Геология и разведка полезных ископаемых

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современная практика очистки шахтных вод базируется в основном на химических методах, что приводит к их вторичному загрязнению и требует больших экономических затрат. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется поискам более эффективных и экономичных решений, обеспечивающих высокие результаты по очистке шахтных вод при минимальных затратах. Прогрессивным способом очистки шахтных вод является фильтрование через дамбы.

Актуальность настоящей работы обусловлена возможностью получения удовлетворительной степени очистки дренажных вод, отводящихся из зоны подтопления на территории закрытой шахты «Анжерская» в г. Анжеро-Судженске Кемеровской области.

Основная задача дипломного проекта - обоснование и расчет инженерных сооружений для очистки дренажных вод.



1. Физико-географическая и геологическая характеристики района север Кузбасса

1.1 Общая характеристика района расположения шахты «Анжерская»

Анжеро-Судженский район расположен на северо-востоке Кузнецкого бассейна и по административному делению относится к Яйскому району Кемеровской области. С северо-востока угленосные отложения, слагающие этот район, ограничиваются Кузнецким Алатау, с северо-запада - Томско-Колыванской складчатой дугой по Томскому надвигу. На юге границы проводятся условно.

На территории района расположен г. Анжеро-Судженск, в пределах которого находится станция Транссибирской железной дороги.

В южной части района действуют два шахтоуправления: «Физкультурник» и «Сибирское», остальные угольные предприятия ликвидированы. Кроме угольной отрасли промышленности, в городе действуют заводы горного оборудования, вагоноремонтный, стекольный и химико-фармацевтический.

Каменные угли в Анжерском районе известны с 80-ых годов XIX столетия. Промышленное их освоение началось с постройки Сибирской железной дороги. В 1896 г. Под руководством П.К.Яворовского впервые проведены поисково-разведочные работы на уголь. В 1897 г. Построена первая шахта «Надежда» в дер. Щербиновке. В конце XIX в. открыты Судженские и Анжерские копи.

Рельеф местности. Сибирская железная дорога разрезает Анжеро-Судженский район на две части - северную и южную, отличающиеся между собой как по рельефу, так и по степени населенности. Расположенная к северу от железной дороги часть имеет слабо холмистую поверхность, общий уклон которой направлен к северо-востоку в сторону р. Мазаловский Китат. Эта река со своим правым притоком - р. Алчедатом и является единственной водной артерией северной части района. Приток р. Алчедата - р. Анжера представляет небольшую водотечь, берущую своё начало на юго-западе северной части района. Слабо развитая речная сеть обуславливает ровный характер поверхности, изредка рассеченной, особенно на севере, довольно глубокими логами.

Южная часть района орошается р. Яя и её левыми притоками, из которых отметим, двигаясь с запада на восток рр. Каменушку, Козлы, Челы и Турат. Все эти притоки являются небольшими ручьями, протекающими в широких заболоченных долинах. Сама р. Яя представляет уже значительно более мощную водную артерию и в настоящий момент снабжает водой весь промышленный цент района через Яйский водопровод. Характер местности здесь более рассеченный, чем в северной части, благодаря сильнее развитой гидрографической сети.

Сибирская железная дорога прошла по водоразделу между системами рр. Яя и Мазаловский Китат, где она падает до 152м. На юге отметки русла р. Яя колеблются от 174 м до 143 м. Средняя отметка поверхности северной части района может быть принята около 210-220 м, а южной части - 230-240 м.

Климат. Кузнецкий бассейн располагается в умеренном (суббореальном) поясе северного полушария и характеризуется континентальным климатом с частыми и резкими колебаниями температур воздуха, количества осадков, интенсивности солнечной радиации и других климатических и погодных факторов. Северная и северо-восточная части бассейна характеризуются умеренно прохладным, увлажненным климатом. Средняя годовая температура воздуха составляет от -0.50 до -0.90 С, количество атмосферных осадков - от 400 до 550 мм/год. На поверхностный и подземный сток уходит 300-320мм. Распространены горно-таёжные глубоко оподзоленные и серые лесные почвы, промерзающие в зимний период на глубину более 1 м. После весеннего снеготаяния запасы воды в метровом слое составляют 200-250 мм.

1.2 Геологическая характеристика района расположения шахты «Анжерская»

Стратиграфия

В геолого-структурном отношении район представляет собой сложно построенную синклиналь, отделённую от основной части Кузбасса Невской антиклиналью, развитой по отложениям девона и нижнего карбона. На западе угленосные отложения срезаны и перекрыты мощным тектоническим покровом девонских отложений (Томский надвиг). Северная граница распространения угленосных отложений не установлена, и граница района условно проводится по р. Соболинке. Угленосные отложения мощностью около 1500 м представлены нижней частью Балахонской серии, преимущественно Острогской и Нижнебалахонской подсериями. Они сложены типичным для угленосного карбона переслаиванием песчаников (иногда с прослоями гравелитов), алевролитов разной крупности, углистых аргиллитов и пластов углей. Наряду с унифицированной в районе применяется местная стратиграфическая схема, основанная на различиях в характере и степени угленосности. В соответствии с этой схемой продуктивные отложения Нижнее- и Верхнебалахонской подсерий разделяются на три толщи (снизу вверх): Челинскую, Центральную и Алчедатскую.

Челинская толща, охватывающая нижний малопродуктивный интервал мощностью около 480 м, сложена частым переслаиванием мелкозернистых песчаников (с редкими прослоями гравелитов, конгломератов), алевролитов, аргиллитов, углистых аргиллитов и тонких слоев угля.

Центральная толща, выделяющаяся от почвы пласта «Коксового» до кровли пласта «Наддесятого», является в промышленном отношении наиболее ценной, её угленосность составляет 11%. Поэтому все шахты Анжерского района оказались заложенными на угли Центральной толщи. В состав данной толщи входят от 5 до 8 рабочих пластов. Представлена мелкозернистыми песчаниками и аргиллитами с подчинённым участием алевролитов, углистых аргиллитов и углей. Для данной толщи характерна значительная латеральная изменчивость. С северо-запада на юго-восток увеличивается её мощность (от 120 до 180м), снижается угленосность и возрастает роль песчаников.

