Добычи и переработки углей

В процессе добычи, сжигания и технологической переработки твердых горючих полезных ископаемых образуются твердые /вскрышные и шахтные породы, отходы обогащения и золошлаковые отходы/, жидкие /промышленные стоки, шахтные воды, надсмольные и подсмольные воды и др./ и газообразные /метан, сероводород, оксиды углерода /II/ и /IV/ и т.д./ отходы. Использование жидких отходов рассмотрено в п.5.2.2 /надcмольные и подcмольные воды/, а также далее в подразд.6.6.

В Донбассе 45% шахтных пород накапливается в результате проведения горных выработок с подрывкой почвы или кровли, .42% - при восстановлении и ремонте горных выработок, пройденных в неблагоприятных горногеологических условиях; остальное - в процессе разработки сложных по строению /с прослойками вмещающих пород/ и высокозольных угольных пластов. Ежегодно складируется 70-80 млн. т отходов. Удельный объем породы, выдаваемой из шахт, составляет более 0,4 т на 1 т угля. Зольность добываемых и отгружаемых шахтами углей возросла с 22,2% /1970 г./ до 29,4% /1990 г./. Это привело к росту объемов переработки горной массы на обогатительных фабриках и повышению выхода пород как отходов углеобогащения. Удельный выход пород в отвалы составляет 18-20% поступающей горной массы. Углеобогатительные фабрики ежегодно складируют около 70 млн. т отходов. В Донбассе насчитывается примерно 1200 отвалов, содержащих 2,8 млрд. т породы. Наибольшее их количество сосредоточено в ПО "Ростовуголь" /170/ и "Донецкуголь" /116/.

К твердым отходам добавляются золошлаки теплоэлектростанций /ТЭС/, сжигающих уголь для производства электроэнергии. Ежегодный их выход в Донбассе составляет 90 млн. г, в Донбассе - 15 млн. т. Золошлаковые отходы подразделяются на шлак, удаляемый из нижней части топки, и золу или зольные уносы, выносимые в виде дисперсных частиц вместе с газообразными продуктами.

Отходы добычи и переработки углей используются в горном деле, энергетике, строительстве, в промышленности строительных материалов, в черной, цветной металлургии и химической промышленности, при производстве абразивов и новых материалов, в сельском хозяйстве и др.

В горном деле твердые отходы используются для закладки выработанного пространства. В 1987 г. добыча угля с закладкой по отрасли составила около 10 млн. т в 170 лавах. Для этой цели используют гидравлические, пневматические, конвейерно-пневматические и другие закладочные комплексы.

Складируемая горная масса богата органическими веществами. В отходах, поступающих из шахт, массовая доля угольных фракций достигает 20-27%, с обогатительных фабрик - 15-20%. При переработке такой горной массы можно получать уголь, газ и теплоту. Используя твердые отходы группы шахт ПО "Донецкуголь", ежегодно получают около 400 тыс. т угля. В Венгрии и Польше ежегодно перерабатывают 4,0-4,5 млн. т отвальной породы и извлекают из нее 400 тыс.т угля. Оставшуюся часть используют для закладки выработанного пространства, а наиболее ценную - для производства цемента, керамики и других строительных материалов. При газификации 1 т углеродсодержащих отходов шахт и обогатительных фабрик можно получить 700-1000 м³ горючего газа объемной теплотой сгорания примерно 4^.10⁶ Дж/м³. На угольных предприятиях Украины ежегодно получают 90 млн. г высокозольных /70-80%/ отходов угольного производства. Газификация этого сырья равноценна увеличению добычи угля на 11 млн. т в год. Их сжигание в котлоагрегатах дает существенный экономический эффект. В топках котлов в мощном потоке воздуха происходит перемешивание и эффективное сгорание твердых частиц органического вещества. Коэффициент полезного действия такой технологии сжигания достигает 85%. Один котлоагрегат, работающий по такой технологии сжигания, может заменить два старых котла. В настоящее время в Донбассе действует около 400 механизированных котлоагрегатов.

При строительстве дорог и искусственных земляных сооружений /дамбы, плотины/, при засыпке карьеров и осевших участков поверхности земли используются отходы добычи и обогащения, а для стабилизации грунтов, в качестве наполнителя асфальта и дорожных насыпай, при рекультивации земельных угодий - зольные уносы. Применение шахтной породы вместо щебня на строительстве подъездной дороги к Свердловской птицефабрике в Донбассе дало экономию около 40 тыс.руб. Строительство полотна дороги при использовании шахтной породы вместо щебня обходится вдвое дешевле

Себестоимость строительного щебня и гравия из отвальных пород угледобывающих предприятий в 2-4 раза ниже, чем себестоимость аналогичных материалов, добываемых в специализированных карьерах.

