Геоэкологическое обоснование технологии фильтрационной очистки карьерных вод в массивах вскрышных пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.16, кандидат наук Лукьянова, Светлана Юрьевна

• Лукьянова, Светлана Юрьевна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Лукьянова, Светлана Юрьевна

Содержание

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ 9 ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Развитие открытой угледобычи в Кузбассе и ее влияние 9 на окружающую среду

1.2 Характеристика сброса и состава сточных карьерных вод

1.3 Анализ способов очистки карьерных вод

1.4 Цель и задачи исследования 22 Выводы 23 ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА И

СВОЙСТВ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ ИЗ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД

2.1 Литологический состав угленосных отложений Кузбасса

2.2 Гранулометрический состав взорванных вскрышных пород

2.3 Гранулометрический состав пород в отвалах вскрыши

2.4 Изменение петрографического состава вскрышных пород 33 по высоте отвальных массивов

2.5 Фильтрационные свойства массивов из коренных пород вскрыши 37 Выводы 43 ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕНОСА ИНГРЕДИЕНТОВ

КАРЬЕРНЫХ ВОД В МАССИВАХ КОРЕННЫХ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД

3.1 Общие сведения

3.2 Улавливание взвешенных частиц при фильтрации воды

3.3 Эффективность очистки от нефтепродуктов

3.4 Общая минерализация карьерных сточных вод Кузбасса

3.5 Значения ХПК и БПК

3.6 Главнейшие компоненты

3.7 Второстепенные компоненты и микрокомпоненты

Выводы 77 ГЛАВА 4 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВОЗВЕДЕНИЮ ФИЛЬТРУЮЩИХ 79 МАССИВОВ ИЗ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД

4.1 Подготовка поверхности для строительства очистных 79 сооружений

4.2 Отсыпка фильтрующего массива 80 Выводы 94 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 97 ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геоэкологическое обоснование технологии фильтрационной очистки карьерных вод в массивах вскрышных пород»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Интенсивное развитие угольной промышленности в Кузнецком угольном бассейне остро ставит вопрос предотвращения загрязнения водных объектов

промышленными стоками шахт и разрезов. Ежедневно угольные разрезы и

/

шахты Кемеровской области сбрасывают в водоемы и водотоки около миллиона куб. метров сточных вод. Значительная часть этого объема представлена сточными карьерными водами, количество которых определяется горно-геологическими и горнотехническими условиями разработки месторождений. Основным загрязнителем карьерных вод являются взвешенные вещества, представленные тонкодисперсными породными и угольными частицами, содержание которых в зависимости от водосброса и времени года может изменяться от десятков до сотен и тысяч мг/л.

Для очистки сточных карьерных вод в настоящее время используется отстаивание в отстойниках и прудах-осветлителях и фильтрование через массивы, отсыпаемые из вскрышных пород. Последний способ разработан КузПИ-КузГТУ совместно с объединением «Кемеровоуголь» и нашел широкое применение на разрезах Кузбасса и других регионов страны. Однако до последнего времени не изучен вопрос изменения состава сточных вод при их фильтрации в массивах вскрыши, что мешает использованию этого эффективного и экономичного способа очистки сточных вод организациями по проектированию новых разрезов.

Таким образом, обоснование технологии комплексной очистки сточных карьерных вод в массивах вскрышных пород является актуальной задачей.

Работа выполнена при поддержке ОАО «Кузбассразрезуголь» (договор №105-2010 «Обосновать и разработать технологию комплексной очистки сточных карьерных вод в техногенных породных массивах на филиалах ОАО «Кузбассразрезуголь»).

Цель работы - геоэкологическое обоснование технологии фильтрационной очистки сточных карьерных вод в техногенных массивах из скальных вскрышных пород для предотвращения загрязнения водных объектов при открытой разработке угольных месторождений Кузбасса.

Идея работы заключается в использовании коренных вскрышных пород при возведении массивов для комплексной очистки сточных карьерных вод.

Объект исследований: вскрышные породы, образующиеся при открытой разработке угольных месторождений Кузбасса, сточные карьерные воды, способы их очистки.

Предмет исследований: свойства техногенных массивов из пород вскрыши; закономерности переноса загрязняющих веществ при фильтрации в них карьерных вод.

Задачи исследований:

- обосновать целесообразность использования вскрышных пород для возведения фильтров по комплексной очистке сточных карьерных вод;

- выявить особенности формирования строения и литологического состава массивов, отсыпаемых из коренных вскрышных пород на разрезах Кузбасса и характер изменения их водопроницаемости по высоте;

- выявить закономерности изменения состава сточных карьерных вод при фильтрации в массивах из пород вскрыши.

Методы исследований. При решении задач применялись такие методы, как анализ и обобщение литературных источников, экспериментальные исследования в лабораторных и натурных условиях структурных и фильтрационных характеристик массивов из вскрышных пород, методы математической статистики при обработке экспериментальных данных.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- особенности водоотведения сточных карьерных вод при открытой

разработке угольных месторождений Кузбасса: изменение месторасположения

водосбросов при развитии и подвигании горных работ, значительные сезонные

колебания объемов сброса и загрязненности стоков обуславливают

5

необходимость и целесообразность использования для очистки воды техногенных массивов из вскрышных пород;

- контролирующий ёбо и медианный ё50 размер кусков песчаника во вскрышных породах, укладываемых в отвал, в 1,7-1,75 раза больше, чем алевролита и аргиллита, что приводит к возрастанию доли песчаных литотипов в нижних слоях отвальных массивов и к увеличению содержания глинистых пород в верхних слоях и, соответственно, к повышению их водоустойчивости и водопроницаемости по сравнению с верхними слоями;

- улавливание механических примесей сточных вод при их фильтрации определяется, в первую очередь, структурными характеристиками пород фильтрующего массива, а изменение минерализации и содержания других загрязняющих примесей карьерных вод зависит, главным образом, от петрографического и минералогического состава пород.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается: достаточным объемом лабораторных и натурных исследований состава сточных карьерных вод (более двухсот наблюдений), применением апробированных методов изучения физико-механических характеристик техногенных массивов из вскрышных пород, их фильтрационных и фильтрующих свойств.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- в обосновании использования коренных вскрышных пород для строительства фильтрующих массивов и существующих породных отвалов на разрезах Кузбасса для очистки сточных карьерных вод;

- в установлении закономерностей изменения вещественного состава вскрышных горных пород по высоте отвальных массивов;

- в выявлении характера влияния структурных характеристик и состава коренных пород вскрыши на фильтрационные и фильтрующие свойства отвальных массивов.