Алчедатская толща мощностью до 450 м имеет ограниченное распространение и представлена обычным песчано-глинистым комплексом пород с невыдержанными прослоями углистых пород и углей. Породы палеозоя повсеместно перекрываются рыхлыми меловыми и неоген-четвертичными отложениями общей мощностью от 5-10 м в долинах до 30-40 м - на водоразделах. Меловые отложения из белых и пестроцветных глин и песков уцелели от эрозии лишь в виде маломощных реликтовых покровов на водоразделах. Неогеновые, преимущественно глинистые осадки, имеют локальное распространение в погребенных депрессиях. Почти повсеместно развитые четвертичные отложения представлены в основном покровными суглинками и песчано-гравийным аллювием.

Тектоническое строение

Тектоническое строение угленосного комплекса сложно и неоднородно. Это обусловлено положением района на сопряжении каледонид Кузнецкого Алатау с позднегерцинской Колывань-Томской складчатой зоной. Юго-восточная часть района тяготеет к Приалатауской зоне моноклиналей и пологих складок, северо-западная - к сложноскладчатой Приколывань-Томской зоне бассейна.

Угленосный комплекс заполняет крупную, сложно построенную Анжеро-Суджевскую синклиналь с погружающимся в северо-западном направлении шарниром, срезанную Томским надвигом. Вследствие ундуляции шарнира Анжеро-Судженская синклиналь подразделяется на три брахискладки: Анжкрскую, Андреевскую и Козлинскую. Первые две разделяются пологим, сложно построенным антиклинальным поднятием. Козлинская синклиналь отделяется от Андреевской крупным Терентьевским надвигом. Все названные складки пологие, с широкими волнистыми придонными частями. В поперечном разрезе они ассиметричны: западные крылья крутые (50-70), восточные, как правило, более пологие (20-30). Лишь восточное крыло Анжерской синклинали на севере закручивается до отвесного, местами опрокинутого залегания. Максимальная глубина погружения Центральной толщи в Анжерской синклинали достигает 1000м, в Андреевской и Козлинской не превышает 500м.

Широко развита дополнительная складчатость и дизъюнктивные нарушения различных амплитуд. Два крупнейших надвига - Томский и Терентьевский - прослеживаются через весь район и за его пределы. Томский надвиг имеет значительную (не менее 3 км) полоса распространения стратиграфическую амплитуду и волнистый пологозалегающий смеситель. В связи с этим под тектоническим покровом пород девона погребена довольно широкая (не менее 3км) полоса распространения угленосных отложений.

С формированием Томского надвига и последующими тектоническими дислокациями связана сложная дополнительная складчатость, а так же многочисленные и разнообразные по форме и амплитуде разрывные нарушения.

Как западное, так и восточное крылья синклинали осложнены дополнительной складчатостью и дизъюнктивами. Подавляющее большинство дизъюнктивов представляет собой согласные взбросы с амплитудой до 200 м. Западное крыло Анжерской синклинали почти полностью срезано Томским надвигом, который пересекает это крыло вблизи замка складки примерно под прямым углом. Далее на северо-восток Томский надвиг, изгибаясь в замке складки, изменяет своё простирание с широтного на субмеридиональное, вследствие чего он становится на восточном крыле продольным дизъюнктивом. Здесь он постоянно срезает под острым углом до выхода под наносы вначале пласты Алчедатской, а затем Центральной и Челинской толщ продуктивных отложений района. Поэтому восточное крыло синклинали прослеживается далеко на северо-запад, примерно на 25 км от г. Анжеро-Суданска.

Дизъюнктивы в поперечно-вертикальных сечениях, так же как и в плане, пересекают отложения и пласты угля под острыми углами. Все они относятся к типу взбросов с вертикальной амплитудой смещения от нескольких десятков метров до 150-200 м. Таких дизъюнктивов на описываемом крыле складки насчитывается семнадцать - 13, 12, 11, 11а, 10, 9, 8, 8а, (-), 7, 6, V, IV. III, IIIa, II, I. Среди относительно крупных дизъюнктивов на восточном крыле Анжерской синклинали встречается только одна система параллельных друг другу продольных взбросов с падением на запад, что подчеркивает ведущее значение для тектонической структуры Анжеро-Судженского района движение масс со стороны Томско-Колыванской складчатой зоны.

Замковая часть Анжерской синклинали характеризуется исключительно сложным строением. По мере приближения к замковой части синклинали со стороны её восточного крыла появляются довольно крупные складки - Восточные антиклиналь и синклиналь.

Эти складки расположены восточнее центральной синклинали. Они имеют симметричное строение и меридиональное простирание. Развиваясь в южном направлении, одна из этих складок, в конце концов, становится основной складкой и переходит в Анжерскую синклиналь. Эти складки являются замечательными тем, что на всём своём протяжении находятся в постоянной связи с крупным продольным дизъюнктивом V, который, по-видимому, образовался до появления этих складок и в процессе их формирования приобрел складчатые очертания. Поверхность дизъюнктива V плавно перегибается в замках складок, пересекая и сдваивая пласты нижней пачки. На всём своем продвижении оси описываемых складок располагается горизонтально и только к выходам под наносы выкручиваются до 15-20 и погружаются на северо-запад.

Помимо складчатости, замковая часть Анжерской синклинали поражена дизъюнктивами, которые характеризуются следующими особенностями: продольные взбросы, описанные в пределах восточного крыла синклинали следуя повороту Томского надвига, изменяют своё простирание и становятся поперечными по отношению к наслоению.

