Вступ.

Введение.

В глобальній проблемі охорони навколишнього природного середовища помітне місце відводиться захисту від забруднення найважливішої її складової – поверхневих вод. Особливо гостро ця проблема стоїть в гірничій справі. Внаслідок взаємодії в гірничих виробках з руйнованими порожніми породами, корисним копалинам на шляху руху до водозбірників шахтні води досягають високої мінералізації, яка в 2-3 рази перевищує мінералізацію вихідної підземної води. В них накопичуються солі важких металів, часто токсичні елементи, бактерії, багато зважених речовин. Шахтні води відрізняються великим різноманіттям хімічного складу та властивостей. Вони не придатні для пиття, а високі мінералізація та жорсткість, агресивність, вміст великої кількості зважених речовин, забрудненість мінеральними маслами, органічними речовинами не дозволяють використовувати їх в народному господарстві та для багатьох інших цілей без попередньої обробки та очистки. Неочищені шахтні води, які поступають у поверхневі водотоки та водоймища, викликають в них порушення сольового режиму, що зумовлює небажані екологічні зрушення в гідросфері, погіршують середовище існування тварин та рослин. Особливо актуальна проблема очищення шахтних вод для Донецького регіону, що зумовлено як обмеженістю водних ресурсів, так і визначальним впливом шахтних вод, які скидають, на забруднення водних об’єктів регіону, скидання шахтних вод призводить до погіршення стану та показників якості водних об'єктів. Прогноз якості шахтних вод також є дуже актуальним напрямом, оскільки проведення таких дослідів може виявити закономірності вмісту хімічного складу стічних шахтних вод. Дані досліди необхідні з екологічної точки зору, оскільки існують проблеми, пов’язані з використанням стічних шахтних вод для сільськогосподарських та культурно-побутових цілей. Шахтна вода, маючи різноманітні показники хімічного складу та агресивних властивостей, негативно впливає на устаткування та апаратуру, яка застосовується при добичі вугілля. Тому необхідно проводити прогнозування цих показників для збільшення ефективності роботи устаткування та зниження економічних затрат на його заміну.

Зв’язок роботи з науковими темами, планами

Магістерська робота відповідає державній науковій програмі «Українське вугілля» (постанова Кабінету Міністрів України від 19.09.01 № 1205).

Мета та завдання досліджень

Метою роботи є аналіз факторів мінливості складу шахтних вод, вивчення екологічних наслідків скидання шахтних вод до поверхневих водотоків, а також вибір системи раціональних методів очистки шахтних вод.

Поставлені наступні завдання:

  1. встановлення особливостей хімічного складу шахтних вод шахти "Ударник";
  2. узагальнення даних для прогнозу якості шахтних вод;
  3. вивчення негативного впливу скидання шахтних вод до поверхневих водотоків;
  4. вивчення існуючих методів очистки шахтних вод;
  5. перевірка моделі на конкретних об’єктах.

Ідея роботи

Ідея роботи полягає у наступному: прогнозування якості шахтних вод може забезпечити більш раціональне їх використання в межах об’єкту дослідження у культурно-побутових цілях, а також запропонувати найбільш ефективні методи для очищення шахтних вод.

Об’єкт дослідження

Шахта "Ударник" гірського підприємства «Сніжнеантрацит»

Предмет дослідження

Екологія шахтних вод шахти "Ударник".

Методи дослідження:

Наукова цінність (новизна) результатів

Наукова цінність роботи полягає у дослідженні хімічного складу підземних вод шахти "Ударник".

Практичне значення роботи

В результаті проведення роботи мають бути встановлені ділянки з найбільш агресивними шахтними водами, які мають найбільший вплив на поверхневі водотоки даного промислового району.

Результати роботи можуть бути використані на вугільних підприємствах для прогнозу хімічного складу шахтних вод. Розроблені рекомендації з поліпшення очищення шахтних вод можуть скласти основу роботи таких підприємств в екологічному напрямку.

Особистий вклад автора

Були оброблені, деталізовані та систематизовані дані хімічного складу шахтних вод по шахті «Ударник» ГП «Сніжнеантрацит»; побудовано графіків залежності вмісту показників шахтної води в залежності від глибини відпрацювання; побудована модель прогнозу якості шахтних вод.