Практическое значение работы заключается в обосновании

рекомендаций по комплексной очистке сточных карьерных вод фильтрованием

6

через породные отвалы и специально возводимые для этой цели из коренных вскрышных пород массивы на разрезах Кузбасса.

Личный вклад автора заключается в анализе и обобщении результатов теоретических и экспериментальных исследований по очистке промстоков горнодобывающих предприятий, проведении экспериментальных

исследований физико-механических свойств массивов из коренных пород вскрыши и переноса в них загрязняющих веществ при фильтрации воды и разработке рекомендаций по повышению эффективности очистки сточных карьерных вод.

Отличие от ранее выполненных исследований заключается в установлении взаимосвязи физико-механических свойств массивов с их литологической неоднородностью и характера изменения содержания загрязняющих примесей сточных карьерных вод при фильтрации через вскрышные породы.

Реализация работы.

Результаты исследований использованы ООО «Кузнецкая проектная компания» при проектировании очистных сооружений и ОАО «УК Кузбассразрезуголь» при их строительстве на разрезах Кузбасса.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на XII и XV Международных симпозиумах им. акад. М.А.Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г.Томск, 2008 г., 2011 г.), VII Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи» (г.Томск, 2004 г.), VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии в машиностроении» (г.Томск, 2009 г.), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (г.Иркутск, 2009 г.), V Международной конференции «Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в X XI веке» (г.Москва - г.Грозный, 2010 г.), III Всероссийской научно-практической конференции «Россия молодая» (г.Кемерово, 2011 г.), XI Международной конференции «Ресурсо-

7

воспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (г.Усть-Каменогорск, 2012 г.), научных семинарах кафедры геологии КузГТУ (2010-2012 г.г.).

Экспонаты, подготовленные с участием автора, по использованию отходов горного производства для очистки сточных карьерных вод отмечены дипломом II степени на Международной выставке-ярмарке «Экотек» (2009 г.) и золотой медалью на Международной выставке-ярмарке «Экспо-уголь» (2010 г.).

Публикации. По теме выполненных исследований опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 112 страницах, содержит 17 иллюстраций, 22 таблицы и список литературы из 90 наименований.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Развитие открытой угледобычи в Кузбассе и ее влияние на окружающую среду

Кемеровская область является уникальным угольным бассейном. Общие запасы угля, соответствующие по мощности пластов, зольности угля и принятым кондициям, до глубины 1800 м оцениваются в 724 млрд. т. На начало 2000-х годов на государственном балансе числилось около 57 млрд. т углей, разведанных по промышленным категориям до глубины 600 м, в том числе 42,8 млрд. т коксующихся углей [1]. Таким образом, ресурсная база позволяет интенсивно наращивать объемы угледобычи в бассейне. Однако на настоящий момент, как сказано в работе [2], в Кузбассе экологическая ситуация не только важнейший фактор качества жизни, но и тормоз развития региональной экономики и, прежде всего - угольной отрасли.

В 2011 году общий объем добычи угля в Кузбассе составил 192,1 млн. т, в том числе 116 млн. т (60,3%) добытого открытым способом, рисунок 1.1.

Объм добычи угля,

млн. т/год

250 200 150 100 50 0

1990 1995 2000 2005 2010 Годы

— Подземным способом ■ Открытым способом ...а«« всего

Рисунок 1.1 - Динамика добычи угля в Кузбассе

Согласно Стратегии социально-экономического развития Кемеровской области до 2025 года объем добычи угля к 2025 году должен достигнуть 255-300 млн. т, а к 2030 году - 275-330 млн. т. Однако в результате исследований, проведенных ИГД СО РАН, установлено, что общий предельный объем добычи угля открытым и подземным способами с учетом выполнения ограничений по технологическим, сейсмическим, транспортным, экологическим, энергетическим и демографическим факторам не должен превышать 210-225 млн. т/год

[3].

Горные работы отрицательно воздействуют практически на все элементы биосферы: недра, водную среду, воздушный бассейн, земли и почвы, флору и фауну. Впервые наиболее полно воздействие горного производства на окружающую среду по отдельным элементам рассмотрено в работе [4]. Основные формы нарушения и характеристики изменения природной среды в зоне влияния горного производства представлены в работах [5,6]. Наиболее полная комплексная оценка влияния горных работ на окружающую природную среду в Кузбассе выполнена в монографии [7]. С конца 20-го века развитие открытой угледобычи в Кузбассе идет более высокими темпами, чем подземной, рисунок 1. В 2011 году открытым способом добыто более 60% от общего объема угля. Несмотря на все преимущества открытого способа добычи, он, несомненно, наносит значительно больший урон окружающей среде, чем подземный, однако степень их воздействия на различные элементы биосферы, значительно отличаются друг от друга, таблица 1.1.

Таким образом, весьма существенное влияние открытые горные работы оказывают на земельные ресурсы и гидросферу. Значительная часть потерь земель приходится на внешнее отвалообразование и размещение очистных сооружений в виде прудов-осветлителей для очистки сточных карьерных вод. Ущерб гидросфере наносится в первую очередь, сбросом в поверхностные водные объекты неочищенных сточных карьерных вод. В таблице 1.2, составленной по Материалам к Государственным докладам о состоянии и охране окружающей природной среды в Кемеровской области за 2006-2010 годы [9-13],

10

представлена динамика изменения объемов образующихся на предприятиях угольной промышленности отходов производства и сброса сточных вод.

