Автореферат.
Введение.
В глобальной проблеме охраны окружающей природной среды заметное место отводится защите от загрязнения важнейшего её компонента – поверхностных вод. Особо остро эта проблема стоит в горном деле. В результате взаимодействия в горных выработках с разрушенными пустыми породами, полезным ископаемым на пути движения к водосборникам шахтные воды достигают высокой минерализации, в 2-3 раза превосходящей минерализацию исходной подземной воды. В них накапливаются соли тяжелых металлов, зачастую токсичные элементы, бактерии, много взвешенных веществ. Шахтные воды отличаются большим разнообразием химического состава и свойств. Они не пригодны для питья, а высокие минерализация и жесткость, агрессивность, содержание большого количества взвешенных веществ, загрязненность минеральными маслами, органическими веществами не позволяют использовать их в народном хозяйстве и для многих других целей без предварительной обработки и очистки. Неочищенные шахтные воды, поступая в поверхностные водотоки и водоемы, вызывают в них нарушение солевого режима, обуславливающее нежелательные экологические сдвиги в гидросфере, ухудшают среду обитания животных и растений. Особо актуальна проблема очистки шахтных вод для Донецкого региона, что обусловлено как ограниченностью водных ресурсов, так и определяющим влиянием сбрасываемых шахтных вод на загрязнение водных объектов региона, сброс шахтных вод приводит к ухудшению состояния и показателей качества водных объектов. Прогноз качества шахтных вод также является очень актуальным направлением, поскольку проведение таких исследований могут выявить закономерности содержания химического состава сточных шахтных вод. Данные исследования необходимы с экологической точки зрения, так как существуют проблемы, связанные с использованием сточных шахтных вод для сельскохозяйственных и культурно-бытовых целей. Шахтная вода, имея различные показатели химического состава и агрессивных свойств, негативно влияет на оборудование и аппаратуру, применяемую при добыче угля. Поэтому необходимо проводить прогнозирование этих показателей для увеличения эффективности работы оборудования и снижения экономических затрат на его замену.
Связь роботы с научными темами, планами
Магистерская работа соответствует государственной научной программе «Українське вугілля» (постанова Кабінету Міністрів України від 19.09.01 № 1205).
Цель и задачи исследований
Целью работы является факторов изменчивости химического состава шахтных вод, изучение экологических последствий сброса шахтных вод в поверхностные водотоки, а также выбор системы рациональных методов очистки шахтных вод.
Поставлены следующие задачи:
- становление особенностей химического состава шахтных вод шахты "Ударник";
- обобщение данных для прогноза качества шахтных вод;
- изучение негативного влияния сброса шахтных вод в поверхностные водотоки;
- изучение существующих методов очистки шахтных вод;
- проверка модели на конкретных объектах.
Идея работы
Идея работы состоит в следующем: прогнозирование качества шахтных вод может обеспечить более рациональное их использование в пределах объекта исследования в культурно-бытовых и сельскохозяйственных целях, а также предложить наиболее эффективные методы для очистки шахтных вод.
Объект исследования
Шахта "Ударник" горного предприятия "Снежноеантрацит"
Предмет исследования
Экология шахтных вод.
Методы исследований:
- анализ имеющегося в наличии картографического материала, отчётов;
- составление выборки для исследования структуры изучаемого объекта;
- методы графического анализа;
- методы статистической обработки.
Научная ценность (новизна) результатов
Научная ценность работы заключается в исследовании химического состава подземных вод шахты "Ударник".
Практическое значение работы
В результате проведения работы должны быть установлены участки с наиболее агрессивными шахтными водами, которые имеют наибольшее влияние на поверхностные водотоки данного промышленного района.
Результаты работы могут быть использованы на угольных предприятиях для прогноза химического состава шахтных вод. Разработанные рекомендации по улучшению очистки шахтных вод могут составить основу работы таких предприятий в экологическом направлении.
