Охрана водного бассейна в горном производстве

Под охраной водного бассейна (природных вод) понимается соблюдение установленного порядка пользования водами, т.е. обеспечение рационального управляемого использования, сохранения и восполнения их ресурсов при восстановлении или улучшении их качества в интересах существующих и будущих поколений.

Охрана природных вод осуществляется посредством выполнения комплекса организационных, экономических и инженерно-технических, в том числе технологических, гидротехнических, лесомелиоративных, агротехнических и других мероприятий под постоянным контролем (гидрогеологическим, гидрологическим, санитарным) состояния и качества вод.

В основу разработки и реализации мероприятий по охране природных вод закладываются три методологических принципа:

1) сохранение ресурсов и предотвращение нарушения состояния и качества вод;

2) при необходимости нарушения - рациональное использование;

3) в процессе и после использования - восстановление качества и состояния, восполнение запасов.

В соответствии с этими принципами комплекс мероприятий по охране природных вод подразделяется на две группы.

К первой группе относятся мероприятия предохранительного характера, направленные на сохранение запасов, режимов и качества поверхностных и подземных вод.

Ко второй группе относятся мероприятия восстановительного характера, включающие рациональное использование, очистку и возврат вод в поверхностные водоемы и водотоки, подземные горизонты.

Сохранение запасов, режимов и качества поверхностных и подземных вод. В случае, если месторождение обводнено, но дренажные воды не могут быть использованы по назначению, следует предусмотреть следующие мероприятия по сохранению запасов подземных вод:

1) сбрасывание или перекачку подземных вод разрабатываемой толщи пород в нижележащие водоносные горизонты;

2) сооружение барражей типа "стена в грунте", противофильтрационных завес, гидро- и пневмозавес.

Первый метод получил достаточно широкое применение в практике горных работ и реализуется в основном посредством проходки с поверхности земли водопоглощающих или нагнетательных скважин. Этим же методом производится восполнение запасов пресных подземных вод. Для этой цели могут быть использованы запасы пресных вод, накопленные или сосредоточенные в поверхностных водоемах и водотоках. Пресные воды с поверхности подаются в соответствующие подземные водоносные горизонты или естественные подземные емкости (карстовые полости, трещиноватые толщи скальных пород и пр.).

В последний период во многих странах мира с целью охраны окружающей среды входит в практику захоронение в недрах промышленных стоков, особенно токсичных, путем их нагнетания через скважины. В отдельных случаях, с учетом геологических и гидрогеологических особенностей массива, степени токсичности и концентрации загрязняющих веществ в сточных водах, создают подземные водохранилища методом выщелачивания солей.

Для воспроизводства эксплуатационных запасов подземных вод, особенно напорных, часто залегающих на большой глубине (200-300 м и более), захоронения промышленных стоков может быть использован опыт, накопленный в нефтедобывающей промышленности при применении способов законтурного и внутриконтурного заводнения нефтяных залежей на глубине 1000 м и более. Реализация метода требует выполнения обстоятельных изысканий прежде всего для определения приемной способности подземных коллекторов, их изолированности, надежности их состояния, особенно в районах тектонической активности, при которых обеспечиваются накопление запасов, сохранение их качества, предотвращение загрязнения пресных вод в результате выщелачивания вмещающих пород или проникновения минерализованных вод, предотвращение загрязнения подземных вод захороненными промышленными стоками. Хотя еще не зафиксированы серьезные случаи загрязнения недр захороненными промышленными стоками, однако этот метод потенциально опасен, и его применение требует научного и экономического обоснования, тщательности исполнения, организации постоянно действующего гидрогеологического контроля.

Создание противофильтрационных завес. В отличие от традиционных методов осушения месторождений полезных ископаемых, когда срабатываются статические и динамические ресурсы подземных вод, метод создания противофильтрационных завес различного типа позволяет не только подготовить месторождение к освоению и обеспечить нормальные и безопасные условия производства горных работ, но и решить другие важные задачи:

1) уменьшить или предотвратить водопритоки в зону горных работ и соответственно сократить объемы дренажных вод, сбрасываемых в открытые водоемы и водотоки;

2) сохранить ресурсы подземных вод в прилегающем к месторождению районе;

3) сохранить естественный режим подземных вод.

Последнее положение особенно важно для месторождений, где подземные воды приурочены к закарстованным массивам. При осушении таких месторождений нарушается застойный режим подземных вод и происходит подтягивание менее минерализованных вод, что приводит к активизации карстовых процессов. В связи с существенным сокращением и даже исключением активного отбора вод из района, прилегающего к разрабатываемому участку месторождения, этот метод определяется как метод "пассивного осушения".

