Действующие атомные электрические станции (АЭС) Украины

Таблица 3.1.

* В 2000 году остановлена Чернобыльская АЭС, на которой 26 апреля 1986 года произошла крупнейшая в мире техногенная авария на блоке №4.

Рис. 3.2. Технологическая схема атомной электростанции (АЭС)

Рис. 3.3. Реактор ВВЭР-1000

В реакторе идет управляемая ядерная реакция. Она отличается от той цепной реакции, которая происходит в атомной бомбе и заканчивается разрушительным взрывом, тем, что с помощью специальных регулирующих стержней из вещества, хорошо поглощающего нейтроны, количество вступающих в реакцию нейтронов поддерживается на безопасном уровне.

Чем глубже погружены стержни в активную зону реактора, тем меньше там нейтронов, способных продолжать реакцию и выделять тепло, и наоборот. Не случайно в аварийной установке реактора предусмотрены аварийные стержни: они быстро падают в активную зону, и происходит полная остановка ядерной реакции.

Атомная станция любого типа (а сегодня этих типов уже очень много, и они во многом отличаются в разных странах), помимо системы управления реакцией в активной зоне реактора и аварийной защиты, имеет много защитных устройств для обеспечения безопасности людей. Ведь во время цепной реакции часть нейтронов вылетает из активной зоны, даже защищенной специальным устройством – отражателем. Кроме того, деление ядер радиоактивных веществ сопровождается сильным излучением, как при любой ядерной реакции. Поэтому активную зону любого реактора со всех сторон окружают стеной биологической защиты, ослабляющей опасное излучение до такой степени, чтобы человек мог находиться вблизи работающего реактора. Как правило, это массивное сооружение из бетона с толщиной стен более 2м. В некоторых случаях для биологической защиты используют обыкновенную воду, а иногда – сочетание стали с водой или бетоном.

В помещениях, где работают люди, обслуживающие реактор, интенсивность радиоактивного излучения измеряется установленными здесь специальными приборами – дозиметрами.

Теплоноситель, отбирающий тепло у теплообменников первого контура и тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), состоящие из двуокиси урана или другого радиоактивного топлива, “одеты” в герметичные оболочки.

Естественная радиоактивность урана ничтожна (период полураспада урана 3600 лет), однако в процессе работы, благодаря накоплению продуктов деления ядерного топлива, являющихся истчником мощного гамма-излучения, у ТВЭЛов появляется очень высокая радиоактивность, сравнимая с активностью нескольких килограммов радия. Поэтому выгрузка из реактора отработанных ТВЭЛов ведется дистанционно, с помощью специальных механизмов, за толстой защитной стеной, предохраняющей от губительного излучения.

Мощное нейтронное излучение атомных реакторов делает находящиеся в них вещества и материалы радиоактивными. Поэтому для работы с предметами, побывавшими в реакторе, тоже применяется дистанционная техника: механические “руки” и другие специальные манипуляторы. Помимо этих внутренних мер по защите от опасного излучения, атомные станции различных конструкций имеют те или иные внешние защитные оболочки. Большинство атомных станций во всем мире имеют так называемые скафандры, которые предохраняют реакторы даже от таких маловероятных аварий, как падение метеорита или потерпевшего аварию самолета, а также рассчитаны на случай аварии внутри станции. Скафандры АЭС должны выдержать падение на них огромного пассажирского самолета типа “Боинг-747” или истребителя “Фантом”. Под таким “колпаком” останутся опасные радиактивные вещества, которые могут быть выброшены из реактора в случае непредвиденного пожара или взрыва. К сожалению, такие внешние защитные оболочки имеют далеко не все атомные станции бывшего СССР. Так, для типа реактора ВВЭР-440 (водо-водяные корпусные мощностью 440 МВт) и реакторов чернобыльского типа – РБМК (водографитовые канальные мощностью от 1000 до 1500 МВт) классическая зашитная оболочка не была предусмотрена. В результате станции именно этих типов, находящиеся в основном на территории России и Украины, являются сейчас самыми опасными.

При делении 1г урана 235 высвобождается около 22,5МВтч энергии, что эквивалентно энергии сжигания 2,7т условного топлива.

Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного топлива существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива ( нефти, угля, природного газа и т.д.). В мире работает свыше 400 энергетических атомных реакторов, общей мощностью свыше 250000 МВт. На территории Украины эксплуатируются атомные энергоблоки с реакторами на тепловых нейтронах. В то же время в атомной энергетике разработаны и сооружены ядерные реакторы на быстрых нейтронах большой мощности, которые работают на более распространенном в природе уране 238. Принято считать, что решение этой проблемы даст возможность в 30-40 раз увеличить эффективность использования ядерных ресурсов. В некоторых государствах реакторы на тепловых нейтронах вырабатывают от 30 до 40% (Болгария, Швейцария, Швеция), до 50...67% ( Бельгия, Франция) энергии. Украина вырабатывает на атомных электростанциях около 50% электроэнергии.

