Шахтные воды формируются в результате вскрытия водоносных горизонтов подземными горными выработками в процессе ведения очистных и подготовительных работ и проникновения поверхностных вод в выработанное пространство. Водообильность шахт определяется гидрогеологическим условиями месторождения, глубиной разработки, схемой вскрытия и отработки шахтного поля, системой разработки, способом управления кровлей и другими горно-геологическими и горно-техническими факторами.

Водоприток в шахту "Житомирская" составляет 2058,7 тыс. м³/год или 235 м³/ч.

Главная водоотливная установка шахты "Житомирская" расположена в околоствольном дворе четвертого горизонта пласта m₃. Вода откачивается на поверхность по двум трубопроводам, диаметром 150 мм каждый, которые проложены по вспомогательному стволу. Водоотливная установка оборудована тремя насосами: ЦНС-300*240 в количестве 2 штук и ЦНС-180*255 с электродвигателем мощностью 200 кВт, 1500 об. /мин, 6 кВ, автоматизирована при помощи аппаратуры ВАВ. Состояние участковых и центральных водосборников - удовлетворительное, емкость водосборника четвертого горизонта пласта m₃ - 300 м³. Чистка водосборников производится шламовыми насосами типа НШ.

По данным водопотребления шахты "Житомирская" на 184,8 тыс. т/год добытого угля объем забора шахтных вод составляет 2058,7 тыс. м³/год. Питьевой воды на шахте потребляется 291,8 тыс. м³/год, из них на технологические нужды, а именно: на пылеподавление - 70,2 тыс. м³/год, на вспомогательные нужды (котельная) - в количестве 29,2 тыс. м³/год, оставшийся объем питьевой воды в количестве 200,4 тыс. м³/год используется на хозяйственно-бытовые нужды. Шахтная вода, поднимаемая из подземных горизонтов на поверхность, частично используется на цели пылеподавления. На шахте "Житомирская" для очистки шахтных вод применяется процесс отстаивания. Водоотведение шахтных вод и хозяйственно-бытовых стоков шахты "Житомирская" осуществляется по схеме, представленной на рисунке 4.1 Шахтные воды подаются на поверхность водоотливной установкой в пруды - осветлители №1 и №2 для очистки от взвешенных веществ, откуда затем по балке Харцызской сбрасываются в групповой пруд-отстойник шахты имени Чапаева. Сброс хозяйственно-бытовых стоков (от бани, прачечной и столовой) шахты "Житомирская" осуществляется через хлораторную в ручей, длиной 30 м, далее стоки фильтруются под породным отвалом пласта m₃ и попадают в пруд-отстойник шахтных вод №2.

Не используемая на технологические нужды шахтная вода с добавлением 70 м³/год хозяйственно-бытовых стоков шахты "Житомирская" сбрасывается в общем объеме 5869 тыс. м³/год по двум выпускам: в реку Кленовая (выпуск №1 в объеме 3504,0 тыс. м³/год) и балка Харцызская (выпуск №2 в объеме 2365,0 тыс. м³/год). Последующая схема сброса: р. Харцызская, р. Ольховая, р. Крынка.

4.1.3 Оценка эффективности очистки шахтных вод шахты "Житомирская"

Физико-химический состав шахтных вод весьма разнообразен, что обусловлено различием состава подземных водоносных горизонтов в пределах угольных бассейнов и месторождений, которые в большинстве случаев играют решающую роль в формировании шахтных вод. Состав шахтных вод до и после пруда-осветлителя представлен в следующей таблице.

Таблица 4.1 - Результаты анализа проб шахтной воды шахты "Житомирская"

Шахтные воды отличаются большим разнообразием химического состава, непригодны для питья и обладают свойствами, исключающими их использование в технических целях без предварительной очистки. Загрязнения шахтных вод делятся на минеральные, органические и бактериальные. К минеральным загрязнениям относятся песчаные и глинистые частицы, минеральные включения углей (кварц, пирит, карбонаты), инертная пыль, а также содержащиеся в шахтных водах растворенные соли, щелочи и кислоты. Преобладающими ионами являются кальций, магний, натрий, хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты, карбонаты.

Степень кислотности шахтных вод обуславливается присутствием свободной серной кислоты и характеризуется концентрацией свободных ионов (рН). По величине рН шахтные воды условно делятся на 3 класса:

нейтральные (рН=6,5 - 8,5);

кислые (рН менее 6,5);

щелочные (рН более 8,5). [10].

Шахтные воды шахты “Житомирская” относятся к нейтральным.

Рассмотренные ранее физико-химические показатели состава шахтных вод обусловлены природой тех подземных или поверхностных вод, которые имеют решающее значение в формировании водопритоков; на величину этих показателей горные работы влияния практически не оказывают.

