 251 странице печатного текста, включает 64 таблицы, 58 рисунков и 4 приложения.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному консультанту, д-ру техн. наук, профессору В.А. Овсейчуку за постоянную помощь и консультации по выполняемой работе; профессору, д-ру техн. наук Ю.М. Овешникову; д-ру геол. минерал, наук Ю.В. Павленко; доценту, канд. техн. наук C.B. Смоличу; д-ру техн. наук, члену-корреспонденту Российской Экологической академии, ведущему научному сотруднику ИПКОН РАН Ю.П. Галченко; главному геофизику ОАО ППГХО P.A. Суханову; заместителю начальника ЦНИЛ A.B. Тирскому; заместителю начальника ОООС ОАО ППГХО В.Н. Францеву; начальнику аналитической лаборатории ЦНИЛ В.А. Васиченко; главному геологу РУ «Уртуйское» В.Н. Максимову; начальнику ОТК РУ «Уртуйское» Г.М. Голоскоковой;

старшему научному сотруднику ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» Д.А. Крылову за содействие, консультации и оказанную помощь в проведении лабораторных и промышленных испытаний, подготовке и обработке полученных результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Общий ресурсный потенциал запасов углей в Забайкальском крае по состоянию на 01.01. 2010 г составил около 7.1 млрд. т. В структуре добычи угля в регионе основная доля приходится на бурые угли, около 80 %.

Уголь, являясь природным сорбентом, накапливает в своей структуре достаточно большие концентрации химических элементов, особенно тяжелые металлы. Поэтому, при сжигании, данные элементы высвобождаются и накапливаются в отходах энергетического производства, в золе-уносе и шлаках, загрязняя окружающую среду. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что вокруг ТЭЦ, котельных накапливаются большие объемы шлаков, содержащих данные токсичные элементы, а при неудовлетворительной очистке газов, продуктов горения угля, образуются многокилометровые шлейфы загрязнения поверхности земли, обусловленные выпадением золы-унос, содержащей высокие концентрации тяжелых металлов, в том числе радиоактивных.

Детальные исследования углей Уртуйского буроугольного месторождения, позволили установить, что по концентрации тяжелые, в том числе радиоактивные металлы приурочены к определенным энергетическим сортам угля и имеют реальную связь с углевмещающими породами и геологическими структурами, участвующими в формировании угольного месторождения.

В связи с этим появилась возможность, выделять энергетические сорта угля, характеризующиеся определенными концентрациями радиоактивных элементов, еще на стадии ведения геологоразведочных работ, что позволяет разделить запасы угля на бытовые (сжигание в печах), энергетические (сжигание на ТЭС (ТЭЦ, ГРЭС), комплексные (содержащие высокие концентрации радиоактивных элементов и не подлежащие для использования в качестве энергетических, возможное использование - газификация).

В работе впервые сделана попытка охарактеризовать Забайкальские бурые угли с точки зрения радиоэкологической безопасности при использовании их в качестве энергетического сырья.

В горных породах наиболее распространены радиоактивные изотопы урана (238U, 235U, 234U), тория - 232Th, и калия - 40К. Поскольку содержание калия (40К) в природе составляет всего 0,118 % от общего его количества, то его обычно не считают опасным.

В гранитоидах уран присутствует во многих минералах: одна его часть находится в акцес-сориях, другая - приурочена к породообразующим минералам. В породообразующих минералах уран находится в молекулярном рассеянии и в виде микроскопических собственных минералов.

Максимум накопления урана фиксируется в углесодержащих породах: асфальтитах, кери-тах, антраксолитах, при участии которых формируются породы черносланцевой формации, характеризующиеся повышенной ураноносностью и высоким содержанием благородных и редких элементов.

Обзор многочисленных публикаций отечественных и зарубежных исследователей показал, что основное направление исследований связано с урановой минерализацией в углях.

Первые упоминания о кларковом содержании урана в углях, появились в работах А.А.Гипша в 1970,1971 годах. В 1974 г. A.A. Смысловым сделана попытка оценки средних содержаний урана и тория в углях континентов, содержание урана и тория в каменных углях составило 3,4 г/т и 4,8 г/т соответственно.

Исследованиям радиоактивности в углях посвящено значительное количество работ отечественных и зарубежных авторов: Брегер (1958,1976); Дьюл (1958); Минская, Дроздова (1964); Лопаткина (1967); Островская (1970,1972,1984); Гипш (1971,1976); Юдович (1971,1989); Юдович, Кетрис (2001,2002,2005); Зверев (1979); Сергеев (1984); Кизелыптейн (1995,1999, 2006); Breger и др. (1955,1974); Davidson (1954); Finkelman (1990).

В последние годы в основных угледобывающих районах Центральной Сибири активные радиоэкологические исследования проводятся Томскими геохимиками Л.П. Рихвановым, С.И. Арбузовым, В.В.Ершовым, A.B. Волостновым и др. (1992,1996,2000,2003;2007), A.A. Смысловым и др. (1996). Значительно меньше работ посвящено одному из важнейших экологических направлений, выбросам, накоплению и использованию продуктов сжигания углей - зола + шлак + газовая фаза. Известные работы по данному направлению Бойко (1994); Гипш, Капустин (1970); Кизилыптейн (1994,1989,1995); Озерский и др. (1989); Титаева (1993,2002); Давыдов и др. (2003); Крупская и др. (2007); Маурычева (2007), Юдович, Кетрис (2005).

Таким образом, анализ литературных источников по результатам исследований угольных месторождений приводит к выводу о недостаточной изученности проблемы радиоактивности

углей и крайне слабой изученности радиоэкологических проблем, связанных с добычей, транспортировкой и сжиганием углей.

Требуются комплексные исследования радиоактивности углей, включающие этапы от угольного пласта в целике до выбросов продуктов сжигания угля. •

Разработка технологических схем управления радиационным качеством углей на этапах от прогноза наличия радионуклидов в пласте до подготовки партий угля для сжигания на ТЭС, позволит значительно снизить негативное влияние радионуклидов, содержащихся в углях на окружающую среду и обеспечить наибольшую полноту извлечения его из недр. Общая схема управления радиационным качеством углей, может быть представлена в следующем виде: СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАДИАЦИОННЫМ КАЧЕСТВОМ УГЛЕЙ

Прогноз повышенных содержаний ЕРН в углях месторождений

Оценка радиационных параметров углей на выделенном месторождении и классификация по сортам: энергетический, потребительский, комплексный, с целью выбора варианта разработки месторождения

1 1

Управление радиационным качеством углей на технологических этапах разработки месторождения

| |

к Планирование качества углей с повышенным содержанием ЕРН с учетом допустимых норм выбросов ТЭЦ по секционно-погоризонтным картам качества

Выемка углей, с учетом сортности

----и -

Приборная сортировка углей по радиационным параметрам, подготовка шихты на штабелях угольного склада, обеспечивающие радиационную безопасность угольной продукции

Первое защищаемое научное положение. Установлена связь урана, накопленного в углях Забайкалья с породами фундамента, представленными палеозойскими гранитами, что удалось подтвердить через баланс металла по цепочке: палеозойские граниты, осадочные угле-вмещающие породы и уголь. Это позволяет прогнозировать наличие повышенных концентраций радионуклидов в углях.

Изучение углей на содержание радиоактивных элементов проведено на пяти, действующих в настоящее время в Забайкалье, угольных разрезах: Харанорском (Харанорское бу-роугольное месторождение), Восточном (Татауровское буроугольное месторождение), Ур-туйском (Уртуйское буроугольное месторождение), Кутинском (Кутинское месторождение бурого угля) и Окино - Ключевской с одноименным месторождением бурого угля. Структурно-тектоническая схема Забайкалья показывает, что все угольные месторождения

и проявления на изучаемой территории приурочены к прогибам кристаллического фунда-

мента, сформировавшимся в процессе длительного периода тектонической активности. Прогибы заполнялись преимущественно осадочными отложениями - продуктами кристаллических, магматических пород и представлены переслаивающимися конгломератами, гравелитами, песчаниками, алевролитами с угленосными отложениями. Процесс накопления радиоактивных элементов в забайкальских углях представляется следующим образом (Рисунок 1):

Рисунок 1 Схема накопления радиоактивных элементов в бурых углях Забайкалья Первичным накопителями урана и тория являются кристаллические, магматические породы фундамента, которые разрушаясь, передавали радиоактивную составляющую осадочным образованиям. Установлено, чем древнее кристаллические породы, тем меньшие концентрации радиоактивных элементов фиксируются в приповерхностных слоях этих пород. При практически одновременном формировании осадочных и угленосных образований происходит засорение минеральными составляющими угленосных толщ, осуществляется первичное обогащение угля радиоактивными элементами. Дальнейшие геохимические процессы, связанные с выщелачиванием радиоактивных элементов подземными водами, переводят их в подвижное состояние, происходит сорбция растворенных радиоактивных элементов углем, являющимся естественным сорбентом. Сорбционная стадия накопления урана и тория в углях является основной, что зачастую приводит к образованию углей с промышленными концентрациями урана (Уртуйское буроугольное месторождение).

Методика расчета баланса металлов основана на подсчете количества урана и тория в пластине горного массива шириной и толщиной в 1м и высотой, равной мощности осадоч-

ной толщи в районе локализации угольного месторождения. В геологической терминологии данный подход называется методикой расчета «линейных» запасов металла. Это не реальные запасы, а подход ориентировочной оценки баланса радиоактивных металлов в геологической среде, сформировавшей радиоактивную составляющую угольного месторождения. Условно -«Линейные запасы».

Ориентировочная мощность осадочной толщи в зоне локализации исследуемых угольных месторождений: Окино - Ключевское - 720 м; Татауровское -700 м; Харанорское - 560 м; Уртуйское - 500 м; Кутинское - 480 м.

