Источник: Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Гірничо—геологічна». Випуск 112. Том 1. — Донецьк, ДонНТУ, 2007 г.
Шахтные воды оказывают на природную среду крайне отрицательное воздействие. В результате взаимодействия в горных выработках с разрушенными пустыми породами, полезным ископаемым и др. на пути движения к водосборникам шахтные воды достигают высокой минерализации. В них накапливаются соли тяжелых металлов, зачастую токсичные элементы, бактерии, взвешенные вещества и много другое, что изменяет качественные показатели окружающей среды.
Донецко—Макеевский угленосный район находится в пределах Донецкой области. В районе интенсивно развиты угольная, металлургическая, машиностроительная, коксохимическая и другие отрасли тяжелой промышленности. Для Донецко—Макеевского района – как и для большей части Донбасса – одним из основных загрязнителей природной среды является угольная промышленность. На территории района находится более 20 действующих шахт, деятельность которых негативно влияет на окружающую среду. В этой связи, наиболее важным представляется геохимическое изучение не только угля, но и шахтных вод района. Эта проблема имеет два аспекта. Во—первых, анализ содержания в компонентах геологической среды элементов в концентрациях, представляющих угрозу для здоровья человека. И, во—вторых, рациональное использование природных ресурсов, одним из направлений которого является попутное извлечение ценных компонентов.
Так как сброс шахтных вод, содержащих химические элементы в концентрациях, превышающих предельно допустимые, представляет потенциальную опасность для окружающей среды, то в первую очередь, необходимым является изучение распределения в водах химических элементов всех классов опасности. Исходными данными для исследования послужили результаты химического и спектрального полуколичественного анализов шахтных вод шахт Донецко—Макеевского района, выполненные ПО «Укруглегеология» (табл.1). Если проанализировать данную таблицу, то можно отметить, что значения минерализации имеют тенденцию к увеличению с глубиной, максимальное значение приходится на интервал 1100—1200 м шх. им. Скочинского и равно 7586 г/л. А минимальное — для глубин 300—500 м на шх. им.Бажанова и равно 2221 г/л. Остальные показатели изменяются по — разному: максимальным значение ионов K+Na находится в интервале глубин 900—1100 м на шх. им. Бажанова и равно 1904 мг/л, тогда как минимальное — на интервале 400—700 м на шх. Трудовская и равно 654 мг/л. Максимальное значение ионов Са прослеживается на интервале 400—700 м на шх. Трудовская и равно 346 мг/л, минимальное — на интервале 1100—1200 м на шх. им. Скочинского и равно 37 мг/л. Максимальное значение ионов Mg находится на интервале 400—700 м на шх. Трудовская и равно 254 мг/л, минимальное значение находится на интервале глубин 700—900 м на шх. им. Бажанова и равно 38 мг/л. Максимальное значение ионов хлора наблюдается на интервале 1100—1200 м на шх. им. Скочинского и равно 3495 мг/л, тогда как минимальное — для глубин 300—500 м на шх. им.Бажанова и равно 327 мг/л. Максимальное значение ионов SO4 прослеживается на интервале 400—700 м на шх. Трудовская и равно 1981 м, минимальное значение находится на интервале 700—900 м на шх. им. Бажанова и равно 618 мг/л. Максимальное значение показателя рН прослеживается на интервале 450—650 м на шх. им. Калинина и равно 8,7, а минимальное — на интервале 700—1000 м на шх. Трудовская и равно 6,9.
| Шахта | Интервалы глубин, м | Минерализация, г/л | K+Na, мг/л | Ca, мг/л | Mg, мг/л | Cl, мг/л | SO4, мг/л | pH |
| им. Бажанова | 300—500 500—700 700—900 900—1100 |
2221 3461 4896 6138 |
738 1145 1760 1904 |
105 65 71 181 |
79 52 38 152 |
327 880 1976 2716 |
808 769 618 1009 |
7.8 7.9 7.8 7.7 |
| им.Калинина | 250—450 450—650 650—850 850—1050 |
3056 3309 4719 4862 |
861 1053 1313 1719 |
78 58 94 42 |
85 68 92 53 |
378 531 741 1688 |
1180 1071 1879 877 |
8.3 8.7 8.2 8.2 |
| Октябрьская | 700—850 850—1000 1000—1150 |
4300 4419 5542 |
1038 1201 1827 |
133 113 81 |
129 104 86 |
840 1342 1858 |
1827 1345 1253 |
7.8 8.2 7.9 |
| им. Скочинского | 1000—1100 1100—1200 1200—1300 |
4138 7586 5648 |
1076 2750 1720 |
117 37 117 |
145 56 144 |
935 3495 1931 |
1456 673 1199 |
8 8 8 |
Объектом данных исследований является шахта «Трудовская». Поле шахты «Трудовская» и ее резервных блоков расположено в западной части Донецко—Макеевского угленосного района. В геологическом строении шахтного поля принимают участие отложения свит верхнего и среднего карбона, повсеместно перекрытые осадками четвертичного, неоген—палеогенового возраста, мелового возраста. Юрские отложения распределены в западной и северо—западной частях площади. В структурном отношении описываемая площадь приурочена к крайней юго—западной части Кальмиус—Торецкой котловины Донецкого бассейна. Поверхностные воды представлены водотоками балок, которые формируются частично за счет подземных, а также — шахтных вод. Это гидрокарбонатно—хлоридно—сульфатные, магниево—кальциевые—натриевые слабощелочные очень жесткие воды. Шахтные воды в основном сульфатно—хлоридного кальциево—натриевого состава, слабо агрессивные по содержанию сульфатов к бетонам и средне агрессивные по отношению к стальным конструкциям. По мере отработки угольных месторождений состав шахтных вод также изменяется. Это зависит от многих факторов, в число которых входят:
— глубина ведения горных работ, определяющая химический состав исходных подземных вод и степень обводненности выработок, состав газов, как растворенных в подземных водах, так и поступающих в шахту при дегазации вскрываемой толщи;
— наличие обводненных разрывных нарушений, способных гидравлически связывать подземные воды различных гидрохимических зон;
— методы борьбы с подземными водами (предварительное водопонижение или шахтный водоотлив), обуславливающий величину притока исходных подземных вод;
— марочный состав добываемого угля, химический и минералогический составы вскрываемых горных пород, вступающих во взаимодействие с шахтной атмосферой, и в ее присутствии — с подземными и шахтными водами;
— способ разрушения и степень дробления вмещающих пород и угля;
— мощность извлекаемого угольного пласта и способ управления кровлей, обуславливающие мощность зон обрушения и дренажа, а следовательно — количество и химический состав попадающих в шахту смешанных подземных вод.
