Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса 12
1.1. Состояние изученности закономерностей гидро-, геомеханических процессов в техногенном массиве и выработанном пространстве при затоплении шахт 12
1.2. Состояние изученности газовыделения из техногенного массива и выработанного пространства при затоплении шахт 17
Выводы 20
2. Оценка степени нарушенности поверхности шахтных полей ликвидируемых шахт кузбасса 22
2.1. Классификация степени и характера нарушенное поверхности шахтных полей ликвидируемых шахт 22
2.2. Измерения оседания поверхности на Анжерском полигоне при затоплении шахт 26
2.3. Разработка мероприятий по дальнейшему использованию нарушенных земель в строительстве и в культурном землепользовании 30
Выводы 32
3. Исследование закономерностей газовыделения при затоплении на ликвидируемых шахтах севера кузбасса 33
3.1. Нормирование содержания и методика отбора проб рудничных газов при их выделении на земную поверхность при затоплении шахт 33
3.2. Анализ данных газовыделения при затоплении ликвидируемых шахт Анжеро-Судженского, Березовского, Кемеровского районов 35
3.3. Разработка мероприятий по снижению газовыделения из затапливаемых шахт Кузбасса 44
Выводы 45
4. Исследование закономерностей изменения содержания различных ингредиентов в сточных водах при затоплении ликвидируемых шахт кузбасса 46
4.1. Методика отбора проб сточных вод при затоплении на ликвидируемых шахтах 46
4.2. Анализ и статистическая оценка данных содержания ингредиентов в сточных водах ликвидируемых шахт 50
4.3. Математическая модель циклического изменения ингредиентов в сточных водах при затоплении ликвидируемых шахт 54
4.4. Разработка мероприятий по уменьшению антропогенного влияния сточных вод на окружающую среду 62
Выводы 62
5. Исследование закономерностей гидро и геомеханических процессов в техногенном массиве и выработанном пространстве ликвидируемых шахт кузбасса 64
5.7. Методические основы проведения мониторинга подземных вод. 64
5.7.7. Методика проведения наблюдений за уровнями затопления и организации гидропаблюдательной сети скважин на ликвидируемых шахтах 65
5.2. Гидрогеологические особенности ликвидации шахт в Кузбассе... 67
5.2.1. Классификация затапливаемых шахт Кузбасса по условиям их ликвидации 67
5.2.2. Исходные гидрогеологические параметры и определения, используемые для исследования закономерностей гидропроцессов в техногенном массиве и выработанном пространстве при затоплении шахт 71
5.3. Типизация гидрогеологических условий при затоплении ликвидируемых шахт Кузбасса 75
5.4. Зависимость между гидрогеологическими и технологическими параметрами в техногенном массиве и выработанном пространстве... 78
5.5. Характер изменения водопритоков в затапливаемую шахту от исходного горизонта затопления до подошвы ПВГ 87
5.6. Характер изменения водопритоков в пределах зоны ПВГ 88
5.7. Анализ изменения уровней затопления от начала затопления до подошвы ПВГ 93
5.8. Анализ изменения уровней затопления в пределах зоны ПВГ 95
5.9. Исследование закономерности изменения скорости и времени затопления шахт 99
5.10. Разработка мероприятий для управления уровнем и временем затопления шахт для уменьшения антропогенного воздействия на окружающую среду 107
Выводы 107
Заключение 109
Список литературы 112
Приложения
- Состояние изученности газовыделения из техногенного массива и выработанного пространства при затоплении шахт
- Разработка мероприятий по дальнейшему использованию нарушенных земель в строительстве и в культурном землепользовании
- Анализ данных газовыделения при затоплении ликвидируемых шахт Анжеро-Судженского, Березовского, Кемеровского районов
- Математическая модель циклического изменения ингредиентов в сточных водах при затоплении ликвидируемых шахт
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с реструктуризацией угольной отрасли, выполняемой с 1994 года, в Кузбассе ликвидируются 43 угольные шахты путем частичного или полного затопления. В связи с этим возникла необходимость исследования газо-, гидро-, геомеханических процессов, происходящих при затоплении в многократно подработанном массиве и выработанном пространстве для разработки оптимальных методов управления ими.
Проблемы регионального характера, связанные с исследованием геомеханических процессов, которые проявляются в виде сдвижения горных пород, образования нарушенных участков, провалов и трещин, подтопления являются актуальными для Кузнецкого бассейна. Дальнейшее их использование необходимо для разработки технологических методов и средств управления этими процессами, что позволит снизить антропогенное влияние на окружающую среду.