Таблица 1.1- Степень воздействия открытого и подземного способов разработки на основные элементы биосферы [8]

Способы разработки месторождений

Элементы биосферы Открытый способ Подземный способ

Ранжирование по значимости Доли от общей величины экономического ущерба, % Ранжирование по значимости Доли от общей величины экономического ущерба, %

Земля 1 38,0 4 4,3

Недра 4 4,0 1 45,7

Атмосфера 2 29,6 3 17,9

Гидросфера 3 28,4 2 32,1

Таблица 1.2 - Объемы отходов производства и сброса сточных вод

Отходы производства Сброс сточных вод, млн. м3

Годы Объем, тыс. т Использовано на предприятиях, % Всего В т.ч. загрязненных

2006 1 625 628 56,1 260,2 217,1

2007 1 654 423 66,3 283,5 233,6

2008 1 829 837 63,9 291,2 251,7

2009 1 658 850 53,1 293,6 245,7

2010 1 725 574 47,4 - -

Отходы производства угледобывающих предприятий относятся к V классу опасности для окружающей природной среды и являются в основном вскрышными породами разрезов.

1.2 Характеристика сброса и состава сточных карьерных вод

Вода на разрезы поступает за счет карьерного водоотлива, поверхностного водозабора, подземного водозабора, коммунального водопровода. В среднем на один разрез поступает около 7 млн. м3 в год, причем на разрезах, применяющих гидромеханизацию вскрышных работ, этот показатель несколько выше и может составлять около 10 млн. м3. Поступающая на разрезы вода используется на собственные нужды предприятий, передается другим организациям, сбрасывается без предварительного использования [14]. Динамика поступления и использования воды на разрезах в течение года представлена на рисунке 1.2.

5 25000

ю >. х

и

л

20000

ш ю

о

15000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Месяцы

5000

■ Поступление ЕЗ Использование

Рисунок 1.2 - Поступление и использование воды на

разрезах в течение года

Производственные потребности разрезов заключаются в использовании воды для гидромеханизации вскрышных работ, снабжения обогатительных установок, пылеподавления на технологических дорогах и промплощадках, туше-

12

ния эндогенных пожаров и др. Часть используемой воды находится в обороте, часть после использования сбрасывается, и часть воды безвозвратно теряется

при различных технологических процессах.

Карьерные воды могут также успешно использоваться другими организациями [15]. Как показали исследования [16, 17], по ирригационным, экологиче-

ским, технологическим и техническим критериям карьерные воды могут широко использоваться в оросительных целях на всех типах почв без предваритель-

ного мелиоративного улучшения.

Объем сброса сточных карьерных вод в поверхностные водные объекты изменяется в зависимости от времени года. Максимальный сброс приходится на весенние месяцы апрель и май, зимой, в январе и феврале, сброс примерно в три раза меньше максимального, рисунок 1.3.

5 14000

н 12000

го" о о о.

£ 10000

а> А ю О

8000

6000

4000

2000 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Месяцы

Рисунок 1.3 - Изменение сброса сточных вод в течение года

Сброс карьерных вод на разрезах производится, как правило, в нескольких местах, таблица 1.3.

Количество водосбросов, а также их расположение в связи с развитием и подвиганием горных работ, изменением технологии разработки и схем водоотлива, постоянно меняется. Основными приемниками сточных карьерных вод в Кузбассе являются реки: Аба, Иня, Уса, У скат, Черновой Нарык [18]. Наряду с изменением объемов сброса в течение года все это вносит определенные трудности в создании эффективных, стационарных, устойчиво работающих очистных систем.

Таблица 1.3- Количество водосбросов на разрезах

Разрезы Количество водосбросов Количество водных объектов - приемников сточных вод

«Кедровский» 4 2

«Черниговский» 2 1

«Моховский» 5 2

«Колмогоровский» 3 2

«Красный брод цех №1» 8 3

«Красный брод цех №2» 3 2

Согласно [19] сточные воды разрезов подразделяются на карьерные, производственно-технологические, поверхностные и хозяйственно-бытовые, наибольшую долю в балансе воды на разрезе играют карьерные воды.

Значительная часть сточных вод разрезов Кузбасса сбрасывается в водные объекты области загрязненными [20]. Как видно из таблицы 1.4, 26% карьер-

о

ных вод являются нормативно чистыми, однако 25630 тыс. м сбрасываются в поверхностные водоемы без очистки, что составляет 36,4%. На 14 разрезах осуществляется сброс неочищенных сточных вод. Объем которых составляет 23075 тыс. м3/год.

Основой для анализа состава карьерных вод служили данные по сбросу сточных вод, предоставленные СПЛ ПО «Кемеровоуголь» - ОАО «УК «Кузбас-сразрезуголь» (отчеты по форме 2ТП-водхоз) и данные КузГТУ, полученные с помощью Центральной лаборатории ПГО «Запсибгеология» и лабораторий университета.

о

Таблица 1.4 - Ежегодный сброс сточных вод разрезами Кузбасса (тыс. м /год)

Разрезы Всего В том числе

Без очистки Недостаточно очищенных Нормативно чистых

«Кедровский» 18094 14550 - 3544

«Черниговец» 11086 - 11006 -

«Барзасский» 2899,7 - - 2890

«Моховский» 1850 - 1850 -

«Бачатский» 2588 2588 - -

«Красный брод цех №2» 1980 230 - -

«Красный брод цех №1» 2412 1150 - -

«Киселевский» 2190 - 2186 -

«Вахрушевразрезуголь» 232 - 210 -

«Прокопьевский» 321 - 321 -

«Листвянский» 789,2 - 729 59

«Красногорский» 5158,6 - 3479,6 1679

«Томусинский» 561,5 - - 315

«Междуреченский» 2384,4 5 2099,4 280

«Сибирга» 7893,2 - - 7893,2

«Калтанский» 510,4 505,4 - -

«Осинниковский» 251,1 8,1 243 -

«Ольжерасский» 1027 - 14 1013

«Талдинский-Северный» 349 - 349 -

«Таллинский» 75,15 - 75,15 -

«Караканский» 918,7 492,8 425,9 -

«Сартаки» 2935 2913 - -

«Задубровский» 2731 2722 - -

«Шестаки» 501 458 43 -

Карьерные воды разрезов Кузбасса отличаются большим разнообразием химического состава, содержат различные загрязняющие вещества и подлежат очистке перед сбросом в водные объекты.

