Открытые горные работы

При разработке неглубоко залегающих пластов полезных ископаемых, для создания доступа к ним, удаляют покрывающую толщу пустых пород, т.е. проводят открытые горные выработки.

Открытый способ добычи – генеральное направление горнодобывающей промышленности. Открытым способом добывается ¾ всего объема полезных ископаемых (в том числе железной руды – 86%, фосфоритов – 75%, руд цветных металлов – 66%, угля – 42%, строительных горных пород – 100%). Производительность труда при добыче открытым способом значительно (при добыче угля ~в 9раз) выше, чем при добыче шахтным способом из-за применения более мощной техники, меньших сроков строительства, меньших капитальных затрат и меньшей себестоимости продукта.

Горное предприятие, представляющее собой совокупность горных выработок и осуществляющее разработку месторождения полезного ископаемого открытым способом, называется карьером (угольное – разрез).

Открытая разработка месторождения нерудного полезного ископаемого включает следующие основные производственные процессы: подготовка поверхности земли (вырубка лесов, отвод поверхностных вод, осушение водоемов), подготовка места для отвала пустых пород, прокладка железнодорожных и автомобильных дорог, проводка линий электропередач, строительство зданий, проведение вскрышных работ, добыча полезного ископаемого и его транспортировка.

Существует два варианта разработки полезных ископаемых: экскаваторный и гидравлический. Экскаваторный – универсален, в этом случае используются выемочные и транспортные машины, а также различные приемы рыхления пород и ископаемого. Гидравлический основан на использовании энергии струи воды из гидромонитора. Применим ограничено на вскрышных работах на легко размывающихся и транспортируемых водой породах.

Вскрышные работы – удаление пустых пород, покрывающих полезное ископаемое. Процесс производства вскрышных работ слагается из следующих операций: снятие вскрышных пород, транспортировка их до отвалов и размещение в отвалах.

Подготовка пород к выемке ведется буровзрывными работами или непосредственно экскаваторами. После взрыва часть кусков взорванной горной породы может превосходить размеры кондиционных фракций. Эти куски дробят взрывным или механическим способом.

Ископаемое транспортируют на обогатительную фабрику или потребителям, вскрышу – в отвал (отвал – это породная насыпь, образующаяся в результате планомерного размещения пустой породы). Транспортирование – важнейший технологический процесс из-за перемещения огромных масс. Используют железнодорожный, автотранспортный, конвейерный и гидравлический транспорты.

При открытом способе добычи окружающая среда подвергается более сильному воздействию, чем при подземном, так как значительно увеличивается объем отвальных пород, на длительные сроки выводятся из эксплуатации большие участки поверхности земли. При разработке месторождений открытым способом к основным источникам загрязнений относится производство массовых взрывов, эксплуатация горнодобывающей техники и автомобилей. Массовые взрывы на карьере относятся к периодическим источникам загрязнений, т.к. производятся обычно раз в 2 недели. Заряд взрыва достигает 800-1200т, а количество взорванной им горной массы – 6млн.т. При этом в атмосферу выбрасывается около 200-400т пыли. Считается, что 1т взорванного взрывчатого вещества дает 40м³ СО, кроме этого выделяются оксиды азота.

Практически все горные работы сопровождаются пылеобразованием. Так, при бурении скважин интенсивность пылевыделения равна 1,5г/с, при перемещении породы экскаватором – 6,9, при погрузке угля роторным экскаватором – 8,5 г/с. Постоянно действующими источниками пылеобразования являются автомобильные дороги. В некоторых карьерах на их долю приходится 70-90% всей выделяемой пыли. Значительные количества пыли поступают в атмосферу при погрузочно-разгрузочных работах. Интенсивность пылевыделения при выемке угля экскаватором составляет 11,65 г/с, при погрузке в железнодорожные вагоны - 1,15 г/с. Из-за использования большого количества транспортных средств, обширных территорий под разрезами, а также производства мощных массовых взрывов загрязнение атмосферы при открытой добыче значительнее, чем при подземном способе.

Загрязнение атмосферы газопылевыми выбросами происходит также при эрозии, окислении и горении породы в отвалах. В отвалах кроме породы находятся горючие вещества (уголь, сланцы, пирит). Образуется масса, склонная к окислению, в результате которого происходит ее самонагревание и самовозгорание. На этот процесс влияет не только состав, но и строение отвалов. Наиболее благоприятные условия для самовозгорания создаются на терриконах и хребтовых отвалах, у которых горючие вещества накапливаются в верхней части отвала, где есть достаточный приток воздуха. Горение породы на действующих отвалах носит очаговый устойчивый характер. Температура в зоне горения достигает 800-1200^оС. Величина газовыделения из горящих действующих и недействующих отвалов различна. От одного горящего террикона среднего объема, содержащего углеотходы с низким содержанием серы (0,4-1%) за один час в атмосферу выбрасывается более 89 кг SO² и 25 кг СО. Спустя год после прекращения эксплуатации интенсивно горящие отвалы снижают выделение газа до 0,5, через 2 года – до 0,3, 3 года – 0,1.

