магистерская работа.

Cтародубцева О.В.
кафедра Аэрология и Экология

Реферат к магистерской работе.

Снижение вредного влияния горного производства
на окружающую природную среду. Очистка шахтных вод.
      Горнодобывающая промышленность является одной из важнейших отраслей производства в нашей стране. Она обеспечивает все отрасли, как первичным сырьём, так и энергетическим.
     Угольная промышленность оказывает ощутимое отрицательное влияние на окружающую природную среду. Это воздействие распространяется на природный ландшафт, атмосферу и поверхностные водоёмы не только в непосредственной близости от угольных предприятий, но и на значительных от них расстояниях. Особенно напряжённая экологическая обстановка сложилась, в первую очередь, в областях, где сосредоточены крупные предприятия по добыче и переработки угля, чёрной металлургии, машиностроения и химии.
     Главной проблемой горнодобывающей промышленности являются рациональные системы разработки месторождения полезных ископаемых. На данном этапе потери полезного ископаемого при добыче составляют 60%, а ещё мы потеряем при транспортировке и обогащении.
     Кроме того, при отработке подземных месторождений возможны повреждения окружающей среды, что влечёт за собой дополнительные убытки.
     Особенностью горных работ является временный их характер, при истощении месторождения их производство прекращают. В связи с этим горные работы целесообразно вести так, чтобы формируемые при этом новые ландшафты, выемки, отвалы, инженерные поверхностные и подземные комплексы могли бы в последующем с максимальным эффектом использоваться для других народно-хозяйственных целей. Это обеспечит снижение вредного воздействия горных работ на окружающую среду и уменьшит затраты на её восстановление.
     Во многих угольных бассейнах страны и за рубежом снижение расхода дефицитной и дорогостоящей питьевой воды для нужд, связанных с питьевым и бытовым водоснабжением, осуществляется за счет использования шахтных вод. Очищенные шахтные воды используются в процессе угледобычи для нужд комплексного обеспыливания, включающее нагнетание воды в пласт с целью дегазации и предотвращения внезапных выбросов газа и пыли, а также интенсивного пылеподавления в процессе разработки; устройства водяных заслонов на входящей и исходящей струях забоев, пластов или крыльев шахт; для орошения забоя при работе очистных и подготовительных комбайнов, а также транспортных средств; при бурении дегазационных скважин и шпуров с промывкой; на обмывку стенок основных и вспомогательных выработок для предупреждения и локализации взрыва угольной и породной пыли. Кроме того, значительный объем шахтной воды необходим поверхностным комплексам шахт и обогатительным фабрикам.
     Возможность и объем использования шахтных вод определяются:
     - наличием потребителей неочищенной и очищенной шахтной воды и их потребностью в воде;
     - требованиями этих потребителей к качеству воды;
     - притоком и физико-химическим составом шахтных вод;
     - технической возможностью и стоимостью очистки шахтных вод до требуемых кондиций.
     Основными потребителями шахтных вод являются:
     - технологические процессы на обогатительных фабриках и установках с мокрым обогащением угля;
     - профилактическое заиливание и гидрозакладка выработанного пространства;
     - котельные;
     - бани и прачечные;
     - борьба с пылью в подземных выработках, на технологических комплексах поверхности шахт и на обогатительных фабриках.
     Общие требования к воде, предназначенной для использования на технические нужды, сводятся к следующим:
     - быть безвредной для обслуживающего персонала;
     - не обладать отрицательными органолептическими свойствами; не вызывать коррозии оборудования, аппаратуры, трубопроводов и сооружений;
     - не давать солевых отложений и не способствовать развитию биологических обрастаний;
     - не снижать технико-экономических показателей производственного процесса и не создавать аварийных режимов.
     Кроме того, каждый потребитель предъявляет к воде свои специфические требования. Сопоставление перечисленных выше общих и специфических требований потребителей к качеству воды с физико-химическим составом шахтных вод с учетом объемов возможного потребления позволяет применительно к конкретным условиям шахты оценить целесообразность использования шахтных вод с технической и экономической точек зрения.