Установлен ряд подобных дизъюнктивов с определенным закономерным пространственным расположением. Хорошо изученыо пять поперечных сдвигов - Р, Р1, Р2, Р3, Ра. Дизъюнктив Р1 пересекает в широтном направлении все складки, а так же и продольные дизъюнктивы и перемещает их с запада на восток от 5 до 20 м. Дизъюнктив Р1, расположенный в 600 м севернее дизъюнктива Р, прослежен горными работами на протяжении 1,8 км по всем пластам Центральной толщи, Дизъюнктив Р2, расположенный в 500-600 м севернее дизъюнктива Р1, встречен по пластам Десятому и Андреевскому и прослежен на протяжении 1,2 км. Дизъюнктив Ра установлен на горизонте - 13 м в 700 м к югу от дизъюнктива Р и изучен по пласту Петровскому на протяжении 300м. Характерными особенностями этих дизъюнктивовтипа поперечных сдвигов являются широтное простирание плоскостей сместителей, крутое их залегание под углом 60-85 с падением на север, горизонтальная, реже диагональная, штриховка на плоскостях сместителей и невыдерженная амплитуда смещения - от 25 до 2 м. Очевидно, эти сдвиги являются более поздними образованиями по сравнению с продольными взбросами и дополнительной складчатостью, так как они пересекают их и перемещают. Для поперечных дизъюнктивов, поражающих замковую часть Анжерской синклинали, так же как и для продольных - развитых на восточном её крыле, характерным является примерно равные расстояния между соседними дизъюнктивами. Можно, в первом приближении, говорить о шаге или же о частоте в расположении этих дизъюнктивов, которые равны в среднем 600-700 м.

Западное крыло Анжерской синклинали почти полностью срезано Томским надвигом. Пересекая это крыло почти под прямым углом, Томский надвиг естественно вызвал на участке обреза пластов сложную тектоническую обстановку. Здесь образовалась антиклинальная складка, осевая линия которой перпендикулярна господствующему простиранию крыла.

Дизъюнктивная структура западного крыла коренным образом отличается от восточного. Здесь совершенно отсутствуют крупные продольные дизъюнктивы.

Физико-механические свойства углей и вмещающих пород

Породы угленосной толщи представлены песчаниками, алевролитами и аргеллитами, обладающими значительной крепостью и относительной устойчивостью в горных выработках. Крепость и устойчивость пород резко уменьшаются в зоне выветривания, которая распространяется местами до глубины 40-45 м, иногда до 80 м, а так же в зонах интенсивной тектонической нарушенности. Непосредственная почва и кровля пластов угля обычно сложены в разной степени трещиноватыми слоями алевролитов и песчаников мощностью 2-3 м, выше и ниже которых следуют более мощные и менее трещиноватые слои песчаников или алевритоглинистых пород. На отдельных участках появляется ложная почва или кровля мощностью 0,1-0,3 м, сложенные обычно углистыми аргиллитами и алевролитами, редко песчаниками. Пласты «Коксовый», «Тонкий», «Петровский» и «Андреевский» сложены крепкими углями и дают при добыче значительный процент крупных классов. Пласты «Случайный», «Двойной» и «Десятый» содержат пачки мятых углей и при добыче выдаются преимущественно в виде мелочи.



Морфология и условия залегания угольных пластов

Общее количество пластов и прослоев углей достигает 46, их общая мощность около 40 м. Примерно 24 пласта с общей мощностью около 29,7 м на значительных площадях кондиционированы.

Пласты средней мощности в основном простого строения, на небольших участках - сложного; тонкие пласты обычно состоят из одной пачки. Породные прослои в углях, кровля и почва пластов представлена чаще всего алевролитом, реже аргиллитом, углистыми породами и песчаниками.

Главное промышленное строение имеет Центральная толща, включающая до восьми рабочих пластов. На севере района, в Анжерской синклинали в нижних горизонтах центральной толщи залегают четыре сближённых рабочих пласта («Коксовый», «Случайный», «Тонкий» и «Петровский»)., а в верхней части разреза - пласты «Андреевский» и «Десятый». В южной части района угленосность снижается, вследствие утонения пластов «Десятого», «Двойного», и «Случайного» и выклинивания на Козлинском месторождении пластов «Петровского» и «Тонкого».

В пластах угля наблюдаются локальные размывы, а так же раздувы, пережимы и выклинивания как сингенетической, так и постседиментационной, в основном тектонической природы. Пласты Алчедатской толщи характеризуются невыдержанными мощностями и строением из-за непостоянства условий накопления и интенсивной тектонической нарушенности. В связи с этим «алчедатские» пласты разрабатывались лишь локально, преимущественно в Козлинском месторождении.

Пласты Челинской толщи тонкие, отдельные из них, (преимущественно «Румянцевский» и «Надконгломератовый») на значительных участках приобретают промышленное значение.

Качество углей. В мацеральном составе углей большинства пластов преобладает витринит, содержавшийся обычно в количестве от 40 до 50%. Группы семивитринита и инертинита присутствуют обычно в количествах от 20 до 30%. В некоторых пластах Центральной и Челинской толщ («Петровском», «Неназванном», «Румянцевском») содержание инертинита достигает 50-60%.

Степень метаморфизма углей увеличивается в стратиграфическом разрезе от вышележащих пластов к нижележащим, в плане с юго-востока на северо-запад, а так же по падению пластов в современных складчатых структурах.

В соответствии с изменением степени метаморфизма и петрографическими особенностями марочный состав углей изменяется от коксовых отощенных, коксовых слабоспекающихся и отощенных спекающихся в Козлинской, Андреевской и верхних горизонтах Анжерской синклиналей до слабоспекающихся, тощих спекающихся и тощих на севере района и в глубоких горизонтах Анжерской синклинали. Угли используются в коксохимическом производстве и в качестве энергетического топлива.

1.3 Гидрогеологическая и инженерно-геологическая характеристики района расположения шахты «Анжерская»

Гидрогеологические условия

Подземные воды угленосного комплекса относятся к пластово-трещинному типу. Повышенная водообильность с удельными дебитами от сотых долей до 1,2 л/с наблюдается до глубины 100-150 м. Максимум водообильности приходится на весну и осень, когда выпадает наибольшее количество осадков. С глубиной водообильность уменьшается, и во многих шахтах гидрогеологические условия разработки сравнительно несложные. По шахтоуправлениям «Физкультурник» и «Сибирское» среднегодовые притоки колеблются от 100 до 300 м3/час. В южной части поля шахтоуправления «Сибирское» среднегодовые притоки повышенные: от 400 до 700 м3/час. Высокой, но обычно кратковременной обводнённостью отличаются зоны дробления крупных разрывных нарушений. Химический состав вод гидрокарбонатно-кальциевый с повышенным содержанием сульфатиона.

