Разработка полезных ископаемых и сточные воды
Промышленные сточные воды предприятий горнодобывающей промышленности оказывают существенное влияние на состояние природной среды. В связи с непрерывным и значительным увеличением объема продукции горного производства количество сточных вод шахт, рудников, карьеров, а также обогатительных фабрик постоянно возрастает.
Главными составными частями промышленных сточных вод действующих горных предприятий являются шахтные (карьерные) воды, а также стоки атмосферных вод, загрязненные вследствие водной эрозии отвалов пустых пород и некондиционных полезных ископаемых.
Структура промышленных сточных вод горных предприятий представлена на рис. 9 (в нее не включены сточные воды обогатительных фабрик).
Основной составляющей частью шахтных (карьерных) вод являются сопутствующие воды, поступающие из водоносных горизонтов (подземное происхождение вод) и с поверхности Земли (атмосферные воды). Количество этих вод может быть весьма различным. Нередко, особенно в угольных шахтах, количество сопутствующих вод резко возрастает вследствие внезапных прорывов воды из водоносных горизонтов, из затопленных ранее выработок и подрабатываемых поверхностных водоемов, а также прорывов паводковых и ливневых вод. Загрязнение сопутствующих вод зависит от свойств толщи пород, пересекаемых скважинами. Первоначальная загрязненность в основном определяется степенью минерализации вод подземных горизонтов,
а также взвешенными частицами поверхностных и грунтовых вод.
Технологические воды, объем которых при традиционных способах подземной разработки относительно невелик (редко превышает 10% от общего объема шахтных вод), загрязнены мелкодисперсными минеральными частицами и химическими растворами, используемыми при бурении взрывных скважин, а также при пылеподавлении.
Рис. 9. Структура сточных вод горных предприятий
При открытой разработке месторождений количество сопутствующих вод определяется обводненностью пород и атмосферными осадками. Во многих случаях количество этих вод значительно, что усложняет проведение горных работ. Для борьбы с ними, в первую очередь, проводятся различные дренажные мероприятия. В период строительства карьеров расходы на дренаж нередко составляют до 20-30 % от общей стоимости работ, в эксплуатационный период они также велики. К основным источникам загрязнения сопутствующих вод относятся массы разрушенных пород и полезного ископаемого в забоях, внутренние отвалы вскрышных пород и эрозирующая поверхность (особенно нерабочих) бортов карьера.
Технологические воды при открытой разработке рудных, угольных и нерудных месторождений используются в умеренных количествах для бурения скважин, пылеподавления и в значительных количествах для гидроотбойки, гидротранспортировки и сооружения гидроотвалов вскрышных пород.
Воды, стекающие с внешних породных отвалов и с отвалов некондиционных полезных ископаемых, в относительно небольших количествах поступают в выработки карьера через борта. Эти воды становятся при открытой и подземной разработке источниками загрязнения поверхностных водоемов и подземных вод.
Промышленные сточные воды горных предприятий могут характеризоваться повышенной кислотностью, щелочностью, соленостью, жесткостью и мутностью. Они загрязнены твердыми и коллоидными частицами пород и полезных ископаемых; различными химическими соединениями; содержат органические и бактериальные загрязняющие вещества. Расширение применения в подземных выработках самоходного оборудования, а в открытых горных выработках ‑ мощного транспортного и технологического оборудования с двигателями внутреннего сгорания привело к повышению загрязнения шахтных и карьерных вод нефтепродуктами.
Кроме образования большого количества загрязненных сточных вод, в процессе горных работ в локальных масштабах меняется распределение подземных и поверхностных вод.
Строительство горных предприятий для подземной разработки сопровождается обычно не очень большими изменениями водных режимов, вызываемыми мелиоративными работами на поверхности (в частности, отвод русла реки или ручья), водопонижением, осуществляемым в основном для облегчения проходческих работ, и откачкой на поверхность вод, поступающих в выработки. С началом и по мере развития добычных работ на шахте масштабы изменений водных режимов увеличиваются. Грунтовые и пластовые воды в больших или меньших количествах выдаются на поверхность, изменяя водный режим в районе проведения работ, что приводит к отрицательным экологическим последствиям.