До 1986 года ученые и разработчики систем технологии атомной энергетики особенно подчеркивали исключительную экологическую чистоту, техническую безопасность и низкую себестоимость энергии, нежели на тепловых электростанциях. Наряду с атомными реакторами с графитной кладкой типа РБМК – 1000 (реактор большой мощности канальный) были введены в эксплуатацию водоводяные реакторы ВВЭР-1000.

Основные обоснования экономических и экологических преимуществ АЭС базировались на следующих утверждениях.

1. Затраты на транспортировку и конверсию ядерного топлива в сравнении с углем на единицу энергии несравненно меньше. Для сравнения: в случае конверсии топлива в энергию (при коэффициенте 0,33) 100 кг угля » 300 кВтч

100 кг урана 238 с содержанием урана 235 около 1% обеспечивают получение энергии 7 х 106 кВтч. То есть за массой на 1 кВт·ч потребность в уране меньше в 20000 раз.

2. Ресурсы урана для атомной энергетики равны ресурсам угля, нефти и газа вместе взятых.

3. Экономия дефицитного органического топлива (нефти и газа).

4. АЭС не потребляет кислород и почти не выбрасывает вредных газов и твердых продуктов.

5. При увеличении мощности всех действующих электростанций даже в несколько десятков раз глобальное радиоактивное загрязнение будет составлять не более 1% уровня природной радиации на планете.

6. Атомная энергетика ликвидирует пропасть между богатыми и бедными государствами, уменьшает угрозу насильственного перераспределения мировых ресурсов.

Такие оценки были до 26 апреля 1986 года, когда на Украине случилась катастрофа – взорвался атомный реактор РБМК-1000 Чернобыльской АЭС. Это была первая и единственная авария такого большого масштаба. Всеми государствами мира была пересмотрена и значительно сокращена программа дальнейшего строительства АЭС. При тщательном анализе выяснилось, что капиталовложения на единицу мощности АЭС почти в 2 раза выше, нежели в тепловые, расход воды больше в 2-3 раза, выбросы радионуклидов работающими АЭС за сутки составляет около 300 кюри.

На сегодняшний день в некоторых государствах доминирует мысль не форсировать строительство атомной энергетики до времени, пока не будут открыты новые, безопасные методы получения атомной энергии – от добычи сырья до обезвреживания, переработки и захоронения радиоактивных отходов, демонтажа АЭС и вывода их из эксплуатации.

Рис. 3.4. Принципиальная схема энергосистемы ядерного синтеза:

1 – установка ядерного синтеза; 2 – генератор электромагнитного поля; 3 – плазма ядерного синтеза; 4 – теплообменник;
5 – пароводяной контур турбины; 6 – паровая или газовая турбина;
7 – электрогенератор.

Сегодня научный потенциал экономически развитых стран в отрасли энергетики направлен на решение проблем за счет более мощного источника – ядерного синтеза.

Получение электроэнергии от контролируемых термоядерных реакций предусматривает два основных этапа, а именно:

получение и стабилизация высокотемпературной плазмы (свыше 250 млн оС);

разработка конструкции реактора и промышленной системы технологии производства электроэнергии.

Объединенный европейский проект включает решение вышеперечисленных проблем за счет создания реактора типа “Токамак”, принцип работы которого показан на рис. 3.4.

3.5. Биохимические источники энергии

В настоящее время в некоторых государствах биомасса (например, дрова) широко используется населением и достигает в общем энергетическом балансе 80%. Это существенно наносит вред окружающей среде: уничтожаются леса, увеличивается эрозия почвы, высыхают водоемы.

К тому же коэффициент конверсии горения дров очень низкий, а полезные элементы биомассы (N,P) не используются.

Ресурсы биомассы, как отходы в лесном и сельскохозяйственном производстве, значительно и ежегодно возобновляются, что и привлекает внимание к их использованию. На Украине они эквивалентны 30 млн.т. угля.

Существует два основных способа конверсии биомассы в горючий газ: термохимический и биохимический. При первом способе биомасса (древесина или отходы сельхозпроизводства) подвергаются пиролизу (разложение без доступа воздуха) в реакторе при 400...500 оС.