Личный вклад автора
Были обработаны, детализированы и систематизированы данные химического состава шахтных вод по шахте «Ударник» ГП «Снежноеантрацит»; построены графики зависимости содержания показателе шахтной воды в зависимости от глубины отработки; построена модель прогноза качества шахтных вод.
Апробация результатов работы
Принимала участие в ХХ Международной научной конференции аспирантов и студентов. Тезисы на тему « Проблемы очистки сточных вод шахты «Ударник» города Снежного» опубликованы сборнике докладов «Охрана окружающей природной среды и рациональное использование природных ресурсов» том 2, Донецк – 2010.
Публикации
Подготовлена к публикации статья в сборнике "Научных трудов Донецкого национального технического университета" на тему "Загрязнение поверхностных водотоков и прогноз качества шахтных вод, методы их очистки".
Анализ и обзор литературы
Проблемы влияния шахтных вод на окружающую среду появилась со времён развития угольной промышленности. В трудах Н.А.Архипова, Е.А.Ельчанинова, Л.Д.Горбачёва рассмотрены вопросы развития добычи угля и его влияние на окружающую природную среду, в том числе на водотоки. Освещён опыт проведения природоохранных мероприятий в угольной промышленности. Изложены методологические основы рационального природоиспользования при добыче угля подземным и открытым способом. Приведены прогрессивные решения по охране окружающей среды при использовании комплексных мало- и безотходных технологий разработки угольных месторождений. В публикуемых научных трудах В.Н.Власова, В.А.Горликова, В.Г.Власова, Д.И.Комкова освещены вопросы охраны окружающей природной среды, вопросы теории и практики очистки шахтных вод, нормирование оборотной воды на предприятиях по добыче и переработке угля.
Шахтные воды отличаются большим разнообразием химического состава и свойств, поэтому нуждаются в детальном исследовании их состава. В статье Н.И.Кононенко, А.П.Ощепкова, Б.Б.Немковского исследовано выявление некоторых особенностей химического состава шахтных вод. В результате исследования были сделаны следующие выводы: содержание редких и рассеянных элементов обычно намного ниже кларковых, происходит в основном их рассеивание.
Проблема прогнозирования химического состава шахтных вод стала актуальной и начала изучаться с 80-х годов ХХ века. Исследованием данной проблемы занимались В.Ф.Макляк, П.В.Калыгин, П.В.Блинов, Е.А.Яковлев. В их работах изложены сведения о подземных водах, причинах их истощения и загрязнения, а также меры борьбы с последними. Освещены возможности и условия захоронения промстоков. Обобщены методы прогнозирования химического состава сбрасываемых шахтных вод. Охарактеризованы геоэкологическое состояние и антропогенное изменение рек, экологическая роль водохранилищ. Рекомендованы методики ландшафтно-геохимического мониторинга, комплексной оценки прогнозирования состояния природной среды.
Сточные шахтные воды и находящиеся в них примеси весьма разнообразны. Поэтому нет единого способа очистки вод, а выбор оптимального метода значительно усложнён. В области данной проблемы вели работу В.Н.Власов, Э.К.Гецен, В.А.Горликов. В их сборнике представлены статьи о проблеме предупреждения загрязнения водных объектов сточными водами предприятий угольной промышленности. Данные труды охватывают вопросы очистки шахтных вод, гидрогеологии и формирование водопритоков, работы действующих очистных сооружений. М.С.Рубинов в своей брошюре «Подземные отстойники и механизация их очистки» осветил некоторые вопросы нейтрализации агрессивных воздействий механических примесей шахтных вод, рассмотрел возможные методы их очистки.
Обзор литературы показал, что исследуемая проблема еще недостаточно изучена, что дает автору возможность для дальнейших исследований.