К числу основных загрязнений, наличие которых в шахтных водах непосредственно связаны с горными работами, относятся взвешенные вещества (ВЗВ), нефтепродукты, бактериальные примеси. Обогащение этими загрязняющими веществами происходит в процессе движения их по горным выработкам и выработанному пространству шахты. [9].

Органические загрязнения представлены частицами чистого угля, минеральными маслами, применяемыми для смазки горных машин и механизмов, продуктами жизнедеятельности живых организмов, разложения древесины и др., основной составляющей частью которых является углерод органический.

Бактериальные загрязнения шахтных вод представлены различными микроорганизмами, среди которых наиболее распространены плесневые грибы, микробы кишечной группы.

Шахтные воды обычно не имеют запаха, однако иногда затхлый, неприятный запах придает ей растворенный сероводород или разлагающиеся органические вещества.

Цвет воде придают растворенные и взвешенные вещества. Например, железистые соединения придают воде бурую окраску, если же твердая фаза представлена преимущественно дисперсными частицами угля - шахтные воды приобретают черный цвет. При значительном количестве породных включений цвет воды становится серым.

Привкус шахтной воде придают в основном растворенные минеральные соединения, газы и другие вещества. Распространенный солоноватый привкус объясняется присутствием хлористого натрия. При наличии в воде сульфатов натрия и кальция она приобретает горький привкус, ионы железа придают воде неприятный вкус, а органические вещества - сладковатый.

Органические загрязнения шахтных вод можно охарактеризовать пермангонатом бихроматной окисляемостью (ХПК), а также биохимической потребностью в кислороде (БПК).

Окисляемость является показателем загрязненности воды органическими веществами и выражается количеством кислорода в миллиграммах, затрачиваемого на окисление этих веществ в 1 л воды в определенных условиях [9].

Биохимическая потребность в кислороде (БПК) шахтных вод определяется количеством кислорода, расходуемым на окисление нестойких органических веществ за определенный промежуток времени и выражается в мг/л О_2. Обычно определяют БПК_5, БПК₂₀ (пяти - и двадцати суточную).

Наличие азота аммонийных, нитритных и нитратных ионов в шахтной воде указывает на загрязнение воды продуктами распада растительного и животного происхождения. При биохимическом распаде азоторганических соединений регенерирует в минеральные формы. Конечным продуктом распада являются ионы аммония, которые могут быть окислены в нитриты и нитраты. Наличие нитратов в очищенной воде указывает на достаточно полную ее очистку от органических загрязнений.

Бактериальные загрязнения шахтных вод обусловлено наличием в них большого количества микроорганизмов, что является следствием попадания в воду продуктов гниения древесины и живых организмов. Это создает благоприятную среду для развития бактерий, среди которых могут быть патогенные - вредные для человека, - возбуждающие различные желудочно-кишечные заболевания (брюшной тиф, дизентерия). Особенно следует выделить бактерии кишечной палочки Eschericia Colli, количество которых служит показателем фекального загрязнения воды [13].

Степень загрязнения шахтных вод оценивается микробиологическими показателями:

1. Коли-титром - количеством воды (в миллилитрах), в котором обнаружена одна кишечная палочка (определяется согласно ГОСТ 18963-73).

2. Коли-индексом - количеством кишечных палочек в 1 л исследуемой воды.

3. Микробным числом - общим числом микробов в 1 мл воды.

Степень загрязнения взвешенными веществами зависит от гидрогеологических условий шахтного поля, физико-механических свойств угля и вмещающих пород, технологии и интенсивности ведения очистных работ и подготовительных работ и др. факторов.

Наиболее крупные фракции взвешенных веществ оседают в подземных водосборниках. Крупность и количество осевших частиц определяются размерами и емкостью подземных водосборников, степенью заполнения их осадком и режимом работы водоотлива. В зависимости от этих факторов концентрация взвешенных веществ в выдаваемых на поверхность шахтных водах варьирует по отдельным шахтам от 30 до 2000 мг/л. Однако на большинстве шахт средняя концентрация взвешенных веществ не превышает 1000 мг/л. Относительно меньшей степенью загрязненности характеризуются шахты, разрабатывающие высокометаморфизованные угли (антрациты и полуантрациты).

Взвешенные вещества в шахтных водах представлены частицами угля и вмещающих пород различной крупности. Обычно в воде преобладают угольные частицы, реже породные, однако их соотношение непостоянно и может меняется с изменением условий разработки.

С точки зрения дисперсного состава взвешенные вещества представляют собой полидисперсную систему.

Содержание нефтепродуктов в шахтных водах определяется в основном уровнем механизации горных работ.