     Особые требования предъявляются к воде, используемой для борьбы с пылью. Спецификой горных работ обусловлено присутствие машиниста комбайна и его помощников непосредственно в зоне повышенного пылеобразования. Вдыхание рабочими аэрозоли, включающей связанные частицы твердого при обеспыливании, неизбежно, если они не пользуются средствами индивидуальной защиты. Поэтому, естественно, что при использовании для пылеподавления шахтных вод, содержащих взвешенные вещества, ухудшаются санитарные условия, так как к исходной загрязненности воздуха прибавляются и загрязнения, содержащиеся в воде.
     В 1975 году введены санитарные правила, по которым вода, используемая для нужд пылеподавления и комплексного обеспыливания, должна отвечать питьевому стандарту ГОСТ 2874-73. Для районов с дефицитом питьевой воды разрешается по согласованию с органами государственного санитарного надзора использовать шахтную воду, при условии ее предварительной очистки до норм питьевого качества. Последнее требование ставит перед угольной промышленностью важные задачи, связанные с необходимостью обессоливания некоторого объема шахтных вод перед их использованием для отдельных объектов водопотребления, особенно в условиях шахт Донбасса.
     Таким образом, опреснение шахтных вод в промышленном масштабе - вопрос перспективы, хотя работы в этом направлении ведутся. Отказ от использования минерализованных шахтных вод для нужд технического водоснабжения в угольной промышленности может вызвать, с одной стороны, ухудшение санитарного состояния поверхностных и подземных вод в связи с необходимостью отвода сточных вод с территории шахт, и с другой - к дальнейшему повышению дефицита питьевой воды, обусловленному необходимостью ее для технических нужд.
     В связи с дефицитом питьевой воды по согласованию с государственными санитарными органами шахтные воды используются для нужд технического водоснабжения угольных предприятий. Подача питьевой воды при этом полностью исключается. Для удовлетворения питьевых нужд подземных рабочих на шахтах организованы фляговые хозяйства.
     Сброс шахтных вод в водоемы регламентируется "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами".
     Методы очистки шахтных вод обусловливаются их физико-химическими и технологическими свойствами, а также климатическими условиями угольных месторождений. В отечественной и зарубежной практике применяются механическая (безреагентная) очистка шахтных вод, физико-химическая, химическая (реагентная), электро-химическая и другие; наибольшее распространение получили безреагентная и реагентная очистки.
     Исходя из требований, предъявляемых к качеству воды, безреагентная очистка осуществляется методами отстаивания в отстойниках и прудах-осветлителях, фильтрования через слой зернистого материала, сетки и ткани.
     Реагентную очистку применяют при необходимости более полного удаления взвешенных веществ из шахтной воды, ее стабилизации и т. п. Она осуществляется с помощью различных химических соединений или путем использования электрохимических процессов. Для достижения требуемой степени осветления шахтные воды перед отстаиванием и фильтрованием обрабатываются коагулянтами - солями алюминия или железа. Для интенсификации процесса очистки шахтных вод широко применяют высокомолекулярные флокулянты. Осветление воды, наступающее после осаждения скоагулировавших примесей, сопровождается обычно ее обесцвечиванием и частично обеззараживанием.
     В настоящее время признано целесообразным осуществлять очистку шахтных вод на обособленных очистных сооружениях, так как в отличие от сточных вод других производств они, как правило, не содержат в значительных количествах вредных и трудно растворимых примесей. Совместно с шахтными водами могут очищаться такие производственные сточные воды, которые загрязнены взвешенными веществами и не содержат каких-либо специфических загрязнений.