Усредненную удельную массу пород Забайкалья принимаем равную 2,5 т/м3.

В процессе разрушения кристаллических, магматических пород фундамента и формирования осадочных отложений, путем выщелачивания радиоактивных элементов, их выноса за пределы рассматриваемых площадей, сформированы радиоактивные рудопроявления на ЮВ Забайкалья и осадочные месторождения Озерное, Талаканское, Витлаусское.

Данный процесс приводил к дефициту радиоактивных элементов в районе локализации угольных месторождений. Для компенсации данного дефицита принимаем коэффициент дефицита равный 20 %.

Результаты расчета баланса распределения радиоактивных металлов в районе локализации угольных месторождений приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Баланс распределения радиоактивных металлов в районах локализации угольных месторождений (кг). 2011 г.

Породы Месторождения

Окино-Ключевское Татауровское Харанорское Уртуйское Кутинское

Уран, кг Тории, кг Уран, кг Торий, кг Уран, кг Торий, кг Уран, кг Торий, кг Уран, кг Торий, кг

1 2 4 5 6 7 8 9 10 II

Кристаллические, магматические породы фундамента 9,4 9,3 12,9 10.1 5.7 6,3 13,7 7,9 9,5 9.3

Вмещающая осадочная толща 7.7 7,6 10,5 8,3 4,4 5.1 10,6 6,5 6,6 7,7

Уголь 0,2 0,06 0,2 0,09 0,3 0,08 0,9 0,14 1,35 0,13

Вынос металлов 1,5 1.6 2,2 1,7 1,0 1.1 2,2 1.3 1,5 1,5

Динамика накопления урна и тория в различных геологических образованиях угольных месторождений показана на рисунках 2 и 3.

В таблице 2 приведена динамика накопления радиоактивных элементов в осадочных образованиях, вмещающих угольные пласты, в зависимости от крупности осадочного материала.

Наименование месторождения

□ Ряд1 в Ряд2

□ РядЗ

Рисунок 2 Концентрация урана в геологических образованиях угольных месторождений:

1 — Окино-Ключевское; 2 - Татауровское; 3 - Харанорское; 4 - Уртуйское; 5 - Путинское 1 ряд - кристаллические породы фундамента; 2 ряд - вмещающая осадочная толща; 3 ряд - уголь

□ Ряд1 и Ряд2

□ РядЗ

Рисунок 3 Концентрация тория в геологических образованиях угольных месторождений:

1 - Окино-Ключевское; 2 - Татауровское; 3 - Харанорское; 4 - Уртуйское; 5 - Кутинское 1 ряд - кристаллические породы фундамента; 2 ряд - вмещающая осадочная толща; 3 ряд - уголь

Таблица 2 - Динамика накопления радиоактивных элементов в осадочных образованиях, вмещающих угольные пласты

Породы Месторождения

Окино-Ключевское Татауровское Харанорское Уртуйское Кутинское

Уран, г/т Торий, г/т Уран, г/т Тории, г/т Уран, г/т Тории, г/т Уран, г/т Торий, г/т Уран, г/т Торий, г/т

1 ] 2 4 5 6 7 8 9 10 11

Суглинки в кровле пласта 22 6,4 2.9 4,4

Аргиллиты 4,2 6,1 4.4 6,1

Алевролиты 4,1 1,2 2,7 5,5 3,3 3,8 6,2 5,5 8,7 7,5

Песчаники 3,1 4,8 2,5 4,3 3,6 3.1 8 4,6 4,8 7,3

Гравелиты 3,2 4,3

Подтверждение выдвинутой гипотезы о способе накопления урана, дает возможность прогнозировать повышенные концентрации урана в углях на месторождениях Забайкалья до начала их исследования.

Второе защищаемое научное положение. Предложена методика радиационной оценки углей по сортам: потребительский, энергетический и комплексный на стадии ведения геологоразведочных работ, позволяющая оконтурить и подсчитать запасы по сортам, оптимизировать систему их добычи и подготовки к реализации.

Из пяти буроугольных месторождений Забайкалья, для экспериментальных и исследовательских работ выбрано Уртуйское, как наиболее характерное для месторождений с повышенным содержанием радиоактивных элементов и наиболее изученное не только на отдельных участках, но и по всей площади угольных пластов.

Содержание урана в угле, золе и шлаке угольных месторождений Забайкалья (Сидорова Г.П., 2010 г.)

Харэк^ское Уртуйское Кутинское Окино-Ключевское Тзтзурсеское

Месторождения

Методика исследований разработана, опробована и внедрена на Уртуйском буроугольном разрезе.

Уртуйское месторождение открыто в процессе проверки геофизической радиоактивной аномалии в начале семидесятых годов ГРП-98 Сосновского ПГО (Бавлов В.Н. и др., 1979 г).

При детальной разведке месторождения (1984-1985гг), ураноносные угли выделены в четыре крупные залежи с суммарными запасами 1060 тыс. тонн при среднем содержании урана 0,022 % (Шлейдер» В.А. и др., 1985 г.).

Дополнительной разведкой наряду с ураном в углях Уртуйского месторождения установлены в повышенных концентрациях другие радиоактивные элементы. Возникла необходимость радиационной характеристики углей, учитывающая и другие радиоактивные элементы, а так же изучение основных закономерностей распределения EPH в углях. Характерной особенностью углей Уртуйского месторождения являются весьма существенные изменения содержаний EPH (более чем в 100 раз), что обусловлено особенностями их накопления и перераспределения в процессе формирования месторождения.

По данным опробования керна, максимальной изменчивостью характеризуется уран, содержание которого в углях на смежных локальных участках различаются более чем в 100 раз (от < 0,0008 % до 0,1 %). На рисунке 4 показаны распределения урана и тория в пробах, где отчетливо выделяются два максимума в области содержаний 0,001- 0,002 % и 0,01- 0,02 %, что свидетельствует о двух процессах его накопления и переотложения. В основной массе бурого угля (около 80 % проб) содержания урана не превышают 0,005 % и в среднем составляют 0,0012 %. На фоне углей с низкими содержаниями урана резко выделяются угли обогащенные, тяготеющие к южной и западной частям месторождения.

">%;зо |

! 25

Рисунок 4 Распределение урана и тория в угля 17

Содержания урана в таких углях превышают 0,01 % (в среднем 0,01%), а в отдельных пробах отмечаются до 0,1 %, что связано с его привносом грунтовыми водами и осаждением на сорбционно-восстановительном барьере.

В соответствии с изменениями содержания урана в углях отмечается и закономерное изменение содержаний продуктов его распада. Выявлена зависимость между содержанием радия, тория и коэффициента радиоактивного равновесия (КРР), из которой видно, что КРР падает по мере возрастания содержания радия и тория (Рисунок 5).

167 135 63 38 51 30 24 42 21 11

Рисунок 5 График зависимости содержаний радия и тория от содержания урана в углях

Радиохимические анализы подтвердили обогащение уртуйских углей (по отношению к урану) не только радием-226, но и продуктами его распада (полонием-210, свинцом -210), а также торием-230 (Таблица 3).

Коэффициенты радиоактивного равновесия (Таблица 4), рассчитанные по данным таблицы 3, свидетельствуют о значительном выносе урана из энергетических углей (содержания урана менее 0,01%). В то же время для комплексных углей характерен некоторый избыток урана относительно продуктов его распада, что подтверждает наложенный характер уранового оруденения.

Таблица 3 - Содержание радионуклидов уранового ряда по данным радиохимического анализа

Классы содержаний. % Кол-во проб. Среднее содерж. (J. (%) Содержание радионуклидов, Кн/кг

ТЬ-230 Ra-226 Ро-210 РЬ-210

<0.001 II 0,0006 0,6 0,30 0,58 0,84

0,001-0.005 23 0,0030 0,65 1,72 1,35 2,24

0,005- 0,010 12 0,0061 2,97 3,36 1,74 4,03

>0,010 7 0,031 8,74 4,88 4,68 8.35

среднее 53 0,0069 2,23 2,21 1,72 3,16

Таблица 4 - Коэффициенты радиоактивного равновесия меазду ураном и продуктами его распада

Классы, содержаний урана в сортах угля, % Коэффициенты радиоактивного равновесия между ураном п продуктами его распада

Th-230 Ra-226 РЬ-210 PO- 210

Потребительский (менее 0,001) 3,00 1,5 4,19 2,9

Энергетический (0,001-0,01) 0,93 1.70 2,15 1,18

Комплексный (более 0,01) 0,85 0,47 0.81 0,96

По данным кернового опробования, содержания тория изменяются от 0,00067 % до 0,02 %, т.е. более чем в 30 раз. Угли с повышенными содержаниями тория тяготеют к юго-западному борту мульды, образуя залежи вытянутой (либо вдоль борта, либо вкрест ему) формы. Средние содержания тория в таких участках превышают 0,005 %, в отдельных случаях достигают 0 01 %. Участки пластов с повышенными содержаниями урана часто совпадают с участками, для которых характерны повышенные содержания тория. Расчет коэффициентов корреляции между ураном и торием, рассчитанный для различных участков месторождения и для различных сортов угля, свидетельствует об отсутствии такой связи. Это же подтверждается данными опробования по отдельным скважинам. Таким образом, несмотря на совмещение в пространстве участков с повышенными содержаниями урана и тория, связь между ними практически отсутствует, что объясняется различиями в их генезисе.

В отличие от урана и тория, содержание калия определено в меньшем количестве проб, что связано с незначительным вкладом калия-40 в суммарную активность углей. В зависимости от зольности содержание калия в углях меняется от 0,008 % до 2,5 %. Концентрируется

калий преимущественно в глинистых минералах. При максимальной зольности горной массы, допускаемой кондициями (35 %), содержание калия не превысит 2,5 %, т.е. активность К- 40 составит не более 1,7 пКи/г.

