Gospodarka Surowcami Mineralnymi - Mineral Resources Management

W artykule podjęto problematykę przyszłej roli węgla kamiennego w bilansie energetycznym Polski. Wymaga to uwzględnienia i szczegółowej analizy wiciu przesłanek, na podstawie których ten bilans powinien być sporządzony. Do najważniejszych z nich należy zaliczyć: rozwój gospodarczy kraju warunkujący wzrost popytu na energię elektryczną i ciepło, możliwości pozyskania węgla kamiennego oraz regulacje emisyjne obowiązujące w sektorze energetycznym. Realizacja celu pracy wymagała zastosowania odpowiednich metod analitycznych, właściwych dla specyfiki zjawisk i rynków o złożonych i często trudnych do uchwycenia zależnościach. Oprócz analizy eksperckiej oraz statystycznej (analiza trendów zużycia węgla), właściwej dla rynków w miarę ustabilizowanych, w pracy wykorzystano podejście modelowe, przydatne w określaniu skutków ekonomicznych i strukturalnych dla zmiennych w czasie procesów zachodzących w otoczeniu gospodarczym. Opierając się na przyjętych założeniach badawczych, dla najbardziej prawdopodobnych scenariuszy sporządzono krajowy bilans węgla kamiennego w perspektywie do 2020 roku oraz sformułowano najistotniejsze wnioski. Zgodnie z nimi znacząca rola węgla kamiennego w bilansie energetycznym kraju, bez względu na rozważany scenariusz rozwojowy, powinna być utrzymana. Prognozowana wielkość zużycia węgla do 2010 roku utrzyma się na poziomic około I 00 mln ton rocznic i warunkach wysokiego popytu na energię elektryczną może być po tym okresie zachowana. Co więcej, w świetle wyników niniejszych badań wzrost możliwości podaży węgla poprzez wykorzystanie istniejących mocy produkcyjnych w kopalniach lub ich rozbudowę wydaje się działaniem ekonomicznie uzasadnionym (scenariusze wys_eko_mid i wys_eko_high). Możliwy wzrost zużycia węgla w scenariuszu wys_eko_high do roku 2015 i dalej szacowany jest w granicach 7-8 mln ton. Co warte podkreślenia, wzrost ten możliwy jest w warunkach obowiązywania restrykcyjnych regulacji ekologicznych.

Odpady powstające w kopalniach węgla kamiennego nabierają coraz większego znaczenia z uwagi na duże zapotrzebowanie na kruszywa oraz mieszanki mineralne do budowy dróg i autostrad. W artykule pokazano, że pomimo iż wskaźnik powstających odpadów przy produkcji węgla co roku maleje, to przy obecnym wydobyciu węgla ilości powstających odpadów są nadal wysokie i w roku 2006 w Kompanii Węglowej wyniosły 14,6 mln ton (tab. I). W dalszej części artykułu omówiono możliwości produkcji kruszyw mineralnych na przykładzie wybranych kopalń KW S.A. oraz ich zastosowania w branży budowlanej i drogowej (tab. 6). Na przykładzie KWK ,,Bielszowice" scharakteryzowano dokładnie istniejącą instalację technologiczną produkcji kruszyw mineralnych (rys. 2 i 3) oraz pokazano koncepcję jej rozbudowy (rys. 4). Także nowoczesne rozwiązania podobnych instalacji zaprezentowano dla kopalń ,,Halemba" i ,,Marcel" (rys. 5). W artykule scharakteryzowano również niektóre właściwości fizykomechaniczne kruszyw z odpadów powęglowych (tab. 2, 3, 4), omówiono badania oraz procedury prawno-techniczne jakie wykonują kopalnie w celu uzyskania możliwości wprowadzania tych kruszyw do handlu.

