Промышленные воды строящихся шахт, рудников и карьеров формируются преимущественно из сопутствующих вод атмосферного и подземного происхождения, загрязненных вследствие водной эрозии отвалов пустых пород и некондиционных полезных ископаемых.

Горнопромышленной сточной называют также воду, которая после одно- или многократного использования в технологических процессах становится непригодной для дальнейшего применения по прямому назначению и подлежит сбросу или использованию в другом производстве.

По степени загрязненности и условиям образования такие воды могут быть разделены на чистые или циркуляционные (оборотные); условно чистые; загрязненные промышленные; загрязненные ливневые.

Чистыми или циркуляционными (оборотными) называют воды, качество которых в процессе их использования практически не ухудшается, что позволяет многократно использовать их без специальной обработки. Эти воды подлежат только периодическому сбросу и замене при накоплении в них продуктов коррозии трубопроводов и оборудования или эрозии железобетонных сооружений.

Условно чистыми называют воды, ухудшение качества которых делает их непригодными для повторного использования в процессе, но не исключает возможности применения их для процессов с менее жесткими требованиями к воде либо допускает их в водоем или канализацию без специальной обработки (очистки).

Загрязненными горнопромышленными (промстоками) называют воды, которые в процессе использования настолько загрязняются исходным сырьем, что их нельзя не только употреблять в дальнейшем, но и сбрасывать без очистки из-за токсичности, агрессивности или других отрицательных свойств. С учетом вида и содержания загрязнений промстоки отводят и очищают одним общим или не несколькими самостоятельными потоками в зависимости от основных загрязнителей: потоки нефтесодержащие, кислотно-щелочные, хромсодержащие, циансодержащие, содержащие красители, токсичные органические загрязнения и т. п. Тем самым упрощают обработку промстоков, а также предотвращают образование взрыво- и огнеопасных продуктов или выделение ядовитых газов при взаимодействии веществ, содержащихся в различных видах промстоков. Иногда целесообразно разделять промстоки, одинаковые или близкие по качественному составу, но значительно различающиеся по количеству загрязнений.

Загрязненные ливневые воды образуются на сильно загрязненных участках территории предприятий: стоянках транспорта, открытых площадках для хранения сырья, горючесмазочных материалов (ГСМ), отходов производства и т.п. В этих водах чаще всего содержатся взвешенные вещества (пыль, грязь, нефтепродукты и др.), которые попадают в зону действия ливня. Объем загрязненных ливневых вод нередко бывает весьма значительным.

Для снижения воздействия горнодобывающей промышленности на состояние водных ресурсов принимаются различные меры, направленные на уменьшение водопритоков в горные выработки:

· организация предварительного осушения;

· заградительный дренаж (в том числе контурный и с использованием систем водопонизительных и водопоглощающих скважин), а также поглощающий дренаж с обособленным отводом воды;

· изоляция водоисточников, например водонепроницаемыми завесами (экранами);

· создание надежных систем канализации ливневого и талого стоков с территории горного отвода;

· откачка талых и дождевых вод из мест оседаний и провалов;

· нормированный расход технологической воды.

Осушение в горном деле - совокупность технических мероприятий, снижающих обводненность месторождений полезных ископаемых и регулирующих режим притоков воды в горные выработки при строительстве горных предприятий и эксплуатации месторождений со сложными гидрогеологическими условиями. Тем самым создаются экономически эффективные и безопасные условия ведения горных работ, а также обеспечивается охрана недр и водных ресурсов. Поэтому, как правило, горнодобычные работы сопровождаются искусственным водопонижением. Только при добыче угля из шахт и разрезов откачивается около 14 км³ воды в год. Сброс откачиваемых и сточных вод ведет к загрязнению поверхностных водных объектов различными солями, нефтепродуктами и тяжелыми металлами.

Осушение включает отвод поверхностных вод, снижение уровня подземных вод, откачку и отвод воды из горных выработок за пределы месторождения полезных ископаемых. Для отвода поверхностных вод (из заболоченных участков, озер, рек, мульд оседания) выполняют:

· перехват склонового стока с помощью нагорных канав и дамб;

· экранирование русел водопритоков в пределах шахтных и карьерных полей;

· удаление воды самотеком из водоемов и водотоков за пределы месторождения полезных ископаемых по канавам, трубам или откачкой насосами;

· откачку ливневых и талых вод из мульд оседания насосами, устанавливаемыми обычно на понтонах.

