Статья о решении проблемы загрязненности шахтных вод от взвешенных веществ с помощью нетрадиционного подхода, который имеет большое преимущество – не требует больших капитальных вложений и эксплуатационных расходов, а также подходит для условий шахт нашего региона. Также рассмотрен вопрос об использовании шахтных вод для хозяйственно – питьевого водоснабжения Донбасса.

      Новой идеологией природопользования, которая предполагает смену приоритетов при решении эколого-экономических задач, является концепция устойчивого развития. Речь идет о переходе от применения прямых природоохранных мероприятий к использованию альтернативных вариантов решения экологических задач, развитию мало- и безотходных, а также ресурсосберегающих технологий. Следуя этой концепции, целью охраны недр, как объектов настоящего или будущего применения, является их рациональное использование, особая роль в котором отводится так называемому комплексному использованию минеральных ресурсов (КИМР). К числу основных направлений последнего относится попутная добыча других минеральных ресурсов при разработке основного полезного ископаемого, их комплексная переработка, а также утилизация отходов.

     При подземной разработке угольных месторождений на поверхность откачиваются в огромном количестве попутно-добываемые шахтные воды, общий приток которых, например, в Донбассе составляет около 900 млн.м3/год. Из этого объема лишь 13-15 % используются на собственные нужды горных предприятий. Остальное количества недостаточно очищенных шахтных вод безвозвратно сбрасывается в гидрографическую сеть региона, дестабилизируя (совместно со сточными водами других отраслей народного хозяйства) ее равновесие.

     Современное состояние гидросферы Донбасса следует оценить, как критическое. Оно характеризуется самой низкой (в 5-10 раз меньшей) водообеспеченностью в Украине (всего лишь 190 м3/чел/год), самой высокой интенсивностью водопотребления пресной воды в стране (например, в Донецкой области оно составляет 2,5 млрд. м3/год); превышением уровня сброса сточных вод над водопотреблением на 1,2 млрд.м3/год (прежде всего за счет шахтных вод); самым низким естественным (фоновым) качеством природных вод в Украине и одновременно их высоким антропогенным загрязнением (60-70 % анализов проб воды дают отрицательный результат), вследствие чего малые реки Донбасса теряют статус источников как централизованного, так и нецентрализованного водоснабжения. Наконец, кризисная ситуация с питьевой водой в регионе усугубляется и такими факторами, как хроническим отставанием на предыдущих этапах развития водного хозяйства темпов строительства объектов очистки и канализования вод; несоответствием эффективности работы многих действующих очистных сооружений (построенным 30-50 лет назад) современным требованиям водоохранного законодательства.

     Перечисленные причины обусловили дефицит питьевой воды (только в Донецкой области он составляет в маловодные годы около 500 млн м3/год, из-за чего четвертая часть городов области получает воду по графику, а отдельные поселки используют привозную воду): высокий спрос на этот ресурс, а также самые высокие цены и затраты на него в Украине (например, при водоснабжении шахт цена питьевой воды составляет вместе с канализацией 4,01 грн/м3), которые тяжелым бременем ложатся на промышленные предприятия.

      В связи с изложенным актуальным является поиск дополнительных источников водоснабжения промышленных предприятий, а также населенных пунктов Донбасса. С позиций теоретических представлений о рациональном использовании и охране недр, концептуальных положений КИМР неограниченный сброс недостаточно очищенных шахтных вод в поверхностные водные объекты свидетельствует о недостатках в использовании природных ресурсов региона, каковыми являются попутно-добываемые подземные воды. Этот вывод указывает на необходимость рассмотрения шахтных вод в качестве возможного дополнительного источника водоснабжения, а тем самым уменьшения их отрицательного воздействия на поверхностные водные объекты питьевого назначения. Для этого надо совершенствовать технологии и искать новые пути решения проблемы очистки шахтных вод. Давайте рассмотрим одну из них.