W artykule przedstawiono efekty poszukiwań odpowiedniej metody optymalizacji dla postawionego problemu badawczego. Rozważanym zagadnieniem z zakresu modelowania robót górniczych jest planowanie robót eksploatacyjnych w wielozakładowym przedsiębiorstwie górniczym. Należy zauważyć, że w warunkach obecnie funkcjonujących przedsiębiorstw, zakres tego planowania dotyczy możliwości wyposażenia planowanych robót, ponieważ parametry geometryczne pól ścianowych jak i kolejność ich wybierania są znacznie wyprzedzająco zapisywane i akceptowane w sporządzanych planach techniczno-ekonomicznych. Istota podjętego problemu oraz jego złożoność obliczeniowa wymagały poszukiwań efektywnej metody optymalizacji na zbiorze wiciu możliwych rozwiązań. W artykule przedstawiono uproszczony model analizowanego zagadnienia: przyjętą reprezentację, cel oraz przykładową funkcję oceny rozwiązań. Z uwagi na objętość wzorów dla wyprowadzenia postaci funkcji oceny krótko przedstawiono najważniejsze zależności pomiędzy elementami składowymi funkcji a wartością postępu zawartą w reprezentacji problemu oraz, w pewnym uproszczeniu, tok generowania rozwiązania. W dalszej części publikacji przedstawiono charakterystykę wybranych klasycznych metod optymalizacji, które podzielono na algorytmy, oceniające tylko pełne rozwiązania oraz algorytmy, które wymagają oceny rozwiązań częściowo skonstruowanych (niepełne rozwiązania pierwotnego problemu) lub przybliżonych (pełne rozwiązanie zredukowanego problemu). Wskazano ich zalety i wady oraz odniesienie ich do sformułowanego problemu badawczego. Omówiono również podejście ewolucyjne, które umożliwia intensyfikację poszukiwań przestrzeni rozwiązań i tworzenie efektywnych heurystyk. Zaprezentowano kilka właściwości, które przemawiają za wykorzystywaniem algorytmów ewolucyjnych do rozwiązywania złożonych zagadnień, w tym również do przedstawionego w artykule przez autorkę.

Przedstawiono wyniki badań terenowych, petrograficznych oraz technologicznych piaskowców dolnojurajskich (liasowych) okolic Przysuchy i Opoczna. W obszarze o powierzchni ponad 200 km2, zlokalizowanych zostało pięć kamieniołomów (w trzech z nich prowadzi się wydobycie na lokalne potrzeby mieszkańców, w tym w dwóch złożach bez koncesji). Odsłaniające się w nich piaskowce należą do hetangu - serii sklobskiej (złoża Kamienna Góra, Ruszkowice), synemuru - serii ostrowieckiej (odsłonięcie w Brzuśni oraz złoże Mroczków Gościnny), a także plicnsbachu - serii gielniowskiej (odsłonięcie w Skrzynnie). Charakteryzują się one przeważnie jasnoszarą, bądź żółtą barwą (różowe piaskowce spotykane sąjcdynie w złożu w Mroczkowie Gościnnym), drobnym lub średnim uziarnieniem oraz najczęściej bezładną teksturą (rzadko występuje laminacja i warstwowanie przekątne). Piaskowce tworzą ławice o miąższości od kilku centymetrów do około metra. Obserwacje mikroskopowe wykazały, że są to arenity kwarcowe. W ich składzie ziarnowym oprócz kwarcu znajdują się niewielkie ilości okruchów skal krzemionkowych, muskowitu i skaleni (Skrzynno, Mroczków Gościnny) oraz pojedyncze okruchy skal ilastych i węglanowych (Mroczków Gościnny). W skład spoiwa wchodzi natomiast - w różnych proporcjach - krzemionka, minerały ilaste i związki żelaza. Piaskowce z omawianych złóż według normy PN-84/B-0 I 080 należą do skał średnio ciążki ch i ciążki ch (gęstość pozorna od 1960 do 2700 kg/m3), mało i średnio nasiąkliwych (nasiąkliwość wagowa od 2,8 do 9,7%,), słabo i średnio wytrzymałych na ściskanie (wytrzymałość na ściskanie od 23,8 do 121 MPa). Mogą zatem być wykorzystywane jako materiał budowlany. Ze wstępnej oceny bloczności wynika, że jedynie piaskowce ze złoża w Skrzynnie mogą być stosowane jako bloczny material architektoniczny (bloczność ok. 35%). Niewielka wytrzymałość na ściskanie, rządu 30 MPa, czyni z nich ponadto latwourabialny surowiec rzeźbiarski. Piaskowce z kamieniołomów w Ruszkowicach i Brzuśni charakteryzują się mniejszą miąższością lawie, wobec czego tylko częściowo nadają się do produkcji bloków. Pozostałe partie wymienionych złóż, a także całość kopaliny pozyskiwanej ze złoża Mroczków Gościnny, mogą być przeznaczone do wyrobu drobnych elementów foremnych lub tzw. ,,lupanki piaskowcowej".