     Основными методами очистки шахтных вод от взвешенных веществ являются отстаивание, осветление во взвешенном слое осадка и фильтрование. Первый из них применяется как без обработки, так и с предварительной обработкой воды реагентами, а два вторых метода - преимущественно с предварительной обработкой воды реагентами. В качестве сооружений для реализации этих методов нашли практическое применение пруды-отстойники, горизонтальные (земляные и железобетонные), вертикальные и радиальные отстойники, осветлители со взвешенным слоем осадка, скорые напорные и открытые однослойные и двухслойные фильтры и фильтры с восходящим потоком очищаемой воды (контактные осветлители). Наибольшее распространение на шахтах из перечисленных выше типов сооружений получили пруды-отстойники, скорые открытые однослойные фильтры. Исследовательские работы и практический опыт очистки шахтных вод свидетельствует о том, что применяемые методы очистки и очистные сооружения имеют вполне определенную эффективность, которая достигается при оптимальных технологических параметрах работы очистных сооружений и их правильной эксплуатации.
     Методы отстаивания могут применятся в основном в качестве первой ступени очистки (предварительной очистки) от взвешенных веществ перед фильтрованием и при благоприятных условиях (невысоких требованиях к качеству очищаемой воды и хорошей осаждаемости взвешенных веществ или хорошей способности их к коагуляции под влиянием реагентов) в качестве самостоятельного метода очистки перед сбросом шахтных вод в водоемы. Наиболее высокая эффективность очистки достигается при длительном безреагентном отстаивании в прудах-отстойниках, рассчитанных на накопление осадка в течение длительного срока, и при отстаивании с предварительной обработкой воды реагентами в горизонтальных отстойниках.
     Фильтрование применяется для глубокой одноступенчатой очистки шахтных вод (до 5 мг/л) с небольшим исходным содержанием взвешенных веществ или в качестве второй ступени очистки после отстаивания или осветления в слое взвешенного осадка. Все известные типы фильтров обеспечивают практически одинаково высокое качество очистки, но отличаются друг от друга по конструктивному исполнению, технологическим параметрам и предельной величине концентрации взвешенных веществ в исходной воде. При снижении концентрации взвешенных веществ в воде, подаваемой на фильтры, эффективность и экономичность их работы повышается.
     Применение реагентов позволяет значительно интенсифицировать процесс очистки и повысить его эффективность. На практике наиболее широко используется сернокислый алюминий и полиакриламид, возможно применение хлористого железа, извести и других реагентов. Более экономично применение реагентов при очистке шахтных вод методом фильтрования по сравнению с методом осветления во взвешенном слое осадка и отстаивания за счет меньших доз.
     Очистка шахтных вод от бактериальных примесей является завершающим этапом и производится на практике путем хлорирования с использованием жидкого хлора, хлорной извести и гипохлорида натрия или бактерицидного облучения.
     Обеззараживание воды бактерицидными лучами имеет ряд преимуществ перед хлорированием. Так, при его использовании природные вкусовые качества и химические свойства воды не изменяются, а бактерицидное действие во много раз быстрее, чем хлора. Благодаря этому воду можно сразу подавать потребителям. Бактерицидные лучи уничтожают не только вегетативные виды бактерий, но и спорообразующие. Эксплуатация установок для обеззараживания бактерицидными лучами проще, чем эксплуатация хлорного хозяйства. На некоторых шахтах этот способ уже применяется.
     Добыча угля подземным способом не может производиться без откачки шахтных вод на поверхность. Выдаваемая из шахты вода загрязнена в различной степени взвешенными веществами, растворенными минеральными веществами, бактериальными примесями и поэтому, как правило, не может быть использована полностью в народном хозяйстве или сброшена в водоёмы без предварительной очистки.
     Наболее характерным видом загрязнений шахтных вод являются взвешенные вещества. Они содержатся в том или ином количестве практически во всех шахтных водах, выдаваемых на поверхность с рабочих горизонтов шахты. Вследствие этого удаление взвешенных веществ является основным видом очистки шахтных вод. Степень загрязнения взвешенными веществами зависит от гидрогеологических условий шахтного поля, физико-механических свойств угля и вмещающих пород, технологии и интенсивности ведения очистных и подготовительных работ и других факторов.