Угли месторождения характеризуются высокой изменчивостью содержаний естественных радионуклидов и, следовательно, различным вкладом в суммарную удельную активность.

Изменение суммарной удельной активности ЕРН в углях обусловлено в первую очередь изменением содержания урана. Доля тория в суммарной удельной активности возрастает до 30-50 %, в углях, характеризующихся невысокими содержаниями ЕРН, а калия-40 во всех случаях не превышает 2,7 %, в связи, с чем его вкладом в суммарную активность углей можно пренебречь. С учетом сдвига радиоактивного равновесия между ураном и продуктами его распада в сторону обогащения угля последними, при расчете суммарной удельной активности ЕРН в углях целесообразно пользоваться содержаниями радия.

Определение суммарной удельной активности ЕРН в углях месторождения возможно только с учетом содержаний урана естественного, радия-226 и тория-232 по формуле (п. 1.4 ОСП 72/87): (п. 1.4 ОСП 72/87): Ас = Аи(Ка) + 1,43ЛГ„ + 0,077АК-40

где А - удельные активности соответствующих радионуклидов в пКи/г, определяемые их содержанием в пробе и активностью 1 г изотопа.

Разработка временных кондиций для подсчета запасов углей с учетом фактора радиоактивности на стадии разведки выполнена в несколько этапов.

I этап. Для разделения угля по сортам радиоактивности определена степень негативного влияния продуктов сжигания угля на окружающую среду и биосферу в частности. Поскольку в существующих справочных изданиях, методиках расчета рассеяния ЕРН указаны отличающиеся друг от друга нормативы и приемы расчета, разработана методика, основанная на оценке рассеяния золы от источника ТЭЦ с использованием допустимых концентраций ЕРН для лиц категории Б (ДКб) по «Нормам радиационной безопасности» (НРБ -76/87-99/09) при условии поступления ЕРН только ингаляционным путем. Категория Б - ограниченная часть населения, непосредственно не работающая с источниками ионизирующих излучений, но по условиям проживания или размещения рабочих мест может подвергаться воздействию радиоактивных веществ и других источников ионизирующих излучений, применяемых в учреждении и (или) удаляемых в окружающую среду.

Порядок расчета включает: расчет радионуклидного состава золы, выбрасываемой дымовыми трубами ТЭЦ (определяется радиохимическим анализом проб золы, отбираемой при сжигании углей различного типа) до оценки содержания ЕРН в пластах угля. Временными

кондициями угли по содержанию урана разделены на сорта: 1 сорт - потребительские - 0,0 -0,001%; 2 сорт-энергетические - 0,001 -0,01%; 3 сорт - комплексные - более 0,01% ( протокол № 109 от 05.06.1989 г. и подписанный главным санитарным врачом СЭС г. Крас-нокаменска и Краснокаменского района).

II этап. Выполнен совместно с ВНИПИпромтехнологии и Институтом биофизики. Критериями подхода к решению задач являлись требования норм радиационной безопасности о максимальной дозе облучения населения (1 мЗв в год) и активности золошлаковых отходов, которые могут использоваться в строительстве в населенных пунктах (не более 370 Бк/кг).

Исследования показали, что радиоактивность углей имеет зональный характер и приурочена только к верхним частям пластов. Обоснована применяемость этих углей по суммарной удельной активности (Аэфф). В расчетах учтены условия сжигания углей и рассеяния EPH, закономерности поступления радиоактивных веществ по ингаляционной и пищевой цепочкам в организм животных и человека, использованы формулы для определения дозы облучения человека, активности золошлаковых отходов и предельных норм выбросов радиоактивных веществ в зависимости от содержания EPH в углях. Результаты исследований положительно оценены Институтом биофизики, НИИ радиационной гигиены и Федерального Управления медико-биологических проблем при Минздраве РФ и явились основой для разработки системы контроля качества угля по радиационному фактору.

III этап. Обоснована технология расчета кондиций оценки запасов угля по радиационному фактору. Нормативными документами для этого явились: «Нормы радиационной безопасности)» (НРБ-76/87), «Временные методические указания по радиационно - гигиенической оценке полезных ископаемых при производстве геологоразведочных работ на месторождениях строительных материалов» и «Временные критерии для принятия решений и организации контроля». Целесообразной является оценка радиологических свойств угля по суммарной удельной активности Ас, определяемой из соотношения (для равновесиях руд):

где Ас — суммарная удельная активность, мкР/ч;

Си,. ,Сть С„ - содержание радия-226, тория-232, калия- 40, %;

Ац,, Ар,, Ак-ю - активность 1 грамма радия, тория и калия-40, Ки

Статистические закономерности между параметрами Сяа>,Сть, Ск, Си и расчетной интенсивностью гамма-излучения уо), определены по результатам анализов шламовых проб шне-кового бурения с выходом шлама 100% .

Расчетная интенсивность гамма-излучения в заданной точке определяется для условий 4-П геометрии (круговой), исходя из выражения:

лс = 1.43

с юоч

100е;:

(1)

= О (2)

где; }а - интенсивность гамма-излучения в точке расчета, мкР/ч;

.1,, - измеренная интенсивность гамма-излучения в расчетной точке (К= 0) и соседних точках,

отстоящих на расстоянии КЛ, где й - шаг каротажа; пб, п0- поправочные коэффициента на поглощение гамма-излучения промывочной жидкостью

и обсадными трубами; V/ - влажность,%;

Вк - коэффициенты "скважинных" условий;

Ъп - расстояние от датчика прибора до первой точки замера, м.

Данный подход обеспечивает наибольшую точность при оценке средней суммарной удельной активности в целом по объекту (блок, горизонт, месторождение, сорт) со снижением общей дисперсии определяемого параметра за счет увеличения представительности опробования (контроля объема и массы при измерении).

В соответствии с «Протоколом определения временных кондиций по содержанию урана для Уртуйского угля» установлены следующие сорта угля: потребительский, энергетический, комплексный со следующими граничными значениями параметров С„ (%), Ас пКи/г, .Го мкР/ч (Таблица 5). Интенсивность гамма-излучения соответствует условиям 4-П геометрии. С учетом проведенных исследований определены граничные значения параметров для каждого сорта угля, на основании которых разработана классификация разделения общей массы угля по сортам с учетом граничных параметров:

Классификация разделения общей массы угля по сортам с учетом радиационных параметров

Уголь месторождения (по сортам)

Потребительский

Энергетический

О >; я щ

< 0,001

< 20,03

< 3

Комплексный

< 0,01!- > 0,01

<46,85 ------ >46,85

«74 - > 74

Представленная классификация может быть использована для сортировки углей по радиационным параметрам в подготовленных к отработке блоках для их селективной выемки, в забоях экскаваторов, на штабелях угольного склада, в автомашинах с углем и в пробах угля с использованием сортировочной аппаратуры и приборов. Что позволяет оперативно управлять радиационным качеством потока добычи, подготовкой шихты и формированием партий угля необходимого качества для отгрузки потребителям.

Для обоснования сети разведочно-эксплуатационной разведки необходимо учитывать ошибки геометризации запасов категории В (20 - 35 %). Наиболее приемлемой для опережающей эксплуатационной разведки является сеть 50 х 15 м, в местах со сложной морфологией рудного тела, разломов, расстояние между профилями сокращается вдвое (Таблица 5).

Результаты проведенных расчетов представлены в таблице 5. Таблица 5 - Результаты расчетов ошибки геометризации при различной плотности сети

В разрезе В плане

расстояние между скважинами, м ошибка геометризации, % расстояние между разведочными линиями, м ошибка геометризации, %

10 14-20 50 12-20

15 17-35 150 15-27

20 29^14 200 25-50

Третье защищаемое научное положение. Обоснована методика секционно-погоризонтного картирования запасов, обобщения и обработки информации по содержанию естественных радионуклидов для эффективного управления качеством углей и выбора оптимальных вариантов выемки га по сортам.

Зараженность угольной массы ураном на ряде участков месторождения предопределяет необходимость рассмотрения допустимых условий сжигания углей на ТЭЦ и расчета объемов утилизации (захоронения) части комплексных углей.

Основным нормативным параметром, определяющим возможность сжигания угольной массы, является величина предельно-допустимого выброса урана, которая для Краснокамен-ской ТЭЦ утверждена в размере 3,1 т/год.

Это потребовало определения запасов урана в контуре разреза и общего количества угольной массы с повышенным содержанием урана, за счет которых может регулироваться количество урана в угле при годовом режиме усреднения. Распределение эксплуатационных запасов угольной массы по сортам выполнено на основании статистической обработки

угольных интервалов скважин, опробованных на уран и использованных для подсчета среднего содержания урана.

Критерием сортности является среднее содержание урана по угольному интервалу в пределах горизонтов (высота уступа 12 м), что в дальнейшем послужило основанием для составления погоризонтных карт качества по радиационным параметрам.

Количество запасов горной массы с распределением по уступам (горизонтам) приведено на рисунке бив таблице 6 .

Диаграмма распределения запасов горной массы по сортам

е Комплексный Е Энергетический Потребительский

Рисунок 6 Диаграмма распределения запасов горной массы Уртуйского месторождения по сортам

Система управления радиационным качеством углей на технологических этапах включает два основных направления:

- управление качеством угля на стадии планирования с помощью секционно-погоризонтных карт качества;

- оперативное управление радиационным качеством угля при отработке месторождения, подготовке партий товарной продукции и решении задачи его радиационной безопасности.