Карьерные воды, как видно из таблицы 1.5, содержат взвешенные вещества, нефтепродукты, железо, органические вещества и другие загрязняющие примеси.

Взвешенные вещества являются главной загрязняющей примесью и представлены в основном породными (алевритовыми и пелитовыми) и угольными частицами крупностью менее 50 мкм.

Таблица 1.5 - Состав воды, сбрасываемой с горных участков разреза «Черниговский»

Показатели Горные участки

1 6 7 8

Цвет Серый Серый Серый Серый

Прозрачность 2,0 6,5 5,3 4,5

Осадок по объем 0,7 2,5 0,3 0,1

Взвешенные вещества, мг/л 52 200 31 11

Азот аммиака, мг/л 1,0 1,0 2,0 1,0

Азот нитритный, мг/л 0 0 1,0 0

Азот нитратный, мг/л 0 0 0,2 0

Хлориды, мг/л 8,0 14,0 5,0 7,0

Сульфаты, мг/л 35,9 40,5 29,1 34,3

Железо, мг/л 0,11 0,88 0,8 0,8

Жесткость, мг-экв/л 6,5 6,5 5,7 3,3

Кальций, мг/л 2,8 2,8 4,0 3,0

Магний, мг/л 3,7 3,7 1,7 0,3

Нефтепродукты, мг/л 0 0,08 0 0,04

БПК 13,84 30,78 41,88 34,4

ХПК, мг/л 80 100 121 50

рН 7,0 7,0 7,0 7,0

Содержание загрязняющих примесей в карьерных водах изменяется в течение года в широких пределах [21]. Наиболее высокая концентрация взвесей в карьерной воде наблюдается в весенние месяцы, когда она в среднем по разрезам составляет около 150 мг/л, достигая в отдельных случаях 5000 мг/л и более. Летом и в зимнее время концентрации взвешенных веществ намного ниже, рисунок. Таким образом, в период максимального сброса карьерные воды являются наиболее загрязненными. Колебания содержания в воде в течение года других примесей подробно рассмотрено в работе [22].

1.3 Анализ способов очистки карьерных вод

Выбор способов очистки определяется качественно-количественным составом производственных сточных вод, их технологическими свойствами и требованиями, предъявляемыми к качеству очищенной воды. Шахтные и карьерные воды характеризуются содержанием в них взвешенных веществ, минеральных солей, солей тяжелых металлов, органических и бактериальных загрязнений. Классификация основных методов очистки и обеззараживания сточных вод предприятий угольной промышленности, предложенная Красавиным А.П., представлена на рисунке 1.4.

Как указывалось ранее, основной и специфической особенностью шахтных и карьерных вод является их загрязненность взвешенными веществами. Для очистки сточных вод от взвесей используются такие способы как отстаивание и фильтрование. Технологические схемы и конструкции водоочистных сооружений, установок и оборудования для механической очистки сточных вод предприятий угольной промышленности достаточно полно освещены в работах Горшкова В.А., Красавина А.П., Меркулова В.А., Монгайта И.П., Текиниди К.Д. и других [6, 19, 23, 24]. Аналитический обзор способов и устройств очистки шахтных и карьерных вод приводится в работе [25], выполненной под редакцией Простова С.М.

Рисунок 1.4- Классификация основных методов очистки и обеззараживания сточных вод предприятий угольной промышленности

В настоящее время для очистки сточных карьерных вод на разрезах Кузбасса используются пруды-отстойники и фильтрующие массивы из коренных вскрышных пород [26, 27]. Последний способ очистки карьерных вод был предложен и разработан КузПИ-КузГТУ совместно с инженерно-техническими работниками ПО «Кемеровоуголь» [28, 29]. Отличие данного способа от традиционных технологий осветления воды фильтрованием, в которых применяются стационарные насосно-фильтровальные станции и специальный фильтрующий материал, подлежащий регулярной регенерации, заключается в том, что загрязненная вода фильтруется через массивы, отсыпанные из твердых отходов угледобычи - коренных вскрышных пород без предварительной подготовки. К тому же следует отметить, что концентрация взвешенных веществ в воде, подаваемой в фильтровальный аппарат НФС, как правило, не должна превышать 50 мг/л. В качестве фильтрующих массивов могут служить как существующие на разрезах отвалы вскрыши, так и специально возводимые для этой цели искусственные фильтрующие массивы (ИФМ). Схемы таких фильтров при размещении их на горизонтальной поверхности (а) и в выемках (б) представлены на рисунке 1.5.

Фильтры могут размещаться как на ровной поверхности, так и в естественных выемках (логах, отработанных горных выработках и т.п.). Основным элементом является фильтрующий массив 1, который возводится из устойчивых к воздействию воды и не содержащих глинистые частицы скальных пород. Загрязненная вода поступает самотеком или по трубопроводу 2 в водоприемник 3, откуда дренирует через фильтрующий массив к водосборнику 4. Осветленная вода, улавливаемая в водосборнике, подается на сброс в водоемы или направляется для использования в народном хозяйстве. При размещении фильтра на ровной поверхности фильтрующий массив с трех сторон ограждается водо-удерживающей дамбой 5, возводимой преимущественно из полускальных пород, образующих при воздействии воды плотный, водонепроницаемый массив.