Апробація результатів роботи

Приймала участь у ХХ Міжнародній науковій конференції аспірантів та студентів. Тезиси на тему «Проблеми очищення стічних вод шахти «Ударник» міста Сніжне» опубліковані у збірнику доповідей «Охорона навколишнього природного середовища та раціональне використання природних ресурсів» том 2, Донецьк – 2010.

Публікації

Підготовлена до публікації стаття у збірнику «Наукові труди Донецького національного технічного університету» на тему "Забруднення поверхневих водотоків та прогноз якості шахтних вод, методи їх очистки".

Аналіз та огляд літератури

Проблеми впливу шахтних вод на навколишнє середовище з’явилось за часів розвитку вугільної промисловості. У трудах Н.А. Архіпова, Є.А. Єльчанінова, Л.Д. Горбачова розглянуті питання розвитку видобутку вугілля та його вплив на оточуюче природне середовище, в тому числі на водотоки. Освітлено досвід проведення природоохоронних заходів у вугільній промисловості. Викладені методологічні основи раціонального природокористування при добутку вугілля підземним на відкритим способом. Наведені прогресивні рішення з охорони навколишнього середовища за використання комплексних мало- та безвідходних технологій розробки вугільних родовищ. У наукових трудах В.Н. Власова, В.А. Горликова, В.Г. Власова, Д.И. Комкова, що публікуються, освітлені питання охорони навколишнього природного середовища, питання теорії та практики очищення шахтних вод, нормування оборотної води на підприємствах з видобутку та переробці вугілля.

Шахтні води відрізняються великим різноманіттям хімічного складу та властивостей, тому потребують детального дослідження їх складу. У статті Н.І. Кононенко, А.П. Ощепкова, Б.Б. Немковського досліджено виявлення деяких особливостей хімічного складу шахтних вод. В результаті дослідження були зроблені наступні висновки: вміст рідких та розсіяних елементів зазвичай набагато нижче кларкових, в основному відбувається їх розсіювання.

Проблема прогнозування хімічного складу шахтних вод набула актуальності та почала вивчатися з 80-х років ХХ століття. Дослідженням даної проблеми займалися В.Ф. Макляк, П.В. Калигін, П.В. Блинов, Е.А. Яковлев. У їх роботах викладені відомості про підземні води, причини їх виснаження та забруднення, а також міри боротьби з наслідками. Висвітлені можливості та умови поховання промстоків. Узагальнені методи прогнозування хімічного складу шахтних вод, які скидають. Охарактеризовані геоекологічний стан та антропогенна зміна річок, екологічна роль водосховищ. Рекомендовані методики ландшафтно-геохімічного моніторингу, комплексної оцінки прогнозування стану природного середовища.

Стічні шахтні води та домішки, що в них знаходяться, доволі різноманітні. Тому немає єдиного способу очищення вод, а вибір оптимального методу значно ускладнюється. В області даної проблеми вели роботу В.Н. Власов, Э.К. Гецен, В.А. Горликов. В їх збірці представлені статті про проблему попередження забруднення водних об’єктів стічними водами підприємств вугільної промисловості. Дані труди охоплюють питання очищення шахтних вод, гідрогеології та формування водопритоків, роботи діючих очисних споруд. М.С. Рубінов у своїй брошурі «Підземні відстійники та механізація їх очищення» висвітлив деякі питання нейтралізації агресивних впливів механічних домішок шахтних вод, розглянув можливі методи їх очищення.

Огляд літератури показав, що досліджувана проблема все ще недостатньо вивчена, що дає автору можливість подальших досліджень.

Геологічна характеристика об’єкту досліджень

Шахтою розробляється пласт h3 «Ремовський». На площадці розвитку, за даними свердловин и гірських робіт пласт має переважно однопачечну будову. Корисна потужність пласта коливається 0,6-1,0м. Місцями в покрівлі відмічені прошарки вуглистого сланцю. Тоді геологічна потужність вимірюється 0,7-1,2м. Залягання пласту пологе 5-10 градусів. Якість вугілля, що видовбується, характеризується даними ситових аналізів експлуатаційних проб, взятих з очисних вибоїв. Вугілля чорне, з сильним скляним блиском, раковистим зломом, тонко-смугастий, штрихової структури, віддільність призматична, з включенням піриту та кальциту, коефіцієнт міцності за Протодьяконовим – 2.

Безпосередня покрівля пласту на 65% площі ділянки представлена сланцем пісковим, 35% площі займають пісковики. Основна покрівля на більшій частині площі представлена пісковиком та сланцем пісковим.