Требования к качеству очистки шахтных вод при их использовании в технических целях и выпуске в водоем

Во многих угольных бассейнах страны и за рубежом снижение расхода дефицитной и дорогостоящей питьевой воды для нужд, связанных с питьевым и бытовым водоснабжением, осуществляется за счет использования шахтных вод. Очищенные шахтные воды используются в процессе угледобычи для нужд комплексного обеспыливания, включающее нагнетание воды в пласт с целью дегазации и предотвращения внезапных выбросов газа и пыли, а также интенсивного пылеподавления в процессе разработки; устройства водяных заслонов на входящей и исходящей струях забоев, пластов или крыльев шахт; для орошения забоя при работе очистных и подготовительных комбайнов, а также транспортных средств; при бурении дегазационных скважин и шпуров с промывкой; на обмывку стенок основных и вспомогательных выработок для предупреждения и локализации взрыва угольной и породной пыли. Кроме того, значительный объем шахтной воды необходим поверхностным комплексам шахт и обогатительным фабрикам [9].

Возможность и объем использования шахтных вод определяются:

наличием потребителей неочищенной и очищенной шахтной воды и их потребностью в воде;

требованиями этих потребителей к качеству воды;

притоком и физико-химическим составом шахтных вод;

технической возможностью и стоимостью очистки шахтных вод до требуемых кондиций.

Основными потребителями шахтных вод являются:

технологические процессы на обогатительных фабриках и установках с мокрым обогащением угля;

профилактическое заиливание и гидрозакладка выработанного пространства;

котельные;

бани и прачечные;

борьба с пылью в подземных выработках, на технологических комплексах поверхности шахт и на обогатительных фабриках.

Общие требования к воде, предназначенной для использования на технические нужды, сводятся к следующим:

быть безвредной для обслуживающего персонала;

не обладать отрицательными органолептическими свойствами; не вызывать коррозии оборудования, аппаратуры, трубопроводов и сооружений;

не давать солевых отложений и не способствовать развитию биологических обрастаний;

не снижать технико-экономических показателей производственного процесса и не создавать аварийных режимов.

Кроме того, каждый потребитель предъявляет к воде свои специфические требования. Сопоставление перечисленных выше общих и специфических требований потребителей к качеству воды с физико-химическим составом шахтных вод с учетом объемов возможного потребления позволяет применительно к конкретным условиям шахты оценить целесообразность использования шахтных вод с технической и экономической точек зрения.

Особые требования предъявляются к воде, используемой для борьбы с пылью. Спецификой горных работ обусловлено присутствие машиниста комбайна и его помощников непосредственно в зоне повышенного пылеобразования. Вдыхание рабочими аэрозоли, включающей связанные частицы твердого при обеспыливании, неизбежно, если они не пользуются средствами индивидуальной защиты. Поэтому, естественно, что при использовании для пылеподавления шахтных вод, содержащих взвешенные вещества, ухудшаются санитарные условия, так как к исходной загрязненности воздуха прибавляются и загрязнения, содержащиеся в воде.

В 1975 году введены санитарные правила, по которым вода, используемая для нужд пылеподавления и комплексного обеспыливания, должна отвечать питьевому стандарту ГОСТ 2874-73. Для районов с дефицитом питьевой воды разрешается по согласованию с органами государственного санитарного надзора использовать шахтную воду, при условии ее предварительной очистки до норм питьевого качества. Последнее требование ставит перед угольной промышленностью важные задачи, связанные с необходимостью обессоливания некоторого объема шахтных вод перед их использованием для отдельных объектов водопотребления, особенно в условиях шахт Донбасса.

Таким образом, опреснение шахтных вод в промышленном масштабе - вопрос перспективы, хотя работы в этом направлении ведутся. Отказ от использования минерализованных шахтных вод для нужд технического водоснабжения в угольной промышленности может вызвать, с одной стороны, ухудшение санитарного состояния поверхностных и подземных вод в связи с необходимостью отвода сточных вод с территории шахт, и с другой - к дальнейшему повышению дефицита питьевой воды, обусловленному необходимостью ее для технических нужд.

В связи с дефицитом питьевой воды по согласованию с государственными санитарными органами шахтные воды используются для нужд технического водоснабжения угольных предприятий. Подача питьевой воды при этом полностью исключается. Для удовлетворения питьевых нужд подземных рабочих на шахтах организованы фляговые хозяйства.

Сброс шахтных вод в водоемы регламентируется "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами".

В условия шахты "Житомирская" предполагается использовать шахтную воду в технологических целях, на цели вспомогательного производства, на хозяйственно-бытовые нужды работающих на предприятии.