Первоисточник материала: http://www.cdc.gov/NIOSH/mining/pubs/pubreference/outputid132.htm

Обработка и очистка нагнетаемой воды: проблемы и решения на большом пласте Питсбургской шахты

Автореферат

     В последнее время, большой пласт Питсбургской шахты начал истощаться и стал развиваться в другом направлении от своего первоначального залегания, в результате чего потребовался доступ к дополнительным резервам. Это означало, что большая область шахты будет заброшена и опечатана. Однако, непрерывная разработка основных пластов шахты требовало, чтобы вода, накапливаемая в заброшенной части, в конечном итоге, должна быть откачана на поверхность. Кроме того, новая откачиваемая вода, была бы связана с основной частью шахты. Были исследованы несколько вариантов для откачки и очистки ожидаемой отводимой воды. Эта статья описывает некоторые из этих вариантов, их преимущества и недостатки, и окончательные инженерные решения. В данной статье обсуждаются некоторые проблемы и решения непредвиденных результатов.

Введение

      Образования пустот и оседание пластов во время угледобычи почти всегда приводит к притоку нежелательных грунтовых вод. Эта вода, поступающая внутрь шахты, иногда представляет существенные проблемы для шахтных диспетчеров. В зависимости от количества и расположения притока, вода должна быть удалена из действующих горных выработок. Экологические нормы и законы требуют от угольных шахт откачивать воду допустимого качества. Однако, при контакте с грунтовыми водами происходит загрязнение вмещающих пород, особенно минералами, такими как пирит, что часто требует дорогостоящих очистных сооружений для достижения текущих критериев. Как следствие, разработчики решили сохранить как можно больше воды в загерметизированных участках шахты и/или использовать эту откачанную воду в процессе обогащения угля, что может минимизировать или исключить расходы. В связи с закрытием большей части шахты, от разработчиков требовалось изобрести новую систему откачки и очистки воды. Далее описываются инженерные процессы, необходимость которых вызвана оценкой собранных результатов.

Предварительный рабочий план

      Т.к. существующая система осушения шахты стала неспособной справляться с новым притоком, рассматривались различные варианты для отведения воды из шахты. При проектировании новой насосной системы пришлось охватить основные проблемы. Некоторые проблемы перечислены ниже:

      - безопасность и операционные риски;

      - единая система водоотведения;

      - будущий запланированный проект шахты;

      - минимизация операционных и капитальных вложений;

      - увеличение производительности и, в результате, свести к минимуму эксплуатационные простои.

      Существующая система нагнетания, состоит из небольших, этажных зумпфов, и насосы этих зумпфов, размещенные в главной части шахты нагнетали на поверхность около 300 галлонов воды. Вся вода, нагнетаемая на поверхность, накапливалась в ряде водоемов, а затем использовалась на обогатительных фабриках как подпиточная вода. Вода из этих зумпфов была единственной водой, отводимой из загерметизированной части шахты, в которых накапливалась часть шахтных грунтовых вод. Эта система имела целый ряд проблем. Зумпфы были небольшими, и система имела недостаточный запас прочности для очистки воды от твердых частиц, т.к. находилась в стадии разработки. Техническое решение новой системы направлено на то, чтобы из заброшенной западной части шахты была откачана вода для дальнейшего ее использования. Существующий зумпф был ограничен в размерах и периодически наполнился твердыми частицами. Самое большее главные насосы продержались бы всего несколько месяцев, прежде всего из-за абразивных частиц в воде. Количество откачанной воды на поверхность в шесть раз превзошло бы среднюю величину из-за оптимального управления и увеличения срока службы отводной линии. Также прежние зумпфы были очень неэффективными и требовали высокого качества обслуживания, для устранения накопленных твердых тел. После предварительной оценки, были выдвинуты требования к системе нагнетания.

Определение требований к системе нагнетания

      По проекту системы нагнетания, была разработана обобщающая структурная схема. Данные для этой схемы были собраны по целому ряду направлений. Приток грунтовых вод, после герметизации был определен на встрече с несколькими мастерами, которые управляли водоотливом, когда шахта в той области была действующей. Мастера указали, что приток воды, после первоначальной выемки, был довольно прогнозируем и находился в пределах 300 gpm. Приток воды нагнетаемый по трубопроводу из южной части шахты, составил около 350 gpm. Был определен приток из действующей восточной части шахты, и он составил около 150 gpm. Был рассчитан общий максимальный прогнозируемый приток, который составляет 800 gpm. Величина притока в 1100 gpm была выбрана в качестве проектного притока. Величина притока в 1100 gpm приблизительно на 33% превышает полный приток. Используя пьезометр, были определены уровни воды в заброшенных областях шахты, для учета повышения воды в загерметизированной области. Попытка вычислить величину притока воды в загерметизированной области, используя значения повышение уровня воды, оказалась очень сложной. Природный зумпф, расположенный в конце загерметизированной области, имел несколько источников притока воды. Эта область была самым низким участком шахты и состояла из ранее отработанной очистной выработки и целика. Приток грунтовых вод и приток из действующих горных выработок нагнетается через систему трубопроводов в эту выработку и накапливается там. Теоретически, величина притока грунтовых вод могла бы быть вычислена, при разности повышения уровня воды в зумпфе и известного нагнетаемого притока шахты. Однако, требуемые данные очень трудно получить. Эти трудности связаны со сложностью определения объема зумпфа, учитывая возможность обрушения и размеров оставленных целиков. Приблизительно, объем зумпфа можно принять постоянной величиной. Однако точный объем зумпфа в загерметизированной области является теоретическим. Это связано с трудностями определения размеров обрушенных пространств, которые могут быть заполнены водой и оценкой пустого пространства внутри обрушившейся породы выработанного пространства. Была попытка рассчитать размеры выработанного пространства, используя следующие исследования: выработанное пространство принято в пределах 7 футов от вынимаемой мощности. Предполагалось, что «зона обрушения» будет основным источником воды для зумпфа из выработанного пространства. Вклад "зоны излома" и других зон выработанного пространства был сочтен незначительным. Высота зоны обрушения может быть определена по известным формулам, а объем рассчитан с учетом факторов Peng1 и Chen3. В этом случае высота обрушенного пространства принимается в 5 раз большей вынимаемой мощности пласта и в дальнейшем используется объемный коэффициент, равный 1,25. Это позволяет максимально заполнить водой весь объем высотой 35 футов от основания и 25% этого объема воды свободно хранить. Этот расчет можно принять по всей длине лавы и добавить постоянный объем штрека. Таким образом, объем этой области может быть определен с учетом первоначальных размеров угольных пластов, а объем воды, который можно хранить, определялся бы в зависимости от объема зумпфа. Главной задачей при определении объема притока воды из загерметизированной области является разработка качественной инженерной модели от общего расхода, который необходимо откачивать. Хотя и были произведены количественные оценки, объем притока грунтовых вод из выработанного пространства было очень трудно точно определить.