В основу погоризонтных карт качества положена методика подсчета запасов угольной массы и содержания радиоактивных компонентов по угольному интервалу скважин в пределах горизонтов (см. выше). Анализ материалов геологоразведочных и исследовательских работ позволяет прогнозировать качество товарного угля в пластах, блоках, на горизонтах и участках отработки.

Таблица 6 - Распределение запасов горной массы по сортам в зависимости от содержания урана по эксплуатационным уступам

Отметки уступов, м Запасы гор. массы, тыс. т Сорт угля

комплексный энергетический потребительский

тыс. т, % тыс. т % тыс. т %

610-600 1210 31 2,6 508 42,0 671 55,4

600-588 4000 468 11,7 2284 57,1 1248 31,2

588-576 8134 1155 14,2 5987 73,6 992 12,2

576-564 8603 714 8,3 7424 86,3 465 5,4

564-552 8653 208 2,4 7355 85,0 1090 12,6

552-540 9746 205 2.1 6851 70,3 2690 27,6

540-524 12534 464 3,7 7207 57,5 4863 38,8

524-508 10363 352 3,4 5202 50,2 4809 46,4

508—492 6209 - - 2924 47,1 3285 52,9

492—476 1963 - - 799 40,7 1164 59,3

476^160 123 - - 32 25,9 91 74,1

Всего: 71583 3597 5 % 46573 65 % 21368 30%

Погоризонтные карты качества угля - это графические изображения (планы) горизонтов отработки, запасы угля оконтурены и подсчитаны по данным детальной и дополнительной разведок. Основой для построения карт является совмещенный план распределения ЕРН, который в виде изогипс отражает содержания урана, радия и тория.

Совмещенный план естественных радионуклидов (ЕРН) строится по равномерной сетке, равной расстоянию между разведочными линиями. В каждом секторе сетки по изолиниям рассчитано среднее содержание урана, радия и тория, среднее содержание указанных элементов оценивается ориентировочно.

На первоначальном этапе разработки месторождения совмещенный план по содержанию ЕРН использовался для определения границ, площадей комплексных углей по пласту М и выбора направления горных работ (Рисунок 7).

Границы подсчетных блоков отстроены по геологическим разрезам, для чего площадь пласта и горизонта продольными и поперечными разведочными линиями по сети 125x50 м разделена на сектора. Такая система позволяет набрать оптимальное количество расчетных данных и, одновременно, является площадью сектора с высотой, равной мощности горизонта (уступа) -12 м.

Для каждого сектора рассчитывается объем угля и усредненные качественные показатели, совмещенные с планом горизонта, блокировкой и сетью разведочных линий (секторов) в масштабе 1:5000 и прилагается таблица качества угля по секторам.

Расчеты производятся в режиме усреднения качества, методом решения линейной задачи о смеси, которая применяется в горном деле.

Рисунок 7 Совмещенный план содержаний ЕРН в угле по пласту М По картам рассчитываются качественные показатели угля для планирования добычных работ, проводится выбор оптимального варианта направления работ, расстановка горного оборудования, прогноз показателей качества на долгосрочный период.

Для отработки запасов с учетом избирательной и селективной выемки углей по сортам выбран автомобильный вариант вскрытия, который позволяет управлять транспортным потоком углей и формировать партии готовой продукции необходимого качества.

Наиболее неблагоприятными по степени зараженности являются угли в пределах детально-разведанных площадей, планируемые для отработки с применением «избирательной выемки» (Рисунок 8). В данной ситуации «избирательно» выбираются участки, оказывающие «негативное влияние» на радиационное качество углей, которая в дальнейшем будет отрабатываться селективным и валовым способами.

При селективной выемке используются те же системы разработки, что и при совместной валовой выемке (Рисунок 9). Отличие состоит в разделении грузопотоков разных сортов угля, изменении очерёдности отработки отдельных участков пласта М из-за необходимости стабилизации качества каждого сорта. При этом выбирается вариант последовательной отра-

ботки по сортам с сортировкой угля на опытном пункте управления качеством углей (ОПУКУ) и с подготовкой шихты на штабелях угольного склада.

Избирательная выемка

Блоки

Рисунок 8 Схема избирательной выемки комплексного угля Такой вариант отработки разных сортов угля приемлем при разработке месторождений любой мощности с различными углами падения при условии выдержанности распространения отдельных сортов углей по простиранию и падению. Смешивание сортов производится не в очистном забое, а на угольном складе, что позволяет исключить обособленную погрузку различных типов углей в одном забое и значительно сократить время погрузки.

Рисунок 9 Схема селективной выемки углей по сортам

Валовый способ выемки углей на нижних горизонтах позволит повысить производительность погрузочного оборудования и снизить затраты на горные работы по сравнению с селективной выемкой на 15-30 %. Целесообразность селективной выемки или валовой разработки определяется по критерию суммарных затрат на единицу запасов и с учетом сортности углей по радиационным параметрам.

Общая схема отработки угля по радиационным параметрам с применением секционно-погоризонтных карт качества выглядит следующим образом:

Схема отработки угля с учетом его радиационнного качества

Примечание:* - Ш-3 и Ш-4 сторонним потребителям

При добыче Сорт комплексный - угли непригодные для энергетических целей (содержание урана, % - > 0,01; суммарная удельная активность, пКи/г - < 46,85; расчетная удельная гамма-активность, мКр/ч - > 74) складируются в специальные отвалы для их длительного хранения.

При проектировании отвалов комплексных углей необходимо учитывать следующие факторы: рельеф местности, обводненность участка, количество осадков, возможность образо-

вания ливневых и паводковых вод, расстояние транспортирования радиоактивных углей.

При формировании отвала до его полного объема предусматривается последовательная изоляция каждой его части, покрытие поверхности отвала синтетическими полимерными пенообразователями, которые предотвращают попадание внутрь отвала влаги и пыление отвала (Рисунок 10).

Проект привязки к формирования отвала комплексного угля. Разрезы.

1:500

Рисунок 10 Отвал комплексного угля (разрез) Потери угля при добыче - часть балансовых запасов, безвозвратно оставленная в недрах, и уголь, попавший в породные отвалы вместе с вмещающими породами.

При детальном исследовании выделенных к захоронению блоков определены участки для избирательной выемки верхних частей залежей, что позволило часть углей перевести в энергетический сорт и сократить количество потерь.

Применение методики планирования добычи углей с использованием погоризонтного картирования позволило сократить потери при добыче углей с повышенным содержанием радиоактивных элементов (Таблица 7).

Общие запланированные потери угля по месторождению составили 2,6 %, фактические (01.01.10 г) - 2,0 %, что характеризует эффективность планирования и отработки углей по сортам с применением погоризонтного картирования запасов угля по радиационному качеству.

Таблица 7- Распределение потерь в угольной массе с повышенным содержанием радиоактивных элементов (на 01.01.10 г.)

Блоки Геологич.запасы Потерн угольн. массы, % Эксплуатац. запасы Потери угольн. массы, % Угольн. масса в эксплуатац. запасах, тыс. т

Угольн. масса, тыс. т Уран, % Кол-во урана, т Угольн. масса, тыс. т Уран, % Кол-во урана, т

ПЛАНОВЫЕ ФАКТИЧЕСКИЕ

11-С1 1470.3 0.0035 51.5 2 1441 0.0035 50.4 1,9 1442,4

2-А 2181.8 0.0012 26.2 2 2138 0.0012 25.7 1,9 2140,3

3-А 17658.5 0.0027 476.8 2 17305 0.0027 467.3 1,86 17330,1

б-В 5261.6 0.0014 73.7 2 5156 0.0014 72.2 1.9 5161,6

7-В 7008.9 0.001 70.1 2 6869 0.001 65.8 1,9 6875,1

10-В 2179.9 0.0015 32.7 2 2136 0.0015 32 1,9 2138,5

12-С1 9402.1 0.0063 592.3 4.5 8980 0.0063 565.7 2,5 9167

13-С1 10861 0.0018 195.5 2 10643 0.0018 184.2 1,85 10660,1

14-С1 1110.7 0.0017 1088 2 1088 0.0017 18.5 1,9 1089,6

19-С1 6904.8 0.0036 248.6 2 6766 0.0036 243.6 1,9 6773,6

21-С2 272.9 0.0025 6.8 2 267 0.0025 6.7 1,9 267,7

27-С1 911.8 0.007 63.8 7.2 845 0.007 59.1 4,3 872,6

28-С2 219.1 0.0059 12.9 7.3 203 0.0059 23.6 4,5 209,2

31-С1 5846.1 0.0031 181.2 2.9 5676 0.0031 175.9 2,1 5723,3

32-В 248.2 0.0012 3.0 2.9 241 0.0012 2.9 2,3 242,5

итого 71537.6 0.003 2110 2.5 69754 0.0029 1993.6 2,0 70094,2

Четвертое защищаемое положение. Разработана комплексная технология оперативного управления качеством углей содержащих естественные радионуклиды при добыче, формировании грузопотоков, отгрузке потребителям, обеспечивающая оптимизацию технологических процессов и радиационную безопасность обращения углей.

Управление качеством углей - это технологический процесс, тесно связанный с этапами разработки месторождения.

Для управления качеством в процессе добычи угля необходимы средства оперативного определения его показателей. Основные требования к приборным методам определения показателей качества угля - оперативность, относительно низкая погрешность и надежность.

Приборы для измерения показателей качества в технологическом потоке топлива исключают отбор и подготовку проб и погрешности проведения этих операций.

Система оперативного управления качеством угля по радиационному фактору - это приборный вид управления, разработанный в результате опытных работ и базируется на понятии удельная эффективная активность (Аэфф, Бк/кг), принятом из практики радиационной оцен-

ки материалов, используемых в строительстве (в том числе шлак и зола).