При использовании метода биохимической конверсии биомасса поддается брожению с образованием горючего газа (70% СН4и 30% СО2), удельная теплота сгорания близка до условного топлива (29,3 МДж/кг). При этом на каждую тонну условного топлива одновременно вырабатывается до 1,5...1,8 т высококачественных органических удобрений. Особенно эффективен этот процесс в случае биохимической переработки отходов животноводческих ферм. В Китае работают миллионы биогазовых установок средней мощностью 14 000 м3газа в год. По прогнозу до 2000 года в США биохимические источники должны обеспечить 5% всей потребляемой в государстве электроэнергии.

3.6. Экологически чистые нетрадиционные системы технологий энергетики

Экономически оправданным источником концентрированной энергии является органическое топливо: нефть, газ, уголь. В последнее десятилетие в ряд с тепловой энергетикой стала ядерная. Экологические проблемы этих видов энергетики общеизвестны. Но не только экологические. Опыт эксплуатации АЭС показал, что сегодня существует важные экономические проблемы, которые в предыдущие годы не учитывали. Обнаружилось, что затраты на поддержание экологических норм загрязнения окружающей среды радионуклидами таковы, что ближайшее будущее атомной энергетики пока что не предвидено. Это заставило в последние годы вести энергичные поиски альтернативных источников энергии. Сегодня природных экологически чистых источников энергии известно немало. Основная проблема – это низкое качество (концентрация) всех известных на сегодня альтернативных видов энергии и, соответственно, низкая экономическая эффективность ее конверсии в высококонцентрированную форму.

Рис. 3.5. Ветровой электрогенератор

1 – электрогенератор; 2 – редуктор; 3 – вал; 4 – основа электроблока; 5 – регулятор лопастей; 6 – лопасть; 7 – электрокабель; 8 – контрольный блок.

Анализируя различные возможные альтернативные источники энергии, следует помнить, что во всех без исключения случаях, чтобы эксплуатировать энергоснабжающую технологию, необходимо на обеспечение ее функционирования тоже расходовать энергию соответствующего качества. Важно подбирать для каждого промышленного объекта наиболее рациональный по концентрации энергии источник, помня, что чем больше концентрация энергии, тем она дороже. Рассмотрим конверсии альтернативных форм энергии, которые сегодня используются в сельском хозяйстве.

Проблема конверсии энергии ветра не такая простая. Прежде всего, возникает вопрос качества ветровой энергии и ее ресурса. Принято считать, что на территории в 1 млн. км2энергетические ресурсы ветра составляют около 0,5 ГВт. Но с точки зрения концентрации ее использование для конверсии современной техникой в электрическую невелика. В бывшем СССР эксплуатировалось свыше 200 ветровых электрогенераторов общей мощностью около 1000 кВт. Одна установка типа АВЭУ-6 (автоматическая ветровая электрическая установка) в состоянии за сутки откачать из скважины глубиной 50м до 20м3 воды или освещать и обогревать строение. Мощность современных ветровых турбоэлектрогенераторов составляет 50...100 кВт (рис. 3.5). Такие установки довольно широко применяют, например, в Дании, где имеются подходящие климатические условия с постоянными ветрами от 9,5 до 24 м/с. Безусловно, широкое применение ветровых турбогенераторов в значительной степени позволяет решить проблему снабжения электроэнергией на разных хозяйственных объектах в сельской местности и в быту. В Приазовье сейчас идет монтаж турбоэлектрогенераторов общей суммарной мощностью 50 МВт. Что касается решения проблемы промышленного энергоснабжения, то ставить такие задачи пока не реально.

3.7. Солнечные электростанции

Солнечная энергия – это универсальная движущая сила всего живого на нашей планете в ее оптимальном природном понимании. Сегодня человечество стремится увеличить использование солнечной энергии, непосредственно превращая лучевую энергию в тепловую и электрическую, хотя количество ее низкое (концентрация не превышает 1кВт на 1м2поверхности Земли). На Украине функционирует экспериментальная солнечная электростанция (СЭС) в Крыму. Принцип ее работы – концентрация солнечной энергии с отражением лучей Солнца с большой площади на меньшую с помощью зеркал. Такая система включает 1600 так называемых гелиостатов, каждый из которых состоит из 45 зеркал общей площадью 25 м2. Следовательно суммарная площадь зеркал 1600 х 25 = 40000 м2. Вся система зеркал с помощью автоматики и ПЭВМ наводится на Солнце и отражает его лучи на сравнительно небольшую площадь панели парогенератора, из которого пар (250 оС и 4МПа) направляется в паровую турбину, смонтированную в блоке с электрогенератором. Мощность такой СЭС –5 МВт, кпд чуть больше 10%, себестоимость электроэнергии значительно выше по сравнению с ТЭС.