     Взвешенные вещества в шахтных водах представлены частицами угля и вмещающих пород различной крупности. Обычно в воде преобладают угольные частицы, реже породные, однако их соотношение не постоянно и может меняться с изменением условий разработки. Содержание нефтепродуктов в шахтных водах определяется в основном уровнем механизации горных работ, масштабами применения и эффективностью мероприятий по предотвращению потерь нефтепродуктов в шахтах и колеблется в широких пределах.
      Шахтная вода требует очистки и удаления примесей.
     На протяжении всего процесса очистки шахтной воды незначительная её часть сбрасывается в канализацию.
      Для орошения сельскохозяйственных угодий шахтная вода не пригодна, поэтому она проходит такие стадии очистки. Во первых вода от шахтного ствола попадает в усреднитель, для уравнивания расхода и показателей качества воды. После чего центробежным насосом подается в открытый гидроциклон, где происходит её осветление (ОГЦ), затем вода, в которую добавляется флокулянт перекачивается в тонкослойный отстойник (ТО) для осаждения частиц в большом объеме жидкости. После ТО вода поступает в скорый фильтр. Этот фильтр работает по принципу объемного фильтрования, когда примеси задерживаются в парах фильтра по всему объему загрузки за счет прилипания тонкодисперсных частиц (в десятки и сотни раз меньший размера пор) к зернам фильтрующего материала. Из скорого фильтра часть воды поступает в резервуар чистой воды (РЧВ) откуда её необходимая часть отводится на сельскохозяйственные нужды.
      Для приведения солесодержания шахтной воды в соответствии с требованиями потребителя рекомендуется устроить пруд в котором вода будет разбавляться пресными атмосферными осадками (дождевые воды, таяние снега и т. д.), после чего воду можно использовать на орошение с/х угодий.      Решение всех этих проблем является первостепенной задачей, решение которой является предельно важной для дальнейшего развития производства.
     Моя магистерская работа будет выполнена на примере шахты им. Калинина.
     Шахта сдана в эксплуатацию в 1961 г. по проекту института "Донгипрошахт" с годовой мощностью 1200 тыс. тонн угля в год.
     В 1996 г. шахте была установлена годовая производственная мощность 700 тыс. тонн угля в год, а в 1999 г.-600 тыс. тонн при 306 рабочих дней в году

.      В административном отношении шахта расположена в городе Донецке, в производственном отношении входит в состав П /О "Донецкуголь" Министерства Угольной промышленности Украины.
     Основной причиной снижения производственной мощности шахты им. Калинина с 01.01.2000 г. является горный фактор:
     Сложные горно-геологические условия отработки запасов расположенных у Французского надвига.
     Сложное тектоническое строение участка, прилегающего к Калининскому надвигу по пластам Н10 и Н8.Из-за отсутствия эффективной выемочной техники для разработки забалансовых запасов по пласту К2, К5 и К1 отработки их прекращена и запасы списаны. Значительное увеличение горного давления с увеличением глубины разработки.
     Увеличение угла падения и наличие резких перегибов пластов у которых широко развиты зоны весьма неустойчивых пород. Выбытие очистных забоев по пласту Н7 с ограниченными остаточными запасами между линией раздвоения пласта и границей целика под ядро г. Донецка.
     В связи с " Проектными решениями по рациональной выемке угля под центральной частью г. Донецка и мер охраны существующей застройки" выполненными институтом " Донгипрошахт", Утвержденными Минуглепромом УССР протоколом № 59 от 18.07.86г. , шахте запрещено ведение горных работ по всем разрабатываемым пластам под центральной частью города Донецка до внедрения выемочно-закладочных комплексов, обеспечивающих плотность закладки, исключающей деформации земной поверхности и рекомендовано оставить целики под ядро центральной части города, уникальными зданиями и сооружениями, трассой первой очереди метрополитена.
      При этом промышленные запасы в целиках под ядром центральной части города, уникальными зданиями и сооружениями и линией метрополитена по пластам Н10, Н8 и Н7 составляют 10300 тыс. тонн и запасы расположенные в блоке между западной границей охранного целика и технической границей - 5800 тыс. тонн.
