Кондиционирование шахтных вод


В. А. Низов













КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ШАХТНЫХ ВОД

Монография





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 622.5+502.1
ББК 33.17
    Н61



Рецензенты:
кандидат технических наук, профессор кафедры водного хозяйства и технологии воды УрФУ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина Аксенов Валентин Иванович;
доктор химических наук, заведующий лабораторией Института химии твердого тела УрО РАН Линников Олег Дмитриевич; кандидат технических наук, доктор педагогических наук, профессор, проректор РГППУ Федоров Владимир Анатольевич




     Низов, В. А.
Н61       Кондиционирование шахтных вод : монография / В. А. Низов.     Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 164 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0710-6

    Освещены вопросы сохранения качества водных ресурсов. Приведены типы сточных вод горно-обогатительных комбинатов. Проанализированы физико-химические превращения минеральной основы и подземных вод в условиях разработки месторождений. Рассмотрены варианты технологических схем кондиционирования шахтных вод.
    Для инженерно-технических специалистов. Может быть полезно студентам природоохранительных специальностей всех форм обучения и аспирантам.

УДК 622.5+502.1
ББК 33.17









ISBN 978-5-9729-0710-6 © Низов В. А., 2021
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие........................................................4
Введение ..........................................................6
Глава I. Общая ситуация в решении задачи сохранения
качества водных ресурсов. Типы сточных вод ГОКов.
Их классификация в современных условиях. Постановка проблемы и частных решений.............................8
Глава II. Анализ физико-химических превращений минеральной основы и подземных вод в условиях разработки месторождений.......39
Глава III. Моделирование процессов кондиционирования шахтных вод......................................................73
Глава IV. Разработка метода контроля концентрации коллоидной составляющей....................................................112
Глава V. Варианты технологических схем кондиционирования шахтных вод.....................................................126
Заключение .....................................................150
Библиографический список .......................................154

3

        ПРЕДИСЛОВИЕ


     Творческий период инженерной практики поколения, к которому я имею честь принадлежать - последняя четверть прошедшего столетия. Примечательной особенностью этого времени являются перемены отношения к водным ресурсам, к воде, как основе жизни и процветания общества. В далекие 50-е чистота рек, озер и прочих природных источников воспринималась, как что-то само собой разумеющееся и незыблемое. К концу века ситуация изменилась кардинальным образом. И вот мы вынуждены затрачивать все больше усилий, чтобы сохранить себя и свое здоровье от пагубного воздействия испорченной нами же природной среды, наиболее уязвимым компонентом которой оказалась та самая вода - основа всего живого на земле.
     Первые увлечения проблемами очистки воды можно отнести к концу «лихих 90», когда после возврата из Красноярска на Урал моим пристанищем оказалось ЗАО «ФЭН» в Екатеринбурге под руководством генерального директора Кравцова Евгения Станиславовича. Очень небольшая фирма, тем не менее, имела довольно широкий спектр производственной деятельности: начиная от фасовки и йодирования поваренной соли «Соль-Илецкого» месторождения, производства линолеума с подосновой, строительства жилья и наконец производства очистных сооружений мойки автотранспорта. Вторым лицом в фирме и главной движущей силой технического развития был Корлы-ханов Александр Андреевич. Друг с детства не слишком задолго до этого момента сам вернулся к «мирной» жизни из Сарова. Судьба после долгих лет независимого существования свела нас на некоторое время на одном поприще. Десятки моек транспорта с замкнутым циклом в короткое время были освоены, усовершенствованы и внедрены в городе, обеспечив пристойный вид транспорта, сократив дикий помыв около водоемов, внеся некоторый вклад в сохранение их от загрязнения в эпоху экстремального численного увеличения автотранспорта.
     Вторая отметка привлечения к проблеме сточных вод связана с именем известного уральского специалиста по водоподготовке Аксеновым Валентином Ивановичем - лауреатом государственной премии СССР, создателем замкнутого водооборотного цикла Верхисетского завода в 70 годах прошлого столетия. Именно он направил на праведный путь безалаберного верхогляда, стал вдохновителем совместной монографии, выпущенной в 2011 году по 4

проблеме техногенных отходов и заразил задачей очистки шахтных вод ГОКов, которыми так богат уральский регион.
     Особенность проблемных ситуаций, возникающих в современных условиях, наиболее ярко отражает их комплексный характер. Дифференцированный подход, присущий современным научным отечественным школам, в решении такого рода задач малопродуктивен. Это основная причина, почему в своей стезе я, как разработчик, исповедую несколько своеобразную «тактику». Имеется в виду обращение к проблеме без опоры на авторитетные и устоявшиеся тенденции. Детальная предварительная проработка авторитетного опыта таит в себе опасность попадания в чужую колею. Мой подход: от общего к частному, выстраивание гипотезы решения по узловому вопросу проблемы, проверка гипотезы в режиме моделирования, далее отказ от принятой гипотезы или ее развитие. И так до бесконечности, пока не найдено удовлетворительное решение. Без новизны подхода не может быть неожиданного и плодотворного решения. Это мое убеждение и пока оно оправдывалось.