Геологическая характеристика объекта исследований
Шахтой разрабатывается пласт h3 «Ремовский». На площади развития, по данным скважин и горных работ пласт имеет преимущественно однопачечное строение. Полезная мощность пласта колеблется 0,6-1,0м. Местами в кровле отмечены прослои углистого сланца. Тогда геологическая мощность изменяется 0,7-1,2м. Залегание пласта пологое 5-10 градусов. Качество добываемого угля характеризуется данными ситовых анализов эксплуатационных проб, взятых из очистных забоев. Уголь чёрный, с сильным стеклянным блеском, раковистым изломом, тонко-полосчатый, штриховатой структуры, отдельность призматическая, с включением пирита и кальцита, коэффициент крепости по Протодьяконову – 2.
Непосредственная кровля пласта на 65% площади участка предоставленной сланцем песчаным, 35% площади занимают песчаники. Основная кровля на большей части площади представлена песчаником и сланцем песчаным.
По обрушаемости относится к типу А2 – среднеобрушаемый.
В геологическом строении поля шахты «Ударник» принимают участие отложения среднего отдела каменноугольного периода, размытая поверхность которых практически повсюду укрыта четвертичными отложениями.
Четвертичные отложения представлены почвенно-растительным слоем, суглинками, глиной и галечником. Мощность их колеблется от 0,60 до 12,70 м.
Изучен горный массив представленный свитами С23 (между известняками Н1 и I1) и частично свита С24 ( между известняками I1 и I3).
Свита С23 является одной из самых продуктивных по угленосности в районе. По данным буровых и горн6ых работ общая мощность свиты С23 составляет 875 м. В свите находится более 30 антрацитовых пластов, из которых 9 пластов достигают рабочей мощности: h10, h8, h7, h61, h6, h31, h1, h21, h2, при этом пласты h10, h8, h7, h6 практически отработаны.
Отличительной особенностью свиты С23 является наличие мощных шаров песчаника, а также ограниченное количество известняков, которые имеют малую мощность, поэтому маркирующими горизонтами они не могут быть.. На отдельных площадях маркирующими являются известняк Н4, Н51, Н5.
Свита С24 вскрыта частично, её общая мощность 385 м, а мощность вскрытой её части – 277 м. Промышленного значения по угленосности не имеет. Рабочую мощность по отдельным пересечениям имеют антрацитовые пласты i1 и i2. Основные маркирующие горизонты – маломощные известняки I1, I2, I3.
Каменноугольные отложения представлены песчаниками, песчаными сланцами, глинистыми сланцами, углями и известняками.
Площадь оценки относится к восточной части северного крыла (и частично замковой части) Чистяковской синклинали, которая в свою очередь относится к Северной синклинали Донецкого бассейна.
Синклиналь постепенно погружается на северо-запад под углом 3-50.
Преимущественно субширотное направление пород на востоке переходит в северо-восточное. Углы падения пород изменяются от 10-180 в пределах верхних горизонтов. До 7-100 на нижних, и до 4-100 в донной части синклинали.
Относительно спокойное залегание каменноугольных пород усложнено наличием разрывных нарушений типа сбросов.
Подземные воды на участке приурочены к каменноугольным и четвертичным отложениям. Водоносные горизонты в каменноугольных отложениях заключены в трещиноватых песчаниках и известняках. По условиям накопления и циркуляции подземные воды пластовотрещинные, преимущественно напорные. Питание водоносных горизонтов происходит за счёт инфильтрации атмосферных осадков на участках выхода водовмещающих пород на поверхность.
Шахтные воды по химическому составу преимущественно сульфатно- гидрокарбонатнонатриево-магниевые с минерализацией 1,2-2,0, слабощелочные и жёсткие.
Средний приток воды в горные выработки по этому пласту 240м куб/час.
Минимальный приток 180 м куб/час.
Максимальный приток 300м куб/час.