Данные гидродинамического мониторинга свидетельствуют о существенных расхождениях расчётной (прогнозируемой) и фактической скоростей подъёма уровня воды в шахтах. Более низкие значения фактической скорости затопления по сравнению с расчётной, наблюдаемые в большинстве (примерно 2/3) ликвидируемых шахт, означают что техногенная пустотность их горного массива оказалась выше расчетной. Вместе с тем на 6 шахтах («Анжерская», «Судженская», «Бирюлинская», «Северная», «Ягуновская» и «Лапичевская») фактические темпы затопления в 1,5-3 раза выше проектных.

Газоносность

Газоносность угленосной толщи довольно высокая. Верхняя граница метановой зоны проходит на глубинах от 100 до 300 м в Анжерской синклинали и до 180-200 м - в Андреевской и Козлинской синклиналях. Наиболее газообильными (сверхкатегорийными) были шахты «Судженская и «Анжерская» и действующее шахтоуправление «Сибирское». Шахтоуправление «Физкультурник» относится ко II категории газообильности.

В шахтоуправлении «Физкультурник» максимальная газообильность на горизонте - 37 м абс. Достигает 10 м3/т.с.д. В связи с умеренной метанообильностью поддержание требуемого атмосферного режима горных выработок в этих предприятиях осуществляется только вентиляцией. На шахтах «Анжерская» и «Судженская» с глубины 420 м применялась предварительная дегазация скважинами с поверхности и из горных выработок. Общие ресурсы метана, сорбированного угольными пластами в Анжерском районе, оцениваются в 34 млрд. м3.

Из газодинамических явлений в шахтах Анжеро-Судженского района известны внезапные обрушения с попутным газовыделением при проведении восстающих выработок, внезапные выбросы угля и газа и взрывы метана. Наименьшая критическая глубинапроявления внезапных выбросов по пласту «Румянцевский» на участке «Козлинском Южном» прогнозируется в 500 м, критическая глубина удароопасности в забоях очистных выработок составляет 150 м от поверхности.

Угли опасны по взрыву угольной пыли и склонны к самовозгаранию, что подтверждается случаями самовозгарания углей в горных выработках шахт «Анжерская» и «Судженская», а так же при хранении в отвалах.

1.4 Характеристика природных ресурсов района расположения шахты

Ресурсы, добыча углей и перспективы района

Общие ресурсы каменного угля Анжеро-Судженского района до горизонта -1800м абс. по состоянию на 01.01.2008 г. составили 1103 млн. т. Они складываются из 466 млн. т, учтённых государственным балансом, 319 млн. т - числящихся в отраслевом балансе, и 318 млн. т - прогнозных ресурсов. К началу 2001 г. запасы, включённые в госбаланс, уменьшились до 462 млн. т.

Действующее шахтоуправление «Физкультурник» и «Сибирское» в 2000 г. добыли 1230 тыс. т угля. Основная часть добычи и пользуется для коксования, несортовые угли идут на энергетические цели.

Перспективных площадей для наращивания «благоприятных» запасов с целью промышленного освоения и строительства крупных угольных предприятий в районе не оставалось. Действующие шахтоуправления дорабатывают имеющиеся промышленные запасы угля на вскрытых горизонтах, подготавливают к выемке запасы нижних горизонтов и приступили к освоению «прирезок», разведанных на участке «Козлинском Южном». Обеспеченность действующих предприятий балансовыми запасами при современном уровне их погашения составляет около 50 лет. Наиболее крупные неосвоенные запасы расположены на «Щербиновском» участке (около 89 млн. т), но значительная часть их залегает в сложных горно-геологических условиях.

Экологическая ситуация Анжеро-Судженского района

Как правило, после закрытия шахт на поверхности в районе выработки проседает грунт, и из-за этого район подтапливается грунтовыми водами. Чтобы избежать подтопления, вырыта сеть дренажных каналов, по которым вода циркулирует и в конечном итоге впадает в водоемы. Из-за шахтных выработок в воде превышен ПДК различных загрязняющих веществ, которые впоследствии попадают в гидросферу района.

В связи с тем, что загрязнение происходит в основном органическими соединениями, в дипломной работе рассмотрен и проанализирован способ очистки, который сможет сократить плату за сбросы и загрязнение окружающей среды, с помощью фильтрующей дамбы.

Тема диплома актуальна, так как используемая фильтрующая дамба позволяет сократить загрязнение окружающей среды и финансовые расходы.



2. Воздействие закрытых шахт на окружающую среду

Как известно, предприятия угольной промышленности оказывают существенное негативное влияние на различные компоненты окружающей среды: атмосферный воздух, земельные и водные ресурсы, флору и фауну. В процессе производства горных работ как открытым, так и подземный способом происходит изъятие из землепользования и нарушение земель, в том числе сельскохозяйственного и лесохозяйственного назначения, загрязнение вредными веществами почвенного покрова на прилегающей к горным отводам территории. Откачка шахтных карьерных вод приводит к изменению гидрогеологического режима подземных вод, выражающемуся в образовании депрессионных воронок, истощении запасов подземных вод водоносных горизонтов, в том числе используемых в качестве подземных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, понижении уровня грунтовых вод и в некоторых случаях иссушением почвенного слоя.

Сброс загрязненных и недостаточно очищенных шахтных и карьерных вод в водные объекты приводит к их загрязнению, а в отдельных случаях, например в Кизеловском угольном бассейне, к полному выводу из водопользования. Образованные на поверхности земли техногенные водоемы (пруды-отстойники, пруды-накопители, шламонакопители, илонакопители и др.) являются опасными промышленными объектами и постоянными источниками загрязнения окружающей среды.

Технологические процессы производства, связанные с добычей, транспортировкой, складированием угля, вскрышных и вмещающих пород, обогащением, переработкой и сжиганием угля, сопровождаются выбросом в атмосферу большого количества твердых и газообразных вредных веществ, загрязняющих атмосферный воздух.