Кроме того, ликвидация шахт путем их полного или частичного затопления сопровождается выделением рудничных газов, но закономерности их выделения, а также концентрации выделяемых газов, время выделения остаются неизученными.
Полное затопление шахт характеризуется изливом сточных вод на дневную поверхность с дальнейшим попаданием их в речную сеть. Поскольку химический состав этих вод зависит от состава горных пород и различного рода включений, а также протекающих физико-химических процессов окисления и восстановления и т.д., то естественно, что он претерпевает изменения, что также в настоящее время не изучено. Остается открытым вопрос установления времени, необходимого для снижения концентрации ингредиентов до ПДК. В этой связи весьма важен вопрос разработки методов управления этими процессами с позиции минимизации вреда, наносимого окружающей среде.
Водоприток в затапливаемую шахту формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков, питания транзитными водами, содержащимися в ГТВГ (приповерхностном водоносном горизонте) и за счет бокового притока. Следовательно, закономерности изменения среднего водопритока в шахту до ПВГ и выше будут различными. Неизвестными являются закономерности управлениями уровнями на разных этапах затопления. В этой связи научная задача исследования гидро-, газо-, геомеханических процессов в техногенном массиве и выработанном пространстве ликвидируемых угольных шахт Кузбасса для разработки оптимальных методов управления ими является актуальной.
Цель работы. Исследование гидро-, газо-, геомеханических процессов в техногенном массиве и выработанном пространстве ликвидируемых угольных шахт Кузбасса для разработки оптимальных методов управления ими.
Идея работы состоит в мониторинге интегральных параметров для оценки гидро-, газо-, геомеханических процессов в многократно подработанном массиве и выработанном пространстве ликвидируемых шахт Кузбасса.
Предмет исследования. Гидро-, газо-, геомеханические процессы, протекающие в техногенном массиве горных пород и выработанном пространстве ликвидируемых шахт.
Задачи исследований:
оценить степень нарушенности поверхности шахтных полей провалами, подтоплением и установить возможность их дальнейшего использования в строительстве и сельском хозяйстве;
изучить закономерности газовыделения из затопленных шахт для установления количественного и качественного состава газов и определения общего времени их выделения;
изучить динамику изменения концентрации различных ингредиентов в
сточных водах для установления общего времени их снижения до ПДК;
«установить характер изменения водопритоков на разных стадиях затопления для управления уровнем и временем затопления шахт.
Методы исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя инструментальные методы исследований (метод профильных линий — для определения деформационных процессов поверхности шахтных полей после затопления шахт; интерференционный метод - для определения содержания рудничных газов; электроконтактный метод - для определения уровня затопления шахт), а также методы математической статистики и компьютерной обработки результатов наблюдений.
Научные положения, выносимые на защиту:
образование опасных зон характерно для отработанных крутопадающих пластов, ежегодный прирост которых составляет в среднем в количестве 10-20 с объемом воронок до 2,0 тыс. м3. Количество условно опасных зон ежегодно доходит до 40 с объемом засыпки около 50 тыс. м3, которые могут быть использованы для малоэтажного и дачного строительства и различных видов культурного землепользования после применения инженерной подготовки территорий (сооружения защитных экранов, горизонтального дренажа путем применения щелерезов с глубиной захвата бара до 4,0 - 4,5 м, вертикального дренажа с организацией режимной сети скважин);
установлена периодичность газовыделения при затоплении шахт: для
1 типа шахт максимальные значения концентрации метана в общем объеме
газовыделения в первые 6 месяцев составляют 50-60 %, углекислого газа 7-8
%; для 2 типа — проявляются в виде периодических всплесков,
обусловленных физико-химическими процессами окисления и др.; для 3
типа — максимальные значения концентрации газов периодически
повторяются и не зависят от скорости затопления. Это позволяет разработать мероприятия по снижению газовыделения, включающие поддержание необходимого уровня затопления с помощью погружных насосов, пассивное использование территорий на срок не менее 3-5 лет, установление на действующих шахтах периодичности газовыделения и выявление дополнительных источников как в период затопления, так и после;
концентрация ингредиентов (ХПК, БПК, сульфаты, железо, взвеш.в-ва) в сточных водах Кемеровских шахт изменяется циклически с периодом от 7,5 до 10,8 мес. при незначительном уменьшении среднего содержания. Общее время снижения концентрации ингредиентов до ПДК для различных шахт в зависимости от химического состава вмещающих пород и дренирования поверхностных загрязнителей составляет от 3,7 до 11,8 лет, поэтому на данный период предлагается поддержание уровня затопления ниже ПВГ;
средний водоприток в затапливаемую шахту уменьшается по параболическому закону в зависимости от относительного показателя глубины затопления до подошвы ПВГ, а выше водоприток определяется типовой функцией, характеризующей величину уменьшения водопритока по глубине зоны ПВГ. Уровни затопления шахты экспоненциально зависят от времени затопления, которое прямо пропорционально объему удельной горной массы и обратно пропорционально среднему годовому водопритоку в шахту, зафиксированному в момент отключения водоотлива. Это позволяет предложить мероприятия для управления уровнем и временем затопления с помощью погружных насосов, а также управление уровнем в зоне ПВГ, исключающим подтопление и выбор мест бурения режимной сети скважин.