А-А

тг

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Г

—

1 1 1 1 / Х-/— / — — -*-- — ■■

я .1. 1 \ N —

—

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 К

б)

А-А

Рисунок 1.5 - Схемы искусственных фильтрующих массивов

После проиливания нижних слоев фильтрующего массива уровень воды в водоприемнике повышается, и в работу включаются новые, свежие слои породы.

Содержание взвешенных веществ в исходной воде не ограничивается, в осветленной воде составляет 0-10 мг/л. Размеры фильтров определяются в зависимости от притоков воды и требуемой степени осветления [30].

Высокая технологичность, минимальные затраты на строительство и эксплуатацию, малая площадь, занимаемая очистным сооружением, способствовали широкому распространению фильтрующих массивов из углеотходов для очистки промстоков на разрезах Кузбасса и других регионах страны.

В таблице 1.6 приведены средние характеристики качества карьерных вод после очистки в прудах-отстойниках и в фильтрующих массивах.

Таблица 1.6- Эффективность очистки карьерных вод

Показатели Характеристика карьерных вод

до очистки после отстаивания после фильтрования

Прозрачность, см 0,11 18,8 22,5

Сухой остаток, мг/л 643,6 - -

Водородный показатель 7,43 7,18 6,73

Содержание взвешенных ве- 140,0 24,2 7,4

ществ, мг/л

Железо, мг/л 0,32 0,4 0,19

Нефтепродукты, мг/л 1,9 0,117 0,119

Хлориды, мг/л 24,9 12,75 22,58

Сульфаты, мг/л 121,6 172,9 322,6

Как видно из таблицы 1.6, по большинству показателей эффективность очистки карьерных вод в фильтрующих массивах из вскрышных пород значительно выше, чем в очистных сооружениях типа прудов-отстойников.

1.4 Цель и задачи исследования

На настоящий момент в Кузбассе экологическая ситуация не только важнейший фактор качества жизни, но и тормоз развития региональной экономики и, прежде всего, - угольной отрасли [2]. Значительный ущерб водной среде региона наносит интенсивно развивающая открытая разработка угольных месторождений. Поэтому целью данных исследований является предотвращение загрязнения водных объектов сточными карьерными водами при открытой разработке угольных месторождений Кузбасса.

Одним из способов очистки карьерных вод, отличающимся высокой технологичностью, низкой землеемкостью и, практически, отсутствием капитальных и эксплуатационных затрат, является фильтрование их через массивы, отсыпаемые из коренных вскрышных пород, разработанный КузГТУ совместно с работниками производства. Однако расчет параметров фильтрующих массивов по этому способу производится только исходя из очистки воды от взвешенных веществ, которые хотя и являются основным, но не единственным загрязнителем карьерных вод. Поэтому идея работы заключается в комплексной очистке карьерных вод при фильтрации в массивах, возведенных из коренных вскрышных пород.

Для достижения поставленной цели на основе комплексной очистки карьерных вод необходимо решение следующих задач:

- обосновать использование техногенных массивов из коренных вскрышных пород для очистки сточных карьерных вод;

- установить особенности формирования строения, вещественного состава и фильтрационных свойств отвальных массивов вскрыши;

- выявить характер изменения содержания загрязняющих примесей сточных карьерных вод при фильтрации в массивах из коренных пород вскрыши.

Выводы

1. В последние годы в Кузбассе более интенсивно развивается открытый способ угледобычи, доля которого в общем объеме добычи угля в бассейне сейчас превышает 60%. Несмотря на свои преимущества открытая угледобыча наносит большой урон окружающей среде, чем подземная. Наиболее существенное влияние открытый способ разработки оказывает на гидросферу и земельные ресурсы, где доля от общей величины экологического ущерба всем элементам биосферы составляет 66,4% против 36,4% для подземной разработки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лукьянова, Светлана Юрьевна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стратегия социально-экономического развития Кемеровской области до 2025 года [Текст]: Приложение к Закону Кемеровской области от 11 июля 2008 г. N 74-03.

2. Ковалев, В.А. Воздействие угольных предприятий на окружающую среду Кемеровской области [Текст] / В.А. Ковалев // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. (Кемерово, 22-23 ноября 2011 г.) - Кемерово, ФГБОУ ВПО Куз-ГТУ им. ТФ. Горбачева, 2011 - С. 9-14.

3. Опарин, В.Н., Ордин A.A. О теории Хабберта и предельных объемах добычи угля в Кузнецком угольном бассейне / В.Н Опарин, A.A. Ордин // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых (ФТПРПИ). -2011. -№2.-С. 121-135.

4. Ревазов, М.А. Охрана природы [Текст]: учеб. пособие для техникумов / М.А. Ревазов, М.А. Певзнер, В.И. Матанцев. М.: Недра, 1986. - 165 с.

5. Экология горного производства [Текст]: учеб. для вузов / Мирзаев, Г.Г. [и др.]. -М.: Недра, 1991.-320 с.

6. Красавин, А.П. Защита окружающей среды в угольной промышленности [Текст]. - М.: Недра, 1991. - 221 с.

7. Геоэкология угледобывающих районов Кузбасса [Текст] / В.П. Потапов и [др.] - Новосибирск: Наука, 2005. - 660 с.

8. Славиковская, Ю.О. Сравнительная оценка техногенного воздействия на окружающую среду открытой и поземной геотехнологий [Текст] / Ю.О. Славиковская // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - Изд-во «Горная книга», 2011. - №7. - С. 188-192.

9. Материалы к Государственному докладу «О состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области в 2006 году» [Текст] / Администрация Кемеровской области, ГУ «Областной комитет природных ресурсов». - Кемерово: «ИНТ», 2007. - 360 с.

10. Материалы к Государственному докладу «О состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области в 2007 году» [Текст] / Администрация Кемеровской области, ГУ «Областной комитет природных ресурсов». - Кемерово: «ИНТ», 2008. - 352 с.