Учитывая экологические преимущества СЭС, продолжается проектирование более мощных станций. С 1989 года в США на юге Калифорнии успешно работает промышленная солнечная электростанция мощностью 200 МВт. Такая электростанция в состоянии обеспечить потребности в электроэнергии 300-тысячного города. Цена 1кВтч электроэнергии этой станции составляет около 10 центов. Хотя с чисто экономической точки зрения такая солнечная электростанция не может конкурировать с тепловой, она безусловно есть экологически чистой альтернативой современной энергетике.

3.8. Геотермальные электростанции

На Украине уделяется значительное внимание геотермальной энергетике, котрая базируется на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии, т.е. на тепловых источниках Земли. Ресурсы этого вида энергии составляют на Украине 150 млрд. т условного топлива.

Геотермальная электростанция – это тепловая электростанция, использующая тепловую энергию горячих источников Земли для выработки электроэнергии и теплоснабжения. Температура геотермальных вод может достигать 200ºС и более. В состав геотермальной электростанции входят:

а) буровые скважины, выводящие на поверхность пароводяную смесь или перегретый пар;

б) устройства газовой и химической очистки;

в) электроэнергетическое оборудование;

г) система технического водоснабжения и др.

Геотермальные электростанции дешевы, относительно просты, но получаемый пар имеет низкие параметры, что снижает их экономичность.

Сооружение геотермальных электростанций оправдано там, где термальные воды наиболее близко подходят к поверхности земли. В бывшем СССР первая геотермальная электростанция мощностью 5 МВт была построена на Камчатке, ее мощность была доведена до 11 МВт.

На Украине в настоящее время объединение “Укрэнергоресурсы” заказало предпроектные работы по двум ГеоТЭС – в Крыму и Львовской области. Проработки ведутся по комбинированной технологии – геотермальная энергия производит предварительный подогрев воды, которая затем при сжигании органического топлива преобразуется в пар. Кроме того, украинские специалисты пытаются использовать тепло воды в выработанных нефтяных и газовых скважинах (мини ГеоТЭС мощностью 4-5 кВт).

За рубежом – в Италии, Новой Зеландии, США, Японии, Исландии – ГеоТЭС используются главным образом как теплофикационные.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Энергетический потенциал

Конверсия тепловой энергии

Турбоэлектрогенератор

Котлоагрегат

Градирня

Конденсационные электростанции

Гидроаккумулирующая электростанция

Водоводяной энергетический реактор (ВВЭР)

Реактор большой мощности канальный (РБМК)

Регулирующие стержни

Аварийные стержни

Тепловыделяющие элементы

Ядерный синтез

Биологические источники энергии

Энергетические ресурсы ветра

Гелиостат

Геотермальная энергетика

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Раскройте сущность энергетического потенциала планеты Земля.

2. Перечислите применяемые виды энергии.

3. Раскройте сущность системы технологии теплоэнергетики.

4. Что такое конденсатор турбоагрегата?

5. Какие параметры могут увеличить КПД конденсационной электростанции (КЭС)?

6. В чем заключается отличие КЭС от ТЭС.

7. Раскройте сущность экологических проблем ТЭС.

8. Раскройте сущность системы технологии ТЭС и ее экологические проблемы.

9. Каково назначение гидроаккумулирующих электростанций?

10. Раскройте сущность систем технологии АЭС.

11. В чем заключаются проблемы радиационной защиты на АЭС?

12. Изложите свои взгляды на перспективы развития атомной энергетики.

13. Изложите сущность технологии ветроэнергетики и перспективы ее развития.

14. Раскройте сущность технологии солнечной электростанции, перспективы применения.

15. Раскройте сущность технологии геотермальной электростанции. Перспективы развития ГеоТЭС в Украине.

ГЛАВА 4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДОБЫВАЮЩЕЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

4.1. Определение добывающей промышленности

Добывающая промышленность –это совокупность отраслей производства, занимающихся добычей различного сырья и топлива из недр Земли, из вод и лесов. Основные отрасли: добыча полезных ископаемых (уголь, нефть, торф, природный газ, руда, нерудное сырье и др.), заготовка древесины. Горная порода, которая может быть использована человеком для различных целей, называется полезным ископаемым. Горная порода, не являющаяся объектом извлечения полезного ископаемого, называется пустой. Естественное скопление полезных ископаемых в земной коре называется месторождением.

Добыча полезных ископаемых – процессы извлечения твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых из недр Земли с помощью технических средств. Процесс добычи состоит в извлечении ценного компонента в относительно чистом виде (например, нефть, природный газ, каменный уголь, драгоценные камни и др.) или в виде горной массы (например, руды металлов), которые в дальнейшем подвергаются переработке.