Для снижения уровня подземных вод на участках ведения горных работ используют дренажные и барражные устройства.

Дренаж - способ осушения территории месторождений полезных ископаемых и массивов горных пород путем сбора и отвода подземных гравитационных вод в естественные русла (реки, озера и т.п.) или искусственные сооружения (каналы, горные выработки и др.).

Дренажные устройства разделяются на поверхностные, подземные и комбинированные. К поверхностным относятся вертикальные водопонижающие и водопглощающие скважины, горизонтальные дренажные скважины, иглофильтровые установки и опережающие поверхностные траншеи, к подземным - дренажные штреки, сквозные фильтры, восстающие скважины, водопонижающие колодцы, а также опережающие выработки (горизонтальные и наклонные скважины). Комбинированные дренажные устройства включают комплекс поверхностных и подземных выработок.

По схеме расположения в плане дренажные устройства делят на кустовые, линейные и контурные, сетчатые, а в разрезе - на одно- и многогоризонтные, коллекторные и бесколлекторные; по срокам сооружения - на опережающие, параллельные и совмещенные; по срокам службы - на стабильные и скользящие (вслед за подвиганием забоя).

Водопонижающие скважины (диаметром ) бурят для снижения уровня (напора) в водоносных горизонтах мощностью свыше , залегающих на глубине , и характеризуемых коэффициентом фильтрации более 1, до подошвы горизонта, при пересечении горизонта устанавливают фильтры или перфорированные трубы (в трещиноватых породах). После прокачки и очистки (обычно эрлифтом) скважина оборудуется погружным насосом.

Водопоглощающие скважины сооружают для перепуска воды из верхнего горизонта с низкими фильтрационными свойствами в нижние с более высокими фильтрационными свойствами. Разность уровней воды в дренируемом и поглощающем горизонтах поддерживается обычно водопоглощающими скважинами. По конструкции водопоглощающие скважины аналогичны водопонижающим.

Горизонтальные дренажные скважины (диаметром , длиной ) сооружают для самотечного осушения уступов карьеров в песчаных породах.

Иглофильтровые установки с коэффициентом фильтрации  позволяют временно и локально понизить уровень подземных вод в песчаных и песчано-глинистых породах от  (передвижные) до  (эжекторные).

С помощью опережающих траншей снижается уровень воды в маломощных (до ) и неглубоко (до ) залегающих водоносных горизонтах.

Дренажные штреки предназначены для дренажа полезных ископаемых и водоносных горизонтов, расположенных вблизи кровли и почвы полезного ископаемого. Дренаж осуществляют через стенки выработок, естественные трещины и тектонические нарушения, а при наличии водоупорных пород (мощностью более ) в кровле и почве полезного ископаемого - с помощью дренажных скважин. Дренажные штреки сооружаются на карьерах со сложными гидрогеологическими условиями; на шахтах обычно роль дренажных штреков выполняют подготовительные выработки.

Сквозные фильтры - скважины диаметром , пробуренные с земной поверхности до кровли подземной выработки (или дренажного штрека), обсаженные трубами, оборудованные фильтрами в интервале водоносных пород; предназначены для дренажа водоносных горизонтов мощностью более , залегающих над полезным ископаемым на расстоянии свыше . Восстающие скважины (диаметром ) бурят из подземных горных выработок и оборудуют фильтрами в интервале водоносных горизонтов. Их применяют для дренажа водоносных горизонтов, залегающих на расстоянии  от кровли выработки.

Водопонижающие колодцы - вертикальные горные выработки, которые закладывают на пониженных участках почвы выработки для понижения напора в водоносных горизонтах, залегающих ниже подошвы выработки. Для откачки воды употребляют центробежные насосы.

Опережающие скважины (диаметром ) бурят из подземных горных выработок в направлении обводненных участков, содержащих напорные воды, чтобы предупредить внезапные прорывы воды, а также провести предварительный дренаж обводенных пород, залегающих впереди фронта горных работ.