Научная новизна работы:
установлена закономерность, определяющая площадь
провалоопасных зон и их ежегодный прирост в зависимости от формы нарушенности, глубины и угла падения пластов;
выявлен и установлен циклический характер газовыделения при затоплении, установлены закономерности содержания метана и углекислого газа для различных типов шахт;
получена циклическая временная зависимость концентрации ингредиентов (БПК, ХПК, сульфаты, железо, взвеш. в-ва) в сточных водах, а также установлено общее время их снижения до ПДК;
установлена закономерность изменения водопритока от глубины до подошвы ПВГ и выше. Получена зависимость изменения уровней затопления от времени, удельной горной массы и среднего годового водопритока в шахту.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается большим объемом данных мониторинга за газовыделением, качеством сточных вод и уровнями затопления на ликвидируемых шахтах Кузбасса в течение 10 лет; базируется на методах математической статистики и статистических оценках значимости установленных зависимостей; подтверждается сходимостью результатов расчета с фактическими данными для конкретных шахт (расхождение не превышало 15-20%).
Личный вклад, автора заключается в:
установлении закономерности изменения площади провалоопасных
зон и их ежегодного прироста в зависимости от формы нарушенности,
глубины и угла падения пластов;
выявлении и установлении характера газовыделения, а также
закономерностей содержания метана и углекислого газа в рудничном газе;
в получении циклической зависимости концентрации ингредиентов в сточных водах и их снижения до ПДК;
установлении изменения водопритока с глубиной от подошвы ПВГ и выше, а также изменения уровней затопления от времени, удельной горной массы и среднего годового притока в шахту, который формируется в момент отключения водоотлива.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей сдвижения горных пород, газовыделения, динамики изменения концентрации ингредиентов в сточных водах, позволяющих расширить представления о физических процессах, происходящих в массивах горных пород и выработанном пространстве при затоплении шахт.
Практическая значимость работы состоит в получении количественных показателей, характеризующих гидро-, газо-, геомеханические процессы при затоплении шахт, позволяющих разработать методы управления ими для снижения антропогенного влияния на окружающую среду и использования подработанных земель в культурном землепользовании.
Реализация работы. Основные результаты работы использованы при составлении «Руководства по проведению мониторинга подземных вод и прогнозу изменения гидрогеологических условий при затоплении ликвидированных шахт Кузбасса» (Кемерово, 2008 г). Выполнены примеры расчетов режимов и параметров затопления шахты в конкретных условиях, которые могут быть использованы действующими предприятиями для назначения защитных мер в случае полного затопления соседних ликвидированных шахт.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на Международной научно-практической конференции «Перспективы использования геоинформационных технологий для безопасной отработки месторождений полезных ископаемых», 3 — 4 июля 2000 г., СПб, ВНИМИ;
на Международной конференции «Проблемы геологии и освоения недр юга России», 2006 г., Ростов - на Дону; Innovative Technologies for an Efficient Geospatial Management of Earth Resources: FIG Commissions 5,6 and SSGA Workshop, Lake Baikal, Listvyanka, Russian Federation 23-30 July 2009 -Baikal, -2009 и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей, в том числе 5 в рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, в том числе содержит 112 страниц текста, 35 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 103 наименований и 10 приложений.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам института СФ ВНИМИ и КЦМПЭБ за помощь в проведении экспериментальных наблюдений.
1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА
Состояние изученности газовыделения из техногенного массива и выработанного пространства при затоплении шахт
При ликвидации угольных шахт «мокрым» способом происходит поршневое вытеснение рудничных газов на дневную поверхность, причем не равномерно по площади [4,5,9,10,11].