Основная задача системы управления радиационным качеством угля - обеспечить представительное, экспрессное определение удельной эффективной активности, с достаточной для радиоэкологических требований точностью единичного измерения.

Схема технологии отработки углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов (ЕРН), включает несколько этапов, каждому из которых соответствует определенный способ управления радиационным качеством углей:

Способы выемки

ССЛСКТИВНЫИ

нюирательиын селективным

Сортировка угля по радиационным параметрам наОПУКУ

огвал комплексного угля

Ц_

угольным склад

ь 5 о П.

— о

1 1 1

для ТЭЦ сторонним потребителям

Функционально система оперативного управления радиационным качеством угля работает следующим образом;

На этапах разведки:

1. Интегральный гамма-каротаж выполняется в скважинах колонкового и шнекового бурения с использованием стандартной аппаратуры («Прометей-Р-1Н» и др.) и каротажных станций (СКС-2АУ-01 и др.) в комплексе с кавернометрией.

2. Результаты гамма-каротажа используются для составления проектов развития разреза, перспективного и текущего планирования добычи угля по сортам, составления секционно-

погоризонтных карт качества.

На технологических этапах:

1. Интегральное гамма-опробование угля на месте залегания и в отбитой массе проводится с целью оперативного определения радиационных параметров, подготовленных к отработке блоков угля, штабелей промежуточного склада и подготовленных к отгрузке партий угля. Опробование производится радиометром направленного приема (ПРН-4-01М и др.).

2. Гамма-экспресс анализ углей - это оперативный метод управления и сортировка текущей добычи, (приборное опробование проходит каждый автосамосвал с углем). Выполняется на радиометрической контрольной станции (ОПУКУ), оборудованной аппаратурой «Алмаз», также модернизированной, с целью повышения чувствительности к гамма-излучению.

3. Лабораторный гамма-спектрометрический анализ проб угля на содержание естественных радионуклидов: Уран-238, Торий-232, Радий-226, Калий-40; внешний лабораторный контроль проб. Выполняется в Центральной научно-исследовательской лаборатории (ЦНИИ ОАО «ППГХО»),

Методика проведения радиационного контроля и управления качеством угля на технологических этапах разработки месторождения включает:

1. Гамма-опробования (ГО) углей в естественном залегании и в штабелях прибором рудничным направленного приема (ПРН 4-01-01М). Модернизированный вариант - повышения чувствительность и использование в одноканальном варианте измерений (увеличение чувствительности прибора к гамма-излучению в 10 раз и отключение от измерительной схемы компенсационного канала). Модернизация прибора является разовой операцией и производится при вводе прибора в работу.

Методика и техника гамма-опробования предусматривает разбивку профилей на участках опробования с шагом в 1 м, привязку профилей (горизонт, блок, сектор, репера и т.д.). Замеры прибором ведутся в точках опробования, записи производятся в специальном журнале с указанием характерных особенностей (тектонические нарушения, зоны окисления, изменение структуры угля и т.д.).

Оценка воспроизводимости наблюдений осуществляется путем сопоставления основного и контрольного опробования за прошедший месяц и расчета величины среднего квадратичного относительного расхождения:

п - количество точек наблюдений.

Результаты отдельных определений С'о и С'к не должны отличаться более чем на 10 %, а погрешность измерений при п >20 не должна превышать 20 %.

Результаты гамма-опробования признаются достоверными в случае расхождения с результатами геологического опробования менее 10 %. В противном случае принимаются меры к выявлению и устранению причин расхождения.

Обработка результатов гамма-опробования заключается в пересчете показаний прибора, выраженных в делениях шкалы, в значения интенсивности, выраженное в мкР/ч, в расчете средней интенсивности по профилю (штабелю):

1 = Ь±Ь±чА

п 4 '

где I средняя интенсивность по профилю (штабелю), мкР/ч;

К ~ интенсивность в точках наблюдений, мкР/ч;

п — Количество точек наблюдений.

Расчет содержаний урана (Си) по интегральной гамма-активности проводится по выведенному для углей, уравнению регрессии, на основании определения пересчетных коэффициентов, которые определены экспериментально: А _ сПа+^Т11

Си ~ ~ , (5)

КРР

где СКа - содержание радия, %;

N■0, - поправка на влияние тория;

Крр- коэффициент радиоактивного равновесия.

Поправка на калий не учитывается из-за незначительности его вклада.

Оценка достоверности гамма-опробования осуществляется на основании специальных опытно-методических работ. Для текущего контроля достоверности гамма-опробования используются результаты анализов суточных проб на уран, радий, коэффициент радиоактивного равновесия.

2. Гамма-экспресс анализ угля в автосамосвалах (ГЭА) — это оперативный метод управления и сортировка текущей добычи (приборное опробование проходит каждый автосамосвал с углем) по радиационным параметрам (Патент№ 2498348 от 10.11.2013г). Выполняется на «Опытном пункте управления качеством угля» (ОПУКУ), оборудованном аппаратурой «Алмаз» по разработанной для углей методике. Аппаратура для гамма-экспресс анализа (ГЭА) «Алмаз» имеет 100 % резерв измерительного канала и работает в круглосуточном режиме, радиометрические узлы герметичны, имеют защиту от фонового излучения и коллиматоры, обеспечивающие измерение емкостей различных форм и размеров.

Минимальная определяемая эффективная удельная активность в транспортной емкости со-

ставляет порядка 20 Бк/кг.

Предложенная методика гамма-экспресс анализа угля в автосамосвалах состоит из:

- определения эксплуатационных характеристик радиометрической станции на ОПУКУ, которые включают экспериментальный выбор геометрии измерения, определение величины натурального фона, определение погрешностей измерения, определение величины нулевого фона, определение пересчетных коэффициентов;

- модернизации и настройки аппаратуры;

- схемы замера и сортировки автосамосвалов с углем;

- обработки результатов измерений, которая заключается в определении содержаний урана в угле с естественной влажностью. Расчет производится по формуле, выведенной нами экспериментально:

£ _ £ л^п _ IV-nax t (6)

ñ 7.2 10~6 LÓD ICO Ус

где ]Г J имп — сумма импульсов по всем автосамосвалам;

п — количество автосамосвалов;

Wmax- максимальная влагоемкость угля в %;

7,2x10"6 - пересчетный коэффициент, определенный в результате опытно-методических работ методом расчета:

С4 = 7.2 10"6 • (7)

где Cud - содержание урана в сухом топливе; NiT - аналитический параметр ОПУКУ.

Расчет граничной интенсивности гамма - излучения для потребительского сорта угля производится для максимально допустимой дозы облучения населения от использования угля в быту равной 1 мЗв / год определен для: Установка Nsl №d (1)п = 364 гшп/10 сек; Установка N°2 - Ned (2)п = 407 имп/10 сек.

Для исключения потерь части энергетического сорта угля за счет погрешности измерения интегральной интенсивности на ОРУКУ, граничное значение интенсивности гамма-излучения выбирается как сумма порогового значения и доверительной вероятности: Установка №1 Д№г (1)э = 2224 имп/10 сек; Установка№2 ДЫгг (2)э = 1389 + 756 = 2145 имп/10 сек.

Поскольку граничные значения интенсивности гамма-излучения близки между собой (доверительные интервалы перекрываются), устанавливается одно значение граничной интенсивности для обеих установок радиометрической станции: ДЫг'э = 2220 имп/10 сек.

Рабочая формула для оперативной оценки содержания урана (%) в энергетическом сорте угля также одна для обеих установок:

Сил = 1,2\ 10"6х Д№г, % (8)

Применение полученной геометрии измерений автосамосвалов с углем для аппаратуры «Алмаз» обеспечивает объемную представительность опробования, а выведенные экспериментально рабочие характеристики радиометрической станции позволяют с высокой степенью точности производить сортировку углей по радиационным параметрам, что позволяет вести подготовку шихты для отгрузки потребителям заданного качества (Рисунок 11).

Результаты высокой эффективности работы аппаратуры подтверждаются внешним контролем проб угля, который проходит 10 % товарно-расчетных проб.

С целью уменьшения влияния температуры на результаты измерения все радиометрические узлы помещены в термостаты.

Рисунок 11 Схема геометрии измерения па радиометрической станции (ОПУКУ)

Все угли месторождения при оценке запасов по радиационным параметрам после дополнительной разведки разделены на три сорта:

1. Сорт потребительский - угли для бытовых целей, могут использоваться для сжигания в печах и котельных, не оборудованных специальными средствами улавливания золы-унос:

- содержание урана, % - < 0,001;

- суммарная удельная активность, пКи/ г - < 20,03;

- расчетная удельная гамма-активность, мкР/ч - < 3;

- эффективная активность, Бк/кг < 123.

2. Сорт энергетический - для сжигания в печах, оборудованных средствами улавливания золы-унос:

- содержание урана, % - < 0,01;

- суммарная удельная активность, пКи/г - < 46,95;

- расчетная удельная гамма-активность, мкР/ч - < 74;

- эффективная активность, Бк/кг < 1230.

3. Сорт комплексный - угли непригодные для энергетических целей:

- содержание урана, % - > 0,01;

- суммарная удельная активность, пКи/г - < 46,85;

- расчетная удельная гамма-активность, мкР/ч - > 74;

- эффективная активность, Бк/кг > 1230.

При добыче угля, на склад готовой продукции поставляются угли 1 и 2 сорта, где они складируются в отдельные угольные штабели. Угли сорта № 1 продаются населению и частным организациям для сжигания в печах и котельных, угли 2 сорта продаются для сжигания на тепловых станциях: ТЭЦ, ГРЭС, ТЭС.

Схема формирования шихты угля по радиационным параметрам показана на рисунке 12. Угли 3 сорта, содержащие повышенные концентрации радиоактивных элементов, складируются в специальные отвалы для их длительного хранения, до решения об их утилизации Все методики управления радиационным качеством углей, применяемые на Уртуй-ском буроугольном разрезе, разработаны и опробованы на углях впервые.