В промышленности строительных материалов из отходов изготавливают пористые заполнители, керамические стеновые изделия, дренажные трубы, вяжущие вещества, гранулированные шлаки, минеральную вату, шлаковую пемзу, каменное литье, стеклокристаллический материал и многое другое. Пористый заполнитель или аглопорит, получают из золошлаковых отходов при температуре свыше 900 °С. При таких условиях происходит спекание и вспучивание исходного материала /шихты/. Аглопорит входит в состав легких бетонов /применение которых уменьшает в 1,6 раза массу сооружения, снижает на 12% расход цемента и на 16% - арматурной стали. Стоимость аглопорита на 10-40% ниже стоимости керамзита и перлита. Из золошлаковых отходов получают глиняный, а при добавлении связующей добавки /растворимое стекло, бентонитовые глины и др./ - силикатный кирпич. Эти отходы можно использовать как кремнеземистый тонкозернистый компонент силикатных смесей /автоклавные вяжущие/. Такие добавки улучшают состав смесей, сокращают расход извести и песка, увеличивают прочность, уплотняют структуру, снижают теплопроводность готового кирпича. Морозостойкость золосиликатного кирпича вдвое выше, чем силикатного. Отходы обогащения углей используются в качестве заменителей песка и глины /кремнеземистые и алюмосиликатные составляющие/ при производстве цемента марок 300-400, а присутствие примеси органического вещества снижает расход топлива. В настоящее время на ряде кирпичных заводов освоена технология изготовления кирпича с добавкой 5-15% углеродсодержащих пород или полностью из отходов. На каждой 1000 шт. экономится до 120 кг угля.

Использование отходов шахт и обогатительных фабрик в качества добавок к шихте при производстве строительных материалов позволит сократить расход топлива на 10-30%, повысить качество изделий. При сжигании углей в топках специальных конструкций образуется расплав жидких шлаков, из которых получают гранулированные шлаки, минеральную вату, шлаковую пемзу, каменное литье, шлакоситаллы, стеклокристаллический материал и др. Гранулированные шлаки образуются в процессе резкого охлаждения расплава смешением с водой и последующим дроблением и рассевом. Минеральная вата получается при обработке струи расплава на центрифуге или при расщеплении ее во вращающейся печи. Шлаковая пемза - результат вспучивания расплава при введении газа или водяного пара. Из жидких шпаков изготавливают изделия каменного литья. В зависимости от степени кристалличности материала различают шлаковое литье и шлакоситаллы, обладающие большой устойчивостью к ударным воздействиям и значительной прочностью. Из шлаков могут быть получены разнообразные изделия /облицовочные и футеровочные плитки, вкладыши, бордюрные камни, фасонные детали и др./, не уступающие по качеству изготовленным из магматических пород /базальт, габбро/. При резком охлаждении расплава зольных уносов образуется стеклокристаллический материал, высокая кислото-, щелоче- и термостойкость которого позволяет применять его для облицовки установок, работающих в агрессивных средах.

Разработана технология приготовления на основе шахтной породы тампонажых растворов, которые рекомендуется использовать вместо цементных растворов для проведения всех видов работ. По сравнению с чистоцементными они характеризуются высокой стабильностью, повышенной водонепроницаемостью, коррозионной стойкостью. Стоимость I м³ такого тампонажного раствора на 11 руб. меньше, нежели чистоцементного; на 1 м³ раствора экономится 400 кг портландцемента.

В абразивной промышленности из расплавленного шлака с повышенной массовой долей оксида кремния SiO₂ получают абразивный материал, используемый вместо кварцевого песка. При нагревании расплава до 1900-2300°С в атмосфере азота образуется карбид кремния с высокими абразивными свойствами.

Для химической промышленности представляет интерес пирит /сульфид железа /FeS₂/ в углях как источник серы, зольные уносы как сорбенты и как исходное сырье для получения изоляционного материала. Вместе с углями на сжигание и переработку поступает много пирита. Значительное количество этого минерала присутствует в отходах углеобогащения сернистых и высокосернистых углей. Сульфидная сера углей и отходов углеобогащения может быть использована для получения сернистого газа, серной кислоты и элементарной серы. Зольные уносы характеризуются высокой сорбционной способностью, что позволяет их рассматривать как комплексные сорбенты для очистки промышленных сточных вод от органических /фенолы, красители и др./ и неорганических /соединения мышьяка, молибдена, германия и др./ веществ, от водной флоры и бактерий некоторых видов, а также использовать для нейтрализации кислых дренажных вод./ при этом рН увеличивается от 3-4 до 7/.

При фильтровании содержимого золоотстойников посла сжигания водоугольных суспензий остается пленка, которая используется как огнестойкий тепло- и звукоизоляционный материал /пластинки, панели и керамика для спутников/.

В черной мегаллургии из золошлаковых отходов возможно извлечение железа. В некоторых угольных бассейнах /Донецкий, Кузнецкий, Подмосковный и др./ средняя массовая доля Fe2O3 в золе достигает 40%, а после обогащения возрастает до 60%.