Проблемам газовыделения на дневную поверхность при затоплении техногенного массива и выработанного пространства посвящены работы [2,9,11,22].
Кравченко А.И. и Мурашев В.И [9,11,101,102], рассмотрел и выделил по нескольким ликвидируемым шахтам места выделения угрожаемых и опасных концентраций метана на земную поверхность. Рассмотрел методические вопросы периодичности контроля за выделением вредных газов при затоплении шахт. Установил, что основным фактором выделения газов на поверхность является перепад атмосферного давления, а также показал, что в некоторых случаях динамика изменения концентраций газов зависит от интенсивности затопления шахты. В докладе Российско-Британского Центра [10] газомониторинг дороги Ньюхилл, подтвердил влияние затопления на эмиссию газа на поверхность, вследствие влияния барометрического давления.
На проблему происхождения рудничных газов, у различных авторов существует несколько точек зрения [68,69,70]: 1. Первые представления о запасах метана в угольных пластах базировались на предположении, что этот газ находится в свободном виде в поровом пространстве угольного материала и быстро дренирует после вскрытия угольного пласта подземной выработкой или вскрывающей скважиной. Однако эта версия была опровергнута длительной работой добывающих дегазационных скважин. 2. Наиболее распространённая версия — метан — это результат термохимических преобразований угольного вещества под воздействием температур и давлений и подтверждается цепочкой переходных фаз метаморфизма: торф — бурые угли — каменные угли — антрацит. При этом предполагается, что часть твёрдой фазы функциональных групп угольного вещества переходила в газообразную в виде молекул СО2, СО, СЬЦ и др., процессы образования которых ускорялись с повышением температуры [68]. По мнению Л.Я. Кизильштейна и СБ. Булгаревича [68] — метан и другие углеводороды образуются в результате низкотемпературного крекинга угольного органического вещества в условиях механического воздействия при изменении тектонических напряжений в земной коре. Авторы считают, что угольное вещество можно рассматривать как двухфазную систему: уголь (твёрдая фаза) — это смесь газов, в которой границей фаз служат стенки пор, трещин и других пустот в угольном пласте. Установлено, что из 1 кг угля в результате метаморфизма образуется 200л метана, а из 1т угля при использовании технологии газификации производится около 3,5 тыс. м горючего газа. 3. Е.В. Крейнин и Л.К. Сильверстов [69] сторонники термического катализа углеводородного вещества на активных металлических катализаторах (ванадий, железо, кобальт, никель и др.). Эти выводы подтверждаются фактами испытания битуминозных углей при нагреве с выделением 12% углекислоты и наличием в золе окислов железа. То есть в процессе термических превращений низкосортные угли выделяют водород и двуокись углерода и образуют угольный метан вследствие каталитических реакций. Следовательно, по мнению этих авторов, каталитический крекинг на минеральных катализаторах — это и есть причина образования метана. 4. Г.Д. Фролков и А.Г. Фролков [70] придерживаются механохимической концепции выбросоопасности угольных пластов, где источником метана являются процессы деструкции межатомных связей твёрдого углеводорода с образованием газовой фазы на отдельных участках шахтопластов. Авторы проводили опыты по метаноносности антрацитовых пластов во времени, в результате которых установлено, что проба угля, помещённая в сорбционную колбу, непрерывно в течение двух лет выделяла метан и диоксид углерода. Наличие факта выделения СН4 и СОг указывает на зависимость от степени метаморфизма угольного пласта, причем, как установлено опытами, может выделяться либо один диоксид углерода при полном отсутствии метана, либо совместное их выделение.
Возникает вопрос, что происходит с газовыделением из оставленных в шахте при затоплении целиков угля и пород? На этот вопрос в литературе отсутствуют какие-либо оценки. Однако известно, что в угольных пластах с естественной влажностью часть метана в трещинах и порах находится в двух фазах: сорбированном и свободном состоянии, причём свободный газ находится в сжатом виде1. При повышении гидростатического давления за счёт затопления шахты должно происходить повышение проницаемости и истечение свободного и адсорбированного в воде газа.