Точки гамма-опробования

гл л

//ТфТГг

ТЕГШЗ'

Способ подготовки шихты

/-Точки горстевого опро

у_° ^ о V

1 ■ 'I УгД^ЦбфльсЦе; 1 | 1 1 111 ^л;

Рис. Схема

Формирования шихты угля по радиационно-гигиенеческим параметрам штабеля № 3

...........,)п/п, где

,1-средняя интенсивность по штабелю, мкр/чзс

•И. иг..........Jn - интенсивность в точках наблюдений, мкр/час

л - количество точек наблюдений П - потребительский сорт углей Э - энергетический сорт углей

Рисунок 12 Формирование шихты угля на штабелях по радиационным параметрам

Эколого-экономический эффект системы управления качеством угля по радиационным параметрам

Экономическая оценка ущерба от загрязнения окружающей природной среды предполагает денежную оценку негативных изменений в широком спектре последствий: ухудшение здоровья человека, изменения климата и т.д.

Технологии, существующие в уранодобывающей промышленности, обычно гарантируют отсутствие существенного загрязнения водных и воздушных бассейнов, поэтому денежной оценки не имеют. Отсутствие нормативных документов по регламенту радиационной безопасности в угольной промышленности так же эту оценку исключают, и не позволяет выполнить оценку экономической эффективности горно-экологических мероприятий при отработке и ис-

пользовании углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов (ЕРН) по принятой методике.

Поэтому экологическая эффективность от использования системы управления радиационным качеством углей приведена по статистическим данным результатов сжигания угля за период 1989-2010 гг.:

1. Потребительские или бытовые - допустимое содержание условного урана - 0,001% или менее 123 Бк/кг (в среднем по месторождению - 100 Бк/кг). Угли этого сорта можно продавать населению и сторонним потребителям, а так же сжигать на ТЭС, как в смеси, так и без нее.

Статистические данные за период 1989 -2010 год показывают, что его эффективная активность составляет в среднем 77,5 Бк/кг, что соответствует I классу материалов по СанПиН 2.6.1.2523-09.

2. Энергетические угли - допустимое содержание условного урана от 0,001 до 0,01% или от < 123 до 1230 Бк/кг (в среднем по месторождению - 370 Бк/кг). Характеризуются повышенными концентрациями радионуклидов. Используются только на ТЭЦ г. Краснока-менска, где производится организационный сбор, удаление и хранение отходов. Статистические данные за период 1989 -2010 год показывают, что его эффективная активность составляет в среднем: в угле - 185 Бк/кг, что соответствует 1 классу материалов по СанПиН 2.6.1.2523-09; в золе -1602 Бк/кг - что соответствует 3 классу материалов и имеет ограниченное использование; в шлаке - 1025 Бк/кг, соответствует 2 классу материалов.

3. Комплексные угли - содержащие уран в количествах превышающих 0,01% или более 1230 Бк/кг. Этот уголь подлежит захоронению в специальных отвалах.

В диссертации даны рекомендации по допустимой дозе облучения населения от выброса естественных радиоактивных веществ при сжигании углей.

Экономический эффект рассчитан по условиям сортировки угля и сокращению количества лабораторных анализов, подтвержден Актами внедрения № 27-05/248 от 23.03.2007 г.; № 100-27-01/560 от 14 июня 2012 г и составляет - 28,32 млн. рублей в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение актуальной научно - технической проблемы: разработка эффективной технологии добычи бурых углей и управления их качеством с учетом наиболее полного использования полезного ископаемого, за счет сокращения потерь и снижения негативного влияния на окружающую среду радионуклидов, содержащихся в этих углях.

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении исследований, заключаются в следующем, впервые:

1. Предложен комплексный подход к проблеме разработки угольных месторождений с повышенным содержанием естественных радионуклидов, через систему управления качеством этих углей по радиационным параметрам, поэтапно: от прогноза содержаний радионуклидов в угле до подготовки партий угля для сжигания.

2. Разработана и обоснована комплексная методика оперативного управления качеством углей по радиационным параметрам при добыче, формировании грузопотоков, подготовке партий угля, обеспечивающая радиационную безопасность угольной продукции.

3. Оценены радиационные характеристики бурых углей Забайкалья и установлен механизм накопления в них радиоактивных элементов, позволяющих делать прогноз наличия в угле радиоактивных элементов и выделять месторождения угля с их повышенным содержанием.

4. Разработана методика оценки радиационного качества углей на стадии геологоразведочных работ, позволяющая разделить запасы угля на технологические сорта с целью избирательности их выемки в соответствии с сортами и наиболее полного использования углей как энергетического сырья.

5. Разработаны методические основы управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов по технологической схеме: от проектирования добычи до формирования партий угля заданного качества.

6. Предложена методика секционно-погоризонтного картирования запасов, при открытой разработке сложноструктурных угольных месторождений, позволяющая эффективно управлять процессом добычи и транспортировки углей с учетом их качественных показателей.

7. Разработано методическое руководство по составлению секционно-погоризонтных карт качества углей, которое позволяют управлять радиационным качеством углей при планировании добычи и обеспечить их радиационную безопасность.

8. Предложены эффективные способы оперативного управления качеством углей с целью полноты извлечения их из недр, минимизации загрязнения окружающей среды при добыче, транспортировке и хранении углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов.

9. Разработана и внедрена в практику работы ОАО «ППГХО» технология формирования и хранения штабелей радиоактивного угля.

10. Создано методическое и программное обеспечение комплекса оперативного управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов, базирую-

щиеся на понятии суммарная удельная активность А,фф., которые могут быть использованы для разработки нормативных документов, регламентирующих использование углей с повышенным содержанием радиоактивных элементов на любом месторождении.

11. Разработанная с непосредственным участием автора система контроля над обращением углей с повышенным содержанием радиоактивных элементов может быть внедрена при разработке и сжигании бурых углей любого месторождения.

12. Результаты исследований автора внедрены в практику ОАО «ППГХО» и используются при эксплуатации Уртуйского буроугольного месторождения.

В результате внедрения разработанных технологий и методик в практику работы ОАО «ППГХО» получен экономический эффект в размере 28.4 млн. руб. / год.

Публикации по теме диссертации

в изданиях рекомендованных ВАК

1. Сидорова Г. П. Радиационно — гигиенический контроль качества угля на Уртуйском буро-угольном разрезе /Г.П. Сидорова//ГИАБNe 2,-2006.-С.37-41

2. Сидорова Г. П.Оценка низшей теплоты сгорания по известным значениям влажности и зольности/ Г.П.Сидорова, P.A. Суханов// ГИАБ № 4. -2006. - С.66-70

3.Сидорова Г.П. Определение зольности углей Уртуйского месторождения методом рент-генорадиометрического опробования /Г.П.Сидорова//Вестник ЧитГУ№ 3. - 2006. - С.59-63

4.Сидорова Г.П. Оперативное определение низшей теплоты сгоранияугля по известным значениям зольности и влажности / Г.П. Сидорова, Р.А.Суханов // Вестник ЧитГУ № 3,-2006.-С.55-59

5. Сидорова Г.П. Методы оперативного контроля качества угля на Уртуйском буроуголь-ном разрезе / Г.П.Сидорова// ГИАБ № 12. - 2006. - С. 141-146

6. Сидорова Г.П. Расчет низшей теплоты сгорания угля по известным значениям рабочей влажности и рабочей зольности/ Г.П.Сидорова, P.A. Суханов// Уголь № 7,- 2007.- С. 75-77

7. Сидорова Г.П. Характеристики качества бурого угля Уртуйского месторождения/ Г.П.Сидорова // Вестник ЧитГУ № 4 .- 2007,-С.21-26.

8.Сидорова Г.П. К вопросу о радиоактивности углей / Г.П.Сидорова// Вестник ЧитГУ № 4,-2008.-С. 129-133

9. Сидорова Г.П. Проблемы использования углей с повышенной радиоактивностью/Г.П. Сидорова //Горный журнал № 2. - 2009. - С. 67-69

Ю.Сидорова Г.П. Проблемы контроля радиационно-гигиенического качества углей / Г.П.Сидорова// ГИАБ № 5,-2011 - С. 118-123

11. Сидорова Г.П. Качество бурых углей Восточного Забайкалья /Г.П.Сидорова//Горный э/сурнал №5- 2010. - С.39-41.