Противофильтрационные завесы различного типа все более широко применяются в промышленно развитых странах при строительстве и горных работах. Особенно часто применяются барражи типа "стенка в грунте" как один из прогрессивных, эффективных и экономичных способов предотвращения притока подземных и подрусловых вод. Сущность способа заключается в устройстве вертикальных стенок из водонепроницаемых материалов, пересекающих водоносные горизонты и перекрывающих притоки грунтовых и подземных вод в горные выработки или в выемки при строительстве крупных промышленных и гражданских объектов.

Барражные завесы типа "стенка в грунте" широко применялись в Польше при ограждении серных карьеров от проникновения притоков инфильтрационных потоков вод Вислы, а также притоков грунтовых вод. Аналогичные работы проводились в Германии при разработке буроугольных карьеров и также подтвердили эффективность противо-фильтрационных барражей. Впервые в нашей стране этот способ был применен в 1968-1970 гг. на Украине при строительстве Подорожненского серного карьера Роздольского ПО "Сера". Длина барражной траншеи составила 11 км.

Противофильтрационные завесы для перехвата подземных вод в глубоко залегающих водоносных горизонтах выполняются посредством нагнетания через скважины различных тампонажных материалов. Этот способ был успешно применен в начале 50-х годов для предотвращения водопри-токов в горные выработки при разработке одного из угольных месторождений в Венгрии, отличающегося сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями. Но поскольку противофильтрационные завесы имеют большое природно- и ресурсоохранное значение, их эффективность следует оценивать с учетом предотвращенного ущерба народному хозяйству при ухудшении состояния окружающей среды.

Применение предохранительных мероприятий при разработке водообильных месторождений полезных ископаемых способствует сохранению природных водных ресурсов и имеет большой народно-хозяйственный эффект.

Восстановительные мероприятия по охране водного бассейна. Комплекс восстановительных мероприятий включает очистку дренажных (карьерных, шахтных, рудничных) и сточных вод горных производств, использование их для обеспечения деятельности горных предприятий, организацию оборотного водоснабжения, предотвращение или сокращение сброса дренажных и сточных вод в поверхностные водоемы и водотоки, их загрязнения и засорения.

Е.А. Ельчанинов отмечает, что большие объемы шахтных вод, ежегодно откачиваемые на поверхность и сбрасываемые в различные водоемы и водотоки, требуют огромных затрат на их очистку. С целью сокращения объема откачиваемых шахтных вод создаются схемы перехвата дренажных вод при помощи опережающих, восстающих и разгрузочных скважин, прием в специальные коллекторы, исключающие смешение с шахтными водами и загрязнение их биологическими, химическими и механическими примесями. Эти воды используются для питьевого и технического водоснабжения без дополнительной очистки, и только при наличии в дренажных водах газа и диоксида железа они подвергаются аэрации. Система скважин предварительного дренажа позволяет обеспечить перехват около 65-70 % притока вод без поступления их в горные выработки, и только лишь 30-35 % поступает в горные выработки и требует прохождения очистки перед их сбросом. Это позволит вдвое сократить затраты на строительство очистных сооружений, которые составляют от 6 до 15 % стоимости основных фондов.

Рациональность проектируемой или действующей схемы водоснабжения и водоотведения (включая канализацию) горного предприятия может оцениваться коэффициентом использования воды в системе водного хозяйства, который должен быть наиболее близким к единице. Коэффициент определяется отношением

K = (V3a6-Vc6) /V3a6, (7-1)

V3a6, Vc6 - соответственно количество воды, забираемой из источников водоснабжения и сбрасываемой (включая канализацию), отнесенное к принятой единице продукции горного предприятия.

Очистка вод. Для предотвращения загрязнения и засорения природных вод дренажные и сточные воды подвергаются очистке. Выбор метода очистки зависит от размера частиц, физико-химических свойств и концентрации загрязняющих веществ, расхода сточных вод и необходимой степени очистки. Во всех случаях очистки вод первой стадией ее является механическая очистка, предназначенная для удаления взвесей и дисперсно-коллоидных частиц. К группе способов механической или гидромеханической очистки относятся: процеживание, отстаивание (гравитационное и центробежное), фильтрование. При последующей, более глубокой очистке сточных вод применяются самостоятельно или в различных комбинациях следующие методы: физико-химические (флотация, абсорбция, ионообмен, дистилляция, обратный осмос и ультрафильтрация, кристаллизация, десорбция и др.), химические (нейтрализация, коагулирование и флокулирование, окисление и восстановление - реагентная очистка), электрохимические (электролиз), биологические, термические.