Таким образом, периодичность газовыделения из затопленной шахты в виде разной по продолжительности цикличности максимумов, в том числе значительных «всплесков» выхода газов на поверхность, является одним из слабоизученных природных процессов. Поэтому закономерности газовыделения, а также концентрации выделяемых газов, а также время их выделения остаются неизученными. Обзор литературных источников показал, что проблемами изучения закономерностей гидро-, газо-, геомеханических процессов в техногенном массиве и выработанном пространстве занимались многие известные ученые и исследователи. Частично изучена техногенная нарушенность поверхности шахтных полей Восточного Донбасса, но не рассмотрен вопрос оценки степени нарушенности поверхности провалами, подтопления, а также использования этих земель в строительстве и сельском хозяйстве. Относительно газовыделения рассмотрены и выделены места выделения угрожаемых и опасных концентраций метана на земной поверхности при затоплении шахт, но не изучены вопросы закономерностей и времени газовыделения при полном затоплении шахт. В опубликованных работах проанализированы отдельные показатели сточных вод, их качество и скорость очистки, но авторами не была рассмотрена динамика изменения концентрации различных ингредиентов, их цикличность, а также не установлено время достижения концентрации ДЦК. Не изучена проблема деформирования подработанного массива, также не рассмотрен характер изменения водопритоков на разных стадиях затопления для управления уровнем и временем затопления шахт.
Разработка мероприятий по дальнейшему использованию нарушенных земель в строительстве и в культурном землепользовании
Для оценки характера и величины проявления остаточных сдвижений и деформаций поверхности институтом ВНИМИ в 1998 году заложен на полях ликвидируемых шахт «Анжерская» и «Судженская» геодинамический полигон. Для оценки изменения оседания поверхности при затоплении в подработанном массиве и выработанном пространстве были заложены специальные профильные линии грунтовых реперов на участках поверхности с различной степенью подработанности.
Было заложено 5 профильных линий: по ул. Заводская — Шишкова, Тяжинский профиль, над барьерным целиком, вдоль железной дороги МПС Москва —Владивосток.
Также были заложены профильные линии над провалоопасными зонами от выработок, пройденных на малой глубине, суммарной протяженностью 6,5км с общим количеством грунтовых реперов -130. Первые наблюдения на профильных линиях с 1998г. по осень 1999г. проводились силами СФ ВНИМИ, в дальнейшем методика и результаты наблюдений были переданы группе наблюдателей полигона, работы которого финансировались государственным учреждением ГУРШ. Методика инструментальных наблюдений на профильных линиях заключалась в нивелировании реперов профильных линий и измерении расстояний между ними рулеткой в соответствии с «Инструкцией...» [61]. Кроме этого, силами полигона в 1998г. была заложена локальная сеть микротриангуляции и полигонометрии, где измерения проводились с помощью системы GPS. Геодезические измерения проводились не менее 3-х раз в год (весной, летом и осенью), результаты наблюдений обобщались в виде отчетов, выполняемых вначале СФ ВНИМИ и Кемеровским представительством ВНИМИ, в дальнейшем методический контроль за наблюдениями был передан головным ВНИМИ Кемеровскому представительству ВНИМИ. Отчеты по выполненным исследованиям передавались в КЦМПЭБ и ГУРШ и являются архивным материалом этих организаций.
Анализ имеющихся данных наблюдений по профильным линиям грунтовых реперов позволяет выделить два периода накопления данных геодезических измерений. Первый период с 1998г. по 2002г. обобщен в отчете СФ ВНИМИ [20], из которого следует, что при отметках затопления шахт: «Анжерская» -(+92м) на 1.02.02г и «Судженская» - (-26,0м) на 1.02.02г. при проектных уровнях затопления соответственно (+184,0м) и (+182,0м) каких-либо ощутимых остаточных проявлений процесса деформирования горных пород и земной поверхности не установлено. Несмотря на высокую угленасыщенность и тектоническую нарушенность горных массивов этих шахт, многократность подработки и наличие большого числа оставленных угольных целиков в отработанных пластах инструментальными наблюдениями зафиксированы просадки и поднятия поверхности не более 30-40 мм за 3,5 - летний период наблюдений. При этом по данным нивелирования парных реперов (рабочий репер длиной 1,8м и усиленной конструкции с якорем длиной 2,5м) установлена фактическая погрешность нивелирования рабочих и удлинённых реперов соответственно: тр=±6,8мм и ту=±7,3мм. Из чего следует, что рабочие реперы не подверглись за этот период процессам «вымораживания» и поднятия за счет высокого уровня грунтовых вод.
По устойчивости барьерных целиков при одностороннем и двустороннем подтоплении делается вывод [62] , что за счет затопления шахт частично разрушаются краевые части целиков до 10-15 мм в год, где их размеры в 2 -2,5 раза меньше нормированных значений за счет прорезки целиков очистными работами. Отсутствие деформаций в предохранительных целиках больших размеров подтверждена на профильной линии, заложенной вдоль железнодорожного полотна магистральной линии МПС Москва -Владивосток.