Самые существенные изменения гидрогеологических условий наблюдаются при строительстве карьеров и открытой разработке месторождений. Наличие поверхностных и подземных вод усложняет и повышает опасность работ по вскрытию и выемке полезных ископаемых. Поэтому до начала и в процессе горных работ осуществляют мероприятия по осушению породных массивов.
Наиболее простым осушительным мероприятием является «открытый водоотлив», при котором поступающая в выработки вода по водоотводным канавам или траншеям стекает в водосборники и откачивается за пределы карьерного поля. При значительной водоносности пород, характеризующихся повышенной водопроницаемостью, широко используются водопонижающие скважины, оборудуемые погружными насосами.
Разработка месторождений полезных ископаемых приводит к количественному и качественному истощению водных ресурсов. Основные причины качественного истощения водных ресурсов – это их загрязнение и засорение.
Под загрязнением вод понимают их насыщение вредными веществами в таких количествах или сочетаниях, в результате чего ухудшается качество вод и водный объект признается загрязненным в соответствии с принятыми нормами.
Под засорением вод имеют в виду поступление в водоем посторонних не растворимых в воде предметов, не изменяющих качество воды, но влияющих на качественное состояние русел водоемов.
Основными источниками загрязнения и засорения вод являются промышленные и бытовые сточные воды, под которыми понимаются воды, использованные на бытовые или производственные нужды и получившие при этом дополнительные примеси, изменившие их первоначальный химический состав или физические свойства, а также воды, стекающие с территорий населенных пунктов, промышленных предприятий и сельскохозяйственных полей в результате выпадения атмосферных осадков.
В зависимости от происхождения воды и качественных характеристик примесей сточные воды разделяются на три основные категории: бытовые (хозяйственно-фекальные), производственные (промышленные), атмосферные.
К бытовым относятся воды душевых, бань, прачечных, столовых, туалетных комнат, а также хозяйственные воды, используемые при мытье помещений.
Атмосферные воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков. Их подразделяют на дождевые и талые.
К производственным сточным водам относятся воды, использованные в технологических процессах и уже не отвечающие требованиям, которые предъявляются этими процессами к их качеству, а поэтому подлежащие удалению с территорий предприятий. К ним относятся также поверхностные и подземные воды, откачиваемые на поверхность земли при добыче полезных ископаемых. Среди них различают в зависимости от способа добычи шахтные и карьерные, а также дренажные воды, образуемые при осушении шахтных и карьерных полей.
Под влиянием загрязняющих веществ в водных объектах происходят первичные, вторичные и третичные изменения.
Первичные изменения возникают при прямом воздействии загрязняющих веществ на водные объекты. Выражаются они в изменении физико-химических и биологических свойств воды, ее состава, температуры, годового режима и других условий обитания гидробионтов.
Первичные изменения в дальнейшем усиливаются сложной цепью вторичных изменений, возникающих при взаимодействии загрязняющих веществ друг с другом или с составными частями воды, в результате чего образуются новые вещества, отрицательно влияющие на водные организмы. Могут жить и бродить донные отложения с образованием токсичных веществ, усиливаться или ослабляться ход биологических процессов в воде и грунтах и процессы самоочищения воды и минерализации и т.д. Все это приводит к дальнейшему ухудшению гидрохимического режима и невозможности использования воды для питьевых, культурно-бытовых целей, технического водоснабжения, а также к резкому ухудшению условий обитания водных организмов.
Вследствие этих изменений нарушается сложный комплекс взаимосвязей гидробионтов с внешней средой и взаимоотношения между обитающими в водоеме организмами, может нарушаться весь жизненный цикл развития. Начинают распадаться биоценозы вследствие изменения чувствительных к загрязнению организмов и замены их малочувствительными. Все это приводит обычно к понижению биологической продуктивности водоемов, а порой и к полному уничтожению рыбных запасов. Все эти изменения относятся к третичным.
Сброс нагретых вод в водоемы вызывает термическое (тепловое) загрязнение воды.