Technologię spalania w złożu fluidalnym polska energetyka zawodowa zaczęła stosować w połowie lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. Spalanie w kotłach fluidalnych spowodowało pojawienie się nowych rodzajów odpadów. Ze względu na specyficzne właściwości odpadów z kotłów fluidalnych ich zastosowanie w szeregu przemysłach jest obecnie ograniczone. Potencjalnie istnieje jednak wiele możliwości ich wykorzystania. Najważniejszym kierunkiem zagospodarowania popiołów fluidalnych w Polsce jest górnictwo podziemne, które umożliwia masowe wykorzystanie tych odpadów w różnych technologiach górniczych. Innym kierunkiem gospodarczego wykorzystania popiołów fluidalnych jest produkcja cementów, w których mogą spełniać rolę regulatora czasu wiązania, supcrpucolany lub kompleksowego dodatku pucolanowo-siarczanowego. W przemyśle materiałów budowlanych popioły te mogą być również stosowane jako dodatek do wytwarzania betonów, ale przy zastosowaniu odpowiednich plastyfikatorów lub po ich wcześniejszym zmieleniu. Popioły te mogą również znależć gospodarcze zastosowanie w procesach odsiarczania spalin w energetyce zawodowej oraz w rolnictwie i leśnictwie do odkwaszania, nawożenia i melioracji gleb. Odpady fluidalne mogą być stosowane z powodzeniem w geotechnice jako wypełniacz do mas bitumicznych, do wykonywania zaczynów iniekcyjnych, jako czynnik stabilizujący podłoże w pracach drogowych i inżynieryjnych oraz do budowy nasypów.

W Polsce jednym z głównych źródeł zanieczyszczenia atmosfery jest energetyka zawodowa, emitująca ditlenek siarki, powodujący w środowisku największe zmiany. W 1994 roku, w wyniku podpisania przez polski rząd tzw. II Protokołu Siarkowego określone zostały graniczne wielkości emisji SO2, które docelowo powinny zostać osiągnięte do roku 2010. W tym celu zainicjowany został między innymi program inwestycyjny budowy instalacji odsiarczania spalin w polskiej energetyce zawodowej. Ciągły rozwój technik spalania paliw i odsiarczania stosowanych w elektrowniach i elektrociepłowniach powoduje powstawanie nowych rodzajów odpadów. Półsucha metoda rozpyłowa należy obok mokrej metody wapniowej odsiarczania spalin do najczęściej stosowanych na skalę techniczną technologii usuwania SO2 z gazów odlotowych. W metodzie mokrej sorbentem jest mleko wapienne lub zawiesina kamienia wapiennego, a w metodzie półsuchej wapno. O ile w przypadku nowej generacji mokrych metod wapiennych otrzymuje się czysty gips, który nic jest traktowany jako odpad, lecz jako surowiec wtórny, zastępujący stopniowo naturalny gips, o tyle produkty odsiarczania z metody półsuchej są uznawane za odpady, znacznie trudniejsze w utylizacji. Dla każdej instalacji w metodzie półsuchej w zależności od istniejącego układu odpylania gazów, warunków eksploatacji instalacji odsiarczania oraz wahań stężenia SO2 w strumieniu gazów zmienia się skład chemiczny i mineralny produktu odsiarczania. W pracy przedstawiono wyniki badań składu chemicznego i fazowego, mikrostruktury oraz powierzchni właściwej i uziarnienia odpadów z półsuchej metody odsiarczania spalin (Elektrownia Siersza, Elektrociepłownia Łódź). Odpady są drobnoziarniste, przypominają popiół lotny i zawierają głownie CaSO3-0.5HzO, Ca(OH)z (nieprzereagowany sorbent), CaCO3 (skarbonatyzowany sorbent), CaSO4 i CaC12·2H2O. Na podstawie charakterystyki fizykochemicznej zaproponowano możliwość ich wykorzystania w produkcji materiałów budowlanych (spoiwa siarczynowe i anhydrytowe). Dla oceny możliwości otrzymania spoiw, odpady poddano prażeniu w temperaturze 350 i 600°C, a następnie określono ich zmiany składu fazowego i mikrostruktury. Przeprowadzono standardowe badania czasu wiązania i wytrzymałości na ściskanie zaczynów na bazie odpadów niemodyfikowanych oraz modyfikowanych dodatkiem popiołu lotnego. Badania próbek laboratoryjnych wykazały, że wytrzymałość na ściskanie zaczynów z mieszaniny odpadu z Elektrowni Siersza i popiołu lotnego osiąga wartość 5 MPa po 7 dniach twardnienia. Z odpadu z półsuchej metody odsiarczania spalin po przeprażeniu w temperaturze 350° można otrzymywać spoiwa siarczynowe o właściwościach podobnych do właściwości spoiw gipsowych stosowanych w budowlanych robotach wykończeniowych. W wyniku utlenienia siarczanu(IV) wapnia do siarczanu(VI) wapnia w zakresie temperatur 500-600°C uzyskuje się produkt o właściwościach zbliżonych do naturalnego anhydrytu.