     Как уже было сказано выше, Для Донбасса характерно наличие огромного количества действующих и законсервированных шахт, которые связаны между собой гидравлически. При этом различают два вида потоков шахтных вод, стекающих из: Действующих очистных и подготовительных забоев. Выработанного и нарушенного пространств действующих и закрытых шахт. Первый поток загрязнен взвешенными веществами, однако, его доля на большинстве шахт Донбасса не превышает 30% от общешахтного притока (причем на подготовительные выработки приходится всего 3-5%). Второй поток практически свободен от взвесей и его удельный вес составляет почти 70% от общешахтного. Однако, смешиваясь с водами первого потока, он теряет ценное качест

     Откачивание шахтных вод на поверхность осуществляется с помощью водоотливного хозяйства шахт. В современных условиях его работа характеризуют двумя особенностями: Чрезвычайно высоким ненормативным энергопотреблением (около 2,3 млрд.кВт.ч/год). Низким ресурсом работы (средняя наработка до отказа 2000-2500ч; общий срок службы центробежных насосов 4-10 мес.), снижением подачи (40-50%), напора и к.п.д. агрегатов.

     Указанные недостатки обусловлены откачиванием шахтных вод, абразивные взвешенные вещества которых ускоряют износ деталей, а также повышенной частотой выключения насосов и уменьшением промежутков времени между включениями из-за заиливания водосборников, которые превращаются фактически в водосточную канаву, теряя при этом роль регулировочных и аварийных емкостей. Одновременно снижение рабочего объема водосборников (из-за их заиливания) исключает возможность отключения водоотлива в период пиковых нагрузок энергосистем, чтобы не создавать аварийных ситуаций из-за затопления выработок. Выполненный анализ показывает, что предотвращение отрицательного воздействия шахтных вод на поверхностные водные объекты по компоненту «взвешенные вещества» (ВЗВ) и существенное повышение экономичности водоотливных установок (значительное снижение энергопотребления, повышение надежности работы насосов) может быть достигнуто лишь на основе системного подхода. С учетом гидрогеологических условий образования шахтных вод, их дренаж в горной выработке, условий канализования по горным выработкам, использования эффективных методов очистки от ВЗВ, соблюдения экологических требований к их сбросу в поверхностные водные объекты.

     Перечисленные условия могут быть реализованы только с помощью нетрадиционного подхода, а именно снижению загрязненности шахтных вод взвешенными веществами непосредственно в подземных горных выработках/1,2/. Потенциальная эффективность такого подхода подчеркивается наличием определенных предпосылок: Относительно стабильное соотношение между загрязненными водопритоками в действующих выработках (не более 30%) и условно чистыми из погашенных выработок (70% и более). Если обеспечить их изоляцию от малых объемов загрязненных вод, то объем вод, которые потребуют осветления, не превысит 30% от общешахтного притока. Это приводит к значительному снижению объемов очищаемых вод (на 65-75%, а по отдельным шахтам на 90%), а следовательно, значительному уменьшению габаритов подземных очистных сооружений. Увеличенная (на несколько порядков) крупность взвесей, содержащихся в подземных потоках шахтных вод на участковых воднотранспортных цепочках, по сравнению с частицами в водах, откачиваемых на поверхность земли. Это резко увеличивает эффективность седиментации таких взвесей в подземных отстойных сооружениях, особенно при расположении последних на действующих горизонтах.

     Реализация предложенного подхода возможна на основе двух направлений: профилактического и очистного. Профилактическое направление имеет целью предотвращение загрязнения больших объемов относительно чистых подземных вод, стекающих из выработанных пространств отработанных горизонтов шахты. Очистное направление связано с осветлением малых объемов загрязненных вод, стекающих с действующих горизонтов шахт.

     Смешивание больших объемов условно чистых вод и малых объемов загрязненных вод, стекающих с действующих горизонтов, должно производиться в водосборниках главной водоотливной установки только после предварительного осветления загрязненных вод и последующего использования трубопроводной связи или иной закрытой связи. Для предотвращения загрязнения больших объемов условно-чистых вод, стекающих из выработанных пространств, рекомендуется осуществлять их селективный отбор с помощью водонакопителей через скважины или погашенные выработки. Из водонакопителя по трубопроводу условно чистые воды поступают в главный водосборник шахты. Подача воды в зависимости от перепада высот между скважиной (или погашенной выработкой) и водосборником может осуществляться под действием собственного веса или в напорном режиме. Малые объемы загрязненных шахтных вод очищают, прежде всего, в пределах действующих с помощью водоочистных устройств, работающих на принципах гравитационного или центробежного осаждения.