Установлено, что температура воды, близкая к 30°С, оказывает отрицательное действие на большинство водных организмов (кроме теплолюбивых видов), прекращая их рост, питание и размножение, а дальнейшее повышение температуры вызывает их гибель. В летний период происходит массовое цветение подогретой воды, зарастание мелководий. Накопление в подогретой зоне органических веществ и их последующее размножение, помимо усиления минерализации воды, приводит к уменьшению количества растворенного кислорода. При повышении температуры воды возможно недостаточное насыщение кислородом глубинных слоев и образование анаэробных зон, что может привести к массовой гибели придонных организмов и в первую очередь рыб. Побочный фактор термического загрязнения – усиление токсичного действия большинства вредных примесей воды при повышении ее температуры.
В горных выработках обычно присутствует вода, поступающая из массива и с поверхности Земли. Эти воды обычно сильно загрязнены и, если они без соответствующей очистки попадают в естественные водоемы или водоносные горизонты, тосами становятся загрязнителями. Некоторые полезные ископаемые и твердые отходы горного производства (включая вскрышные породы) при открытом хранении под действием атмосферных осадков могут растворяться и загрязнять природные открытые водоемы и подземные воды. Существенное изменение состава природных вод может происходить в результате неорганизованного сброса карьерных или дренажных вод.
В большинстве случаев подземные воды в природных условиях обычно пригодны для питьевого и бытового водопользования. Однако в некоторых случаях даже незначительное снижение уровня пресных подземных вод, водоносный горизонт которых имеет связь с минерализованными или химически загрязненными водами, может нарушить сложившееся гидрохимическое равновесие. Степень влияния зависит от фильтрационных свойств пород, гидрогеологических структурных условий района месторождения, условий питания водоносных горизонтов, режима работы дренажных устройств и т.п.
Атмосферные осадки, выпадая на промплощадки, отвалы, откосы и площадки уступов, образуют дождевые или талые сточные воды.
Сточные воды карьеров формируются в основном из карьерных, дренажных и атмосферных сточных вод. При использовании гидравлических способов разработки и переработки полезных ископаемых значительных объемов достигают технологические сточные воды. В больших объемах используется вода для обогащения полезных ископаемых. Водопритоки в горные выработки могут достигать больших величин. Например, на карьерах Соколовско-Сарбайского ГОКа притоки подземных вод достигают 1600-3000 м3/ч, по Кривбассу – 2600-3300 м3/ч.
Притоки воды в открытое карьерное пространство зависят от развития горных работ и характера ресурсов подземных вод. С увеличением площади отработанного пространства при значительных динамических ресурсах подземных вод водопритоки растут, при ограниченных динамических ресурсах – остаются постоянными, при статических запасах – уменьшаются со временем. С увеличением водопритоков происходит изменение состава карьерных вод.
Обводненность карьеров характеризуется величиной среднегодовых водопритоков и коэффициентом водообильности, представляющим отношение водопритоков к производственной мощности горного предприятия. Эти величины изменяются в достаточно широких пределах. Например, среди угольных бассейнов наибольшей обводненностью отличается Прибалтийский бассейн горючих сланцев, а наименьшей – Экибастузский бассейн (табл.5.5).
Таблица 5.5
Характеристика обводненности основных угольных и сланцевых бассейнов и месторождений
Бассейн | Водоприток, м /ч | Коэффициент водообильности, м /т | ||
минимальный | максимальный | средневзвешенный | ||
Днепровский | 20 | 1250 | 640 | 4,8 |
Кузнецкий | 40 | 1400 | 400 | 2.2 |
Подмосковный | 110 | 2800 | 950 | 10,5 |
Прибалтийский | 400 | 7080 | 1590 | 4,1 |
Челябинский | 80 | 260 | 160 | 0,7 |
Экибастузский | 55 | 250 | 150 | 0,15 |
Месторождения: Средней Азии Приморья Сахалина | 30 140 350 | 3500 370 450 | 710 255 445 | 8 1,4 7,2 |
Прогноз притоков подземных вод в горные выработки в динамике развития горных работ может выполняться методами гидрогеологических аналогий, позволяющих определить общий приток воды в карьер на основе сравнений, например, глубины и площади отработки:
, (5.13)
где Q, Q1 – соответственно прогнозируемый и фактический притоки;
F, F1 – площадь карьера на уровне дневной поверхности соответственно на расчетный и фактический период времени;
Н, H1 – соответственно ожидаемая и фактическая глубина разработки.