В отчете СФ ВНИМИ [62] обособленно выделен вопрос оценки точности наблюдений на Анжерском геодинамическом полигоне. По результатам выполненного анализа точности производства геодезических работ даны предложения по модернизации опорной сети путем переопределения отметок основных опорных пунктов в локальную высотную геодезическую сеть II класса. Рекомендовано ежегодно производить переопределение пунктов опорной сети нивелирования с обеспечением невязки в замкнутых полигонах: mn=±3,5-M-VT, где L — число километров в ходе. Это связано с тем, что часть пунктов триангуляции и профильных линий находятся на ненадежных участках поверхности, частично подверженных в прошлом влиянию горных работ, а также в местах протекания геодинамических процессов, происходящих в массиве за счет затопления шахт.
Второй период накопления данных наблюдений на полигоне с осени 2002г. по 2007г осуществлялся силами полигона и Кемеровским представительством ВНИМИ. В результате выполненных геодезических измерений за этот период отмечается рост преимущественно поднятий поверхности до 100-190 мм, который авторы отчета [64] связывают частично с эффектом гидронасыщения толщи, частично с блоковыми сдвижениями земной коры, вызванными разгрузкой от затопления шахт. Делается вывод о воздымающих сдвижениях в центральных частях шахтных полей и вблизи зон пересечения мульд сдвижения геологическими нарушениями.
В целом, анализируя полученный материал геодезических наблюдений более чем за 10 летний период, начиная от начала до полного затопления шахт с глубинами от 480 до 550м можно отметить следующее: уровень сдвижения поверхности, проявляющийся в дополнительных ее просадках и поднятиях, не превышает 200мм и представляет больше теоретический интерес к процессам, происходящим в подрабатываемых массивах в период их затопления.
Анализ данных газовыделения при затоплении ликвидируемых шахт Анжеро-Судженского, Березовского, Кемеровского районов
Первые наблюдения за качеством подземных вод осуществлялись местными санэпидемиологическими аккредитованными лабораториями с частотой взятия проб 1 раз в квартал, начиная с 26.05.2006 года стала функционировать химическая лаборатория КЦМПЭБ, которая имеет в своем арсенале современное оборудование и обрабатывает пробы воды по 24 показателям, в том числе по 6 микрокомпонентам группы металлов с периодичностью 1 раз в месяц.
Для установления качества сточной воды устанавливают в пунктах (точках) наблюдений несколько створов наблюдений. Местоположение створов устанавливают с учетом гидрометеорологических и морфологических особенностей водного объекта, расположения источников загрязнения, количества, состава и свойств сбрасываемых сточных вод (приложение 4.1).
Один створ устанавливают на водотоках при отсутствии организованного сброса сточных вод в устьях загрязненных притоков, на незагрязненных участках водотоков.
При наличии организованного сброса сточных вод устанавливают на водотоках два створа и более [74,77,78,821. Один из них располагают выше источника загрязнения (вне влияния рассматриваемых сточных вод) выше по течению реки, другие — ниже источника загрязнения (или группы источников) в месте полного смешения. Химический состав воды в пробе, отобранной в створе выше источника загрязнения, характеризует фоновые показатели качества воды водотока в данном пункте. Сравнение фоновых показателей с показателями качества воды в пробе, отобранной ниже источника загрязнения, позволяет судить о характере и степени загрязненности воды под влиянием источников загрязнения данного пункта. Изменение химического состава воды в пробах, отобранных в первом после сброса сточных вод створе и в расположенных ниже створах, дает возможность оценить самоочищающую способность водотока.
Подземные воды отбираются из наблюдательных скважин, расположенных на горных отводах ликвидируемых шахт, которые тоже указываются на картах-схемах. Отбор пробы воды из скважин, как правило, совмещается с замером уровня подземных вод. Отбору предшествует прокачка воды в скважине с помощью насоса от 8 часов до 2 суток, дабы не изменить картину качества сточных шахтовых вод другими побочными факторами (заилиность, попадание мелких частиц и т.д.).
Если сточные воды поступают в водоем через водосливное устройство, то проба отбирается непосредственно из падающей струи.
Если на шахте имеются очистные сооружения, то для определения эффективности их работы проводится отбор проб до очистки, а проба воды после очистки отбирается через промежуток времени, который отводится на отстой воды в отстойниках. Если сброс стоков после очистки значительно удален от реки и производится по земляной канаве, проба отбирается в устье канавы перед сбросом в реку.