11. Материалы к Государственному докладу «О состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области в 2008 году» [Текст] / Администрация Кемеровской области, ГУ «Областной комитет природных ресурсов». - Кемерово: «ИНТ», 2009. - 367 с.

12. Материалы к Государственному докладу «О состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области в 2009 году» [Текст] / Администрация Кемеровской области, ГУ «Областной комитет природных ресурсов». - Кемерово: «ИНТ», 2010. - 346 с.

13. Материалы к Государственному докладу «О состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области в 2010 году» [Текст] / Администрация Кемеровской области, ГУ «Областной комитет природных ресурсов». - Кемерово: «ИНТ», 2011. - 350 с.

14. Рациональное использование и очистка воды при разработке угольных месторождений Кузбасса [Текст]: учеб. пособие / Ю..А. Рыжков [и др.]. - Кемерово: Кузбас. политехи, ин-т, 1982. - 80 с.

15. Юрташкина, JI.B. Направления использования сточных карьерных вод разрезов Кузбасса [Текст] / J1.B. Юрташкина // Вестн. КузГТУ. - 2004. - №3. -С. 21-24.

16. Разработать и внедрить технологию использования карьерных вод для орошения сельскохозяйственных угодий в Беловском районе Кемеровской области: отчет о НИР № 102-89. - Кемерово: Кузбас. политехи, ин-т, 1989. - 33с.

17. Лукьянова, С.Ю. Пути использования сточных карьерных вод [Текст]/ С.Ю. Лукьянова, A.C. Вдовина, E.H. Лемзякова // Проблемы геологии и освоения недр: сб. науч. тр. XII Международного симпозиума им. Академика М.А.Усова. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - С.265-266.

18. Счастливцев, E.J1. Геоэкологические аспекты освоения угледобывающих районов Кузбасса [Текст] / Е.Л. Счастливцев // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: Материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. (Кемерово, 15-16 ноября 2007 г.). - Кемерово, -ГОУ ВПО КузГТУ, 2007. - Том 1. - С. 15-27.

19. Горшков, В.А. Очистка и использование сточных вод предприятий угольной промышленности [Текст] / В.А. Горшков. - М.: Недра, 1981. - С. 269.

20. Лесин, Ю.В. Охрана и рациональное использование водных ресурсов при разработке угольных месторождений Кузбасса [Текст]: монография /Ю.В. Лесин, Л.С. Скрынник. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2008. - 179 с.

21. Составить банк данных о качестве и объемах карьерных вод и разработка схемы их рационального использования: отчет о НИР № 106-91. - Кемерово: Кузбас. политехи, ин-т, 1991. - 49 с.

22. Юрташкина, Л.В. Исследование состава и свойств карьерных вод разрезов Кузбасса для оценки их утилизируемости [Текст]: дис...канд. техн. наук -Кемерово, КузГТУ, 2005. - 140 с.

23. Меркулов, В.А. Охрана природы на угольных шахтах [Текст] / В.А. Меркулов. - М.: Недра, 1981.

24. Монгайт, И.П. Очистка шахтных вод [Текст] / И.П. Монгайт, К.Д. Те-киниди, Г.И. Николадзе. -М.: Недра, 1978. - 173 с.

25. Борисова, Е.А. Способы и устройства очистки шахтных и карьерных вод (аналитический обзор) [Текст] / Е.А. Борисова, М.Н. Щербакова; под ред. С.М. Простова; ГУ КузГТУ; РАЕН (ЗСО). - Кемерово, 2007. - 138 с.

26. Степченко, Т.А. Управление водопользованием на примере ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» [Текст] / Т.А. Степченко // Инновационные технологии XXI века для рационального природопользования: сб. докладов X специализированной выставки-ярмарки «Экотек» (Кемерово, 14 ноября 2007 г.). - Кемерово, 2007.-С. 7-10.

27. Ковалев, В.А. Сточные годы [Текст] / В.А. Ковалев, Ю.Д. Малахов,

A.A. Несходимов [и др.] // Уголь Кузбасса. - 2010, № 4. - С. 22-25.

99

28. Способ изготовления фильтра для очистки воды [Текст]: а.с. 1223958 СССР, МКИ В 01 Д 23/10 / Ю.А. Рыжков, Ю.В. Лесин, Б.К. Кретов, Л.М. Резников, В.З. Есипов, М.А. Навасардянц. - № 3755646/23-26; заявлено 05.04.84; Опубл. 15.04.86, Бюл. № 14 // Открытия. Изобретения, - 1986, № 14. - С. 24.

29. Лесин, Ю.В. Фильтры для очистки воды из крупнокусковых отходов угледобычи [Текст] / Ю.В. Лесин // Уголь. - 1988, № 2. - С. 43-44.

30. Методические указания по очистке промышленных сточных вод угледобывающих предприятий от взвешенных веществ в фильтрах из скальных пород [Текст] / Отв. исп. Ю.В. Лесин // Кузбас. политехи, ин-т. - Кемерово, 1985. -44 с.

31. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири [Текст] / Угольная база России. - Том II. - М.: ООО «Геоинформцентр», 2003. - 694 с.

32. Справочник геолога-угольщика [Текст] / К.В. Миронов. - 2-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Недра, 1991 - 363 с.

33. Штумпф, Г.Г. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна [Текст]: справочник / Г.Г. Штумпф [и др.]. - М.: Недра, 1994.-447 с.

34. Исследование взрываемости вскрышных пород и углей перспективных месторождений Кузбасса (применительно к условиям циклично - поточной технологии): отчет о НИР / Кузбасс, политехи, ин-т; Руководитель А. С. Таш-кинов; № ГР 76029672. - Кемерово, 1978. - 160 с.

35. Бирюков, A.B. Гранулометрия горных пород при взрывном разрушении [Текст]: дисс... докт. техн. наук / A.B. Бирюков. - Кемерово, 1991. - 250 с.