В процессе осушения месторождения и откачки воды из карьера происходит кроме количественного истощения запасов подземных вод загрязнение и засорение водных объектов веществами, содержащимися в сточных водах, откачиваемых из карьера.
Состав и свойства карьерных вод зависят в основном от условий их образования и источников загрязнения. Одним из главных факторов, определяющих условия их образования, является геогидродинамическая зональность подземных вод, в соответствии с которой они разделяются по глубине на верхнюю, среднюю и нижнюю зоны. В верхней зоне с активным водообменом расположены грунтовые и артезианские воды при наличии активной циркуляции воды между водоносными горизонтами. В верхней части этой зоны преобладают маломинерализованные пресные гидрокарбонатные воды, а с увеличением глубины они переходят обычно в гидрокарбонатно-сульфатные. В средней зоне расположены воды с высокой минерализацией, образующиеся путем смешения инфильтрационных вод с водами засоленных слоев морских осадков. В средней зоне встречаются сульфатные, натриево-кальциевые и гидрокарбонатные натриевые воды, переходящие в хлоридно-гидрокарбонатные и натриевые. В нижней зоне с застойным водообменом обычно расположены хлоридные воды с концентрацией рассолов.
Кроме того, химический состав карьерных вод определяется активностью выщелачивания и окисления минералов горных пород, вызванных изменениями в процессе строительства и эксплуатации карьера.
Состав и свойства карьерных вод изменяются в очень широком диапазоне в пределах как одного и того же месторождения, так и в границах одного и того же карьерного поля. Одним из основных показателей состава карьерных вод является их минерализация, представленная ионами хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов кальция, магния, натрия и других элементов. По данным ВНИИ О Сугля 5% угольных шахт и разрезов имеют минерализацию до 1 г/л, 22% – 1-2 г/л, 69% – 2-7 г/л, 3% – 7-20 г/л и менее 1 % – свыше 20 г/л. Пресные воды распространены в основном в Кузнецком, Печорском и Прибалтийском бассейнах, солоноватые и сильносолоноватые – в Карагандинском и Донецком бассейнах.
Воды шахт и разрезов Подмосковного, Кузнецкого, Печорского и Прибалтийского бассейнов обладают умеренной жесткостью, а Кизеловского и Донецкого бассейнов – повышенной.
К числу основных загрязнений карьерных вод относятся взвешенные вещества, представленные частицами полезного ископаемого и вмещающих пород разной крупности. Органические загрязнения представлены фенолами и нефтепродуктами. Содержание фенолов обычно невелико – 0,001-0,01 мг/л. Источниками фенольного загрязнения на угольных разрезах являются процессы окисления и самовозгорания углей, горючесмазанные материалы при попадании их в воду, загрязненный фенолами атмосферный воздух. Содержание нефтепродуктов также колеблется в очень широких пределах – 0,01-13 мг/л. В отдельных случаях наблюдается также превышение содержания микроэлементов: по кадмию в 3-11 раз, по никелю в 2-18 раз, по меди в 10-20 раз, по цинку в 2-200 раз, по хрому в 5-123 раза, по кобальту в 2-27 раз, по марганцу в 2-200 раз и т.д. Бактериальная загрязненность карьерных вод также изменяется в очень широких пределах, и их колииндекс колеблется от 1 104 до 1 107.