На суше добычу полезных ископаемых ведут в шахтах, карьерах и на буровых скважинах; в морских акваториях – буровыми скважинами, драгами и специальными автономными аппаратами, которые осуществляют сбор конкреций со дна. Конкреции – это минеральные образования округлой формы в осадочных горных породах, возникающие при преобразовании рыхлых пород в осадочные и резко отличающиеся от вмещающей породы составом и формой. В современных океанических осадках распространены конкреции окислов железа и марганца, образующие рудные скопления.

Мировые объемы добычи полезных ископаемых в ХХ веке удваиваются примерно в течение каждых 12-20 лет. Суммарная добыча важнейших полезных ископаемых за последние 100 лет составила 137 млрд. т угля, 46,7 млрд. т нефти, 20 трлн. кубических метров природного газа, 24,5 млрд. т железной руды.

Следует отметить, что с ростом добычи повышаются непроизводительные потери полезных ископаемых в недрах. Теряется около половины калийных солей, до 15-20% угля, руд черных и цветных металлов. Например, на действующих рудниках Криворожского бассейна железистые кварциты подрабатываются в процессе добычи богатых руд, попадают в зоны обрушений и безвозвратно теряются. Особенно велики потери ценных компонентов при обогащении, которые в 2-5 раз превышают потери при их добыче. В черной металлургии доля используемых попутно добываемых горных пород составляет всего 32%, в т.ч. для строительных нужд – 2,5%, в цветной металлургии только 3-4% вскрышных пород направляются на производство щебня.

4.2. Разновидности природных ресурсов и Способы эксплуатации

Горные породы и минералы имеют осадочное, магматическое и метаморфическое происхождение. Аналогичным образом формируются и полезные ископаемые, потому что они являются либо горными породами, либо скоплением минералов.

Сегодня человечеству известно около 250 видов минерального сырья. К этим видам можно добавить еще 200-250 разновидностей драгоценных и поделочных камней, число которых постоянно увеличивается . Но не все виды минерального сырья представляют одинаковый интерес. Поэтому наряду с другими существует и промышленная классификация важнейших полезных ископаемых, в основе которой лежит применение тех или иных полезных ископаемых в народном хозяйстве. Включаются только те виды минерального сырья, по которым определются основные государственные задания и устанавливается прирост запасов (в США они называются стратегическим сырьем).

Промышленная классификация включает следующие 60 важнейших видов минерального сырья.

Топливно-энергетическое сырье: нефть, газ, уголь, горючие сланцы, уран.

Металлы:руды железа, марганца, хрома, титана, ванадия, никеля, кобальта, вольфрама, молибдена, циркония, тантала, ниобия, алюминия, магния, меди, свинца, цинка, олова, висмута, ртути, сурьмы, лития, бериллия, германия, кальция, кадмия.

Благородные металлы: золото, серебро, платина, металлы платиновой группы (палладий, иридий, родий, осмий, рутений).

Из 82 металлов таблицы Д.И. Менделеева к промышленно важным относятся только 34.

Химическое и агрономическое сырье:калийные соли, фосфатное сырье ( фосфориты и апатиты), борные руды, сера, бром, йод, плавиковый шпат (флюорит).

Техническое или индустриальное сырье:алмазы, асбест, графит, пьезооптическое сырье (пьезокварц, исландский шпат), слюды (мусковит, флогопит).

Флюсы и огнеупоры: известняки и доломиты, магнезит, огнеупорные глины, кварциты.

Строительные материалы: цементное сырье, каменные строительные материалы.

Украина обладает мощной минерально-сырьевой базой различных полезных ископаемых, в значительной мере определяющих уровень развития ее производительных сил. На территории Украины выявлено более 80 видов минерального сырья, на базе которых разведано свыше 7 тыс. месторождений. Около 4 тыс. из них разрабатываются. Украина, занимая около 3% территории бывшего СССР, обеспечивала 20% объема общесоюзной добычи минерального сырья.

Недра Украины содержат все виды твердого топлива – каменный и бурый уголь, торф и горючие сланцы, которые интенсивно осваиваются (за исключением горючих сланцев). Украина обеспечивала в бывшем СССР 25% добычи угля, 37% коксующихся углей и примерно 60% антрацитов.

На Украине известны три нефтегазоносные провинции: Днепровско-Донецкая впадина, Карпатская и Крымско-Причернорморская. Первая из них, открытая еще 1937 г. (Ромны, Ахтырка), включающая около 50 нефтегазовых месторождений, дает более 80% добычи нефти и газа. Карпатская нефтегазоносная провинция охватывает Закарпатье, Украинские Карпаты, Прикарпатье с прилегающей с востока частью Волыно-Подолии. В ближайшие годы на Украине предполагается ежегодная добыча 7-9 млн. т нефти, 30-32 млрд. кубических метров газа.