Большие объемы сточных вод, образующиеся при горных работах, связаны с высокой водообильностью разрабатываемых угольных месторождений.

Все рудники имеют отвалы, которые занимают большие площади, возвышаются на десятки и сотни метров. Расстояние до них увеличилось до 15-20км. Недействующие отвалы могут стать причиной несчастных случаев и катастроф: быстрое перемещение отвальных пород может разрушить здания, дороги. Необходима постоянная откачка рудничных, дренажных, артезианских вод. При этом осушаются породные массивы, снижается зеркало грунтовых вод, проседает поверхность. На Курской магнитной аномалии открытыми разработками нарушено более 30тыс.га, около каждого карьера депрессионная воронка грунтовых вод достигает в диаметре 35км, а площадь осушения равна 1тыс.км² (100тыс.га). Урожайность сельскохозяйственных культур на землях в районе КМА уменьшилась на 50%.

Площадь территории, подвергающейся неблагоприятному воздействию, в 10-15 раз превышает площадь карьера с отвалами пород. Дым, пыль, вредные газы с отвалов разносятся ветром, дожди и талые воды вымывают из отвалов вредные вещества (H₂S, SO₂, CH₄, СО,СО₂) и мелкие частицы пород. После завершения работ карьерные выемки и отвалы представляют собой безжизненные, мертвые территории, т.е. исключаются из местных экосистем. Площадь горных работ в Донбассе составляет 15тыс.км² из них с проседаниями – 8тыс.км².

Увеличение глубины и производственной мощности карьера вызывает резкий рост длины авто- и железнодорожных трасс, усложняет движение. К воздействию, оказываемому на окружающую среду непосредственно добывающими технологиями, добавляется воздействие, оказываемое транспортирующими машинами.

Таким образом, открытый способ добычи приводит к потере больших площадей земли, разрушению сельскохозяйственных угодий, природных ландшафтов.

В Донбассе сейчас существует около 1100 отвалов, в том числе более 700 действующих. Угольный Донбасс ежегодно выдает на поверхность 90млн.т углесодержащих пород, из них только около 2% является продукцией, остальное идет в отвалы обогатительных фабрик. Производительность добычи угля в Донбассе в 3 раза ниже, чем в Кузбассе, а кузнецкий уголь (с учетом стоимости перевозки) дешевле донецкого даже в самом Донбассе.

Количество отходов Львовско-Волынского угольного бассейна составляет около 100млн.м³ при ежегодном приросте около 3,5млн.м³. Из горящих терриконов этого бассейна с 1 м² площади выделяется в сутки 10,8 кг СО; 6,5 кг SO₂; 0,6 кг H₂S и NOx.

Для размещения породы, которая выдается шахтами Украины, необходимо каждый год отчуждать более 190га плодородной земли. Терриконы угольной промышленности уже занимают на Украине более 7тыс.га.

Нефте- и газодобыча (скважинная, подземная добыча полезных ископаемых)

Нефтяной промысел – это комплекс производственных сооружений, разобщенных территориально, но взаимосвязанных системами трубопроводов, энергопередач и организацией работы.

К основным сооружениям нефтепромысла относятся скважины (бурящиеся, эксплуатируемые, нагнетательные и наблюдательные), компрессорные станции, сборные пункты, нефтехранилища, пункты первичное переработки нефти, трубопроводы, различные амбары, отстойники, площадки сжигания излишков газа и конденсата, электроподстанции и некоторые вспомогательные сооружения. Каждое из перечисленных сооружений – единичный потенциальный источник техногенного воздействия на окружающую среду. Эти воздействия могут быть оказаны изолированно или пересекаться во времени и пространстве, выходя или не выходя за пределы промысла.

Нефть и газ в залежах насыщают пустоты между зернами породы, трещины и каверны пород, слагающих пласты. Обычно нефтегазовые месторождения приурочены к осадочным породам (пески, песчаники, известняки, доломиты). Иногда нефть обнаруживают в трещинах и порах изверженных пород, но эти скопления обычно не имеют промыслового значения.

В зависимости от условий залегания и количественного соотношения нефть:газ залежи делят на:

- чисто газовые (скопления природных газов не связаны с другими полезными ископаемыми),

- газоконденсатные (газ обогащен жидкими углеводородами),

- газонефтяные (газ растворен в нефти или находится над нефтяной залежью в виде газовой шапки),

- нефтяные без газовой шапки с растворенным в нефти газом.

Как правило, в продуктивной зоне пласта кроме нефти и газа присутствует вода. Породы, слагающие пласты, в основном гидрофильны, поэтому органическая фаза не может вытеснить воду. Она остается в порах пласта в виде тончайших пленок, капель. Соотношение вода:нефть может изменяться от 1:100 до 100:1.

Добыча нефти и газа осуществляется из скважин. Обычно различают:

· мелкое бурение (до 1500 м),	· глубокое бурение (до 6000 м),
· бурение на средние глубины (до 4500 м),	· сверхглубокое бурение (глубже 6000 м).