12. Сидорова Г.П. Качество углей Окино-Ключевского буроугольного месторождения/Г.П. Сидорова, A.A. Чуркин//ВестникЧитГУ№ 8. - 2011. - С. 104-108

13. Сидорова Г.П. Радиационно-гигиеническое качество углей Уртуйского месторождения: экологические проблемы и методы их решения/Г.П. Сидорова //Горный о/сурнал № 8 -2012,- С. 24-26

14. Сидорова Г. П.Добыча углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов / Г.П.Сидорова //Промышленность Казахстана № 1 -2012,- С. 60-61

15. Сидорова Г.П. Естественные радионуклиды в углях и в золе угольных электростанций / Д.А.Крылов, Г.П.Сидорова, В.А.Овсейчук// Уголь № 9 -2012,-С.. 96-97

16.Сидорова Г.П. Радиационные выбросы от угольных ТЭС/В.А.Овсейчук, Д.А.Крылов, Г.П.Сидорова//Вестник ЗабГУ № 10,-2012,-С.24 -29

17. Сидорова Г.П. Радиоактивность углей и золошлаковых отходов угольных электростанций./ Крылов Д.А., Сидорова Г.П.//Атомная энергия,-Т. 114. вып.1. -2013 г. С. 44-47

18. Сидорова Г.П. Радиоактивные элементы в угле и в золе ТЭС. /Крылов Д.А., Сидорова Г.П.// Теплоэнергетика. №4.-2013. С. 1-5

19. Сидорова Г.П. Экологические проблемы энергетики, связанные с радиоактивностьюуг-лей / Крылов ДА., Сидорова Г.П.// Энергия: экономика, техника, экология. №4,- 2013. С. 9-15

20. Сидорова Г.П. Радиоактивность углей и продуктов их сжигания / Крылов Д.А., Сидорова Г.П.//Атомная стратегия XXI. № 76. Март 2013. С. 11-13

21. Сидорова Г.П. Проблемы угольной энергетики, связанные с радиоактивностью углей /

B.А.Овсейчук, Д.А.Крылов, Г.П.Сидорова//Вестник ЗабГУ№8,- 2013,-С.38-45

22. Сидорова Г.П. Мониторинг состояния окружающей среды в районе Краснокаменской ТЭЦ / В.А.Овсейчук, Г.П.Сидорова, Е.А.Мамаш// Вестник ЗабГУ Neil- 2013,-С.28-36

23. Сидорова Г.П. Экологический мониторинг при добыче углей с повышенным содержанием EPH на примере Уртуйского месторождения в Забайкачье / В.А.Овсейчук, Г.П.Сидорова, Е.А.Мамаиг// Вестник ЗабГУ№12- 2013,-С.30-39

Монография

Овсейчук В.А., Сидорова Г.П. Ураноносность бурых углей Забайкалья/В.А.Овсейчук, Г.П. Сидорова//Монография,- Чита: Из-во ЗабГУ. - 2013. - 192 с.

Патенты

1. Патент на изобретение Ns 2492474 от 10 сентября 2013 г. Способ определения низшей теплоты сгорания углей.

2. Патент на изобретение № 2498349 от 10 ноября 20132 г. Способ радиационно-гигиенического контроля качества угля

Другие издания

1. Сидорова Г.П. Проблемы контроля радиационно-гигиенического качества углей и методы их решения на Уртуйском буроугольном разрезе/ Г.П. Сидорова// Сборник докладов VI Всероссийской научно - практической конференции «Кулагинские чтения». - Чита: - 2006,-

C. 70-74

2. Сидорова Г.П. О качестве углей /Г.П.Сидорова, О.С.Жилина// Сборник докладов VIII Всероссийской научно - практической конфере!щии « Кулагинские чтения». - Чита: - 2008 .-С.181-183

3. Сидорова Г.П. Добычи углей с повышенным содержанием EPH/Г.П. Сидорова // Сборник материалов XX Международного Симпозиума по планированию горных работ и выбору оборудования. Алматы. Казахстан,- 2011. - С. 1589-1598

4. Сидорова Г.П. Радиоактивные элементы вугт.ях/Г.П.Сидорова //Сборник материалов VIII Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» - Пенза: - 2010.- С. 149-151.

5. Сидорова Г.П. Радиационно-гигиеническое качество углей./Г.П.Сидорова // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая дискуссия: Окружающая среда-Здоровье человека» - Волгоград: - 2010,- С.96-99.

6. Сидорова Г.П. Естественные радионуклиды в углях. /Г.П.Сидорова// Сборник докладов X Всероссийской научно - практической конференции «Кулагинские чтения».- Чита: - 2010.-С. 188-189

7. Сидорова Г.П. Угли и их радиационные характеристики /Г.П.Сидорова // Сборник материалов V Международной конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук». Науки Земле,- Москва:- 2010,- С.287-288.

8. Сидорова Г.П. Система радиационно-гигиенического качества углей, используемая на Ур-туйском буроугольномместорождении /Г.П.Сидорова, В. А. Овсейчук// Сборник докладов IXВсероссийской научно - практической конференции «Кулагинские чтения». - Чита: -2009,- С. 170-173.

9. Сидорова Г.П. К вопросу о радиационно-гигиеническом качестве углей./Г.П.Сидорова // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Современное российское общество: проблемы позицирования и развития». Науки о Зелипе,- Москва: -2010,-С.316-321.

10. Сидорова Г.П. Радиационные характеристики углей / Г.П.Сидорова// Сборник материалов VI Международной научно-практической конференции «География, история и геоэкология на службе науки, практики и образования». - Красноярск. — 2011. - С. 108-111.

11. Сидорова Г.П. Отработка углей с повышенным содержанием EPH на примере Уртуй-ского месторождения в Забайкалье./Г.П. Сидорова //Материалы Международной научно-практической конференции - Наукоемкие технологии и использование минеральных ресурсов.- Новокузнецк: - 2011 .-С. 96 -99

12. Сидорова Г.П. Радиоактивные выбросы ТЭС. / В.А. Овсейчук, Г.П. Сидорова, // Сборник докладов XIIМеждународной научно - практической конференции «Кулагинские чтения».-Чита: - 2012. - С. 17-19.

13. Сидорова Г.П. Радиоактивные элементы в угле и золе ТЭС/Д.А.Крылов, Г.П. Сидорова// Сборник материалов Международного научного семинар им.Ю.Н.Руденко. — Баку. Азербайджан: - 2012. С. 98-102

14. Сидорова Г.П. Радиоактивные элементы в выбросах ТЭС/Д.А.Крылов, Г.П. Сидорова// Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Выпуск 63. -Баку. Азербайджан:- 2013. С. 224-233

15. Сидорова Г.П. Управление качеством углей с помощью секционно-погоризонтных карт качества. /В.А.Овсейчук, Г.П. Сидорова, // Сборник докладов XIIIМеждународной научно -практической конференции «Кулагинские чтения»,- Чита: - 2013. - С.23-25

16. Сидорова Г.П. Контроль радиоактивного загрязнения окружающей среды на Уртуйском буроугольном разрезе в Забайкалье/ В.А.Овсейчук, Г.П. Сидорова, // Сборник докладов X Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах»,- Кемерово.2013,- С.364-367

Подписано в печать 10.04.2014. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Способ печати оперативный. Усл. печ. л. 2,0. Уч-изд. л. 2,0. Заказ № 14 Тираж 100 экз.

Забайкальский государственный университет 672039, Чита, ул. Александро-Заводская, 30

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Сидорова, Галина Петровна, Чита

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреяедение высшего профессионального образования «Забайкальский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»)

Сидорова Галина Петровна

лстги 451 269

или 1 '

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: д-р техн. наук, профессор В.А. Овсейчук

Чита 2014

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................5

Глава 1 Анализ существующего положения в ТЭК по вопросу добычи и использования углей с повышенным

содержанием естественных радионуклидов (ЕРН)........................16

1.1 Аналитический обзор научно-технических исследований

и публикаций по радиоактивности углей.............................................16

1.2 Радиоактивность углей различных месторождений................................18

1.3 Радиационные выбросы от угольных ТЭС, использующих

угли различных месторождений....................................................... 22

ВЫВОДЫ.......................................................................................32

Глава 2 Характеристика буроугольных месторождения Забайкалья

и условия накопления радиоактивных элементов в углях............34

2.1 Геологическая характеристика исследуемых

месторождений Забайкалья..............................................................34

2.1.1 Окино-Ключевское месторождение................................................42

2.1.2 Татауровское месторождение..........................................................53

2.1.3 Харанорское месторождение..............................................................61

2.1.4 Уртуйское месторождение...............................................................71

2.1.5 Кутинское месторождение.................................................................82

2.2 Методика исследования радиоактивности углей........................................89

2.2.1 Гамма-опробование углей в естественном залегании и в штабелях..........89

2.2.2 Исследование проб угля в лабораторных условиях

с применением гамма-спектрометра................................................92

2.3 Результаты исследования радиоактивности

по месторождениям Забайкалья.............................................................95

ВЫВОДЫ.......................................................................................101

Глава 3 Обоснование методики подготовки углей к отработке, путем разделения их на сорта на основе данных

геологоразведочных работ...............................................................102

3.1 Закономерности распределения естественных радионуклидов в углях......103

3.2 Разработка кондиций для оценки запасов угля по сортам с

учетом радиоактивности....................................................................................111

3.2.1 Порядок расчета.......................................................................111

3.2.2 Обоснование кондиций оценки запасов угля по

радиационному фактору............................................................114

3.2.3 Обоснование выбора разведочной сети при

эксплуатационно-разведочных работах..........................................119

3.3 Оценка запасов радиоактивных углей по результатам геологоразведочных работ...............................................................121

ВЫВОДЫ......................................................................................130

Глава 4 Методика управления радиационным качеством углей путем секционно-погоризонтного картирования запасов

с целью выбора вариантов выемки углей.................................132

4.1 Радиологическая характеристика сырьевой базы

месторождения.............................................................................132

4.1.1 Общие запасы радиоактивных углей в контуре разреза...................... 132

4.1.2 Оценка степени зараженности угольной массы ураном

в пределах площадей дополнительной разведки....................................133

4.2 Расчет допустимых содержаний урана в углях,

поставляемых на ТЭЦ.................................................................. 139

4.3 Разработка методики планирования качества угля с

применением секционно-погоризонтных карт.................................... 142

4.4 Динамика добычи угольной массы по сортам при вскрытии горизонтов

с применением автомобильного транспорта................................................ 152

4.4.1 .Условия формирования отвалов комплексных углей при

избирательной выемке............................................................. 157

4.4.2 Потери при отработке углей с повышенным содержанием

естественных радионуклидов..................................................... 160

ВЫВОДЫ.......................................................................................162

Глава 5 Комплексная технология оперативного управления

радиационным качеством добытых углей................................164

5.1 Использование приборных методов управления качеством

углей в угольной промышленности.................................................. 167