За схильністю до обвалень відноситься до типу А2 – середньобвальний.

У геологічній будові поля шахти «Ударник» приймають участь відклади середнього відділу кам’яновугільного періоду, розмита поверхня яких практично всюди вкрита четвертинними відкладами.

Четвертинні відклади представлені грунтово-рослинним шаром, суглинками, глиною та галечником. Потужність їх коливається від 0,60 до 12,70 м.

Вивчено гірський масив представлений світами С23 (між вапняками Н1 та I1) та частково світа С24 ( між вапняками I1 та I3).

Світа С23 є однією з найпродуктивніших за вугленосністю в районі. За даними бурових та горно-побутових робіт загальна потужність світи С23 складає 875 м. У світі налічується більше 30 антрацитових пластів, з яких 9 пластів досягають робочої потужності: h10, h8, h7, h61, h6, h31, h1, h21, h2, при цьому пласти h10, h8, h7, h6 практично відроблені.

Відмінною особливістю світи С23 є наявність міцних шарів пісковику, а також обмежена кількість вапняків, які мають малу потужність, тому маркуючими горизонтами вони не можуть бути. На окремих площадках маркуючими є вапняки 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.

Кам’яновугільні відклади представлені пісковиками, пісковими сланцями, глинистими сланцями, вугіллями та вапняками.

Площадка оцінювання відноситься до східної частини північного крила (та частково замкової частини) Чистяковської синкліналі, яка в свою чергу відноситься до Північної синкліналі Донецького басейна.

Синкліналь поступово погружається на північний захід під кутом 3-50.

Переважно субширотний напрямок порід на сході переходить у північно-східне. Кути падіння порід змінюються від 10-180 в межах верхніх горизонтів. До 7-100 на нижніх, і до 4-100 в донній частині синкліналі.

Відносно спокійне залягання кам’яновугільних порід ускладнило наявністю розривних порушень типу скидів.

Підземні води на ділянці приналежні до кам’яновугільних та четвертинних відкладів. Водоносні горизонти в кам’яновугільних відкладах містяться у тріщинуватих пісковиках та вапняках. За умов накопичення та циркуляції підземні води пластово-тріщинуваті, переважно напірні. Живлення водоносних горизонтів відбувається за рахунок інфільтрації атмосферних опадів на ділянках виходу вологоутримуючих порід на поверхню.

Шахтні води за хімічним складом переважно сульфатно-гідрокарбонатнонатрієво- магнієві з мінералізацією 1,2-2,0, слабо лугові та жорсткі.

Середній приток води до гірських вибірок по цьому пласту 240м куб/годину.

Мінімальний приток 180 м куб/годину.

Максимальний приток 300м куб/годину.

Методика досліджень

Основу роботи складає наступний фактичний матеріал:

Для кожного показника складу шахтних вод проведено графічний аналіз зміни з глибиною. За характером мінливості показники об'єднали в групи.

Були знайдені статистичні характеристики, кореляційні зв’язки, виведені рівняння егресії складу шахтних вод на досліджуваному об’єкті. Розраховані рівняння дозволять визначити залежність вмісту основних компонентів шахтних вод від інших показників, які в ній знаходяться.

Очищення шахтних вод

Шахтні стічні води та домішки, що в них знаходяться, різноманітні. Тому немає єдиного способу очищення вод, а вибір оптимального методу є значно ускладненим. Слід розрізнювати методи механічного, хімічного, фізико-хімічного та біологічного очищення виробничих стічних вод. На наш погляд для даного підприємства (шахта «Ударник») слід застосовувати наступні методи очищення шахтних вод:

В процесі зворотного осмосу, вода під тиском проникає від найбільш концентрованого до більш слабкого розчину солі, крізь напівпроникну мембрану. Молекули солі мають більший розмір, ніж молекули води, та тому мембрана їх затримує. Так, з води повністю убирається кальцій, магній, залізо, сіль. Зворотній осмос також видаляє деякі шкідливі хімічні речовини з води.

В результаті застосування даних методів можна обрати найбільш ефективний, який забезпечить найбільш стабільну екологічну ситуацію в регіоні.