5

    ВВЕДЕНИЕ


      Состояние окружающей нас среды меняется на рубеже столетий столь стремительно, что это становится заметным в пределах жизни одного поколения. Факт неоспорим и большинство исследователей связывают его с неразумной активностью самого совершенного продукта эволюционного развития на планете - человеческого сообщества. Воздух и вода - два самых главных фактора от которых зависит наше будущее. В то же время качество этих факторов имеет устойчивую обратную связь от степени развития коллективного разума, знаний и умения адекватно реагировать на неизбежные конфликтные ситуации, порождаемые хозяйственной деятельностью численно возрастающего населения. Вполне естественно, что роль науки в этом смысле может быть неоценимой, если она объективна, ответственна и беспристрастна. В этом смысле научное сообщество призвано играть роль общественного доктора, от правильности диагноза которого постоянно зависит характер корректирующих процедур, назначаемых иногда не вполне адекватному коллективному пациенту. И горе тому сообществу, которое не прикладывают усилий в поддержании должного статуса общественного доктора и его авторитета.
      Изучение системы «вода - порода», как научное направление заложено работами В. И. Вернадского и практически начало развиваться после публикации им книги «История природных вод» (1933 г.). Важное значение для его становления имело издание в 1965 г. книги американских ученых Р. М. Гар-релса и Ч. Л. Крайста «Растворы, минералы, равновесия», спустя три года опубликованной в переводе в нашей стране. Окончательно сформировалось оно с проведением в 1974 г., а затем регулярно раз в три года международных симпозиумов «Взаимодействие вода - порода» (WATER - ROCK INTERACTION), собирающих в последние годы до 500 специалистов со всего мира. Предпоследний такой симпозиум (WRI-15) состоялся в 2016 г. в Португалии, по решению Генеральной ассамблеи которого следующий симпозиум WRI-16 состоялся в 2019 г. в г. Томске.
      В этой монографии речь пойдет о проблемах сточных вод многообразие которых прогрессирует и угрожает природному равновесию не смотря на предпринимаемые усилия или обозначаемые таковыми. Невозможно объять необъятное. Рассмотрению подлежат проблемы, связанные с шахтными и карьерными водами. Водами ГОКов, от успешной производственной деятельно-6

сти которых на современном этапе развития во многом зависит отечественное финансовое благополучие. Основная особенность производственной деятельности ГОКов, как правило, связана с шахтными или карьерными выработками и с неизбежностью отвода подземных вод. Казалось бы что природные воды не должны по определению вносить нарушение в сложившееся системное равновесие. Но дело как раз и состоит в том, что вмешательство в равновесные природные условия приводит к непредсказуемым изменениям физикохимических свойствах откачиваемых избыточных вод. Их сброс в открытую гидрографическую сеть зачастую содержит скрытую угрозу для прогрессирующей деградации последней.
     Длительное время в отечественной практике действующих предприятий широко использовались согласованные допустимые нормативы сбросов, которые назначались в каждом конкретном случае в зависимости от природных условий и их способности к разбавлению и нивелированию вмешательств в природную естественную среду. Эта практика сохранена по сей день для большинства существующих предприятий. И мало сказать, что это положение отнюдь не способствует оздоровлению естественной природной среды. Оно усугубляет проблемы конкуренции вновь создаваемых предприятий, так как к ним требования достижения ПДК для сброса в открытую гидрографическую сеть объявляются непреложными. При этом сами нормативы установлены на уровне превышающих самые жесткие требования для развитых зарубежных стран. Налицо старый, устаканившийся принцип: строгость отечественного норматива компенсируется необязательностью его исполнения. Повлиять на парадоксальность законотворческих инсинуаций нет никакой возможности. Остается единственный путь более глубокого исследования процессов, связанных с техногенным вмешательством в природную среду и разработки приемов компенсации нежелательных последствий. Непредвзятый читатель сможет оценить, насколько удался заявленный замысел.

7

ГЛАВА 1


ОБЩАЯ СИТУАЦИЯ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ СОХРАНЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ. СТОЧНЫЕ ВОДЫ ГОКОВ.
ИХ СОСТОЯНИЕ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ЧАСТНЫХ РЕШЕНИЙ


      Подземные воды по мнению гидрогеологов, наиболее пригодный и перспективный источник питьевой воды на обозримое будущее. Ресурсный потенциал России составляет около 900 млн м³/сут, распределен по территории неравномерно, что определяется разнообразием гидрогеологических условий и климатическими особенностями. Доля подземных вод в балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения (из поверхностных и подземных водоисточников) составляет 45 %. Более 60 % городов и поселков городского типа удовлетворяют потребности в питьевой воде, используя подземные воды, а около 20 % из них имеют смешанные источники водоснабжения. В сельской местности на подземные воды в хозяйственно-питьевом водоснабжении приходится 80-85 % общего водопотребления. Основной же состав гидросферы - соленые воды. На пресную воду приходится менее 3 % всего объема. Цифры условны, так как в расчетах учтены только разведанные запасы. Между тем, по предположениям гидрогеологов, в глубинных слоях Земли находятся колоссальные хранилища подземных вод, месторождения которых еще предстоит открыть. В зависимости от окружающих условий, таких как температура, давление, виды горных пород, воды находятся в твердом, жидком или парообразном состоянии. Классификация подземных вод прямым образом зависит от грунтов, слагающих земную кору, их влагоемкости и глубины залегания. Слои водонасыщенных пород носят название «водоносные горизонты». Водоносные горизонты с пресной водой считаются одним из важнейших стратегических ресурсов.