Дренажные системы по сравнению с барражными не исключают попадания (проскока) подземных вод через заградительный контур в горные выработки: размер проскока воды, например, на некоторых шахтах и карьерах достигает  динамического потока.

Длительный дренаж водоносных горизонтов нарушает гидравлические и гидрохимические режимы подземных и поверхностных вод в районах эксплуатации месторождений (снижает уровень подземных вод в радиусе нескольких десятков километров, способствует появлению депрессионных воронок, истощению водных ресурсов, загрязнению поверхностных водотоков и водоемов шахтными и карьерными водами), изменяет природный ландшафт.

Барраж — способ защиты шахт и карьеров от подземных вод путем полного или частичного ограждения горных выработок водонепроницаемыми устройствами. При этом уровень подземных вод снижается за счет водоотлива или дренажа, а вне пределов водонепроницаемых устройств остается близким к естественному или несколько повышается в результате подпора.

Барраж обеспечивает охрану ресурсов подземных вод, снижает эксплуатационные расходы на осушение (откачка статичных запасов воды в пределах контура защищенного участка). Для него используют инфузионные, инъекционные, криогенные и шпунтовые барражные устройства (завесы).

Инфузионные (заливные, засыпные) устройства представляют собой узкие вертикальные выработки (щели или траншеи), пройденные специальными машинами, траншеекопателями и экскаваторами до водоупорной подошвы обводненных песчаных, гравелистых или галечных пород и заполненные глиной, глиноцементным раствором, рулонным синтетическим материалом и др. Применяется при небольшой глубине залегания водоупоров (до 50 м), выдержанных (в плане и разрезе) водоносных горизонтах и слабой проницаемости разрабатываемых пород.

Инъекционные (нагнетательные) устройства основаны на цементации, глинизации, силикатизации и смолизации пород через нагнетательные скважины. По сравнению с инфузионными они требуют небольшого расхода тампонажного материала и применяются на глубинах до нескольких сотен метров.

Криогенные (ледопородные) барражные устройства создаются путем искусственного понижения температуры породи замораживания содержащейся в них воды. Они обычно применяются как временное сооружение при проходке стволов шахт в любых породах.

Шпунтовые устройства сооружаются путем забивки металлических, бетонных и других свай в песчано-глинистые породы (без крупных включений крепких пород) при небольших глубинах залегания и толщине водоносных пород.

По схеме расположения в плане барражные устройства разделяются на линейные и контурные, замкнутые и незамкнутые; по схеме расположения в разрезе — на совершенные, заглубленные на  в водоупор, и несовершенные, не доходящие до водоупора (применяются в скальных породах с затухающей вглубь трещиноватостью).

Откачка и отвод вод за пределы шахтных и карьерных полей осуществляется с помощью устройств водоотлива и водоотвода. Система водоотлива подразделяется на участковые и общешахтные.

Водозащита горных выработок - система мероприятий по предотвращению или ограничению поступления в горные выработки (главным образом в добычные забои) поверхностных, подземных и шахтных вод. Водозащита от поверхностных вод включает в себя мероприятия по осушению месторождения полезных ископаемых и дополнительно:

· тампонирование трещин оседания на поверхности земли (в шахтах) глинистым и другим материалом или выравнивание и утрамбовка краев мульд оседания;

· применение систем разработки без оставления выработанных пространств (с их закладкой).

Типы осушения месторождений необходимо дифференцировать в зависимости от вида полезного ископаемого.

Водопритоки с горных предприятий направляются по путям, обеспечивающим минимальное дополнительное загрязнение окружающей среды. Для этого роют изолированные от горного массива водоотливные канавы, на шахтах устраивают промежуточные водосборники нестандартного типа для незагрязненных вод, на карьерах регулируют внутрикарьерный сток, используя временные отстойники. Кроме того, шахтные воды очищают (осветляют от механических примесей, нейтрализуют, извлекают органические соединения, соли и металлы физическими, химическими и биохимическими методами), используют в замкнутом цикле горнодобывающего и рудоперерабатывающего производств.