Висновки

В ході дослідження були розраховані та проілюстровані залежності показників хімічного складу шахтних вод з глибиною (рис. 1), встановлена тенденція збільшення значень цих показників відносно глибини відробки вугільних пластів. Були виявлені наступні особливості хімічного складу шахтних вод:

Графік змін хімічного складу підземних вод в залежності від глибини відробки вугільних пластів шахти Ударник
Рисунок 1 - Графік змін хімічного складу підземних вод в залежності від глибини відробки вугільних пластів шахти "Ударник" (8 кадров, 117 Кб)

Даний графік відображає не тільки залежність вмісту досліджуваних показників в шахтній воді від глибини відробки вугільних пластів, але і дозволяє об'єднати показники за характером мінливості в групі:

  1. група показників, які нерівномірно розподілені в шахтній воді: мінералізація Cl-, HCO3-, показник pH,Mg2+.
  2. група показників, що розповсюджуються: K++Na+.
  3. група показників, що накопичуються: Ca2+.

Проаналізувавши отриману матрицю кореляції (Таблиця 1), для подальшого дослідження були відібрані ті показники, які мають значимі зв’язки. Значимі зв’язки досліджуваних показників з глибиною відробки не виявлено, але виявлені значимі зв’язки між такими показниками Cl- та рН (-0,38); Cl- та Mg2+ (-0,32); Са2+ та рН (-0,54); Са2+ та мінералізація (0,61); SO42- та мінералізація (-0,59). Кореляційний аналіз дозволив об’єднати досліджувані показники в групі із значним позитивним зв’язком (Са2+ та мінералізація) и значимим негативним зв’язком (решта вище наведених показників). Наявність позитивного зв’язку говорить про спорідненість даних показників, негативний зв'язок зазначає наявність додаткових факторів, які зумовили їх перерозподіл.

Таблиця 1- Таблиця кореляційних зв’язків показників хімічного складу шахтних вод. Таблица 1- Таблица корреляционных связей показателей химического состава шахтных вод.

На основі графічного аналізу (див. графік) характеру мінливості показників були обрані прогнозовані мінливі та построєні рівняння регресії. Рівняння були построєні для показника мінералізації та катіонів хлору, тому як розподіл даних показників змінюється нерівномірно, стрибкоподібно.

Нижче будуть наведені результати регресійного аналізу для вже обраних показників:

Cl- п = -18,46 *[Mg2+]-493,81*[рН]+7503;

М п = - 2,68*[SO42- ] +5,73* [Са2+] +7177,

де М (мінералізація), рН, Mg2+, Cl- - вміст показників мг/л;

Са2+п, М п,- прогнозовані показники.

Шукані рівняння були застосовані для прогнозування хімічного складу шахтних вод шахти «Ударник».

Було розглянуто декілька схем очищення шахтних вод, та була запропонована одна з них стосовно до шахтних вод шахти «Ударник». Дана схема передбачує в кінцевому підсумку отримати воду, якість якої буде відповідати якості технічної води, що дозволить використати її повторно. Таким чином, шахтні води перестануть забруднювати оточуюче середовище та принесуть користь для подальшого виробництва.

Результати проведених досліджень будуть використані в подальшому для розрахунку оцінки точності виведених регресійних рівнянь та прогнозу зміни значень вище перерахованих показників підземних вод шахти «Ударник». Закінчення дослідницької роботи передбачене на грудень 2010 року.

Перелік використаної літератури:

  1. Матлак Е.С., В.Б. Малеев Снижение загрязненности шахтных вод в подземных условиях/ - К.:Тэхника,1991.- 345 с.
  2. В.И. Николин, Е.С. Матлак Охрана окружающей среды в горной промышленности/ - К.: Донецк: Вища шк. Головное вид-во, 1987. – 460 с.
  3. В.А. Меркулов Охрана природы на угольных шахтах/ - М.: Недра, 1981. – 810 с.
  4. С.В.Яковлев, Ю.М. Ласков и др. Очистка производственных сточных вод/ - П.: 1988. – 435 с.
  5. И.П. Крапчин Уголь сегодня, завтра/ - М.: 2001. – 677 с.
  6. Л.Ф.Долина Сточные воды предприятий угольной промышленности и методы очистки/ - Д.: 2000. – 190 с.
  7. Экология Донбасса: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.uaportal.com/Donetsk/Science/Ecology/
  8. Что такое шахтные воды и как их чистить? О.Н.Новиков: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://igooeg.ru/content/view/221/1/
  9. 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
  10. 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