Ведущее место в топливно-энергетическом балансе Украины занимает каменный уголь, промышленные запасы которого сосредоточены в Донецком и Львовско-Волынском бассейнах. Месторождения бурых углей сосредоточены в Днепровском угольном бассейне.

Геологические запасы кондиционных углей Украины составляют около 100 млрд. т.

Основные запасы горючих сланцев сосредоточены в Болтышской впадине (на границе Кировоградской и Черкасской областей). Выделено 5 горизонтов мощностью 2-40 м на глубине 180-500 м. Содержание керогена 30-40%, выход смол 10-20%, зольность 50-60%, теплота сгорания 10-16 МДж/кг. Залежи горючих сланцев выявлены также в Днепропетровско-Донецкой впадине, в Карпатах (Волыно-Подольская плита) и в Крымских горах.

По запасам железных руд Украина в бывшем СССР занимала второе место (приблизительно 30%). Главные железорудные районы: Криворожский железорудный бассейн, Кременчугская магнитная аномалия и Керченский железорудный бассейн. Рудные тела пласто–, столбообразной и линзовидной формы. Мощность их от 2-4 до 100-120 м. Осадочные железные руды Керченского бассейна представлены пластами бурых железняков с содержанием железа 32-40% и мощностью от 2 до 15 м.

На территории Украины свыше 2 тыс. залежей торфа, рудопроявления олова, меди. Основные запасы каменной соли на Украине сосредоточены в Донбассе и Закарпатье. Содержание NaCl в солях достигает 98-99%. Значительные запасы соли содержит рапа соленых озер и лиманов (Сивашское и другие месторождения) и природные подземные рассолы в Предкарпатье.

Месторождения самородной серы сосредоточены в Предкарпатском сероносном бассейне. Содержание серы – 20-27%. Наиболее крупные месторождения – Немировское, Язовское и Подорожненское. Прогнозные ресурсы графита на Украине составляют свыше
1 млрд. т (около 50% запасов бывшего СССР), разведано 300 месторождений и проявлений графита. Месторождения кристаллического графита (Троицкое, Завальевское и др.) связаны с телами графитовых гнейсов и их корой. Рудные тела залегают среди метаморфизированных пород и в среднем содержат 6% графита.

Месторождения Еленовское, Новотроицкое, Каракубское и др. содержат флюсовые, а Часов-Ярское месторождение – огнеупорные глины.

4.3. Добывающие предприятия и их отличительные особенности

В добывающей промышленности различают следующие добывающие предприятия: шахта, рудник, карьер.

Шахта– горнопромышленное предприятие по добыче полезного ископаемого подземным способом. Включает наземные сооружения и горные выработки.

Рудник – горное предприятие по добыче полезного ископаемого (преимущественно руды) открытым и подземным способами.

Карьер – горное предприятие по добыче полезных ископаемых открытым способом. Применительно к карьеру по добыче угля используется термин «разрез».

Горное дело существует с давних времен и в наши дни является одной из основ экономической деятельности человека.

Горное дело прошло долгий исторический путь. А.И. Арсентьев и В.А. Падуков выделяют четыре этапа развития горной техники: биоэнергетический, машинного производства, электрификации, автоматизации.

Биоэнергетический этап (человек-инструмент-предмет труда) связан с использованием в качестве энергии мускульной силы человека и животного.

Этап машинного производства (человек-машина-инструмент-предмет труда) связан с изобретением и использованием паровой машины, развитием машинного производства и расширением масштабов горнодобывающей промышленности.

Этап электрификации позволил интенсифицировать производство, повысить производительность машин и оборудования.

Этап автоматизации характеризуется передачей функций управления горной техникой специальным устройствам.

Расширение области применения непрерывных процессов – одно из важнейших направлений в развитии горнодобывающей промышленности. В последние годы на горных предприятиях широкое распространение получают циклично-поточная и поточная технологии добычи скальных, осадочных пород и руд при одновременном увеличении доли открытых работ.

Работы по проходке и поддержанию горных выработок, выемке горных пород называют горными. Для разработки месторождения при помощи горных работ по определенному плану проводят сеть подземных или открытых горных выработок, в которых осуществляются производственные процессы. В практике горных работ выделяют два основных способа разработки месторождений твердых полезных ископаемых: подземный и открытый.