Как отмечают Н.С. Торочинников, А.И. Родианов и др., наиболее часто употребляются следующие методы очистки вод:

для осаждения суспензированных и эмульгированных примесей, представленных грубодисперсными частицами, - отстаивание, флотация, фильтрация, осветление, центрифугирование; при содержании в сточных водах мелкодисперсных и коллоидных частиц - коагуляция, флокуляция, электрические методы;

для очистки от неорганических соединений - дистилляция, ионообмен, обратный осмос, ультрафильтрация, реагентное осаждение, методы охлаждения, электрические методы;

для очистки от органических соединений - регенерационные методы - экстракция, абсорбция, флотация, ионообмен; реагентные методы; деструктивные методы - биологическое, жидкофазное, парофазное и электрохимическое окисление, озонирование, хлорирование;

для очистки от газов и паров - отдувка, нагрев, реагентные методы;

для уничтожения вредных веществ - термическое разложение.

На горных предприятиях для осветления сточных и дренажных вод наибольшее распространение получил способ отстаивания как один из наиболее экономичных и достаточно эффективных. Для этой цели организуются пруды-отстойники, вместимость и размеры в плане которых определяются в зависимости от объема сточных вод, размера и концентрации осаждаемых частиц. Сточные воды обогатительных производств в виде пульпы подаются в хвостохранилище, где происходит осаждение основной части твердых частиц, а затем, уже в значительной степени осветленные, воды через сбросные колодцы поступают в пруды-отстойники. Серьезную проблему представляет очистка прудов-отстойников от шламов, их обезвоживание, обезвреживание, последующее складирование или утилизация. Решение этой проблемы в значительной степени зависит от характеристик минерального и механического составов шламов. В отечественной и зарубежной горно-добывающей промышленности существует большое число примеров успешного использования различных методов очистки. В Кузбассе для очистки шахтных вод, сбрасываемых в водоемы, широкое распространение получили открытые горизонтальные отстойники, облицованные бетоном (рис.7.4.). Поступающую в шахту воду собирают в колодце шахтного водоотлива, из которого она подается в отстойник и после осветления хлорируется хлоратором, затем проходит через контактный резервуар и сбрасывается в водоем. Для нейтрализации кислых рудничных вод обычно используют известковое молоко, щелочные воды подкисляют. Эффективная очистка шахтных вод Кизеловского бассейна от солей железа достигается посредством сульфатредуцирующих бактерий.

Рис.7.4. Схема очистки шахтных вод:

1 - колодец шахтного водоотлива; 2 - отстойник; 3 - хлоратор; 4 - контактный резервуар; 5-водоем В США в настоящее время очистке подвергается около 50 % рудничных вод. Для нейтрализации кислых вод, как правило, используют известняк, гашеную и негашеную известь, каустическую соду и другие реагенты.

Оборотное водоснабжение на обогатительных фабриках. Переход от "прямоточного" (река - предприятие - река) водоснабжения к замкнутому циклу, в котором однажды взятая вода все время находилась бы в обороте (как, например, при охлаждении автомобильного мотора), - основное направление в охране водных ресурсов, предполагающее полное исключение попадания сточных вод в реки и водоемы.

Современными проектами обогатительных фабрик горных предприятий предусматривается достаточно высокий уровень оборотного водоснабжения (до 90-95 % и более).

Осуществление замкнутого водооборота в процессе обогащения определяется необходимостью получения при очистке требуемого качества воды, обеспечивающего стабильность технологического процесса обогащения. Свежая вода расходуется при этом только на восполнение неизбежных потерь.

На горных и металлургических предприятиях Канады основная часть воды находится в замкнутом технологическом цикле. Например, на руднике "Куппер Клифф" 75 % потребляемой воды очищают и возвращают для повторного использования.

Во многих случаях оборотные системы водоснабжения обогатительных фаёрик пополняются рудничными и шахтными водами.

Важное значение имеет контроль состояния, режима и качества грунтовых, подземных и поверхностных вод, подвергающихся воздействию при разработке месторождений полезных ископаемых. Этот контроль осуществляется службами главного инженера горного предприятия и районной санэпидемстанцией.

Состояние грунтовых и подземных вод, параметры де-прессионных воронок определяются гидрогеологической службой предприятия посредством режимных гидронаблюдательных скважин. По данным замеров уровней подземных вод в гидронаблюдательных скважинах прослеживается динамика формирования депрессионной воронки или, наоборот, повышение уровня грунтовых вод при их подпоре и прогнозируется изменение дебитов существующих водозаборов в районе месторождения. Изменение химизма (минерализации) подземных вод определяется путем отбора дренажных вод и вод из гидронаблюдательных скважин. Полученные данные обрабатываются и документируются в виде планов гидроизогипс и гидроизопьез для каждого водоносного горизонта, фиксирующих положение депрессионных воронок по отношению к горным выработкам, таблиц изменения химического состава (минерализации) подземных вод, таблиц или графиков, иллюстрирующих динамику объемов дренирования.