Выдаваемые на поверхность при подземной добыче угля вмещающие породы и значительная часть вскрышных пород при открытой добыче угля размещаются во внешних породных отвалах, которые не только занимают обширные территории, но и служат постоянными источниками загрязнения окружающей среды, оказывающими негативное воздействие на атмосферный воздух, подземные и поверхностные воды, почвенный покров на прилегающей территории. Особую опасность для близлежащих населенных пунктов и окружающей среды представляют горящие породные отвалы, выделяющие в атмосферу в большом количестве такие вредные газообразные вещества, как оксиды углерода, диоксид серы, углеводороды, сероводород. Следует отметить, что зона техногенного воздействия угольных предприятий выходит далеко за пределы промплощадок, горных и земельных отводов.

Анализ складывающейся в угольной промышленности ситуации в связи с массовым закрытием нерентабельных предприятий свидетельствует о неоднозначности влияния этого процесса на экологическое состояние как в зоне непосредственного воздействия каждого из этих предприятий, так и угольных бассейнах и регионах в целом.

С одной стороны, с остановкой горных работ прекращается функционирование целого ряда технологических процессов, оказывающих постоянное негативное влияние на окружающую природную среду или отдельные ее элементы.

Таблица 2.1 - Показатели техногенного воздействия действующих предприятий угольной промышленности за 2008 г.

Показатель	Абсолютная величина	Удельное значение
1. Объем сброса сточных вод в том числе за- грязненных	510,4 млн. м3 453,2 млн. м3	1,55 м3 /т 1.38 м3 /т
2. Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в том числе: Твердых газообразных	1100,2 тыс. т 58,4 тыс. т 1041,8 тыс. т	3,34 кг/т 0,18 кг/т 3,16 кг/т
3. Площадь нарушенных за год земель	2061,9 га	6,3 га/млн. т
4. Объем образованных твердых отходов производства в том числе размещаемых во внешних отвалах	1898,4 млн. т 797,8 млн. т	5,77 т/т 2,43т/т

К таким процессам относятся:

- непрерывный выброс в атмосферу с вентиляционным потоком загрязняющих веществ (тонкодисперсной угольно-породной пыли, метана, углекислого газа, сероводорода и других вредных газообразных веществ);

- откачка на поверхность и сброс в природные водотоки шахтных и карьерных вод, имеющих повышенную минерализацию, высокое содержание железа и кислую реакцию, загрязненных взвешенными веществами, нефтепродуктами, фенолами, бактериальными примесями;

- выдача на поверхность склонной к самовозгоранию породной массы и размещение ее в конических и плоских природных отвалов;

- изъятие из землепользования и нарушение новых участков земель часто сельскохозяйственного и лесохозяйственного назначения;

- выдача на поверхность угля и последующие операции по его выгрузке, погрузке, транспортировке, хранению в открытых угольных складах, обогащению, переработке и сжиганию;

- целый ряд вспомогательных технологических процессов и производств, без которых без которых невозможно ведение добычных и подготовительных работ в шахтах и разрезах.

Всё это, безусловно, приводит к снижению техногенной нагрузки и оказывает благоприятное влияние на состояние окружающей природной среды.

С другой стороны, ликвидация угледобывающих предприятий сопровождается нередко весьма опасными экологическими последствиями. К основным факторам негативного воздействия на окружающую среду ликвидируемых предприятий относятся:

- прекращение производственной деятельности закрываемых угольных предприятий, в результате чего, как правило, остается вся развитая и весьма сложная производственная инфраструктура, не вписывающаяся в окружающий природный ландшафт;

- затопление горных выработок и выработанного пространства шахт и резервов, сопровождающееся глубоким негативным воздействием на подземные и поверхностные воды, земную поверхность, атмосферный воздух;

- выведенные из эксплуатации накопители твердых и жидких отходов производства, к которым относятся конические и плоские породные отвалы, открытые угольные склады, шламонакопители, гидроотвалы, отстойники и различного рода техногенные водоемы, занимающие обширные территории, являющиеся интенсивными источниками загрязнения подземных и поверхностных вод, атмосферного воздуха и не служащие украшением природного ландшафта;

- промплощадки, нарушенные, загрязненные и деградированные земли, которые не могут быть использованы в существующем виде и подлежат рекультивации (таблица 2.2).

Перечисленные в таблице № 2.2 в той или иной мере продолжают оказывать негативное воздействие на все элементы окружающей природной среды. Глубина и степень экологической опасности, возникающей под влиянием этих факторов, обусловлены сочетанием природно-экологических и горнотехнических условий, имеющих специфические черты, и различаются по угольным бассейнам, месторождениям и отдельным предприятиям. По этой причине необходимый комплекс мероприятий по предупреждению, локализации и ликвидации негативных экологических последствий должен разрабатываться до начала технических работ по закрытию предприятий на стадии предпроектных проработок и проектирования.



Таблица 2.2 - Основные факторы негативного воздействия ликвидируемых шахт и разрезов на окружающую среду и технические решения по его предотвращению