     В первом случае рекомендуется использовать малогабаритные, но высокопроизводительные отстойники непрерывного действия с наклонными тонкослойными камерами осветления. Для чистки камер от накапливающегося плотного вязкого шлама должен приниматься гидравлический способ (предпочтительно гидроэлеваторы). Периодичность чистки определяется расчетным путем и уточняется экспериментально.

     Шлам можно разгружать в выработанное пространство действующего или отработанного горизонта с целью его безвозвратного захоронения; в угольную (или породную) технологическую цепочку; в этом случае с целью уменьшения объема осадка его следует подвергнуть обезвоживанию (например, с помощью шламонакопителей, вагонов с сетчатым днищем и др.). Компоновка наклонного тонкослойного отстойника и водосборника конструктивно может быть различной: они могут быть разделены расстоянием либо компоноваться в пределах единого водоотливного комплекса. В первом случае осветленная вода должна транспортироваться из отстойника по закрытой канализационной сети (лучше трубопроводной) для предотвращения их повторного загрязнения.

     В случае сооружения единого комплекса отстойник и водосборник располагаются ниже уровня почвы выработки последовательно друг за другом и разделяются водосливом. Предложенная технология, в зависимости от конкретных общешахтных условий может видоизменяться и осуществляться в различных вариантах. Даже при завышенном объеме очистки шахтных вод (например, 60% вместо 30%, т.е. удвоенной) предложенная технология имеет капитальные вложения и эксплуатационные расходы ниже традиционной. Для использования шахтных вод для хозяйственно – питьевого водоснабжения необходимо решение еще одной задачи – осветление. СНиП 2.04.02.84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» (п.3.2.) допускает для хозяйственно-питьевого водоснабжения использование подземных вод, включая шахтные воды при условии их очистки до требуемых санитарно-гигиенических кондиций и обеспечении регламентированной организации зон санитарной охраны (ЗСО) источников. В силу остаточной загрязненности подземных вод, особенно минеральными примесями, требуется их обработка, очистка перед использованием.

     Можно констатировать, что задачи осветления и обеззараживания шахтных вод в угольной промышленности решались, получены положительные результаты и поэтому на современном этапе требуется лишь совершенствование методов очистки в связи с возросшими требованиями водного законодательства. Также отработаны и стали уже традиционными в промышленности методы водоподготовки, связанные с умягчением вод, их обезжелезиванием и др. В то же время проблема деминерализации шахтных вод многие десятилетия не находит своего практического решения и остается важнейшей экологической проблемой угольной промышленности. Анализ научно-технического уровня решения этой проблемы, выполненный нами, указывает, что ее чисто технические вопросы могут быть успешно преодолены на основе использования методов ионного обмена, дистилляции, электролиза, обратного осмоса. Однако высокие затраты на строительство и эксплуатацию очистных сооружений не позволяют осуществить масштабную деминерализацию шахтных вод в регионе. В связи с ограниченностью финансовых ресурсов экологическая политика Минтопэнерго Украины на современном этапе не соответствует в полной мере требованиям природоохранного, в том числе водоохранного, законодательства страны, а потому рассматриваемая проблема, видимо, не будет решена даже в ближайшие десятилетия.

     При этом для уменьшения финансовой остроты вопроса очистки вод, получение последних требуемого качества следует обеспечивать с помощью более «мягких» технологий, в составе которых стадия опреснения (деминерализации), осуществляемая с помощью высокотехнологичных методов, либо отсутствует полностью, либо область ее применения сужается до каких-то особых случаев, В качестве такой «мягкой» технологии возможно использование так называемого кондиционирования для получения воды как питьевого качества, так и технической. На это указывает опыт эксплуатации Ольховского водохранилища, а также результаты работ других организаций Регламент кондиционирования шахтных вод предполагает их предварительную обработку (осветление, обеззараживание, обезжелезивание, подкисление или подщелачивание и др.) с помощью традиционных относительно дешевых методов и последующую (в случае необходимости, которая определяется целью получения качества воды: питьевого или технического) и корректировку ионного состава разбавлением из сторонних источников пресной воды.