Методика исследований
Основу работы составляет следующий фактический материал:
- геологические, геоморфологические, тектонические, геолого-гидрологические, физико-географические карты, схемы, планы, разрезы исследуемого объекта;
- изучение состава и качества подземных вод (выполненные лабораторией «Стандарт») по следующим показателям: катионы кальция, натрия, калия, магния; анионы хлора, гидрокарбонат-ионы, сульфат-ионы по трём горизонтам 15 (глубина 506,5 м),16 (глубина 724,9 м), 17 (глубина 751,33 м ). Общее количество проб – 44, объём пробы – 2 л. Отбор проб осуществлялся 2 раза в год. Количество проб на горизонте 15 составляет 22 пробы, на 16 горизонте – 13 проб, на 17 горизонте – 4 пробы. Диапазон глубин отбора проб составляет от 220 м до 815 м.
Для каждого показателя состава шахтных вод проведён графический анализ изменения с глубиной. По характеру изменчивости показатели объединены в группы.
Были найдены статистические характеристики, корреляционные связи, выведены уравнения регрессии состава шахтных вод на изучаемом объекте. Рассчитываемые уравнения позволят определить зависимость содержания основных компонентов шахтных вод от других показателей, которые в ней находятся.
Очистка шахтных вод
Шахтные сточные воды и находящиеся в них примеси разнообразны. Поэтому нет единого способа очистки вод, а выбор оптимального метода значительно усложнен. Следует различать методы механической, химической, физико-химической и биологической очистки производственных сточных вод. На наш взгляд для данного предприятия (шахта «Ударник») следует применить следующие методы очистки шахтных вод:
- для извлечения взвешенных суспензированных и эмульгированных примесей – коагуляция и флокуляция, осаждение гравитационное и центробежное, фильтрование, флотация, центрифугирование (для грубодисперсных частиц), электрические методы осаждения (для мелкодисперсных и коллоидных частиц);
- для очистки от органических соединений - озонирование;
- для очистки от минеральных (неорганических) истинно-растворенных соединений наиболее эффективный - обратный осмос. Осмос - свойство воды проникать от слабого раствора соли к концентрированному, через полунепроницаемую мембрану.
В процессе обратного осмоса, вода под давлением проникает от более концентрированного к более слабому раствору соли, через полунепроницаемую мембрану. Молекулы соли имеют больший размер, чем молекулы воды, и поэтому мембрана их задерживает. Так, из воды полностью убирается кальций, магний, железо, соль. Обратный осмос также удаляет некоторые опасные химические вещества из воды.
В результате применения данных методов можно выбрать наиболее эффективный, который обеспечит наиболее стабильную экологическую ситуацию в регионе.
Выводы
В ходе исследований были рассчитаны и проиллюстрированы зависимости показателей химического состава шахтных вод с глубиной (рис. 1), установлена тенденция увеличения значений этих показателей относительно глубины отработки угольных пластов. Были выявлены следующие особенности химического состава шахтных вод:
- кислотность шахтных вод обусловлена наличием в них свободной серной кислоты и характеризуется концентрацией водородных ионов (рН);
- изменение минерализации происходит за счёт смешения шахтной воды с более пресными водами, выпадением в осадок некоторых солей и т.д.;
- в зависимости от парциального давления происходит переход слаборастворимых карбонатов в рстворимые бикарбонаты, что приводит к увеличению содержания иона НСО3-;
- снижение рН сопровождается ростом общей минерализации, концентрации ионов магния, калия, натрия, сульфат-ионов, уменьшению как абсолютного так и относительного содержания гидрокарбанат-ионов;
- обогащение шахтных вод сульфатами происходит за счет окисления сульфидов железа.
Рисунок 1 - График изменения химического состава подземных вод в зависимости от глубины отработки угольных пластов шахты "Ударник" (8 кадров, 117 Кб)
Данный график отражает не только зависимость содержания изучаемых показателей в шахтной воде от глубины отработки угольных пластов, но и позволяет объединить показатели по характеру изменчивости в группы:
- группа показателей, которые неравномерно распространены в шахтной воде: минерализация Cl-, HCO3-, показатель pH,Mg2+.