Контроль качества поверхностных вод и эффективности работы очистных сооружений осуществляется санитарно-промышленной лабораторией предприятия, задачи и обязанности которой регламентируются Положением о санитарных лабораториях промышленных предприятий. Санитарно-промышленные лаборатории ведут наблюдения за количеством и качеством воды, поступающей на очистные сооружения, за технической и гигиенической эффективностью работы очистных сооружений, а также за состоянием и качеством вод, водоемов и водотоков в местах сброса сточных вод и в пунктах водопользования. Количество воды, поступающей на очистные сооружения и сбрасываемой, должно замеряться посредством водомеров или других устройств, регистрирующих расход воды за сутки. Для контроля качества очистки стоков и влияния их на поверхностные воды отбираются разовые пробы воды в водоподводящих и водо-отводящих лотках. Периодичность отбора проб и перечень показателей, по которым анализируются эти пробы, согласовываются с местными санитарными органами и органами водного надзора. Регулярный и оперативный контроль качества сточных вод позволит также установить причины нарушений нормативов состава и концентраций веществ в сточных водах и выявить нарушения или недостатки в системе очистки и технологии переработки (обогащения) полезного ископаемого.

Снижение водоемкости горного производства. Перспективное направление в улучшении использования водных ресурсов - снижение водоемкости производства и расхода воды на единицу продукции с последующим переходом (там, где это возможно) на "сухое" производство. Существенное снижение расхода воды дает, например, использование обжига вместо флотационных методов обогащения.

4.5 Экологическая стратегия горного предприятия по рациональному использованию и охране водного бассейна

Анализ различных вариантов схем (моделей деятельности) показывает, что рациональная деятельность горного предприятия по осушению и использованию природной воды с учетом требований ее охраны, а также охраны окружающей среды в целом может характеризоваться одним из трех элементов системы:

1) предприятие работает на откачиваемой воде по оборотной схеме;

2) предприятие из-за высокой водоемкости технологических процессов потребляет дополнительные объемы извне при полном использовании откачиваемой воды;

3) избытки откачиваемой воды передаются другим потребителям. Во всех указанных случаях исключается загрязнение природных вод.

Выбор рациональной схемы для конкретного горного предприятия должен основываться на предпроектной проработке каждого из выделенных элементов системы, экономической оценке целесообразности схемы с учетом водного баланса района и предприятия, затрат на осушение, очистку сбрасываемых вод, прибыли от их реализации, ущерба, наносимого народному хозяйству загрязнением окружающей среды. Определяющими элементами системы горное предприятие - природная вода являются объем и свойства откачиваемых вод, которые, в свою очередь, определяются как гидрогеологическими условиями месторождения, так и принятой схемой осушения.

При организации осушения месторождения полезных ископаемых с целью рационального использования и охраны природных вод должны предусматриваться: селективное дренирование водоносных горизонтов, сооружение закрытых водоводов, раздельных водосборников и очистных сооружений для предотвращения смешивания вод различного качества и разной степени минерализации, их загрязнения и засорения, создания наилучших условий для их очистки. В комплексе с сооружениями по очистке дренажных или сточных вод должны быть предусмотрены системы обезвоживания, обезвреживания, удаления и складирования осажденных веществ. Осадок, а также извлеченные из растворов вещества и элементы должны максимально утилизироваться.

При выборе мероприятий по рациональному водопользованию горных предприятий целесообразно рассмотреть сокращение водопотребления, установление оптимальных норм водопотребления, возможность замены воды как рабочего агента в водоемких технологических процессах, в системах охлаждения, кондиционирования, гидротранспорта на воздух. Очень важно изучить возможность сооружения устройств для дифференцированной очистки дренажных и сточных вод на самом предприятии или, при их малых объемах производства, подключения к очистным сооружениям, обслуживающим группу однотипных предприятий, т.е. создание системы централизованной или кооперативной очистки сточных вод.

По мнению Б.И. Ласкорина, основная ошибка, которая традиционно допускается во всех отраслях промышленности, заключается в том, что вместо создания локальных схем очистки с утилизацией ценных компонентов и дифференцирования сточных вод совершается объединение их в один общий поток. Затем очистке подвергается суммарный объем отработанных вод всего предприятия по сложной многостадийной схеме. В настоящее время в ряде отраслей промышленности уже разработаны и частично реализованы замкнутые водооборотные схемы с локальной очисткой, что позволяет значительно снизить удельное водопотребление и в некоторых случаях полностью исключить сбросы вод в водоемы.