5.2. Система оперативного управления качеством угля по

радиационному фактору............................................................... 168

5.3 Методика и техника проведения радиационного контроля

и управления качеством угля на технологических этапах разработки месторождения........................................................................... 169

5.3.1 Гамма-опробование подготовленных к отработке блоков и

штабелей угольного склада....................................................... 169

5.3.2 Гамма-экспресс анализ угля в автосамосвалах (ГЭА)........................... 171

5.4 Методика определения эксплуатационных характеристик

аппаратуры ОПУКУ.................................................................................... 173

5.4.1 Геометрические условия измерения................................................ 173

5.4.2 Определение величины натурального фона...................................... 179

5.4.3 Вклад каждого датчика в общий замер........................................................ 183

5.4.4 Стабильность работы аппаратуры во времени..................................... 184

5.4.5 Определение пересчетных коэффициентов аппаратуры

«Алмаз» на ОПУКУ.................................................................. 185

5.5 Гамма-спектрометрический анализ проб........................................... 194

5.6 Подготовка угля к реализации......................................................................... 195

ВЫВОДЫ.......................................................................................198

Глава 6 Мониторинг загрязнения окружающей среды при отработке,

транспортировке и хранении угля с повышенным содержанием

естественных радионуклидов...................................................................200

6.1 Мониторинг разреза «Уртуйский»................................................................... 201

6.1.1 Транспортные дороги......................................................................................203

6.1.2 Открытый склад угля......................................................................................204

6.1.3 Отвалы комплексного угля..............................................................................205

6.2 Методика контроля.............................................................................................206

6.3 Результаты мониторинга объектов на разрезе «Уртуйский».........................208

6.3.1 Открытый угольный склад..............................................................................208

6.3.2 Транспортные дороги........................................................................................209

6.3.3 Комплексный отвал № 2....................................................................................209

6.4 Оценка негативного влияния результатов сжигания радиоактивных углей Уртуйского месторождения на

Краснокаменской ТЭЦ на окружающую среду..........................................212

6.4.1 Рекомендации по допустимой дозе облучения населения от выброса естественных радиоактивных веществ при сжигании углей..........................220

6.5 Мероприятия по снижению загрязнения территории разреза..........................222

ВЫВОДЫ........................................................................................222

Глава 7 Эколого-экономический эффект системы контроля качества

угля по радиационно-гигиеническим параметрам..............................225

7.1 Экономический эффект от внедрения системы

оперативного контроля качества угля............................................................. 227

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................229

ГЛОССАРИЙ....................................................................................231

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................233

Введение

Актуальность работы. К началу XX в. уголь являлся основным источником тепла и энергии и имел определяющее значение в экономике промышленно развитых стран. Доля его в мировом энергетическом балансе в начале века составляла 93 %. В связи с внедрением более эффективных источников энергии (нефть, газ, гидроэнергия, атомная энергия) к 50-м годам она снизилась до 56 %, а к 90-м - до 29 %. Наблюдалась быстрорастущая тенденция снижения доли вклада угля в мировом энергетическом балансе и замещение его газом (Рисунок 1).

* ПЯАУ 1

хии/о 90% - -

80% - -

70% - -

60% - -

50% - -

40% - -

30% - -

20% - -

10% - -

V /и 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

■ Уголь ■ Нефть

■ Газ ■ Гидроэнергия

■ Атомная энергия ■ Возобновляемая и альтернативная энергия

Рисунок 1 Структура потребления первичных энергоресурсов в мире 1900-2010 гг. (по данным А.Н. Соколова) [264]

Промышленные запасы действующих угольных предприятий России составляют почти 19 млрд. т, в том числе коксующихся углей - около 4 млрд. т. Прогнозные ресурсы угля составляют 3816,7 млрд. т. Российская Федерация занимает второе место по запасам угля в мире.

В настоящее время в отечественной угольной промышленности действуют 205 угледобывающих предприятий (84 шахты и 121 разрез) [100].

С использованием угля в настоящее время в мире производится примерно 44 % электроэнергии.

В России по итогам работы за 2010 г. доля использования газа на ТЭС составила 71 %, а угля - лишь 26 %, мазута - 3 %. По прогнозу в 2020-2030-х гг. доля газа в топливном балансе ТЭС снизится до 60-64 %, а доля угля возрастет до 35-38 %.

Прогнозы показывают, что в перспективе потребность в энергетических углях будет расти во всем мире.

Сегодня эксперты считают уголь одним из самых перспективных мировых источников энергии.

Большой объем использования угля в энергетике объясняется его очевидной конкурентоспособностью как энергоносителя на мировом рынке органических топлив.

Меняется экономическая основа функционирования отрасли. Сегодня она формирует свои финансовые ресурсы только за счет реализации продукции. Немаловажную роль в позитивных изменениях в угольной отрасли, наблюдаемых в последние годы, играет и фактор качества угольной продукции. Поэтому перед угледобывающими предприятиями стоит одна из важнейших задач - коренное улучшение качества угля, так как от этого напрямую зависит его конкурентоспособность на рынке энергетического топлива. Формируется действенная система управления качеством углей, которая должна обеспечивать защиту товарного российского рынка, окружающей среды от некачественной угольной продукции. Уголь должен точно соответствовать требованиям различных групп потребителей и соответствовать требованиям экологической безопасности.

Наиболее уязвимым местом в угольной энергетике является экологическое воздействие предприятий угольного топливного цикла. Внимание природоохранных организаций привлекают такие мощные загрязнители, как сера, зола, тяжелые металлы, содержащиеся в углях, и выбросы этих загрязнителей в окружающую среду при сжигании угля на ТЭС. В последние годы внимание привлекает радиационное загрязнение, создаваемое угледобывающими предприятиями и угольными ТЭС.

Угли с повышенным содержанием радиоактивных элементов встречаются очень часто. Топливная энергетика на угле, по мнению экологов, относится к числу наиболее крупных источников загрязнения окружающей среды радионуклидами, однако серьезных шагов по ограничению выбросов ЕРН с продуктами сжигания углей не предпринимается. Нормы радиационной безопасности от НРБ-76 до НРБ-99/2009 [153, 159] ограничивают только применение шлаков в строительных целях. Аналогичные ограничения устанавливают Санитарные правила СП 2.6.1.798-99 «Обращение с минеральным сырьем и материалами с повышенным содержанием природных радионуклидов» [195].

Содержание естественных радионуклидов в добываемом угле не контролируется, и угли с повышенным содержанием ЕРН поступают к потребителю, что приводит к дополнительной нагрузке на окружающую среду за счет выбросов из труб радиоактивных аэрозолей и образования золы с повышенным содержанием радиоактивных элементов. В настоящее время существующими документами по ПДВ определены нормы по ограниченному перечню загрязняющих веществ: диоксида азота; оксида азота; диоксида серы; золы твердого топлива; мазутной золы ТЭС; оксида углерода; сажи и бенз (а) пирена. Выбросы других загрязняющих веществ, содержащихся в дымовых газах, и выбросы от прочих источников основных и вспомогательных цехов и производств ТЭС при разработке проекта

нормативов ПДВ не нормируются и не подлежат контролю. Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и шлаков. Они занимают значительные территории, которые не только не используются долгое время, но и являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности.

Несмотря на большой объем накопленной информации о радиоактивности углей по отдельным угольным регионам (Арбузов, Волостнов, Кизелыптейн, 1999, 2002, и др.), вопрос экологической безопасности использования углей, содержащих ЕРН, остается не решенным [7, 9, 33, 51, 104, 105].

Для его решения необходим специальный комплекс исследований, который должен включать в себя: изучение радиоактивных элементов в угольных пластах в естественном залегании, включающее прогноз повышенных содержаний радиоактивных элементов по месторождениям; детальное изучение выделенных месторождений на предмет радиоактивности углей; разработку системы отработки и управления потоком углей с повышенным содержанием радиоактивных элементов; контроль радиоактивных элементов в отходах угольных электростанций (зола и шлак); мониторинг окружающей среды при отработке и использовании углей с повышенным содержанием ЕРН; разработка нормативных документов, регламентирующих этот процесс.

Требования потребителей к качеству углей, в том числе и их экологической безопасности, в условиях насыщения рынка постоянно растут и весьма разнообразны, поэтому создание эффективных систем контроля на многих угледобывающих предприятиях считается одним из главных направлений работ. Управление качеством углей является неотъемлемой частью разработки месторождения. В процессе совершенствования горного производства, наряду со стандартными методами контроля и управления качеством углей, возникает необходимость применения современных методов, которые должны обеспечивать экспрессность, достаточную представительность анализируемого объема, возможность использования на различных этапах технологического процесса и обеспечивающую экологическую безопасность окружающей среды. Одним из возможных решений этого

вопроса является разработка эффективной системы управления качеством углей, в том числе и радиационным. "

В связи с этим возникла актуальная научно - техническая проблема: разработка эффективной технологии добычи бурых углей и управления их качеством с учетом наиболее полного использования полезного ископаемого, за счет сокращения потерь и снижения негативного влияния на окружающую среду радионуклидов, содержащихся в этих углях.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Ядерная и радиационная безопасность России», раздел 3.7, п. 2, 6 - 9 и «Энергетической стратегией России на период до 2030 г.», раздел VI, п.5.

Цель работы заключается в разработке и обосновании эффективных способов управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов на технологических этапах: от планирования добычи до отгрузки потребителям, обеспечивающих полноту извлечения из недр и экологическую безопасность.

Основные задачи исследования.

6. Обосновать и разработать эффективные способы оперативного управлени�

Информация о работе

Сидорова, Галина Петровна
доктора технических наук
Чита, 2014
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование технологических способов управления качеством углей с повышенным содержанием естественных радионуклидов при открытой угледобыче - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы