Автореферат магистерской диссертации

     Предприятия угольной промышленности откачивают большой объем шахтных вод (более 2,5 млрд м3 год, из них, например, в Донбассе около 800 млн м3/год), которые загрязнены взвешенными веществами, бактериальными примесями и минеральными солями. Их сброс в наземную гидрографическую сеть вызывает ощутимое заиление, засоление и закисление водоемов и водотоков, дестабилизируя тем самым экологическое равновесие в угольных бассейнах. Постоянный переход горных работ на более глубокие горизонты и усложнение при этом гидрогеологических условий приводят к дальнейшему увеличению объемов и загрязненности попутно забираемых вод различными веществами, а также истощению подземных водоносных горизонтов, в том числе насыщенных чистой питьевой водой.

     До настоящего времени подавляющее большинство научных и экспериментальных работ были направлены на решение лишь одного из перечисленных вопросов: на очистку шахтных вод, их осветление, обеззараживание, деминерализацию и нейтрализацию. Осветление вод очень важно, так как оно является необходимым предварительным условием для проведения последующих стадий очистки.

     В результате выполнения научно-исследовательских работ, для очистки шахтных вод разработаны различные методы и технологические схемы. С помощью этих схем очистку шахтных вод предусматривается осуществлять после их откачивания на поверхность земли.

     Накопленный практический опыт использования различных методов и указанных схем показывает, что, несмотря на затраченные усилия, проблема техногенных шахтных водных отходов при подземной добыче угля окончательно не решена. В связи с актуальностью проблемы осветления шахтных вод, наличием новых положительных результатов ее решения применительно к подземным условиям шахт, появилась необходимость рассмотрения этого вопроса более детально.

     В процессе проникновения поверхностных и подземных вод в выработанное пространство и горные выработки через поры в породах, движения в водоотливных канавках и трубопроводах, насосах водоотливного хозяйства шахт они метаморфизуются, превращаясь в шахтные воды. При этом вода активно взаимодействует с веществом горных пород, рудничной атмосферой, другими частями, составляющими горную систему. Происходит растворение в воде различных минералов и вынос ею частиц различного происхождения. В результате обогащения посторонними примесями вода изменяет свой химический состав (минерализацию), загрязняется твердыми взвешенными, веществами (ВЗВ) органического и неорганического происхождения, а также бактериологически, в некоторых случаях приобретает кислую реакцию (рН < 6). Кроме того, взаимодействуя с оборудованием, из-за утечек масла из машин и механизмов, природные воды дополнительно загрязняются нефтепродуктами.

     Влияние системы и качества рудничной вентиляции на формирование химического состава шахтных вод проявляется через изменение парциального давления углекислого газа. При хорошей вентиляции парциальное давление углекислого газа низкое и он стремится перейти из шахтной воды в атмосферу. Вследствие этого увеличивается щелочность воды и происходит переход гидрокарбонатов в карбонаты. При плохой вентиляции наблюдается обратная картина.

     Распределение притоков шахтных вод и шахт в Донбассе по величине рН следующее: кислые — 8 % на 4 % шахт; нейтральные — 89 % на 93,8 % шахт; щелочные — 2,2 % на 2,2 % шахт.

     Из вышеприведенных данных видно, что основная часть шахтных вод Донбасса относится к нейтральным и слабощелочным. Часть шахтных вод содержит микроэлементы: никель, кобальт, медь, висмут, ванадий, цинк, бериллий, титан (никель, медь, цинк, титан присущи Донбассу). В связи с ведением горных работ на более глубоких горизонтах в последующие годы предполагается повышение минерализации шахтных вод и увеличение объемов минерализованных сточных вод. По степени минерализа¬ции шахтные воды делятся на две группы: пресные (сухой остаток до 1000 мг/л) и солоноватые (сухой остаток более 1000 мг/л), где водоприток составляет соответственно 3,2 и 96,8 %, а количество шахт соответственно 1,8 и 98,2 %. Шахтные воды Донбасса относятся к солоноватым. В большинстве случаев они имеют неблагоприятный химический состав, являются очень жесткими и без умягчения или опреснения не могут широко использоваться в народном хозяйстве, в частности для водоснабжения шахт. Средний уровень минерализации шахтных вод составляет 2700 мг/л. Особенно сильно минерализованы шахтные воды в Западном Донбассе. Их минерализация составляет более 30 г/л, а по прогнозам геологов на шахтах Новомосковского района может превысить 100 г/л. Поэтому вопрос о целесообразности опреснения шахтных вод имеет большое значение.

     В соответствии со значением рН и степенью минерализации в настоящее время выделены три типа шахтных вод, характерных по химическому составу: нейтральные пресные, нейтральные солоноватые, кислые.

     Шахтные воды вызывают коррозию материала труб и арматуры, а степень их воздействия определяется значением рН, содержанием ионов Н+, ОН, SO4-2, HCO3-, СО3-2, СL-, Mg+2, Ca+2, Na+, Zn+2, Fe+2, АL+3, Cu+2, NH4+ и растворенного кислорода. Особенно опасны для сооружений кислые и высокоминерализованные воды.

     Взвешенные вещества и бактериальные примеси являются наиболее характерными в составе загрязнений. Удаление ВЗВ является основным видом очистки нейтральных и слабощелочных шахтных вод с минерализа¬цией до 1 г/л. Оно предшествует опреснению солоноватых шахтных вод и лишь при очистке кислых шахтных вод может быть совмещено с процессом их нейтрализации. Наличие ВЗВ определяет технологические свойства шахтных вод, к которым относятся следующие: гидравлическая крупность ВЗВ, которая характеризует скорость оседания частиц в статических условиях (именно это, свойство, прежде всего, определяет конструкцию и параметры очистных устройств); способность ВЗВ к коагуляции под влиянием реагентов и величина оптимальной . дозы реагентов; фильтрационные характеристики, которые включают скорость и длительность фильтрования, потери давления в фильтрующей загрузке, содержание ВЗВ в исходной воде и фильтрате, грязеемкость загрузки, относительную фильтруемость; показатели свойств осадков; динамика (т. е. продолжительность) уплотнения, а также влажность, плотность и зольность осадка.

     Гидравлическая крупность частиц зависит от их дисперсности и массы (если частицы различного вещественного состава). По дисперсности системы вода — ВЗВ делят на тонко- и грубодисперсные. К тонкодисперсным относятся системы, содержащие частицы дисперсной фазы (взвеси) размером менее 1 мкм. Если размер частиц более 1 мкм, такие системы называют грубодисперсными. Дисперсность определяет седиментационную и агрегативную устойчивость взвешенных частиц.

     Седиментационная устойчивость характерна для частиц тонкодисперсных систем (размер частиц менее 0,1 мкм), к которым относятся, например, коллоидные системы. Такие частицы не оседают под действием сил гравитации и могут находиться во взвешенном состоянии сколь угодно долго. Их можно удалить лишь на станциях фильтрования. Агрегативная устойчивость характерна для частиц грубодисперсных систем. Особенностью грубодисперсных систем является то, что размеры их частиц велики и сила тяжести приобретает большое значение. Такие частицы оседают, и система расслаивается на высококонцентрированный слой дисперсной фазы и на слой чистой дисперсной ионном среды. Однако процесс седиментации может развиваться различно, а именно двумя путями. В первом случае каждая частица оседает самостоятельно, т. е. отдельно, не сцепляясь с другими частицами. Процесс оседания протекает медленно. Такая система называется агрегативно устойчивой. Во втором случае частицы сцепляются друг с другом под действием молекулярных сил, т. е. коагулируют, и оседают в виде целых хлопьев. Оседание протекает быстро. Такая система называется агрегативно неустойчивой. Таким образом, агрегативная устойчивость — это устойчивость против сцепления частиц, т. е. против коагуляции. Седиментационная устойчивость — это устойчивость против оседания, связанная только с размером частиц. Система может быть седиментационно неустойчивой, но агрегативно устойчивой. Агрегативная устойчивость дисперсных систем по отношению к коагуляции объясняется зарядом частиц и заключается в связывании диффузной частью двойного электрического слоя больших объемов воды с поверхностью твердого. Систему можно привести в неустойчивое состояние снижением потенциалa B3B (например, путем добавки минеральных коагулянтов, высокомолекулярных соединений, путем обработки электромагнитным полем и др.).

     Процесс оседания (седиментации) частиц происходит значительно эффективнее при условии их высокой концентрации, когда частицы существуют в облаке ВЗВ. Особенно резко этот эффект проявляется в первый час пребывания ВЗВ в воде (в том числе тонкодисперсных ВЗВ). Важное значение при разработке мероприятий по очистке шахтных вод от ВЗВ имеет знание их концентрации в воде и дисперсности.

     На большинстве шахт Донбасса (и других угольных бассейнов) водопритоки с разрабатываемых горизонтов с увеличением глубины уменьшаются, а водопритоки из погашенных выработок, наоборот, увеличиваются. Уста­навливается относительно стабильное соотношение меж­ду указанными водопритоками: доля притоков из дейст­вующих очистных и подготовительных выработок не пре­вышает 20...30 %, а в отдельных случаях не более 10 %, т. е. является значительно меньшей по сравнению с обще шахтным притоком. Именно эти малые объемы вод за­грязнены ВЗВ. Водопритоки из погашенных выработок практически не содержат или в отдельных случаях со­держат незначительные (менее 30 мг/л) количества ВЗВ. Это условно чистые воды. Однако, смешиваясь в главных водоотливных емкостях с малыми объемами загрязнен­ных вод из подготовительных и очистных выработок, они загрязняются, теряя свое ценное качество — чистоту.

     Для предотвращения загрязнения условно чистых вод при движении их по горным выработкам в направле­нии центральных (главных) водосборников, а также при смешивании с небольшими, но чрезвычайно загрязнен­ными объемами шахтных вод, стекающих с действующих горизонтов, целесообразно, во-первых, улавливать (осу­ществлять селективный отбор) их основные потоки и транспортировать по трубопроводам, а во-вторых, очи­щать перед смешивай нем малые объемы загрязненных вод. Тем самым из процесса очистки шахтных вод будут исклю­чены большие объемы воды, что резко уменьшит удель­ную нагрузку на рабочие поверхности осветлителей.

     Для реализации первой части предложения (улавли­вание и трубопроводность транспортирования условно чистых вод) условно чистые воды предварительно акку­мулируются в первичных водонакопителях непрерывного действия, сооружаемых у мест стока. Водонакопители могут устраиваться в отработанных или специально прой­денных тупиковых горизонтальных выработках, а их объем может ограничиваться путем возведения попереч­ных перемычек соответствующей высоты (например 1,5... 1,7 м). Толщина перемычки должна обеспечивать сопротивление силе полного давления жидкости на плос­кую стенку. В качестве материала перемычки рекомен­дуется бетонит. Вместимость водонакопителей должна быть оптимальной и рассчитываться из условия предотвращения свободного перелива воды через перемычку.

     Отведение аккумулированных условно чистых вод из водонакопителей может осуществляться одним из сле­дующих способов: под действием гидростатического давления; с помощью длинных сифонных трубопроводов; с помощью насосных установок. В первую очередь необ­ходимо рассматривать возможность использования ва­рианта водоотведения под действием гидростатического давления по самотечным безнапорным подающим трубо­проводам. Применение длинных сифонных трубопрово­дов для отведения условно чистых вод допускается при наличии одного из следующих условий, необходимых для включения сифона в работу: возможности временно­го повышения уровня воды в накопителе выше верхней части точки сифона; временного повышения давления в начале трубы; возможности отсоса воздуха из сифона в его верхней точке; возможности запирания концов си­фона и заливки его водой через верхнюю точку. При не­возможности реализации первых двух условий водоотведения следует транспортировать воду с помощью на­сосных установок. Достаточно одного трубопровода, чтобы отвести условно чистые воды по подземным горным выработкам. На период внезапного отключения трубопро­вода сток воды из водонакопителя допускается осуществ­лять путем свободного перелива через перемычку и далее по водоотливным канавкам.

     Расчет трубопроводов для отведения селективно-отби­раемых условно чистых вод, определение условий их прокладки, выбор материала труб и меры защиты могут проводиться в соответствии с «Указаниями по проекти­рованию трубопроводов, прокладываемых в подземных выработках угольных и сланцевых шахт» и другими об­щепринятыми методиками. При проектировании водоотводящих трубопроводов в условиях действующих шахт следует предусматривать полное или частичное исполь­зование и сохранение водопроводной сети в выработках старых отработанных горизонтов. Для обеспечения более высокой экономичности в процессе сооружения и эксплу­атации трубопроводной сети для отведения селективно-отбираемых условно чистых вод допускается использо­вать пластмассовые трубы, обладающие высокой корро­зионной стойкостью малым удельным несом, повышен­ной гибкостью. Соединение отдельных труб между собой должно быть быстроразъемным.

     Для сокращения длины трубопровода, уменьшения их линейного гидравлического сопротивления, а тем самым снижения капитальных и эксплуатационных затрат рекомендуется спускать воду из вышерасположен­ных обводненных горизонтов в водонакопители через скважины, буримые сквозь толщу породной пробки и максимально приближенные к зоне расположения глав­ных или центральных водосборников. С этой целью, а также для уменьшения загромождения выработок тру­бами целесообразно в окрестности околоствольного двора прокладывать трассу трубопровода через породный мас­сив путем бурения скважин в направлении главного во­досборника по кратчайшему расстоянию. При бурении в трещиноватых породах рекомендуется обсаживать скважины металлической трубой и монтировать задвижку для предотвращения нерегулируемого стока воды.

     При использовании обеззараженных условно чистых вод на технологические нужды шахты и при подаче их пожарно-оросительную сеть в местах примыкания трубопроводов проводов к водоотливным ставам должны также устанавливаться задвижки. Изложенные рекомендации опробованы в подземных условиях шахт им А. Ф. Засядько и А. М. Горького в Донбассе.

     Для предотвращения смешивания чистых вод с за­грязненными водами в водосборнике транспортируемым поток направляется непосредственно в коллектор центральной насосной станции. Насосная станция работает круглосуточно в автоматическом режиме. При аварий­ном отключении электроэнергии включение станции осу­ществляет дежурный слесарь по водоотливу. В периоды остановки насоса или в случае кратковременного повышения притока излишек полы переливается через бетонитовую перемычку и направляется по канавке в предварительный отстойник. В этом случае вода смешивается с загрязненными водами, сбрасываемыми в канавку квершлага из действующих очистных и проходческих забоев.

     Анализ условий эксплуатации старых и глубоких шахт Донбасса, количество которых составляет в бассейне подавляющее большинство, показывает, что при улавливании условно чистых вод не существует проблемы сооружения водонакопительпых емкостей. Ими могут быть запруженные перемычками погашенные выработки, примеры которых описаны выше, или бывшие водосборники на вышележащих отработанных горизонтах. При наличии трубопроводной связи местоположение таких емкостей по шахтному полю не ограничивается, хотя рас­положение у стволов экономически выгоднее, так как сокращает расход труб. Примером использования глав­ного водосборника отработанного горизонта в качестве накопителя условно чистых вод является случай на гор. 624 м шахты им. А. М. Горького. Проведенные наблюдения показали, что в течение длительной эксплуатации поломки гидротранспортных систем отсутствуют. Требуется лишь их профилактиче­ский осмотр.Это объясняется, во-первых, нейтральной реакцией вод и, во-вторых, отсутствием в воде ВЗВ. При таких условиях коррозия не является прогрессивной, а отложений осадков и срубах не наблюдается, вследст­вие чего в трубах не наблюдается сопротивление и пропуск­ная способность изменяются.

     Следует отметить, что улавливание больших объемов условно чистых вод, их использование на технологиче­ские нужды предприятия, спуск без дополнительной очис­тки и открытую гидрографическую сеть соответствуют реализации схемы безотходного угольного производства. Такой подход косвенно обеспечивает шахтам также другие преимущества и экономические выгоды: предотвращение размокания почвы выработок при разливе вод в периоды их "залпового" сброса участковыми водоотливами и заилении канавок; снижение пучения почвы, исключение необходимости их подрывки; устранение систематической и трудоемкой операции по очистке водоотливных канавок от шлама, а также их перекрепления; снижение гидроабразивного износа оборудования водоотлива. Сооружение трубопроводных систем требует определенных капитальных и эксплуатационных затрат. Однако они окунаются как вышеперечисленными преиму­ществами, так и прямым экономическим эффектом, кото­рый может быть достигнут за счет исключения расходов на оплату дефицитной питьевой воды при ее использова­нии на технологические нужды.

     При существующей технологии канализования по подземным выработкам и выдачи из шахт воды с большим содержанием механических примесей происходит зашламовывание водосточных канав и водосборников, подтапливание и пучение горных выработок, выход из строя откаточных путей, средств механизации транспорта и водоотлива, поддержание которых в рабочем состоянии требует больших материальных и трудовых затрат. Для обеспечения норм ПДС при сбросе в открытые водоемы шахтные воды проходят на поверхности очистку в отстойниках, прудах-осветлителях, фильтровальных станциях, строительство и эксплуатация которых также связаны с значительными затратами. Кроме того, под поверхностные, очистные сооружения отторгаются значительные земельные угодья, как правило, пригодные для сельского хозяйства.

     Осветление и организованное канализование шахтных вод в подземных выработках во многом способствуют устранению этих отрицательных явлений, позволяют выдавать на поверхность чистые от взвешенных веществ притоки шахтных вод, снизить загрязнение окружающей природной среды.

     Вопросами осветления шахтных вод и подземных условиях занимались Новочеркасский политехнический, Донецкий политехнический институты, ДонУГИ и др. Институтами "ВНИИОСуголъ" и "Южгипрошахт" были обобщены результаты их работ и проведены дополнительные исследования по технологии канализования и осветления шахтных вод в горных выработках. По результатам исследований были разработаны 9 технологических схем канализонанип и очистки шахтных вод от взвешенных веществ, удаления и обработки осадка в шахте.

     При технико-экономическом обосновании целесообразности переноса очистки шахтных вод от механических примесей с по При существующей технологии канализования по подземным выработкам и выдачи из шахт воды с большим содержанием механических примесей происходит зашламовывание водосточных канав и водосборников, подтапливание и пучение горных выработок, выход из строя откаточных путей, средств механизации транспорта и водоотлива, поддержание которых в рабочем состоянии требует больших материальных и трудовых затрат. Для обеспечения норм ПДС при сбросе в открытые водоемы шахтные воды проходят на поверхности очистку в отстойниках, прудах-осветлителях, фильтровальных станциях, строительство и эксплуатация которых также связаны с значительными затратами. Кроме того, под поверхностные, очистные сооружения отторгаются значительные земельные угодья, как правило, пригодные для сельского хозяйства. Осветление и организованное канализование шахтных вод в подземных выработках во многом способствуют устранению этих отрицательных явлений, позволяют выдавать на поверхность чистые от взвешенных веществ притоки шахтных вод, снизить загрязнение окружающей природной среды. Вопросами осветления шахтных вод и подземных условиях занимались Новочеркасский политехнический, Донецкий политехнический институты, ДонУГИ и др. Институтами "ВНИИОСуголъ" и "Юж-гипрошахт" были обобщены результаты их работ и проведены дополнительные исследования по технологии канализования и осветления шахтных вод в горных выработках. По результатам исследований были разработаны 9 технологических схем канализования и очистки шахтных вод от взвешенных веществ, удаления и обработки осадка в шахте. При технико-экономическом обосновании целесообразности переноса очистки шахтных вод от механических примесей с поверхности в подземные условия по разработанной технологии институтом "Южгипрошахт" принята наиболее капиталоемкая, ко надежная в работе схеме № 7, в состав которой входят : решетка с ячейкой 10x10 им для улавливания негабаритных и плавающих предметов; наклонный тонкослойный отстойник конструкции ДонУГИ; гидроэлеватор для удалений осадка из емкости е:го накопления в отстойнике; шламонакопитель для обезвоживания осадка; породопогрузочная машина для погрузки обезвоженного осадка из шламонакопителя в вагонетку; угольный или породный тракт для утилизации или захоронения осадка; трубопроводы, запорная арматура и средства автоматизации.

     В базовой технологии все притоки загрязненных и условно чистых вод совместно канализуются в осветляющий резервуар, из которого, освободившись от твердых частиц крупностью более 0,1 мм, сливаются в водосборник и дополнительно осветляются. Из водосборника вода с содержанием механических примесей до 500 и более мг/л насосами выдается на поверхность, где проходит очистку на очистных сооружениях. В состав очистных сооружений, принятых для обоснования, входят: станция очистки, за исключением песчаных фильтров и оборудования, обеспечивающего их промывку; регулирующие, иловые резервуары и резервуары чистой воды.

     В базовой технологии предусмотрено регулярное удаление шлама из водосточных канав, водосборников, иловых и регулирующих резервуаров, емкости его накопления в отстойнике.

     Новая технология по схеме № 7 в проекте технико-экономического обоснования рассмотрена в трех вариантах.

     В первом варианте одна часть загрязненных вод, поступающая совместно с условно чистыми водами с выемочных участков, проходит очистку на участковых очистных сооружениях . Очищенные воды насосами участкового водоотлива подаются в водосборник главного водоотлива. Другая часть притоков шахтных вод транспортируется по водосточным канавкам на очистные сооружения, расположенные в выработках околоствольного двора, а затем также сливается в водосборник.

     По второму варианту загрязненные воды, поступающие из очистных и подготовительных работ, пройдя очистку на участковых очистных сооружениях, насосами транспортируются совместно с условно чистыми водами, не требующими очистки, в водосборник главного водоотлива. Неорганизованные стоки и зумпфовые притоки, как и в первом варианте, проходят очистку на очистных сооружениях, расположенных в выработках околоствольного двора.

     Третий вариант предусматривает очистку загрязненных вод в местах, максимально приближенных к источникам загрязнений в районе ведения очистных и подготовительных работ, и их транспортирование с условно чистыми водами в участковые или центральные (главные) водосборники. Остальные притоки осветляются, как и в предыдущих вариантах.

     В новой технологии ликвидируется процесс удаления шлама из водосборников, сокращается объем работ по очистке от осадка водосточных канав, иловых и регулирующих резервуаров и других, требующих значительных затрат ручного труда. Степень очистки шахтных вод во всех вариантах (в том числе и в базовом) достигается до 30 мг/л, как с применением химических реагентов, ток и без них.

     В проектной проработке вариантов предлагаемой технологии принято к очистке загрязненных вод в объеме 60% всех притоков на шахте, что выше фактических на 30%, соответственно Объем условно чистых вод, не подлежащих очистке, занижен и составил 40%.

     Технико-экономический анализ показывает, что даже при принятом завышенном объеме очистки шахтных вод в шахте новая технология имеет приведенные затраты, эксплуатационные расходы и капитальные вложения ниже базовой. Наилучшими показателями, в сравнении с остальными вариантами, обладает второй вариант новой технологии, с применением химических реагентов. Таким образом, очистка шахтных вод от взвешенных веществ в подземных выработках, не только технически возможна, но и экономически выгодна.