36. Демин, А. М. Напряженное состояние и устойчивость отвалов в карьерах [Текст] / A.M. Демин, О.И. Шушкина. - М.: Недра, 1978. - 159 с.

37. Разработать проектную документацию на фильтрующие массивы для очистки карьерных вод : отчет по НИР (промежуточ.) / УкрНИИпроект; № ГР 01.86 0035099. - Киев, 1986. - 54 с.

38. Лесин, Ю.В. Снижение потерь земли при отвальных работах [Текст] / Ю.В. Лесин, С.А. Прокопенко // Безопасность труда в пром-ти. - 1986. - № 2. -С. 29-30.

39. Репин, Н.Я. Технологические свойства пород угольных разрезов [Текст] / Н.Я. Репин, A.B. Бирюков, A.C. Ташкинов. - Кемерово, 1975. - 145 с.

40. Попов, В.Н. Устойчивость отвалов скальных пород [Текст]: учеб. пособие / В.Н. Попов, Б.В. Несмеянов, C.B. Попов - М.: Изд-во МГГУ, изд-во «Горная книга», 2010. - 122 с.

41. Бирюков, A.B. Статистические модели в процессах горного производства [Текст] / A.B. Бирюков, В.И. Кузнецов, A.C. Ташкинов. - Кемерово: Куз-бассвузиздат, 1996. - 228 с.

42. Иванов, И.Ю. Влияние основных физико-механических свойств на трудность ударного дробления горных пород [Текст] / И.Ю. Иванов, В.И. Сайтов // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов IX Междунар. научн.-техн. конф. (Екатеринбург, 07-08 апреля 2011 г.) - Екатеринбург: УГГУ, 2011. - С. 251-255.

43. ГОСТ 12536-79. Методы лабораторного определения зернового (гранулометрического) состава [Текст]. -М. Изд-во стандартов, 1979. - 13 с.

44. Лесин, Ю.В. Исследование гранулометрического состава дисперсных грунтов ситовым методом [Текст]: МУРЛ / Ю.В. Лесин, A.A. Возная. - Кемерово: КузГТУ, 2006. - 15 с.

45. Лысенко, М.П. Состав и физико-механические свойства грунтов [Текст] / М.П. Лысенко - М.: Недра, 1972. - 320 с.

46. Исхаков, Х.А. Размокаемость углистых аргиллитов [Текст] / Х.А. Ис-хаков, Б.Г. Трясунов // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2010, №4. - С. 127-128.

47. Рыжков, Ю.А. Исследование коэффициента фильтрации закладочных материалов из дробленных коренных пород [Текст] / Ю.А. Рыжков [и др.] // Разработка свиты крутых пластов: сб. научн. трудов. - Кемерово, 1972. - № 39. - С.148-157.

48. ГОСТ 25584-83. Грунты. Метод лабораторного определения коэффициента фильтрации [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1983. - 9 с.

49. Ломтадзе, В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований [Текст] / В.Д. Ломтадзе. -2-е изд., перераб. и доп. -Л.: Недра, 1990.-328 с.

50. Ибрагимов, М.Н. Опыт применения способа смолизации для закрепления насыпных грунтов с большим содержанием органики [Текст] / М.Н. Ибрагимов, B.C. Горлов, A.C. Баринов // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1972.- № 3.

51. Справочное руководство гидрогеолога [Текст] / под ред. В.М. Максимова. - Л.: Недра, 1967. - Т.2. - 360 с.

52. Лесин, Ю.В. Очистка вод на разрезах Кузбасса [Текст] / Ю.В. Лесин, В.З. Есипов // Безопасность труда в промышленности. - 1982. - № 11. — С.25-26.

53. Жужиков, В.А. Фильтрование [Текст] / A.B. Жужиков. - М.: Химия, 1971.-440 с.

54. Карпов, И.Н. О математическом описании процесса разделения суспензий фильтрованием [Текст] / И.Н. Карпов, A.B. Жужиков, И.А. Кобринский // Теоретические основы химической технологии. - 1981. - 15, № 1. - С. 94-97.

55. Кленов, В.Б. О заилении фильтров [Текст]: Доклад АН УзССР / В.Б. Кленов. - 1956. - № 10. - С. 13-16.

56. Клячко, В.А. Подготовка воды для промышленного и городского водоснабжения [Текст] / В.А. Клячко, И.Э. Апельцин. - М.: Госстройиздат, 1962.819 с.

57. Минц, Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды [Текст] / Д.М. Минц. -М.: Стройиздат, 1964. - 156 с.

58. Фоминых, A.M. Определение гидравлического сопротивления фильтров в процессе кольматации [Текст] / A.M. Фоминых // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. - 1977. - № 7. - С. 107-129.

59. Фоминых, A.M. Технологическое моделирование и расчет фильтров

[Текст] /A.M. Фоминых // Водоснабжение и сан. техника. - 1980. - №12. - С.4-6.

102

60. Шехтман, Ю.М. Фильтрация малоконцентрированных суспензий [Текст] / Ю.М. Шехтман. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 211 с.

61. Ives, K.I. Water Research. - 1970. - 4, №. - P.201 -223.

62. Kray, W. The changes in the Porosity Coefficient during the Process of Colmatage // Bulletin de L'Academie Polonaise des Scince. Serie des sciences techniques. - 1970. - V.XVIII, № 6. - P. 239-243.

63. Камбефор, А. Инъекция грунтов [Текст] / А. Камбефор. - M.: Энергия, 1971.-333 с.

64. Хямяляйнен, В.А. Физико-химическое укрепление пород при сооружении выработок [Текст] / В.А. Хямяляйнен, В.И. Митраков, П.С. Сыркин. -М.: Недра, 1966.

65. Ибрагимов, М.Н. Закрепление грунтов инъекцией цементных растворов [Текст] / М.Н. Ибрагимов, В.В. Семкин. - М.: Изд-во АСВ, 2012. - 256 с.