Факторы негативного воздействия на окружающую среду	Элементы окружающей среды	Виды негативного воздействия на окружающую среду	Технические решения по предотвращению негативного воздействия
1.Прекращение производственной деятельности угольных предприятий	Природный ландшафт	Выведение из эксплуатации промплощадки, подъездные железнодорожные пути и станции, технологические автодороги, ЛЭП, трубопроводы, линии связи, здания и сооружения.	Демонтаж неиспользуемых зданий и сооружений, железнодорожный путей, трубопроводов, ЛЭП, расчистка промплощадок.
2.Затопление горных выработок и выработанного пространства ликвидируемых шахт	Подземные воды Поверхностные воды Земная поверхность Атмосферный воздух	Фильтрация, перетоки и внезапные прорывы шахтных вод из затопленных шахт в горные выработки смежных действующих шахт Загрязнение подземных питьевых водозаборов и подземных вод водоносных горизонтов, которые могут быть использованы для хозяйственно- питьевого водоснабжения Изливы и выходы в виде родников загрязненных шахтных вод на поверхность, стоки породных отвалов, поступление их в поверхностные водные объекты и на рельеф местности, загрязнение воды, русел рек и берегов Деформации земной поверхности, образование прогибов, просадок, провалов, сдвижение бортов разрезов, оползни, нарушения и разрушения линий передач, производственных зданий и сооружений Подтопление территории шахтерских городов и поселков, сельскохозяйственных земель и угодий Вытеснение шахтных газов из затапливаемых горных выработок и выработанного пространства, выход на поверхность и скопление газов в колодцах, подвалах зданий и помещений, пониженных участках местности	Создание водонепроницаемых перемычек, тампонаж скважин, оставление целиков, поддержание уровня затопления на заданной отметке за счет откачки шахтных вод, строительство водоотливов на действующих шахтах Создание противофильтрационных завес, барражных систем Сбор и очистка изливающихся на поверхность шахтных вод, стоков породных отвалов промплощадок, закачка шахтных вод в глубокие горизонты, отвод поверхностных вод от породных отвалов Исключение строительства на подработанной территории, укрепление фундаментов зданий и сооружений, засыпка провалов, подвалка породой бортов разрезов, планировка поверхности Строительство водоотливных комплексов для понижения уровня подземных вод и дренажных систем для сбора, отвода и очистки откачиваемых шахтных и дренажных вод Контролируемый выпуск шахтных газов через специально оборудованные газодренажные трубы, газоизоляция нижних частей зданий, устройство газонепроницаемых перекрытий, принудительная вентиляция подвальных помещений
3.Накопители отходов (породные отвалы, открытые угольные склады, шламо- и илонакопители, отстойники, техногенные водоемы)	Земельные ресурсы Атмосферный воздух Водные ресурсы	Изъятие из землепользования территории, техногенные формы ландшафта Выделение пыли и газообразных вредных веществ, особенно при возгорании или самовозгорании Образование загрязненных стоков	Ликвидация накопителей отходов, восстановление ландшафта Тушение горящих породных отвалов и очагов самовозгорания, осуществление профилактических мероприятий, рекультивация занимаемой территории Сбор и очистка стоков
4.Нарушенные, загрязненные и деградированные земли, карьерные выемки	Земельные ресурсы	Непригодность земель для хозяйственного использования	Рекультивация земель и карьерных выемок для их последующего использования



В подавляющем большинстве случаев ликвидация шахт осуществляется методом затопления. Прекращение водоотлива из ликвидируемых шахт приводит к существенному изменению гидродинамического режима подземных вод, и прежде всего, к восстановлению их первоначального уровня, имевшего место до начала горных разработок. Изменяется, как правило, в сторону ухудшения, химический состав шахтных вод, что выражается в увеличении степени минерализации воды, содержания железа, ряда микроэлементов, в том числе обладающих токсичными свойствами. Могут быть загрязнены и выведены из строя близлежащие подземные источники хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Затапливаемые шахты нередко граничат с остающимися в эксплуатации соседними шахтами, сбитыми с закрываемыми горными выработками или имеющие с ними гидравлическую связь, что приводит к перетокам воды в действующие шахты и создает угрозу внезапных прорывов воды. Это вызывает необходимость увеличения производительности водоотливов на действующих шахтах или строительства водоотливных комплексов на ликвидируемых шахтах с целью поддержания безопасного уровня подземных вод.

Для решения проблемы защиты подземных вод от загрязнений при затоплении шахт необходимо, прежде всего, выполнение широких гидрогеологических исследований, включая проведение режимных наблюдений за подземными шахтными водами, оценку гидродинамического и гидрохимического состояния подземных вод, составления гидродинамических прогнозов, разработку специальных защитных мероприятий. В обязательном порядке должны предусматриваться мероприятия по снижению притоков воды в шахты и разрезы, степени загрязнения шахтных и подземных вод, основными из которых являются:

- устройство водоупорных перемычек в горных выработках для регулирования потоков шахтных вод;

- тампонаж разведочных, технических, неработающих водозаборных и других скважин;

- засыпка прогибов, просадок, провалов и других понижений рельефа местности, особенно на выходах угольных пластов, и планировка поверхности;

- сооружение противофильтрационных завес на пути движения шахтных вод с целью защиты подземных питьевых водозаборов;

- бурение скважин вертикального дренажа для перехвата загрязненных шахтных вод.

Зачастую затопление шахт сопровождается изливом шахтных вод на поверхность. Наиболее сложные проблемы возникают в случае закрытия группы шахт, имеющих тесную гидравлическую связь между собой. Наличие такой связи обуславливает, как правило, высокую степень загрязнения шахтных вод, поступающих с глубоких горизонтов, и большие расходы шахтных вод. Наиболее опасными ингредиентами являются минеральные соли, повышенная кислотность и высокое содержание железа. Эти категории шахтных вод, представляют наибольшую опасность для поверхностных водных объектов. Большой вред водным объектам наносят так же стоки породных отвалов и промплощадок, которые характеризуются, как правило, еще более высокими концентрациями загрязняющих веществ.

Мероприятия по снижению вредного воздействия изливов шахтных вод, стоков породных отвалов и промплощадок на поверхностные водоемы включают:

- закачку воды в соседние закрытые шахты, не имеющие свободного излива воды на поверхность с предварительной очисткой, например, в прудах-отстойниках и других сооружениях;

- очистку на имеющихся на шахтах очистных сооружениях при соответствии расхода шахтных вод производительности этих сооружений и обеспечения необходимой эффективности очистки для последующего использования или сброса в водные объекты;

- передачу шахтных вод на очистные сооружения ближайших действующих шахт с их реконструкцией в необходимых случаях;

- строительство новых очистных сооружений на прогнозируемый излив на основе эффективных и экономичных технологий.

Стоки породных отвалов и промплощадок могут очищаться совместно с шахтными водами или локализоваться и подвергаться очистке на стационарных или передвижных установках.

Затопление водой больших объемов выработанных пространств на ликвидированных шахтах сопровождается изменение напряженного состояния горного массива, активизацией сейсмических проявлений горного давления. Сейсмические наблюдения, проводимые в различных угольных регионах страны, отмечают активизацию сейсмических явлений, периодически регистрируют техногенные землетрясения силой до 3-4 баллов по шкале Рихтера. Продолжаются, а в некоторых случаях активизируются процессы оседания земной поверхности с образованием прогибов, провалов, воронок, трещин, следствием чего является подтопление подработанных территорий, на которых располагаются промышленные здания и сооружения, жилые поселки, ценные сельскохозяйственные земли и лесные массивы. Для предупреждения этих явлений важное значение имеет своевременный прогноз возможности подтопления территорий, разработка и осуществление профилактических мероприятий.