Отбираются пробы воды [77,78] промышленно изготовленными батометрами или эмалированными ведрами, бидонами и переливаются в специально подготовленную и обработанную посуду КЦМПЭБ (бутылки, канистры), без наличия «водного пузыря». К каждой пробе прикрепляется специальный сопроводительный документ (время, дата, номер точки, места сброса) и транспортируется в лабораторию для гидрохимического анализа. Если набор проб воды осуществляется в зимнее время, то пробы замораживаются в подготовленной посуде и таким образом транспортируются. На месте отбора проб воды определяется запах (органолептический), цвет (визуально) сточной воды и наличие посторонних примесей (пленка, плавающие и взвешенные примеси). Если отбор проб ведется на реке, то обращается внимание на наличие факта гибели рыб, других водных организмов, цветения воды, наличие нефтяной пленки, повреждения береговой линии и т.д., а также погодных условий. Обязательно измеряется и записывается в сопроводительный документ температура воды, как в месте излива сточных вод, так и в реке или очистном сооружении. Она определяется по термометру, в родниковой оправе с делениями через 0,2 градуса. Его опускают на шнуре, так чтобы резервуар с ртутью находился на глубине 0,2м. Через 10 минут его поднимают и производят отсчет с точностью до 0,1 градуса.
Все отобранные пробы в испытательной лаборатории фиксируются специальными реагентами для дальнейшей обработки: проба на НФПР -четыреххлористым углеродом, на фенол -едким натром, на ХГЖ -серной кислотой. Общие сведения по ингредиентам, ПДК сточных вод приведены в приложение 4.2.
Для пополнения базы данных по гидрохимическому мониторингу начиная с 1999 года в КЦМПЭБ использовался программный продукт «Voda», созданный к.т.н. Пудиковым М.Ю. [22], далее с момента аккредитации лаборатории КЦМПЭБ стала использоваться новая программа «ЛИС», созданная в Институте высоких напряжений (г.Томск). Анализ гидрохимических данных мониторинга проводился автором диссертации за период со 2-3 квартала 2002г. до 2 квартала 2006г. Для анализа данных гидрохимического мониторинга были выбраны ликвидируемые шахты Кемеровского, Прокопьевского, Киселевского и Новокузнецкого районов. Дополнительно рассматривалось влияние сточных вод ликвидируемых шахт юга Кузбасса на р. Аба, впадающую в р.Томь и протекающую по территории городов Киселевска, Прокопьевска и Новокузнецка (приложение 4.3, 4.4).
Поэтому сначала были выделены ингредиенты, подлежащие анализу, и предварительно оценены причины их изменения во времени. В приложении 4.1 приведены схемы мест отбора проб сточной воды, а в приложении 4.3 построены графики изменения за период 4,25 года следующих показателей (ингредиентов): взвешенные вещества (ВВ), нефтепродукты (НФПР), фенолы, железо, сульфаты, аммиак, БПК, ХПК шахт Кемеровского, Прокопьевске - Киселевского и Новокузнецкого районов. Там же приведена краткая информация о степени загрязнения каждым из ингредиентов и допустимые значения ПДК по каждому из показателей.
Следует отметить, что сточные воды ликвидируемых шахт Кузбасса разнообразны по составу и качеству. По физико-химическому составу шахтные воды в условиях Кузбасса относятся к нейтральным (ph =6,5-8,5), причем зимой ph изменяется от 6,8 до 7,4, а летом от 7,4 до 8,2. Величина показателя (ph) в большей степени определяется геологическими условиями бассейна и физико-химическими свойствами вмещающих пород и углей.
Математическая модель циклического изменения ингредиентов в сточных водах при затоплении ликвидируемых шахт
Мониторинг подземных вод является одним из основных видов горноэкологического мониторинга, требующего обязательного его проведения на всех этапах полного или частичного затопления ликвидируемых шахт Кузбасса.
Основной целью его при ликвидации шахт является отслеживание во времени гидродинамического режима подземных и грунтовых вод для обеспечения безопасности работы смежных действующих шахт и прилегающих территорий.