Наиболее мощными (в количественном и качественном отношении) источниками загрязнения водных ресурсов являются обогатительные фабрики, хвостохранилища, шламохранилища, испарители и другие промышленные объекты. Результаты химического анализа проб технологической воды на обогатительной фабрике Лебединского ГОКа показали, что в процессе обогащения руды происходит увеличение содержания железа и нитритных ионов (NO3) не только в водах фабрики, но и в воде хвостохранилища. Прогноз показывает, что в будущем концентрация NO3″ в водах хвостохранилищ будет составлять 39-45 мг/л, т.е. достигнет значений, предельно допустимых нормами санитарно-бытового водопользования (44 мг/л). Фильтрационные потери вод обусловят загрязнение подземных вод верхнего комплекса. Вследствие фильтрационных потерь из хвостохранилищ в потоке подземных вод образуются три зоны. В ближайшей к хвостохра нилищу зоне концентрация NO3″ и всех остальных компонентов в подземных водах равна их содержанию в водах хвостохранилища. Максимальные радиусы этой зоны составят 2330-4350 м в направлении к дренажи ым системам карьеров, а для остальных направлений не превысят 1500 м. Ширина второй зоны, где содержание нитратных ионов меньше, чем в хвостохранилище, 240-800 м. Третья зона, где содержание нитритных ионов равно нулю, располагается на расстоянии в среднем 1800-2200 м, а в направлениях к карьерам – на расстоянии 5100м.
В хвостах обогатительных фабрик руд цветных металлов находятся такие загрязнители, как мышьяк, цинк, свинец, цианиды и т.д.
В сточных водах углеобогатительных фабрик помимо твердых частиц содержатся растворенные минеральные соли, представленные хлоридами, нитратами, нитритами, сульфатами, карбонатами и др. Кроме того, в них присутствуют остатки флотореагентов, которые частично растворены в воде, частично сорбированы на взвешенных веществах. Кроме карьерных и технологических сточных вод достаточно большой ущерб природной среде наносят атмосферные (ливневые) воды, которые смывают и выносят много загрязняющих и вредных веществ. Кроме того, они загрязняются и за счет сорбирования из атмосферного воздуха вредных веществ атмосферными осадками.
Приток атмосферных вод в карьерные выемки определяется по формуле:
, м3/год (5.14)
где Нвс – средний слой весеннего стока, мм;
F – площадь водосбора, га;
Н0 – среднее годовое количество осадков, мм;
K1, k2 – коэффициенты, учитывающие объем дождевых и талых вод, направляемых на очистные сооружения.
Основными загрязняющими веществами атмосферных вод являются взвешенные вещества (от 300 до 30000 мг/л), нефтепродукты (до 5000 мг/л), фенолы (до 0,1 мг/л), а минерализация составляет 200-3500 мг/л. Содержание взвешенных веществ в дождевых водах, стекающих с породных отвалов углеобогатительных фабрик, достигает 11700 мг/л и в талых водах – 47000 мг/л, а общее солесодержание составляет 7550 мг/л. Поверхностные сточные воды ОФ содержат в основном взвешенные вещества (до 2500 мг/л), минеральные соли (до 5000 мг/л) и нефтепродукты (до 7,5 мг/л). Содержание вредных компонентов в ливневом стоке фабрик Кузбасса: взвешенные вещества – 15000 мг/л; флотореагенты – 440 мг/л; нефтепродукты – 500 мг/л. Средний объем поверхностных стоков составляет 2,6-4,0 тыс.м3/год с 1 га промплощадки фабрики.
Бытовые сточные воды отличаются относительным постоянством состава и свойств в отличие от карьерных вод. Минерализация бытовых сточных вод обычно находится в пределах 1 г/ л. Основными загрязняющими веществами являются минеральные вещества в виде частиц почвы, песка и растворенных солей, а также органические в виде остатков пищевых продуктов, бумаги, физиологических выделений людей, мыла, синтетических моющих средств и пр.
Содержание взвешенных веществ в бытовых сточных водах колеблется в широких пределах – от 100 до 600 мг/л и более. Им свойственна довольно высокая загрязненность нефтепродуктами и фенолами, содержание которых составляет 1-5 и 0,1-0,2 мг/л соответственно. Отмечается также высокая бактериальная загрязненность.
Содержание органических веществ по сравнению со сточными бытовыми водами населенных пунктов сравнительно невысокое (БПК20 = 100-150 мг/л).