Авторы: Е.С. Матлак, Е.Л. Беляева, Т.А. Денисенко

В Донбассе сложилась критическая ситуация с питьевой водой из-за ее дефицита, а также низкого качества, что неблагоприятно сказывается на состоянии здоровья населения. В значительной мере такое положение обусловлено сбросом в поверхностные водные объекты региона в большом количестве (почти 900 м3/год) недостаточно очищенных минерализованных шахтных вод. К сожалению, проблема деминерализации шахтных вод многие годы не находит своего практического решения из-за отсутствия достаточных финансовых средств в угольной отрасли. Можно констатировать, что эта проблема является в настоящее время в большей мере экономической, нежели технической проблемой.
В работе [1] предложен выход из этой ситуации, который заключается в рациональном использовании очищенных шахтных вод в качестве ресурса промышленного водоснабжения региона. Расчеты показывают, что себестоимость очищенных и кондиционированных шахтных вод не превысит 1,5 грн/м3, т.е. является значительно меньше современной цены питьевой воды (3,24 грн/м3). На основе показанной ценовой разницы можно ожидать компенсации приведенных затрат на деминерализацию воды.
Результаты анализа и дополнительных исследований, приведенные ниже, позволяют авторам настоящей работы заключить, что ценность откачиваемых шахтных вод состоит не только в использовании их в качестве ресурса для преодоления дефицита питьевой воды в регионе. Получаемые в процессе деминерализации рассолы можно рассматривать как комплексный сырьевой источник обычных, т.е. широко распространенных солей (типа NaCl, Na2SO4 и др.), так и ценных редких и рассеянных химических элементов.
Мировой опыт показывает, что в ряде экономически развитых стран из природных вод получают в промышленных количествах литий, рубидий, цезий, бор, йод, бром и некоторые другие редкие элементы, а также их соединения. Это объясняется увеличением спроса промышленности на редкие металлы и преимуществами, свойственными водным месторождениям (большие запасы, простота обогащения, возможность извлечения продукта с больших площадей и значительных глубин).
Порядок минимальных концентраций, представляющих промышленный интерес по ряду элементов, которые могут быть использованы в качестве критериев оценки шахтных вод на полезные примеси, составляет (мг/л): литий – 10; натрий – 50000 (при получении поваренной соли); калий – 1000; рубидий – 3; цезий – 0,5; стронций – 300; барий – 200; бор – 100; германий – 0,05; вольфрам – 10; хлор – 80000 (при получении поваренной соли); бром – 300; йод – 10.
Из многообразия подземных минерализованных вод только три генетических их вида представляют практическое значение по концентрации редких металлов и ресурсам:
– пластовые хлоридные воды и рассолы;
– углекислые воды альпийской зоны;
– термальные хлоридные воды вулканических областей.
В настоящее время горные работы в Донбассе проводятся уже на отметках глубин порядка 1400 м. Они достигли (начиная с глубин 800-1000 м) зоны весьма замедленного водообмена с высокоминерализованными реликтовыми водами или рассолами хлоридного типа. Эти водные системы оказались настоящими аккумуляторами редких микроэлементов. Число последних достигло 30, подавляющее большинство, из которых представлены редкими и тяжелыми металлами. При этом обнаружилась характерная особенность: в откачиваемых шахтных водах содержание микроэлементов на 1-2 порядка выше, чем подземных природных водах, за счет которых они формируются. Дополнительная концентрация микроэлементов в шахтных водах обусловлена процессами, связанными с миграцией элементов из горных пород в шахтные воды при фильтрации последних из горного массива в пройденные подземные выработки.
Минимальными миграционными свойствами обладают кальций и селен, а максимальными кадмий, стронций и цинк.
На основе сочетания катионов и анионов и относительной концентрации их в водном растворе природные воды классифицируют, выделяя при этом семейства, группы, типы, подтипы, классы и подклассы [2]. Классы вод выделяются по одному или двум катионам.
Наиболее перспективными на редкие элементы являются воды, и рассолы семейства хлоридных вод группы А. Но из многочисленных геохимических классов хлоридных вод в этой группе лишь определенные классы обогащаются редкими элементами. В частности, выделяют всего 5 классов хлоридных вод, представляющих промышленный интерес: Cl – Ca –Na; Cl – Na – Ca; Cl – Mg – Ca; Cl – Na – Mg; Cl – Ca – Mg.