При глубоком бурении забой скважин обычно очищается от выбуренной породы потоком непрерывно циркулирующей промывочной жидкости (бурового раствора), реже производится продувка забоя газообразным рабочим агентом.

С экологической точки зрения выбуриваемые породы представляют собой серьезную проблему, т.к. при средней глубине скважин 2500 м на поверхность извлекается 350 м³ грунта, а при глубине 5000-6000 м – 800 м³. Эти породы складируются в виде отвалов вблизи буровой, сильно загрязнены буровыми растворами и нефтепродуктами.

Химические добавки в буровых растворах:

Компонент	Макс.содержание, мг/дм3	ПДКр-хоз, мг/дм3	Кратность превышения
Нитролигнин Карбоксиметилцеллюлоза Барит Са(ОН)2 Хромпик Полифенол Углещелочной реагент Нефть Взвешенные вещества		60,0 20,0 50,0 50,0 0,1 7,0 0,05 800-1250

Основными источниками загрязнения при начальном периоде создания нефтегазового промысла являются строительная техника и автотранспорт, передвижные генераторы. Количество выхлопных газов при бурении глубоких скважин составляет 2-3 м³/сек и более, т.е. 260000м³/сут. В составе этих газов присутствуют СО (0,5%), альдегиды (до 0,008%), бенз(а)пирен (до 10 мг/м³).

При вскрытии нефтяного месторождения нефть может подниматься (скважина 2) за счет:

- пластового давления,

- давления газовой шапки, причем при начальном снижении ее давления из нефти начинает выделяться растворенный газ и поддерживать давление,

- если первых двух факторов не хватает для поднятия нефти на поверхность, используют системы разработки с искусственным заводнением (скважина 1 – нагнетательная) пластов и/или с нагнетанием в пласт газа (воздух или газ). Продуктивность газовой (газоконденсатной) скважины повышают нагнетанием в пласт сухого газа (после отделения конденсата).

При современных методах разработки нефтяных месторождений даже при сравнительно благоприятных условиях (однородные пласты, невысокая вязкость нефти) нефтеотдача пластов при заводнении составляет 50-60%. Если пласты содержат тяжелую высоковязкую нефть, то нефтеотдача не превышает 15-20%.

Сейчас применяются следующие методы повышения нефтеотдачи пластов:

- методы усовершенствования процесса заводнения,

- тепловые методы воздействия на залежи в целом,

- закачка в пласты растворителей приводит к отсутствию границы раздела фаз и возникновению зоны смесимости.

При содержании в нефти более чем 2-3% парафина наблюдается его интенсивное отложение в трубах (из-за снижения температуры и перехода легких фракций нефти в газовую фазу). Основной компонент отложений – гипс. Солеотложения удаляются химическими реагентами: 10-15% растворами K(Na)₂CO₃ и K(Na)НCO₃. При этом SO₄^2- заменяется на СО₃^2- и новые осадки вымываются соляной кислотой. Для предотвращения солеотложения используют комплексонаты (трилон Б и другие).

С целью увеличения производительности скважин применяют искусственное воздействие на породы призабойной зоны для увеличения их проницаемости:

- обработка скважин соляной кислотой.

- термокислотная обработка скважин

- термоакустическая и электротепловая обработка призабойных зон применяются для очистки от парафина и смол

Нефть, газ и вода от устьев скважин, рассредоточенных по площади месторождения, направляются в систему сбора и транспортирования – это разветвленная сеть трубопроводов, проложенных на площади месторождения на (под) землей или над (под) водой (для морских месторождений). Общая длина транспортной сети достигает нескольких тысяч километров.

На старых месторождениях применяют негерметизированные самотечные системы сбора и транспортирования (за счет разности геодезических отметок). В таких системах низка скорость движения, поэтому происходит отложение механических примесей, солей, парафина. Такая система металлоемка, трудно автоматизируется, т.к. требует большого числа обслуживающего персонала – операторов, лаборантов. Потери нефти от испарения легких фракций и газа достигают 3%. В настоящее время такие системы уже не строят, но еще эксплуатируют. Современные нефтепромыслы снабжены высоконапорными герметизированными и автоматизированными системами сбора. Потери от испарения сведены к минимуму и не превышают 0,2%.

В призабойной зоне и при движении нефти и воды по трубопроводам возможно образование эмульсий – нефть в воде или вода в нефти.

На нефтепромыслах эмульсии разрушают (деэмульгаторы – многочисленные ПАВы, а также электродегидраторы) для отделения воды от нефти и вывода ее из системы транспортирования или/и обессоливания нефти, что увеличивает срок службы оборудования из-за уменьшения коррозии.

На газопромыслах к газосборному пункту подключают 10-30 скважин. На одном месторождении функционируют 5-10 газосборных пунктов, но их количество может достигать 20-25 в зависимости от размеров залежи. Добытый газ освобождается от механических примесей, охлаждается до 5-10^оС. Для предотвращения образования твердых гидратов газ осушается раствором этиленгликоля. В борьбе с образованием гидратов используются ингибиторы гидратообразования - метанол, этиленгликоль, СаСl₂.