Опасным явлением, связанным с затоплением шахт, является образование взрывоопасных скоплений метана и других вредных газов как в горных выработках при выполнении технических работ, так и на поверхности шахт в процессе их затопления. Как показывает практика, газовую безопасность при выполнении технических работ по закрытию шахт можно обеспечить за счет достоверного прогноза выделения и миграции метана, надежной вентиляции горных выработок, постоянного контроля состояния воздушной среды в местах возможного скопления метана. Для этих целей заблаговременно должны быть разработаны схемы вентиляции горных выработок с учетом их погашения. После полной засыпки стволов отвод газа из выработанного пространства производится по дегазационным трубам, выведенным на поверхность через перекрытия стволов. При обнаружении опасного скопления метана применяются экстренные меры по его ликвидации.

Опасные выделения метана и других вредных газов на земную поверхность при затоплении шахт обусловлены повышением уровня воды в отработанном пространстве и вытеснением его на более высокие горизонты, а затем и проникновением в подвальные помещения и нижние этажи промышленных и гражданских объектов.

Для предупреждения загазирования жилых и производственных зданий и помещений важная роль принадлежит прогнозированию и систематическому контролю скоплений газов, своевременной разработке и реализации оперативных мер по разгазированию объектов. Опыт показывает, что после полного затопления шахт, как правило, спустя 3-6 месяцев поступление метана на поверхность значительно снижается, а затем полностью прекращается.

Негативные последствия ликвидации нерентабельных угольных предприятий носят интегральный характер и отражаются не только в экологической, но и в социальной сфере. Воздействие на социальную сферу выражается прежде всего в ухудшении жизненных условий населения, проживающих в зоне влияния закрываемых предприятий, и связано с загрязнением атмосферного воздуха, воды водных объектов, снижением защитных функций лесных насаждений.

С прекращением добычи угля, закрытием и затоплением угольных шахт и разрезов экологическая опасность сохраняется, ранее нанесенный природной среде экологический ущерб не исчезает бесследно, появляются и могут возникать в будущем новые источники опасности для окружающей природной среды в зоне их влияния. Поэтому в проектах закрытия шахт должен быть предусмотрен и в дальнейшем реализован системный экологический мониторинг и полный комплекс природоохранных мероприятий, учитывающий все источники загрязнения и факторы негативного влияния на окружающую среду.

Ликвидация негативных экологических последствий закрытия угольных предприятий и нейтрализация вновь возникающих источников экологической опасности требуют больших материальных затрат. Для снижения затрат необходим взвешенный, научно обоснованный подход к решению этой весьма сложной и важной проблемы, создание и эффективное функционирование системы экологического мониторинга, глубокая проработка и оперативная реализация природоохранных мероприятий с учетом реально складывающейся обстановки в угольных регионах.

В мульдах оседания на поверхности происходит подтопление территории в том числе селитебных зон.

Водопонижение в зонах подтопления производят с помощью систем дренажных каналов. Дренажные воды загрязнены органическими веществами, тяжелыми металлами и др. Как правило, дренажные воды без очистки сбрасываются в водоемы.



3. Анализ путей защиты гидросферы на закрытых шахтах

Шахтные воды, загрязненные взвешенными веществами, сульфатами, хлоридами, железом, натрием, нефтью, фенолами, микроэлементами, сбрасываются в гидрографическую сеть в угледобывающих регионах.

Аналогичная ситуация наблюдается и при закрытии шахт. При закрытии шахт прекращается загрязнение шахтной воды некоторыми компонентами, концентрация других компонентов остается на прежнем уровне или может даже увеличиваться. Излив воды на поверхность не прекращается, поэтому остается вопрос платы за ее сброс в гидрографическую сеть и необходимость очистки от некоторых специфических загрязнений, например, фенолов, нефтепродуктов и микроэлементов.

Наибольшее распространение для очистки шахтных вод на предприятиях угольной промышленности нашли отстойники и фильтровальные очистные сооружения. Однако в ряде случаев применение традиционных способов и схем очистки воды затруднено или не обеспечивает требуемого качества очищенной воды.

Анализ патентной литературы показал, что во всех развитых странах в настоящее время успешно применяется биологическая очистка производственных сточных вод с помощью активного ила или смеси микрофлоры в виде биопленки на фильтруемом материале.

В США, патент № 4358221, 1982, известен способ очистки от нефти в специальных скважинах, заполненных песком и гравием, в результате чего образуется дренажная сеть, которая соединена с ямой. Вода, протекая через скважины, заполненные песком и гравием, перетекает в яму для последующей очистки.

В Японии, заявка № 60-15398, 1985, существует способ удаления из сточных вод марганца с помощью бактерий Pseudomonas, окисляющих его в условиях практического отсутствия источников питания бактерий. После окисления марганец удаляют осаждением из воды.

В Великобритании, заявка № 1579623, 1980, в качестве фильтрующей среды для биологической очистки сточных вод используется инертный материал из гранулированного материала в виде активированного угля и песка.

Во Франции, заявка № 2565962, 1985, известен способ биологической очистки воды, согласно которому воду подают сверху вниз через фильтрующий гранулированный материал с одновременной подачей кислорода в середину фильтрующего материала. Способ применим для удаления углеродсодержащих загрязнений.

Известен «Способ биохимической очистки сточных вод от бенз(о)пирена», а.с. № 1137085, СССР, 1985, включающий предварительную механическую очистку, аэрацию, введение микроорганизмов рода Pseudomonas и фосфорного питания. Очистку осуществляют при постоянной скорости протока сточных вод и непрерывном режиме культивирования микроорганизмов с концентрацией 50-100 млн. клеток в 1 мл, при рН=6,8-9,2; и при температуре 25-400С в течение 35-44 часов.