Изменение химического состава шахтных вод ведет к изменению различных их качественных характеристик, к которым относятся агрессивность по отношению к бетонам, агрессивность по отношению к металлам и др.
При ведении горных работ в шахтах используют оборудование и материалы, которые имеют максимальную стойкость к различным видам воздействия, например коррозии. Однако при изменении химического состава шахтных вод меняется также и реакция взаимодействия оборудования и материалов с водами. Поэтому для увеличения производительности бетонных, стальных сооружений и конструкций, а также полимерных покрытий и деталей и уменьшения затрат на ремонт, замену или покупку более дорогого оборудования необходимо прогнозировать параметры химического состава шахтных вод.
Прогнозирование химического состава шахтных вод производится несколькими методами, к числу которых относятся метод гидрогеохимических аналогий, вероятностный, графоаналитический методы и метод экспертных оценок.
В настоящее время прогнозированию подлежат: величина общей минерализации, содержание катионов натрия и калия, кальция, магния, анионов гидрокарбонатов, сульфатов, хлора, концентрации тяжелых металлов и токсичных элементов, содержание фенолов, сероводорода, взвешенных веществ, а также другие компоненты и свойства шахтных вод, способные оказывать отрицательное воздействие на условия работы горняков, сохранность окружающей среды, крепи, оборудования и др.
Задачей наших исследования является составление прогнозной модели химического состава шахтных вод шахты «Трудовская» для определенного горизонта работ, исходя из данных химических анализов шахтных вод шахт Донецко—Макеевского района и нахождения шахты—аналога.
Проанализировав качественный состав углей, глубины отработок угольных пластов, горно—геологические условия и многие другие факторы, можно сказать, что вероятнее всего для шх. Трудовская шахтой—аналогом будет являться шх. Октябрьская. Авторами в ходе исследования был выбран вероятностный метод оценки в виду неоднородности данных по химическому составу шахт Донецко—Макеевского района.
Прогнозирование химического состава шахтных вод данным методом выполняется в несколько этапов:
— проводится изучение условия формирования химического состава и агрессивных свойств шахтных вод ближайших шахт угленосного района;
— производится количественная и качественная сравнительная оценка перечисленных выше факторов на полях шахт района и на разведываемом участке с целью выбора шахты—аналога и определяется аналог;
— анализируются фактические данные по шахте—аналогу и исключаются аномальные значения, вызванные влиянием тектонических нарушений и т.д.;
— вычисляются значения обобщенных параметров и другие исходные данные;
— производится подсчет содержаний прогнозируемых компонентов в шахтных водах;
— оцениваются агрессивные свойства шахтной воды по прогнозному содержанию компонентов.
Вероятностный метод прогнозирования химического состава и свойств шахтных вод основан на нахождении корреляции между содержаниями химических компонентов шахтных вод, с одной стороны, и глубиной разработки, площадью выработок, длительностью работы предприятия и т.д. — с другой.
Данные исследования находятся на начальном этапе, который включает в себя расчет корреляционных отношений и выведение регрессионных уравнений химического состава шахтных вод относительно глубины разработки на территории Донецко—Макеевского района.
Расчет корреляционных отношений проводился с помощью статистического пакета SPSS 10.0. Проанализировав получившуюся матрицу корреляции для дальнейшего исследования отбираются те характеристики, значения коэффициентов корреляции которых не менее 0,2. В данном случае, в результате проведения корреляционного анализа было выявлено, что значимые связи имеют такие показатели как минерализация, ионы K+Na и Cl.
Результаты проведенных исследований будут использованы в дальнейшем для расчета оценки точности выведенных регрессионных уравнений и прогноза изменения значений вышеперечисленных показателей на определенных горизонтах шахты «Трудовская».