- группа распространяющихся показателей: K++Na+.
- группа накапливающихся показателей: Ca2+.
Проанализировав получившуюся матрицу корреляции (Таблица 1), для дальнейшего исследования были отобраны те показатели, которые имеют значимые связи. Значимых связей изучаемых показателей с глубиной отработки не обнаружено, но обнаружены значимые связи между такими показателями Cl- и рН (-0,38); Cl- и Mg2+ (-0,32); Са2+ и рН (-0,54); Са2+ и минерализация (0,61); SO42- и минерализация (-0,59). Корреляционный анализ позволил объединить изучаемые показатели в группы с значимой положительной связью (Са2+ и минерализация) и значимой отрицательной связью (остальные выше указанные показатели). Наличие положительной связи говорит о родстве данных показателей, отрицательная связь указывает на наличие дополнительных факторов, которые обусловили их перераспределение.
Таблица 1- Таблица корреляционных связей показателей химического состава шахтных вод.
На основании графического анализа (см. график) характера изменчивости показателей были выбраны прогнозируемые переменные и построены уравнения регрессии. Уравнения были построены для показателя минерализации и катионов хлора, так как распределение данных показателей меняется значительно.
Ниже будут приведены результаты регрессионного анализа для выбранных уже показателей:
Cl- п = -18,46 *[Mg2+]-493,81*[рН]+7503;
М п = - 2,68*[SO42- ] +5,73* [Са2+] +7177,
где М (минерализация), рН, Mg2+, Cl- - содержание показателей мг/л;
Са2+п, М п,- прогнозируемые показатели.
Искомые уравнения были применены для прогнозирования химического состава шахтных вод шахты «Ударник».
Было рассмотрено несколько схем очистки шахтных вод, и была предложена одна из них применительно к шахтным водам шахты «Ударник». Данная схема предусматривает в конечном итоге получить воду, качество которой будет соответствовать качеству технической воды, что позволит использовать её повторно. Таким образом, шахтные воды перестанут загрязнять окружающую среду и принесут пользу для дальнейшего производства.
Результаты проведенных исследований будут использованы в дальнейшем для расчета оценки точности выведенных регрессионных уравнений и прогноза изменения значений вышеперечисленных показателей подземных вод шахты «Ударник». Окончание исследовательской работы предполагается в декабре 2010 года.
Список используемой литературы:
- Матлак Е.С., В.Б. Малеев Снижение загрязненности шахтных вод в подземных условиях/ - К.:Тэхника,1991.- 345 с.
- В.И. Николин, Е.С. Матлак Охрана окружающей среды в горной промышленности/ - К.: Донецк: Вища шк. Головное вид-во, 1987. – 460 с.
- В.А. Меркулов Охрана природы на угольных шахтах/ - М.: Недра, 1981. – 810 с.
- С.В.Яковлев, Ю.М. Ласков и др. Очистка производственных сточных вод/ - П.: 1988. – 435 с.
- И.П. Крапчин Уголь сегодня, завтра/ - М.: 2001. – 677 с.
- Л.Ф.Долина Сточные воды предприятий угольной промышленности и методы очистки/ - Д.: 2000. – 190 с.
- Экология Донбасса: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.uaportal.com/Donetsk/Science/Ecology/
- Что такое шахтные воды и как их чистить? О.Н.Новиков: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://igooeg.ru/content/view/221/1/
- Магистерская диссертация: «Снижение влияния горнодобывающего предприятия на окружающую природную среду путем применения перспективных технологических решений по очистке шахтных вод» автор Чучелок А.: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru/2005/fgtu/chuchelok/diss/index.htm
- Эколого-геохимические особенности углей и шахтных вод Донбасса (на примере Донецко-Макеевского углепромышленного района) Шевченко О.А., Проскурня Ю.А. : [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.bestreferat.ru/referat-99066.html