Известен «Способ применения фильтрующего материала для очистки сточных вод от ионов цветных металлов, нефтепродуктов и синтетических поверхностно-активных веществ», а.с. № 8066615, СССР, 1981.Фильтрующий материал содержит осадок нейтрализованных травильных растворов в количестве 30-70%, остальное - торф. Осадок состоит из гидроокиси железа, сульфата кальция и извести.

Известен «Способ очистки сточных вод от органических веществ, преимущественно нефтесодержащих» а.с. № 823314, СССР, 1981. Очистка проводится на биофильтре с помощью биопленки. С целью повышения степени очистки в сточные воды вводят нефтеокисляющие бактерии Pseudomonas aeruginosa с регенерированной биопленкой.

Представляет интерес «Способ микробиологического окисления биорезистентных соединений», а.с. № 998391, СССР, 1983, бактериями-деструкторами рода Pseudomonas в присутствии биогенного субстрата в качестве водного раствора гуминовых кислот бурого угля. Раствор гуминовых кислот вводят до концентрации 0,000004-0,000006%.

Существует «Способ очистки сточных вод», а.с. № 887477, СССР, 1981, от минеральных и органических загрязнений, например, нефтепродуктов, солей тяжелых металлов. Сточные воды обрабатывают реагентами, отстаивают, фильтруют через песчано-гравитационный фильтр, после чего спускают в аэрируемые биологические пруды на 2-5 суток.

Известен «Способ очистки природных вод от летучих галогенорганических соединений, нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ», а.с. (12) AJ (11) 1701649 СССР, 1991, путем фильтрования в аэробных условиях через инертную загрузку с одновременной подачей воздуха противотоком воде. Очистку в процессе фильтрования проводят микроорганизмами Pseudomonas и Acinetobacter при соотношении 1:2-1:3. В качестве инертной загрузки используют керамзит, индегизит, аглопорит, горелые породы, шлаки, кокс, полукокс крупностью 2-10 мм. Фильтрование через загрузку осуществляют 2-3 недели при подаче воздуха 2-5 м3/м3.

Известен способ фиксации токсичных веществ и тяжелых металлов в осадках сточных вод, патент ФРГ, OS 3205717, 1983. При очистке сточных вод к шламу из размолотой глины, содержащей монтмориллонит, фиксируются тяжелые металлы, в частности кадмий. Глинистые минералы (монтмориллонит) фиксируют неорганические и органические соединения.

Существует способ удаления органических загрязнений из сточной воды, патент РСТ (W0) № 92/-6043, 1992. Биореактор содержит пористую опорную систему с биомассой, способной разлагать фенольные соединения до остаточного содержания менее 0,02 мг/л пр времени пребывания в водной системе 15 час. Пористая система с биомассой содержит гидрофильный полимер (например, пенополиуретан), мелкие частицы активированного угля и микроорганизмы, распределенные в полимерном материале. Уголь способен саморегенерироваться, поэтому его не нужно периодически заменять или пополнять свежими порциями.

Существует способ восстановления элементов, содержащихся в малых концентрациях, до элементарных форм с помощью микроорганизмов, США, патент 4826602, 1989. Концентрация ионов или по меньшей мере одного тяжелого металла из группы, в состав которой входят Pb++, Au+, Ag+, SiO3, Pt++, Cu++, уменьшают путем превращения в элементные металлы с помощью контакта с культурой Pseudomonas.

Существует способ очистки сточных вод, патент Японии, № 56-26479, 1976. Сточную воду обрабатывают в аэротенке с вращающимися модулями, состоящими из гофрированных пластин. На поверхности пластин, культивируют микроорганизмы рода Pseudomonas. Для их культивирования применяют гранулированный носитель с плотностью более 1, например, активированный уголь или песок.

Существует способ и устройство для очистки воды от азота, применяемой для орошения, патент Японии № 59-31400, 1984. Сточную воду обрабатывают в слое гальки с окислением содержащегося в ней азота почвенными бактериями до азотной кислоты. Над слоем гальки расположен слой грунта, соединенный с поверхностным слоем земли с растительностью.

Известно устройство траншейного типа для очистки дождевых вод, патент Японии, № 63-63040, 1988. На слое щебенки в донной части траншеи уложены И-образные каналы, разделенные на верхнюю аэробную секцию, заполненную углем, и нижнюю - анаэробную. В верхней части над слоем песка и каналом сформированы слой гравия и слой газопроницаемого грунта.

Известен патент ГДР № 225416, 1985, «Микробиологический способ удаления кадмия из сточных вод химической и металлургической промышленности». Использование микроорганизмов обеспечивает удаление до 75% содержащегося в сточных водах кадмия.

Известен способ сорбционного удаления соединений ртути с помощью микроорганизмов, патент ГДР № 225415, 1985. Ртуть и ее соединения удаляются сорбцией на биомассе из мертвых, высушенных или живых нерастущих микроорганизмов.

Известен способ очистки воды, содержащей гуминовые вещества, патент ГДР № 264908, 1989. Воду, загрязненную гуминовыми веществами, с растворенными загрязнениями пропускают через чистый песок.

Имеется заявка № 0076898 ЕПВ (Европейское патентное ведомство), 1983, на установку для биологической очистки воды или сточных вод. Сточные воды фильтруют через смешанный твердый слой (активный уголь и пемза), что снижает перепад давлений при фильтровании воды и удаляет растворенные органические вещества.

Известна также заявка ЕВП № 0072388, 1983, на способ и устройство для полного или частичного удаления нежелательных примесей из проточного водоема, имеющего уклон. Устройство функционирует в естественных условиях в течении года. Воду из проточного водоема по уклону направляют через насыпной зернистый материал с сорбционными свойствами, задерживающий примеси и работающий в любое время года. Процесс осуществляется без подвода энергии извне (например, без насоса).

Существует способ биологической очистки геотермальных и попутных нефтяных вод от фенолов, а.с. СССР, С 1794891, 1990. В сточную воду вводится культура бактерий рода Bacillus, а сцелью сокращения сроков пусконаладочного периода и повышения эффективности очистки также используют ассоциацию бактерий родов Artrobakter и Bacillus, иммобилизованных на инертном носителе; внесение бактерий в воду производится в количестве 2-5 г/л по сухой биомассе.