     Область применения предлагаемого подхода, степень корректировки ионного состава вод зависит от исходной концентрации минеральных солей (С, г/л), жесткости (Ж, мг-экв/л), щелочности (Щ, мг-экв/л). По перечисленным показателям шахтные воды условно подразделяются на группы (классификация ОАО УкрНТЭК): 1 группа; С= 1,5 - 1,8; Ж < 12, Щ=8,12 (ареал распространения - восток и северо-восток Донецкой области, юг Луганской области; охватывает шахтные поля двадцати шахт, откачивающих почти 200 млн.м3/год вод); 2 группа: С-1,8 - 3,5; Ж < 12 (распространены на большей части территории Донбасса, за исключением ареала вод первой группы; наиболее типичны для Донецко-Макеевского района; их удельный вес в общем водопритоке региона составляет 80%); 3я группа: ОЗ,5; Ж>12 (встречаются эпизодически в отдельных районах региона

     Получение воды питьевого качества путем кондиционирования подземных вод возможно только на базе консервируемых шахт, поскольку лишь в этом случае можно выполнить требования упомянутых документов по организации поясов зон санитарной охраны (ЗСО) источников водоснабжения. Целесообразная по технико-экономическим соображениям область применения данного подхода - подземные воды первой классификационной группы, так как в этом случае требуется наименьшее количество сторонней воды питьевого качества для разбавления откачиваемых вод при корректировке их ионного состава. Предварительные расчеты показывают, что себестоимость кондиционированных вод составит 0,5 - 0,8 грн./м3, что не только значительно ниже покупной цены на питьевую воду для предприятий, но также несколько ниже и для нужд населения. Деминерализационный подход универсален, т.е. приемлем принципиально для обработки вод любой классификационной группы. Наиболее универсальным в техническом плане является дистилляционный метод. Однако экономически целесообразным его применение становится лишь при солесодержании в воде более 10 г/л и производительности более 4000 м3/час, а также наличии бросового тепла. Поэтому в диапазоне исходного солесодержания от 2 до 10 г/л для опреснения подземных вод целесообразно применение мембранных методов, в частности обратноосмотического. К его преимуществам относятся меньшая энергоемкость (поскольку вода в процессе обработки не претерпевает фазовых превращений), высокая эффективность очистки в диапазоне значения рН 4-11, простота технологической схемы. К сожалению, применение данной технологии также характеризуется высокой капиталоемкостью, требует значительных первоначальных инноваций. В то же время низкие эксплуатационные расходы способствуют быстрой окупаемости технологии.

     В соответствии с прогнозом ООН уже к 2010 году все достижимые ресурсы пресной воды в мире окажутся зарегулированными. Острая нехватка воды питьевого качества требует бережного и рационального подхода к восполнению ее запасов на основе КИМР. Для реализации положений КИМР должны создаваться соответствующие предпосылки. В частности, назрела необходимость разработки специального нормативно-методического документа по организации водозаборов на базе закрываемых и действующих шахт исходя из возможности размещения в подземных горных выработках оградительных устройств для создания ЗСО, а также содержащего требования и рекомендации по решению проблемы использования подземных вод консервируемых угольных шахт в целом.

     Его положения должны разрабатываться с учетом требований ГОСТ 2761-84 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора», а также других законодательно-нормативных актов. Такой документ должен, во-первых, классифицировать горнодобывающихе предприятия по условиям формирования шахтных вод а, во-вторых, содержать рекомендации по выполнению изыскательских работ, в том числе для изучения санитарного состояния местности в районе расположения шахты, получению информации об условиях формирования и показателях качества подземных вод; организации зон санитарной охраны (ЗСО) различного типа ликвидируемых шахт, как источников водоснабжения, исходя из возможности размещения оградительных устройств непосредственно в подземных горных выработках; выбору технологий очистки и кондиционирования подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения; выбору технологий очистки и кондиционирования подземных вод, используемых для нужд технического водоснабжения предприятий.

     Решение проблемы максимального вовлечения шахтных вод в хозяйственное водоснабжение Донбасса может быть также ускоренно путем более жесткого установления для предприятий обоснованных лимитов на расходование воды, как питьевого качества, так и использование свежей воды из канала Северский Донец - Донбасс, других источников учетом возможного использования очищенных шахтных вод.