66. Лесин, Ю.В. О некоторых особенностях осветления малоконцентрированных суспензий в крупнозернистых массивах [Текст] /Ю.В. Лесин // Проблемы охраны окружающей среды в районах с интенсивно развивающейся промышленностью: тез. докл. II Республ. конф. - Кемерово, КузГТУ, 1982. - С. 172-173.

67. Лесин, Ю.В. Массоперенос дисперсных частиц при фильтрации воды в крупнозернистых средах [Текст] / Ю.В. Лесин, С.Ю. Лукьянова, М.А. Тюленев // ФТПРПИ. - 2010. - № 1. - С. 92-96.

68. Развитие исследований по теории фильтрации в СССР (1917-1967) [Текст]. - М.: Наука, 1969. - 545 с.

69. Истомина, B.C. О расчетных размерах пор в фильтрах [Текст] / B.C. Истомина, В.В. Буренкова // Тр. ВНИИ водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии. М.: Госстройиздат, 1969. - С.67-81.

70. Зельдович, Я.Б. Элементы математической физики. Среда из невзаимодействующих частиц [Текст] / Я.Б. Зельдович, А.Д. Мышкис. - М.: Наука, 1973.-351 с.

71. Шпирт, М.Я. Безотходная технология. Утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых [Текст] / М.Я. Шпирт. - М.: Недра, 1986.-225 с.

72. Арбузов, С.И. Редкие элементы в углях Кузнецкого бассейна [Текст] / С.И. Арбузов [и др.]. - Кемерово, 1999. - 248 с.

73. Тюленев, М.А. К вопросу о выборе наиболее эффективного способа очистки карьерных вод на разрезах Кузбасса [Текст] / М.А. Тюленев // Промышленная безопасность и охрана труда на предприятиях топливно-энергетического комплекса: Сборник статей. Отдельный выпуск ГИАБ. - М.: Изд-во «Горная книга», 2011. - № ОВ9. - С. 88-93.

74. Бондарук, Н.Т. Нитраты в природных водах и породах Молдавии [Текст]: Дис. канд. геол.-мин. Наук / Н.Т. Бондарук - Л., 1981.

75. Рихванов, Л.П. Комплексные эколого-геологические исследования углей [Текст] / Л.П. Рихванов, В.В. Ершов, С.И. Арбузов // Уголь. - 1998. - №2. -С.54-57.

76. Арбузов, С.И. Геохимия редких элементов в углях Сибири [Текст] / С.И. Арбузов, В.В. Ершов. - Томск: Изд. Дом «Д-Принт», 2007. - 468 с.

77. Арбузов, С.И. Геохимия и металлоносность углей Красноярского края [Текст] / С.И. Арбузов [и др.] / под общ. ред. С.И. Арбузова. - Томск: БТТ, 2008.-300 с.

78. Нифантов, Б.Ф. Геохимия Кузбасса [Текст] / Б.Ф. Нифантов, В.П. Потапов // Региональные проблемы перехода к устойчивому развитию: ресурсный потенциал и его рациональное использование в целях устойчивого развития. -Кемерово, 2003. -Т.1. -С.244-253.

79. Нифантов, Б.Ф. Геохимия и оценка ресурсов редкоземельных и радиоактивных элементов в Кузнецких углях. Перспективы переработки [Текст] / Б.Ф. Нифантов, В.П. Потапов, Н.В. Митина. - Кемерово, 2003. - 100 с.

80. Скурский, М.Д. Золото-редкоземельно-редкометалльно-нефтегазо-угольные месторождения и их прогноз в Кузбассе [Текст] / М.Д. Скурский. -

Кемерово: Кузбассвузиздат, 2005. - 627 с.

104

81. Разработать рекомендации по очистке и использованию сточных вод разрезов Кузбасса: отчет о НИР № 984-91 / Кузбас. гос. техн. ун-т; Рук-ль Ю.В. Лесин. - Кемерово, 1995. - 93 с.

82. Требования к качеству шахтных и карьерных вод, используемых для технических и хозяйственно-бытовых нужд предприятий угольной промышленности [Текст] / Утв. Управлением охраны природы Минуглепрома СССР 17.10.85 // ВНИИОСуголь. - Пермь, 1986. - 12 с.

83. Крайнов, С.Р. Основы геохимии подземных вод [Текст] / С.Р. Край-нов, В. М. Швец. - М.: Недра, 1980. - 285 с.

84. Черняев, A.M. Гидрохимия малых, редких и рассеянных элементов [Текст] / A.M. Черняев, Л.Е.Черняева, В.Н. Бобченко. - Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1970. - 162 с.

85. Куваев, Н.Н. Устойчивость внешних отвалов при фильтрации карьерных вод [Текст] / Н.Н. Куваев, Ю.Д. Мазур-Джуриловский, А.П. Сахно // Уголь Украины. - 1984. - № 3. - С. 19-20.

86. Астафьев, А.П. Управление состоянием массива горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых [Текст] / Ю.П. Астафьев, Р.В. Попов, Ю.М. Николашин. - Киев - Донецк: Вища школа, 1986. -271 с.

87. Арсентьев А.И. Устойчивость бортов и осушение карьеров [Текст] / А.И. Арсентьев, Ю.И. Букин, В.А. Мироненко. - М.: Недра, 1982. - 165 с.

88. Проектная документация на отработку I очереди участка «Березовский Восточный» ООО «Разрез «Березовский». 13-2009-ИОС2. ООО «СГП-Холдинг». - Кемерово. - 2011.

89. Участок «Новобачатский» ОАО «Белон». Проект горно-транспортной части участка открытых работ. П 226.04-ПЗ-1. «Гипроуголь». Новосибирск. -2007.

90. Корректировка проекта горно-транспортной части разреза Прокопьев-ский ЗАО «Прокопьевский угольный разрез». 73-2011/П-Г-ИОС2. ООО «Сиб-геопроект». Кемерово. - 2011.