Требования к сбрасываемым сточным водам. Чтобы не нарушалась работа сооружений и не ухудшались условия эксплуатации, сбрасываемые в городскую канализацию воды должны удовлетворять определенным требованиям. Основные из них: производственные сточные воды не должны быть агрессивными по отношению к материалам канализационных сетей, сооружений и их оборудования; не должны содержать примесей такой крупности и удельного веса, которые могли бы засорять канализационную сеть или откладываться на дне и на стенках труб и каналов; не должны содержать горючих примесей (бензина, нефти, масел, эфиров и т.п.), а также растворенных газообразных веществ, которые могут образовать взрывоопасные смеси в трубах и каналах канализационной сети, в приемных резервуарах насосных станций и в очистных сооружениях; температура смеси городских и производственных сточных вод в месте выпуска не должна превышать .

Условия выпуска горнопромышленных сточных вод в поверхностные водоемы (реки, озера, водохранилища, моря) регламентированы «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» и зависят от народнохозяйственной значимости водоемов и характера водопользования. И хотя они допускают некоторое ухудшение качества воды в водоемах после выпуска в них сточных вод, это не должно отражаться на жизни водоема и на возможности дальнейшего его использования как источника водоснабжения или для культурных и спортивных нужд населения. По этим правилам запрещено спускать в водоемы сточные воды:

· содержащие стабильные вещества, не подверженные биохимическому, химическому и физическим процессам самоочищения, а также радиоактивные вещества;

· устраняемые (с соблюдением технико-экономических условий) путем внедрения рациональной технологии, максимального использования в оборотной системе водоснабжения;

· содержащие ценные отходы, которые могут быть утилизированы. Концентрация большинства разнообразных органических и минеральных веществ, содержащихся в сточной воде, спускаемой в водоемы, нормирована.

При расчетах сброса промстоков учитывают максимально возможное разбавление сточных вод, которое можно обеспечить как процессами смешения, обусловленного природными условиями водоема, так и специальными инженерными мерами (рассредоточенным выпуском сточных вод по живому сечению реки, глубинными выпусками в озера и моря, перемешиванием с помощью насосов), предусматривающими наиболее полное разбавление сточных вод в створе выпуска.

Сопоставляя количество загрязнений, которое может быть принято данным водоемом и которое содержится в неочищенных сточных водах, определяют необходимую степень и выбирают метод предварительной, до выпуска в водоем, очистки.

3. Условия образования и состав сточных вод горных предприятий

В зависимости от происхождения сточные воды разделяются на производственные, хозяйственно-бытовые и атмосферные.

Производственные воды подразделяются на загрязненные (минеральными, органическими и минеральными и органическими примесями) и нормативно чистые.

Воды, попутно извлекаемые при добыче полезного ископаемого, разделяются на шахтные, карьерные и дренажные, которые составляют около  всех сточных вод горных предприятий. Состав шахтных и карьерных вод изменяется в широком диапазоне в зависимости от горно-геологических, гидрологических и технологических условий. Дренажные воды в большинстве случаев относятся к нормативно-чистым.

По значению  (водородного показателя, являющегося отрицательным десятичным логарифмом концентрации водородных ионов, т.е. ) шахтные, карьерные и дренажные воды делят на нейтральные ( ); кислые ( ) и щелочные ( ).

По степени минерализации различают пресные (содержание сухого остатка до ), слабосолоноватые ( ), солоноватые ( ), сильносолоноватые ( ), соленые ( ), сильно соленые ( ) воды, а также рассолы — более .

Чем выше минерализация шахтных, карьерных и дренажных вод, тем выше их жесткость, которая колеблется от 5 до 30 . Содержание взвешенных веществ в шахтных и карьерных водах колеблется от  до  и выше, но обычно не превышает , а нефтепродуктов - от следов до  и выше.

Бактериальная загрязненность может изменяться в пределах . Колититр (количество воды, мл, в котором обнаруживается 1 кишечная палочка) для шахтных вод - от  до 100 мл. Колииндекс, или наиболее вероятное число (НВЧ) — количество кишечных палочек, находящихся в 1 л воды, для сильнозагрязненных вод больше 10000, загрязненных больше 100, удовлетворительных больше 10, хороших меньше 3. Для шахтных вод НВЧ меньше 7.