8

     Классификация подземных вод по типу водонасыщенных грунтов:
     • поровые, залегающие в песках;
     • трещинные, наполняющие пустоты твердых скальных пород;
     • карстовые, находящиеся в известняках, гипсах и подобных им водорастворимых породах.

     Вода, универсальный растворитель, активно поглощает вещества, входящие в состав пород, насыщается солями и минералами. В зависимости от концентрации растворенных в воде веществ различают пресную, солоноватую, соленую воду и рассолы. Выделяют следующие виды подземных вод по условиям залегания: верховодку, грунтовые, артезианские и почвенные воды. Верховодка в основном формируется на линзах и выклинивающихся пластах слабопроницаемых или водоупорных горных пород в зоне аэрации при инфильтрации поверхностных и атмосферных вод. Иногда она образуется за счет аллювиального горизонта под почвенным слоем. Формирование данных вод связано с процессами конденсации водных паров, помимо перечисленных выше. В некоторых климатических зонах они формируют достаточно большие запасы качественной воды, но в основном образуются маломощные водоносные горизонты, исчезающие при засухе и образующиеся в периоды интенсивных увлажнений. В основном данный вид подземных вод характерен для суглинков. Его мощность достигает 5 м. Существенное влияние на образование верховодки оказывает рельеф. На крутых склонах она существует короткое время или отсутствует совсем. На плоских степях с понижениями в виде блюдец и плоских водоразделах, на поверхности речных трасс формируется более устойчивая верховодка. Она не имеет гидравлической связи с речными водами, легко загрязняется иными водами. При этом она может питать грунтовые воды, а может расходоваться на испарение. Верховодка может быть пресной или слабоминерализованной.
     Грунтовые воды - это часть подземных вод [1]. Они расположены на первом водоносном горизонте от поверхности, выдержанном по площади. В основном это безнапорные воды, небольшой напор могут иметь в участках с локальным водоупорным перекрытием. Глубина залегания, их химические и физические свойства подвержены периодическим колебаниям. Распространены повсеместно. Питаются посредством инфильтрации осадков из атмосферы, фильтрации из поверхностных источников, конденсации водных паров и внутригрунтового испарения, дополнительного питания, поступающего из нижерасположенных водоносных горизонтов.


9

     Артезианские воды - это часть подземных вод, имеющих напор, залегающих в водоносных горизонтах между относительно водоупорными и водоупорными пластами. Они залегают глубже грунтовых. У них в большинстве случаев области питания и создания напора не совпадают. Вода появляется в скважине ниже установившегося уровня. Свойства данных вод менее подвержены колебаниям и загрязнениям по сравнению с грунтовыми.


— ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ . 4^ . ——

 ?         ? ,;Л    ₇// ₇₇₇// /77/ 7 /7


   -МЕЖПЛАСТОВЫЕ ВОДЫ— —

////////-■         ..■■■■■У/?///////////
Рис. 1. Типичное расположение водных горизонтов


     Почвенные воды приурочены к почвенному водному слою, принимают участие в снабжении растений данным веществом, связаны с атмосферой, верховодкой и грунтовыми водами. Они оказывают существенное влияние на химсостав грунтовых вод при их глубоком залегании. Если последние расположены неглубоко, то почва переувлажняется и начинается заболачивание. Гравитационная вода не формирует отдельного горизонта, передвижение осуществляется сверху вниз под действием капиллярных сил или сил тяжести в различных направлениях. На рис. 2 представлено распределение эксплуатационных вод по территории России.


10

Рис. 2. Распределение запасов условно пресной воды

на территории России


     Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворимости прилегающих пород. Подземные воды представляют собой природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов, а также микроорганизмы. Сумма растворенных в воде веществ, исключая газы, определяет её минерализацию (выражаемую в г/л или мг/л). По химическому составу различают следующие виды подземных вод:
     •  пресные (до 1 г солей на 1 л воды);
     •  слабоминерализованные (до 35 г солей на 1 л воды);
     •  минерализованные (до 50 г солей на 1 л воды).
     При этом верхние горизонты подземных вод обычно пресные или сла-боминерализованые, а нижние горизонты могут быть сильноминерализованными.
     Распределение запасов воды в гидросфере представлено в таблице 1.
     Подземные воды, которые благодаря своим физико-химическим свойствам оказывают благотворное физиологическое воздействие на организм людей и используются для лечебных целей, называются минеральными. Химический состав минеральных вод весьма разнообразный: бывает угле

11