В цветной металлургии отходы обогащения и переработки углей используются для получения глинозема и сплавов, для извлечения микроэлементов. Глинозем извлекается из отходов обогащения, содержащих 38-40% Al₂O₃/ Подмосковный, Экибастузcкий бассейны и др./, либо кислотным разложением сырья, либо спеканием сырья c щелочными реагентами /известняк, сода и др./. Из отходов обогащения и переработки углей при нагревании до температуры более 2000°С и определенном содержании углерода в восстановительных условиях образуются сплавы Fe - Si, Fe - Al, Fe – Si – Al и Si – Al. Зольные уносы могут представлять собой коллективный концентрат многочисленных микроэлементов /германий, галлий, молибден, свинец, цинк и др./.

Богатые кальцием измельченные шахтные породы, отходы обогатительных фабрик и зольные уносы применяют в сельском хозяйстве для нейтрализации кислых почв. Внесение этих удобрений повышает урожайность картофеля, ячменя и проса на 12-15%. В Донецкой и Луганской областях имеется около 600 тыс.га земельных угодий, в которые целесообразно вносить такие удобрения в смеси с компостами. Органические вещества, находящиеся в отходах угольной промышленности, служат сырьем для гуминовых удобрений. Шахтные породы, отходы флотации и золошлаковые остатки нередко богаты макро- /калий, фосфор и др./ и микроэлементами /цинк, бор, молибден, медь и др./, играющими важную роль в развитии растений. В флотохвостах обогатительных фабрик, использующих в технологическом процессе азотсодержащие реагенты /например, водный раствор аммиака/, повышается содержание азота. При смешивании таких отходов с органикой получаются удобрения сложного состава, которые на 15-20% повышают урожайность полей. В условиях Нечерноземья совместно с традиционными органическими удобрениями целесообразно использовать углистые породы.

Пылегазовые отходы при подземной добыче угля представлены метаном, углекислым и сернистым газами, угольной и породной пылью, а в результате горения породных отвалов - углекислым и сернистым газами, угольной и породной пылью. Объем метана и углекислого газа, выбрасываемых в атмосферу в процессе добычи угля, соответственно составляет, млн. м³/год: в Донбассе 4150 и 1300; в Кузбассе 750 и 1100; Караганде 1150 и 160; Печорском бассейне 650 и 380.

На Украине дегазация применяется на 120 шахтах, годовой объем каптируемого метана составляет примерно 700 млн. м . Доля метана в каптируемом газе равна 30-40%. Средняя объемная теплота сгорания газа составляет 10 Дж/м3 /3500 ккал/м³/. По производственным объединениям по добыче угля в Донбассе каптируется от 0,12 до 19,18 м³ метана на 1 т добытого угля /ПО «Шахтерскантрацит» - 19,18 м³/т, «Макеевуголь» - 9,03 м³/т/.

Горящие и негорящие терриконы являются источником пылегазовых выбросов в атмосферу. В Донбассе существует 250 горящих отвалов. В отвалах антрацитовых шахт Ростовской области массовая доля примеси угля составляет 5-20%, а в Центральном, Донецко-Макеевском и Красноармейском районах - дс 5%. Складируемый материал содержит также дерево, серу и другие горючие компоненты. Из 1 т горящей породы выделяется оксида углерода /II/ 10,8 кг, сернистого газа - 6,5 кг. Горящий породный террикон средних размеров выделяет в течение часа в атмосферу около 15 тыс. т оксида углерода /IV/, 5тыс.т окcида углерода /П/, большой объем пыли. После прекращения эксплуатации до полного затухания терриконы обычно горят 10-12 лет.

При эксплуатации шахты метан извлекается при дегазации пластов углей и их спутников и из вентиляционной струи. В Донбассе дегазация метана осуществляется на 228 шахтах и ежегодно каптируется только 1/3 выделяющегося газа. В ПО "Донецкуголь", "Торезантрацит" и "Донбассантрацит" улавливается от 30 до 65% метана. На некоторых шахтах Донецко-Макеевского угленосного района отмечены весьма высокие газовыделения. На шахте им. Горького подача газовой смеси с содержанием метана 24-28% достигала 1500 м³/ч. На шахте «17-17» интенсивность газопроявлений за 6 месяцев составила 2 млн. м³, шахте «Центральная» за 1,5 года - 6 млрд. м³. Извлекаемый газ сжигают в шахтных котельных установках. Он может использоваться для подогрева в доменных, мартеновских, стекольных и цементных печах. Каптируемую смесь с низкой концентрацией метана /2,5%/ можно сжигать совместно с углем, угольной пылью, мазутом и природным газом. В Германии и Великобритании улавливаемая метансодержащая газовая смесь используется в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах, на промышленных предприятиях и для бытовых нужд /подача в газовую сеть, наполнение баллонов/.

Исходящие из шахт вентиляционные струи имеют значительные запасы теплоты; которую можно использовать для обогрева теплиц. Средние параметры воздушных потоков угольных предприятий Донбасса: температура от 18 до 26 °0, влажность 95-99%, запыленность 5-10мг/м³.