Хозяйственно-бытовые сточные воды (ХБ) в зависимости от вида загрязнения делятся на фекальные, загрязненные физиологическими отбросами, и хозяйственные, поступающие из ванн, бань, прачечных, столовых и др. От производственных вод они отличаются повышенным содержанием органических загрязнений, которые определяются такими показателями, как химическое (ХПК) и биохимическое (БПК) потребление кислорода. Нормой для ХБ вод является содержание  и . В ХБ водах также встречаются взвешенные и поверхностно-активные вещества, нефтепродукты и др. Но минерализация и жесткость этих вод обычно меньше, чем карьерных и шахтных.

Атмосферные сточные воды разделяются на дождевые и талые. В большинстве случаев талые воды загрязняются сильнее, чем дождевые. Но в целом атмосферные сточные воды отличаются непостоянством по притокам, составу и свойствам.

О масштабах сброса загрязняющих веществ в водные объекты можно судить по следующим данным. В течение одного года в водоемы России со сточными водами поступило  взвешенных частиц,  фосфора общего и азота аммонийного,  металлов,  нефтепродуктов и другие соединения,  из  сбрасываемых вод не подвергаются в достаточной степени очистке.

При эксплуатации угольных и сланцевых месторождений в СНГ ежегодно на дневную поверхность откачивается до  шахтных и карьерных вод. Около половины их солоноватые,  относятся к типу кислотных.

Очень велико влияние сброса сточных вод горных предприятий в малые и средние реки, в результате чего их сток может возрасти в  и более раз. При этом изменяются качество и тепловой режим вод в этих водоемах. Исследования показали, что при сбросе  шахтных вод в реки Донбасса поступает более  растворенных солей. Минерализация воды в реках возрастает более чем в 2 раза, содержание сульфатов — в 3, а взвешенных частиц — в  раз и более.

Обогащение минерального сырья - также существенный источник поступления в окружающую среду загрязненных вод. Так, средний расход воды на 1 т обогащаемой горной массы для угля и горючих сланцев составляет , для железной руды в зависимости от применяемых методов обогащения - , для апатитовой - .

Водно-шламовое хозяйство - технологический комплекс водоснабжения, обработки сточных и оборотных вод, а также шламов и мелких отходов (хвостов) обогащения. Действует на обогатительных фабриках, применяющих мокрые методы обогащения. С помощью его установок осветляются и очищаются воды, сгущаются, обезвоживаются и складируются шламы и отходы обогащения, из шламов извлекаются ценные компоненты. На фабриках, обогащающих угли для коксования, выделяют три основных типа схем водно-шламового хозяйства: одностадийную, двухстадийную, комбинированную. Одностадийная схема применяется на фабриках, расходующих не более  воды на  обогащаемого угля; шламовая вода после удаления из нее частиц угля крупностью более  поступает на флотацию без предварительного сгущения. При двухстадийных схемах вся шламовая вода после классификации твердой фазы поступает на сгуститель; на флотацию подается только сгущенный продукт, а слив сгустителя возвращается в технологический цикл гравитационного отделения. Недостатки схемы связаны с размещением аппаратов осветления оборотной воды на значительной площади, поскольку при этом не обеспечивается достаточной степени очистки, так как применение флокулянтов для ускорения осветления нарушает технологию последующей флотации. Наиболее перспективны комбинированные схемы, в которых перед флотацией сгущается только часть шламовой воды, позволяющая обеспечить оптимальную плотность пульпы.

На фабриках, обогащающих уголь, руды цветных или черных металлов, а также горно-химическое сырье мокрым магнитным или флотационным способом, водно-шламовое хозяйство включает также системы водооборота.

При очистке необходимо выделять промышленные и бытовые сточные воды. Количество бытовых сточных вод составляет около  на одного человека. В отличие от промышленных они поддаются почти полному биологическому разрушению, так как все содержащиеся в них примеси имеют органическую природу. Конечно, непромышленные сточные воды могут содержать и другие материалы, например остатки твердых пород, масла и др., но они легко отделяются на очистных станциях.

Предприятия горной промышленности США сбрасывают в природные бассейны ежегодно около  сточных вод, почти  рек и ручьев и около  водной поверхности загрязнены водами кислого и щелочного состава, поступающими из угольных разрезов.