Подземным называют способ, при котором месторождения разрабатывают с помощью подземных выработок. При открытом способе месторождения разрабатывают с помощью открытых горных выработок. Подземные горные выработки могут при этом использоваться лишь в некоторых случаях: для размещения конвейеров в наклонных выработках, для выдачи руды из карьера Ингулецкого ГОКа, для подачи железнодорожных составов, для погрузки руды со дна карьера (Центральный рудник в Хибинах) или для осушения водоносных пород. Ряд месторождений полезных ископаемых разрабатывают комбинированным способом: верхнюю часть – открытым, нижнюю – подземным способом.

В процессе разработки месторождения подземным способом выделяют три стадии горных работ: вскрытие, подготовку и очистную выемку. К особенностям добывающих предприятий следует отнести:

1. Обязательное проведение поисков и разведки месторождения полезных ископаемых.

Поиск – комплекс геологоразведочных работ, направленных на выявление промышленно-ценных скоплений полезных ископаемых как возможных источников минерального сырья для нужд народного хозяйства и на их прогнозируемую геолого-экономическую оценку.

Разведка – комплекс работ, проводимых с целью определения промышленного значения месторождений полезных ископаемых, получивших положительную оценку в результате поисково-оценочных работ.

2. Полная взаимосвязь с природной средой.

Эта взаимосвязь характерна для технологических процессов, являющихся источниками воздействия на природную среду, среди которых следует отметить:

1) устройство промплощадок под буровые и другие геологоразведочные работы;

2) строительство дорог, коммуникаций промышленного и коммунального назначения, зданий и сооружений предприятий;

3) проходку вскрывающих и подготовительных горных выработок;

4) добычу полезных ископаемых подземным и открытым способами;

5) складирование пород и отходов производства;

6) засыпку естественных углублений рельефа (балок, оврагов, русел, ручьев и т.д.);

7) строительство опор, акведуков для прокладки водопроводов большого диаметра;

8) оврагообразование при сбросе сточных вод и др.

Основные количественные характеристики источников геомеханических нарушений следующие:

длина и площадь фронта горных работ;

скорость подвигания фронта работ;

глубина работ от поверхности;

мощность выносимых пород, толщина нарушаемого слоя почвы;

высота насыпки пород;

мощность обрушивающихся при подземных горных работах пород, высота сводов обрушения, параметры зон сдвижения пород над очистными и подготовительными выработками;

объемы извлекаемых полезных ископаемых, пород, сопутствующих компонентов;

объемы, площади и скорости движения сточных вод по рельефу местности.

3. Мобильность основных средств труда.

Очистное, проходческое и другое оборудование при работе постоянно перемещается и при его эксплуатации попадает в различные горно-геологические условия, в то время как в других отраслях промышленности средства труда устанавливаются и работают в стационарных условиях.

4.4. Технологический и жизненный циклы добывающих предприятий

Различают жизненный и технологический циклы добывающих предприятий.

Жизненный цикл – период от дня проектирования предприятия до его закрытия.

Технологический цикл – период от начала использования определенной технологии до смены ее другой. Так, для угольной отрасли характерны технологические циклы, связанные с использованием широкозахватной выемочной техники, затем узкозахватной с применением индивидуальной крепи и этой же техники с применением механизированных крепей.

Срок службы предприятия – предельное время, считая от начала эксплуатации технического объекта, в течение которого он функционирует с требуемой эффективностью, включая время работы объекта по прямому назначению, а также время простоев из-за ремонтов, по организационным причинам и т.д. Например, при минимальной производственной мощности строящейся шахты (1-2 млн. т в год) срок ее службы должен быть не менее 25-30 лет.

Известны следующие этапы производственного цикла:

1) поиск и разведка полезных ископаемых (их определения приведены в предыдущих разделах);

2) проектирование и строительство горных предприятий.

Проектирование – это разработка комплексной технической документации (проекта), содержащей технико-экономические обоснования, расчеты, чертежи, макеты, сметы, пояснительные записки и другие материалы, необходимые для строистельства (реконструкции) горного предприятия.

Процес строительства горного предприятия подразделяют на несколько периодов: подготовительный (внутриплощадочные и внеплощадочные работы); первый основной (оснащение и проходка стволов); переходной (от проходки стволов к проведению протяженных выработок); второй основной период (проведение горизонтальных и наклонных выработок, строительство шахтной поверхности, подготовка к сдаче предприятия в эксплуатацию);

3) эксплуатация месторождения полезных ископаемых или его части.

4.5. Горно-геологические условия разработки полезных ископаемых

На эффективность ведения горных работ влияют следующие основные горно-геологические факторы:

1. Глубина разработки. С увеличением глубины разработки возрастает вредное влияние горного давления; интенсивнее проявляются пластические свойства горных пород; увеличивается температура горных пород на глубине 1000 м до 36-40°С; возрастают число и интенсивность горных ударов внезапных выбросов угля, пород, газа и др. При углублении горных работ на каждые 30 м для угленосных и 45-50 м для рудоносных отложений температура повышается на 1°С.