      Учитывая вышеизложенное и неблагоприятную геологическую обстановку, по разрабатываемым угольным пластам Н10 и Н8, выявленную эксплуатационными и геологоразведочными работами, незначительное остаточное количество запасов по пл.Н7, реальные промышленные запасы по состоянию на 01.01.2000г. будут составлять около 15,3 млн. тонн, сосредоточены в основном на двух пластах(Н10 и Н8).
      По данным Всемирной организации здравоохранения 80 процентов заболеваний человека - следствие экологически грязной воды. Жители городов пользуются, в основном, водой из водопровода. Вода проходит слишком долгий путь от водозабора до квартир, а за нормальное санитарное состояние труб сегодня не может поручиться никто как в Украине, так во многих случаях и за рубежом. Анализ существующей информации показывает, что состав питьевой воды большинства источников Украины не соответствует требованиям по таким показателям, как содержание железа, алюминия и органических примесей (в первую очередь гумусовых веществ), которые ухудшают органолептические свойства воды, приводят к накоплению токсических соединений металлов в организме человека, вызывают аллергические реакции, болезни крови, оказывают нейротоксическое действие. Серьезная и обоснованная озабоченность качества питьевой воды в кранах квартир жителей городов выдвинула проблему доочистки водопроводной воды в ряд наиболее насущных во многих промышленно развитых странах мира. Эта проблема быстро обостряется. В связи с изложенным, актуальными являются дальнейшие попытки разработки производительных, высокоэффективных и надежных в работе устройств для очистки питьевой воды. В процессе такой разработки на первом этапе должны определяться перечень и формы присутствия в водопроводной воде нежелательных примесей, а затем выбираться или создаваться материалы и устройства, способные наиболее эффективно удалять эти примеси. При этом изложенный подход не должен акцентироваться только на техническом решении проблемы, но иметь и организационное продолжение. Тяжесть ситуации обусловлена прежде всего тем, что станции очистки воды в Украине предназначены лишь для осветления и обесцвечивания воды и не могут обеспечить достаточный эффект по растворенным примесям - солям тяжелых металлов и органическим соединениям.
      Технологии удаления из воды этих загрязнений известны, однако они требуют огромных капиталовложений, резко повышают стоимость воды, имеют низкий коэффициент полезного действия. При этом, не гарантируется необходимое качество воды в кране потребителя, из - за плохого состояния водопроводных сетей. Поэтому в целях решения наиболее острых вопросов проблемы обеспечения населения Украины питьевой водой гарантированного качества на ближайшую перспективу представляется целесообразным использовать локальные установки глубокой доочистки и кондиционирования питьевой воды в местах ее непосредственного потребления. Область применения таких установок должна распространяться, в первую очередь , на регионы экологического бедствия и близкие к ним, а также приоритетно охватывать лечебно- профилактические, детские школьные и дошкольные учреждения, предприятия пищевой промышленности о общественного питания. Следует отметить, что водоочистные установки, коллективного пользования, уже применяются во многих промышленно развитых странах. В Украине также получают признание системы питьевого водоснабжения (СПВ), сооружаемые параллельно существующему централизованному хозяйственно - питьевому водопроводу. Поскольку расход воды в сотни раз меньше, чем в хозяйственно - питьевых системах, СПВ могут быть созданы достаточно быстро и с небольшими капиталовложениями. Одним из вариантов реализации СПВ является устройство микрорайонных пунктов доочистки питьевой воды. Здесь возможно несколько подвариантов:
     а) вода отбирается из водопроводной сети, дополнительно очищается в специальной установке, а затем реализуется населению в его собственную тару;
     б) источником водоснабжения является находящаяся поблизости артезианская скважина, вода из которой при необходимости очищается, обеззараживается, а затем реализуется;
     в) вода очищается в одной или нескольких станциях, расположенных в пределах населенного пункта (аналогично варианту бутылирования), а затем специальными автоцистернами доставляется в микрорайонные пункты, заливается в баки - накопители, из которых отпускается потребителям. Анализ современных технологических схем очистки воды указывает, по нашему мнению, перспективность использования в составе установок мембранных технологий, в частности и использованием метода обратного осмоса.