Мероприятия по охране природных вод особенно актуальны для открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых, так как при таком способе вскрываются все водоносные горизонты, залегающие в разрабатываемой толще пород, причем депрессионные воронки охватывают обширные прилегающие территории. Так, если водозаборные системы и водоотлив подземного рудника им. Губкина создают депрессионные воронки, радиусы которых не превышают , то депрессионные воронки Лебединского, Южно-Лебединского и Стойленского карьеров КМА при глубине  распространяются на расстояние более ; при достижении проектной глубины  радиус депрессионной воронки составит более , а ее площадь - порядка , что приведет к региональным нарушениям естественного режима поверхностных и подземных вод.

Депрессионная воронка подземных рудников может повлиять на территорию, в десятки раз превышающую площадь горного отвода. Количество вод, удаляемых из шахт и рудников, зависит от гидрогеологических условий месторождения и масштаба предприятия и может составлять  и более.

Помимо рудничных вод в окружающую среду поступают воды из отвалов и хвостохранилищ. Например, в настоящее время только на предприятиях Курской магнитной аномалии потери загрязненной воды при их инфильтрации из хвостохранилищ оцениваются в , при этом максимальная высота подъема уровня подземных вод достигает .

Для обеспечения нормальных условий функционирования предприятий, поселков и городов необходимо надежное отведение от них сточных вод. Для этого используют канализационные системы, предназначенные для приема, транспортирования, очистки и выпуска сточных вод. Существуют два вида канализации: вывозная и сплавная. Вывозная канализация предусматривает аккумулирование сточных вод в специальных емкостях (приемниках) и периодическую вывозку их на очистные сооружения. При наиболее распространенной сплавной канализации сточные воды транспортируются по трубопроводам, лоткам, канавам и каналам самотеком или под напором, создаваемым насосами.

В зависимости от вида принимаемых и транспортируемых сточных вод системы канализации подразделяются на общесплавную, когда все виды сточных вод отводятся совместно; раздельную, когда различные виды сточных вод отводятся по самостоятельным сетям, и полураздельную, когда одни виды сточных вод отводятся совместно, а другие раздельно. Кроме того, канализационные сети могут быть открытыми и закрытыми.

Под нормами водоотведения понимается максимально допустимое при производстве единицы продукции или выполняемой работы количество отводимых сточных вод. В основе норм водоотведения шахт и разрезов лежат удельные значения притоков шахтных, карьерных и дренажных вод. Задачи нормирования и классификация норм водоотведения аналогичны нормам водопотребления.

Экологическая стратегия горного предприятия в рациональном водопользовании должна базироваться на учете водного фактора на всех уровнях горного цикла, начиная с геологоразведки месторождения и заканчивая использованием полученного продукта потребителем. На стадии обоснования схем вскрытия и разработки месторождения необходимо предусматривать мероприятия, максимально снижающие водопротоки и нарушения гидрологии района.

По степени экологичности применяемые системы водосбора и водоотлива можно классифицировать на три группы. К первой группе - пассивной - относятся системы, основная цель которых - откачка вод из горных выработок. Вторая группа - активная - объединяет системы, предназначенные для выдачи на поверхность вод со стабильными параметрами качества и сниженным содержанием взвешенных веществ (для чего необходимы большие размеры водосборников и резервуаров осветлителей). Наиболее прогрессивна малоотходная группа систем водосбора и водоотлива, в которых максимально используется шахтная вода без предварительной выдачи ее «на гора». При этом к мероприятиям активной системы добавляются селективная откачка и специальные очистные сооружения, размещенные в подземных горных выработках (использование пород выработанного пространства для первой стадии очистки шахтной воды — на примере использования системы Дон-1, производительностью , снижают содержание взвешенных частиц со  до . В этих системах предусматривается раздельный водосброс).

Необходимая степень очистки сточных вод при сбросе в водные объекты определяется состоянием водоема-приемника и возможной степенью их разбавления в зависимости от ПДК различных загрязняющих ингредиентов. При этом должно выполняться условие:

где , ,  - концентрации поступающих в водные объекты веществ с одинаковыми лимитирующими показателями вредности, а также вредных примесей от вышерасположенных выпусков сточных вод.

К настоящему времени только на предприятиях угольной промышленности насчитывается 1226 водовыпусков, в том числе 965 выпусков производственных сточных вод, 238 хозяйственно-бытовых и 23 смешанных. На 1180 водовыпусках (95,4%) имеются очистные сооружения.