По составу мониторинг подземных вод входит в состав горноэкологического мониторинга и разделяется на региональный и объектный [76, 82]. Региональный мониторинг охватывает совокупность угольных предприятий отдельного месторождения, в Кузбассе его функцию выполняет КЦМПЭБ (Кузбасский Центр Мониторинга Производственной и Экологической Безопасности). Объектный мониторинг предназначен для изучения и управления различными видами техногенного воздействия на геологическую среду в пределах одного или группы угольных предприятий и определяет количественно-качественные характеристики его деятельности. Этот мониторинг осуществляют различные службы мониторинга или отдельные предприятия. В Кузбассе эти функции выполняют группы мониторинга, базирующиеся по угольным регионам бассейна. о Мониторинг подземных вод включает производство периодических наблюдений за уровнями и составом подземных вод на всех этапах ликвидации предприятия, включая затопление шахты до заданного уровня, (систематическую фиксацию работы погружных насосов, контроль за расходом и качеством подземных вод, откачиваемых или самоистекаемых по специально пробуренным скважинам) [83, 84].
В рамках мониторинга подземных вод решаются следующие основные задачи [85]: разрабатывается проект, включающий согласованную методику наблюдений и организуется сеть наблюдательных скважин (пьезометров); по разработанному проекту выполняются натурные наблюдения за изменением уровня затопления шахты за водопритоками в шахты, соседние с затапливаемой, если эта шахта не является изолированной; выполняется систематический анализ и интерпретация результатов натурных наблюдений; оцениваются прогнозные изменения гидродинамического режима подземных и грунтовых вод и разрабатываются предложения по его управлению, а также по оптимизации системы наблюдений и по разработке инженерных мероприятий. В условиях Кузбасса преимущественно шахты ликвидируются путем полного затопления («мокрый способ») или комбинированным способом, предусматривающим поддержание заданного уровня с помощью погружных насосов, устанавливаемых, как правило, в стволах шахт или гидронаблюдательных скважинах. Замеры уровней затопления шахт следует проводить прямыми методами - гидрогеологической «хлопушкой» или электроуровнемером (рис.5.1). Уровнемер под собственным весом спускается в ствол до момента касания воды (уровня затопления шахты). Делается отметка на соединительном проводе о ЛЯЕШ первом замере, затем повторно уровнемер поднимается выше уровня затопления и вновь спускается до касания уровня воды делается 2 отметка. Эта процедура продолжается не менее 3-х раз. Затем провод вынимается из ствола , растягивается на всю длину и делается измерение рулеткой его принимается средняя из измерений. Отсчет ведется от верха оголовка скважины или устья ствола, имеющего топографическую привязку. Данные замеров заносятся в журнал. Абсолютная отметка уровня затопления определяется как разница между отметкой оголовка скважины (устья ствола) и расстоянием (длиной) от него до уровня воды в шахте.
Периодичность проведения замеров уровня затопления зависит от стадии затопления. При полном затоплении ликвидируемой шахты и предусмотренном по проекту самоизливу сточных вод измерения уровня затопления необходимо проводить не реже 2-3 раз в месяц. При подходе к критической отметке (отметке перетока на соседнюю шахту, либо к отметке затопления при которой включаются погружные насосы) частота замеров достигает 2-3 раз в неделю. В паводковые периоды (с 15 апреля до 10 июня) в Кузбассе интервал между замерами уровней затопления следует сократить до 5-7 дней.
Наряду с обычными наблюдательными скважинами и стволами, возможно использование для замера напоров подземных вод датчиков гидростатического давления, размещенных либо в виде гирлянд в специальных скважинах, либо в технических скважинах или в шахтных стволах, их применение обосновывается «Методическими указаниями по оценке гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт....» [76]. Количество наблюдательных скважин, их конструкция и схема размещения скважин зависят от конкретных гидрогеологических условий. Оборудование сети скважин необходимо лишь в тех случаях, когда по прогнозу возможно подтопление земной поверхности грунтовыми водами и на охраняемых территориях планируются соответствующие инженерные мероприятия по предотвращению этого процесса.
В сложных случаях, когда на расстоянии 3-4км от границ шахтного поля находятся токсичные отходы или захоронения вредных производств, наблюдательные скважины на подземные воды следует размещать в виде 1-2-х створов.
Створы должны быть ориентированны по направлению прогнозных потоков подземных или грунтовых вод к затапливаемой шахте и не менее 2-3-х створов должно располагаться по направлению к складированным токсичным отходам. В случаях, когда уровень затопления шахт регулируется с помощью погружных насосов достаточно иметь на каждой шахте не менее 3-4-х действующих скважин, размещенных на крыльях и обязательно в центре шахтного поля. При необходимости бурятся 1-2 резервные скважины.