Выполненные расчеты показали, что не все шахтные воды по химическому составу могут быть отнесены к тому или иному геохимическому классу подземных вод по указанной классификации Л.С.Балашова [2] и, следовательно, предполагать в них содержание редких элементов в промышленных концентрациях, нет оснований. Но в то же время расчеты показывают, что по отдельным шахтам шахтные воды могут быть отнесены к І (крепкие рассолы) и V классам. Эти шахты расположены в районах городов Красноармейск, Стаханов, Доброполье, Угледар, Луганск, Павлоград, Макеевка и др.
Ранее глубокое изучение шахтных вод на содержание в них редких элементов практически не проводилось, а потому приведенные в настоящей работе данные получены на основании предварительных сведений содержания редких элементов в шахтных водах из различных угольных производственных объединений и холдинговых компаний. Можно предположить, что распределение, условия и процессы накопления редких металлов в подземных водах зависят от многих факторов, одним из которых существенным является их содержание в водовмещающих породах с последующей миграцией в шахтные воды. Так, например, для накопления в подземных водах стронция и кальция имеет значение развитие в окрестности шахты сульфатных и карбонатных пород. Содержание редких щелочных элементов в водах обычно возрастает с увеличением минерализации вод, однако эта зависимость сложна и неодинакова для различных геохимических классов подземных вод. Большое влияние на накопление редких элементов оказывают геолого-тектонические и геохимические условия региона, литологический состав пород, другие геологические факторы. Все это приводит к тому, что концентрация редких элементов в подземных водах изменяется в широких пределах. Наибольшей способностью к накоплению в водах обладают редкие элементы с ярко выраженными анионными и катионными свойствами. Такими элементами являются литий, рубидий, цезий и стронций, а также йод, бром и бор. Концентрации этих элементов в отдельных геохимических классах подземных вод могут существенно превышать их содержание в земной коре, т.е. достигать промышленных значений. Как указано выше, приведенная оценка шахтных вод по содержанию в них редких элементов является предварительной, т.к. сделана на основании единичных данных, полученных в результате анализа отдельных проб воды. В связи с этим вопрос о содержании в шахтных водах редких элементов требует дальнейшего изучения. Но уже сегодня, рассматривая содержание микроэлементов в шахтных водах, нужно отметить, что для Донбасса характерны повышенные концентрации стронция, титана, никеля и брома.
Вопрос получения этих и других элементов, а также минеральных солей из шахтных вод должен решаться в процессе деминерализации последних и последующей переработки концентрированных рассолов. Такой подход является наиболее целесообразным, т.к. в концентрированных рассолах содержание искомых элементов увеличивается на несколько порядков. Несмотря на то, что оценка ресурсов гидроминерального сырья в Донбассе дана на основании упрощенных расчетов и является скорее качественной, можно прогнозировать, что объемы таких ресурсов представляют промышленный интерес. Задача заключается в уточнении этих объемов и выделении в регионе участков, перспективных для извлечения искомых элементов в процессе деминерализации шахтных вод. Для этого требуется многократный систематический анализ состава вод в течение нескольких лет.
Комплексный подход к очистке откачиваемых шахтных вод, а именно деминерализация вод с попутным извлечением промышленно ценных продуктов и последующей реализацией их, а также очищенных вод потребителям на финансовой основе позволит решать как экологические задачи горных предприятий, так и экономические проблемы строительства дорогостоящих деминерализационных установок.

Литература

1. Матлак Е.С., Беляева Е.Л., Романова В.Ю., Долгорукова Н.Н. Возможности и перспективы использования шахтных вод в хозяйственном водоснабжении Донбасса. Вода и здоровье – 2001: Сб. науч. статей / Одесский гос. ценр науч. – техн. и экономич. информации; - Одесса: ОЦНТЭИ, 2001.- С. 141-144.
2. Балашов Л.С. Подземные хлоридные воды и рассолы как комплексный сырьевой источник редких и рассеянных элементов. Тр. Юбилейной сессии ученых советов ВСЕГИНГЕО, МГУ, МГРИ и ВНИИИС, 1968, С.96 – 124.