W artykule zostały zaprezentowane wyniki badań wpływu uziarnienia węgli i zawartości w mieszance węglowej składników inertnych (schudzających) na ciśnienie generowane podczas pirolizy przez warstwę plastyczną. Do badań użyto trzech węgli koksowych wyraźnie zróżnicowanych pod względem stopnia metamorfizmu oraz dodatków schudzających w postaci: antracytu, węgla brunatnego oraz pyłu koksowego z instalacji suchego chłodzenia koksu. Badania wykazały, że poziom ciśnienia generowanego podczas pirolizy przez złoże uplastycznionych ziaren węglowych zależy od właściwości reologicznych substancji węglowej, z której są one zbudowane. Wysoki poziom ciśnienia mogą generować zarówno ziarna grube, drobne jak i pośrednie, pod warunkiem, że podczas pirolizy będą tworzyć odpowiednio płynną masę plastyczną. Badania potwierdziły również, że skutecznym sposobem regulowania ciśnienia wytwarzanego przez złoże uplastycznionych ziaren węglowych (warstwę plastyczną) jest dodatek do mieszanki węglowej składników schudzających, które nic uplastyczniają się podczas pirolizy. Z przeprowadzonych badań wynika, że wielkość dodatku wprowadzanego do mieszanki w celu obniżenia ciśnienia generowanego przez warstwę plastyczną zależy w znacznym stopniu od plastyczności węgli koksowych, która sprzyja wysokiemu ciśnieniu oraz od zdolności schudzających składników inertnych. Skuteczność schudzania jest indywidualną cechą każdego składnika i wynika rn.in. z różnic w zdolnościach adsorpcyjnych tych składników wobec uplastycznionej termicznie substancji węgli koksowych.

Brak przewidywalności zjawisk przyrody oraz możliwość popełnienia błędu przez człowieka sprawiają, że przy prowadzeniu prac poszukiwawczych za złożami węglowodorów należy się liczyć z możliwością wystąpienia stanów awaryjnych w postaci erupcji ropy naftowej lub gazu ziemnego. Dochodzi do nich zwykle w wyniku niespodziewanego nawiercenia struktur zbiornikowych zawierających gaz, ropę lub solankę pod wysokim ciśnieniem, którego nie jest w stanie zrównoważyć ciśnienie słupa płuczki wiertniczej. Erupcja gazu lub gazu i ropy prowadzi najczęściej do pożaru natomiast gwałtowny wypływ gorącej solanki do znacznego zanieczyszczenia gleb, gruntów i wód w rejonie wiertni. Zagrożenie dla załogi oraz dla środowiska uzależnione jest od wielu czynników jednak do najważniejszych należy zaliczyć: rodzaj płynu wypływającego w niekontrolowany sposób, występujące w nim toksyczne zanieczyszczenia, czas trwania erupcji, szybkości podjęcia działań ratunkowych oraz trafność ich doboru. Prawdopodobieństwo wystąpienia erupcji w trakcie wiercenia otworu można zminimalizować dzięki prowadzonym na bieżąco pomiarom podstawowych parametrów technologicznych i kontrolnych oraz posiadaniu efektywnych procedur i nowoczesnych systemów przeciwerupcyjnych. W artykule dokonano identyfikacji geologicznych, technicznych i technologicznych przyczyn występowania erupcji węglowodorów w trakcie prowadzenia prac wiertniczych, zwłaszcza w warunkach występowania anomalnic wysokich ciśnień złożowych. Na tej podstawie autorzy opracowali efektywne metody prognozowania zagrożenia erupcyjnego przy prowadzeniu prac poszukiwawczych za złożami węglowodorów oraz metody likwidacji erupcji. W tym celu opracowano również algorytmy postępowania, które umożliwiają szybkie i prawidłowe podejmowanie decyzji oraz prowadzenie działań ratunkowych, Sformułowano także zalecenia technologiczne, które pozwalają łatwo i efektywnie prowadzić profilaktykę przeciwerupcyjną.