      Применение мембранной технологии на основе методов обратного осмоса имеет целый ряд преимуществ, которые заключаются в следующем:
     1. Вода не претерпевает фазовых превращений (испарения или замерзания), что обеспечивает низкою энергоемкость способа, по сравнению с известными методами ее деминерализации.
     2. Высокая селективность мембран (особенно полиамидных), которая достигает в среднем 96%.
     3. Низкие эксплуатационные затраты.
     4. Простота технологической схемы, легко поддающаяся автоматизации.
     5. Технически простой контроль качества очищенной воды (например, по ее удельной электропроводности).
     6. Экологичность способа, который достигается благодаря тому, что, во-первых, вторичный продукт не складируется и не требует переработки, а сливается в канализацию; во-вторых, не применяются реагенты (типа NaCl, NaOH, H2SO4) для регенерации мембран, а следовательно нет проблемы обработки регенерационных растворов, опасно загрязняющих окружающую среду, и отсутствуют затраты на приобретение реагентов.
     7. Имеет место полная бактерицидная обработка воды благодаря совмещению схем деминерализации воды и ее обеззараживания за счет малости диаметра пор мембран, не пропускающих бактерии.
     8. Прогрессирующее развитие техники способа, поскольку мембранные технологии получают все большее развитие в мировой практике не только для очистки воды, но также для достижения других целей в химической, электронной, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Можно прогнозировать совершенствование и удешевление производства мембран.
К недостаткам способа обратного осмоса следует отнести
     1. Высокие капитальные затраты, составляющие, например, для установки 1 м3/час 6000 у.е. Однако с увеличением производительности установок эти затраты будут существенно снижаться. Кроме того, следует отметить, что в процессе работы низкие эксплуатационные расходы способствуют быстрой окупаемости установки.
     2. Низкая селективность мембран по газам (особенно H2S, HN3, размеры молекул которых очень малы). Поэтому при доочистке артезианских вод может потребоваться монтаж деаэратора. Следует отметить, что этот недостаток присущ не только методу обратного осмоса, но и другим способам с применением мембран.
     3. Практическое отсутствие промышленного производства мембран в Украине. Лучшими производителями мембран являются фирмы США, Франции, Германии, Японии. Мембраны производятся также в России.
     4. Отсутствие пролонгирующего бактерицидного эффекта. Как и при ультрафиолетовом облучении (УФ), озонировании вода обеззараживается единожды, т.е. в установке. Попадая в раздаточную трубу, вода уже не содержит окислителя (типа хлора), который продолжает убивать бактерии. Для исключения этого недостатка рекомендуется применять анодное растворение серебра (0,01 мг/л). При такой концентрации серебра в воде ингибируется (подавляется) рост бактерий.
     5. Низкое солесодержание очищенной воды (менее 50 мл/л), несоответствующее нормам СанПИНр 136/1940/21 "Вода питьевая. Гигиенические требования к качеству воды централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения" (требуется 100-1000 мл/л в зависимости от вариантов реализации очищенной воды). Поэтому деминерализованную воду надо пропускать через мел, доломиты или смешивать с обычной водопроводной водой. Библиографический список 1.Матлак Е.С. и др. Охрана окружающей среды в горной промышленности - М.: Недра,1987
2.Дорохов В.В. Технология разработки месторождений полезных ископаемых - М.: Недра,1997
3.Омельченко Н.П. Очистка шахтных вод - МакНИИ, 1999
4. Килячков А.П. Технология горного производства - М.: Недра,1992
5.Голембиевский П.П., Подтыкалов А.С., Костюк И.С. Методические указания по оформлению студенческих работ - Донецк,1998