2. Форма месторождения. От форм месторождения зависит принимаемая схема его вскрытия, технологические схемы ведения горных работ, обводненность и др.

3. Физические и механические свойства полезного ископаемого. Физические свойства породы – это специфическое ее поведение при воздействии определенных внешних физических полей или тел. Физическое свойство породы оценивается несколькими показателями, которые называются параметрами и являются количественной мерой свойства. В соответствии с классификацией, принятой в физике горных пород, основными группами физических свойств, в зависимости от вида внешнего физического поля, считаются: плотностные, механические, тепловые, электрические, магнитные, волновые, радиационные, гидрогазодинамические.

Механические свойства горных пород характеризуют изменения формы, размеров и сплошности горных пород под воздействием механических нагрузок, которые возникают в результате действия естественных или искусственных факторов.

4. Состав и строение пород. Горные породы по составу и строению весьма разнообразны. Насчитывается свыше 4000 различных пород, свойства которых зависят от их минералогического состава и структуры. Свойства пород учитываются при выборе оборудования, типа взрывчатых веществ, схем расположения скважин и шпуров, на методы взрывания оказывают влияние трещиноватость и пористость, вязкость, пластичность, упругие показатели, пределы прочности горных пород.

5. Обводненность месторождений. Это насыщенность массива из горных пород подземными водами, которая определяет величину ожидаемого притока воды в выработки и осложняет ведение горных работ. Подземная разработка обводненных месторождений может сопровождаться внезапными прорывами воды и плывунов, пучением почвы, обрушением кровли; открытая разработка – оползнями и др. Критерием оценки степени обводненности месторождения является тип месторождения по обводненности. Для каждого из выделенных типов месторождений по этому фактору разработаны методы расчета водопритоков в выработки, инженерные мероприятия по защите их от воды и снижению отрицательного влияния подземных и поверхностных вод на условия ведения горных работ.

Содержание в породах и поступление воды в горные выработки определяется величиной коэффициента водообильности шахты – количество воды (кубические метры), которое выдается из шахты водоотливными установками на 1 т добычи полезного ископаемого в течение года. Для разных шахт коэффициент водообильности изменяется от десятых долей до 35 и более.

6. Экологические условия. При строительстве и эксплуатации горных предприятий нарушается рельеф местности, изменяются состав и режим поверхностных и подземных вод, загрязняется водный и воздушный бассейны и меняется продуктивность почв. В результате этого первоначальная (естественная) экологическая система окружающего района претерпевает значительные изменения. Нарушаются ее энергетика, естественный круговорот веществ, биохимические и другие процессы. Эти условия учитывают при комплексном решении вопросов взаимодействия горных предприятий с окружающей природной средой и создании рационального функционирования природно-промышленных систем разного уровня. Следует разрабатывать и практически осуществлять технически возможные, экономически необходимые и целесообразные мероприятия, обеспечивающие рациональное использование и охрану природных ресурсов с учетом интересов настоящих и будущих поколений.

7. Газовыделения при разработке месторождений. При ведении горных работ происходит выделение газов в атмосферу шахты или карьера. В угольных шахтах источники газовыделения: разрабатываемые, смежные подрабатываемые или надрабатываемые пласты угля и пропластки, вмещающие породы. Выделяются газы (в основном метан и углекислый) через свободную поверхность пласта и из отбитого угля.

В условиях шахтной разработки рудных, соляных и нефтяных месторождений происходит выделение газов, содержащих взрывоопасные углеводородные компоненты (метан и его гомологи, водород, пары бензина), а также вредных ядовитых газов (углекислого, сероводородного, окиси углерода, окислов азота, акролеина). Источники выделения углеводородных газов (до 2000-3000 м3/сут) – осадочные породы, вредных и ядовитых – горное оборудование с двигателями внутреннего сгорания, взрывные работы.

Основные источники газовыделения в карьерах: вмещающие породы и полезные ископаемые, горное оборудование и взрывные работы. Газовыделение из полезных ископаемых и вмещающих пород связано в основном с окислительными процессами, особенно при разработке месторождений сульфидных руд и углей.

Для очищения горных выработок от газообразных продуктов и пыли, образующихся при работе горных машин, выполнении взрывных работ и других производственных процессах, от углекислого газа, а также для снижения температуры воздуха и обеспечения его нормального состава служит проветривание.

В карьерах для снижения поступления вредных газов вскрытые участки изолируют от доступа окислителей; производят химическое ингибирование, интенсификацию выемки окисляющихся участков полезных ископаемых.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Шахта, карьер