Происхождение шахтных вод. Из угольных шахт ежегодно откачивается более  шахтных вод. Существует несколько гипотез о происхождении этих вод. В настоящее время общепризнанно, что появление подземных вод на глубине горных выработок обусловлено атмосферными осадками и поверхностными водами. Горные породы насыщаются водой и образуют напорные и безнапорные горизонты.

Подземные воды подразделяются натрещинно-пластовые, порово-пластовые, трещинные и карстовые.

Гидрогеологические условия различных шахтных полей характеризуются многообразием сочетаний различных типов вод, что усложняет разработку месторождения и требует различных видов очистки сточных вод. Состав подземных вод определяется глубиной залегания и в зависимости от нее характеризуется зональностью, сложившейся в ходе геологической истории.

Состав и свойства шахтной воды. Химический состав минеральных и органических веществ шахтных вод условно можно разделить на следующие пять групп: главные ионы, которые содержатся в наибольшем количестве (хлористые, сульфатные, гидрокарбонатные, карбонатные, натрия, калия, магния и кальция); растворенные газы (кислород, азот, диоксид углерода, сероводород и другие); биогенные элементы (соединения азота, фосфора, кремния); микроэлементы — соединения всех остальных химических элементов; органические вещества.

В зависимости от глубины залегания подземные воды разделяют натри зоны. В верхней зоне, характеризующейся активным водообменом, обычно распространены пресные гидрокарбонатные воды, образующиеся в процессе инфильтрации грунтовых вод. Минеральный состав этой зоны, простирающейся до 300 м в глубину, определяется климатическими условиями, составом горных пород и рельефом местности. С увеличением глубины гидрокарбонатные воды переходят в гидрокарбонатно-сульфатные и сульфатно-гидрокарбонатные. В засушливых районах минерализация фунтовых вод повышается. Шахтная вода содержит минеральные, органические и бактериальные загрязнения. К минеральным относятся частицы песка и глины, минеральные включения углей (кварц, пирит, карбонаты и др.), а также растворенные соли, щелочи, частицы угля, минеральные смазочные масла, продукты жизнедеятельности и др. К бактериальным загрязнениям относятся различные микроорганизмы, преимущественно плесневые грибы, микробы кишечной группы и др.

Содержание растворенных солей в шахтных водах изменяется в значительных пределах (  и более). В зависимости от солесодержания воды классифицируют на пресные - до ; слабосолоноватые - ; солоноватые - ; сильносолоноватые - ; соленые – ; сильносоленые - ; рассолы — свыше .

По фазово-дисперсному состоянию загрязнения шахтных вод угольных месторождений можно подразделить на взвешенные вещества ( ), коллоидные частицы ( ), молекулярные ( ) и ионные ( ) растворы. Содержание взвешенных веществ в шахтной воде зависит от горно-геологических и технологических условий выработки и изменяется в широких пределах - от 0,045 до .

Химический состав вод прежде всего характеризуется минерализацией воды, под которой понимают выраженную в мг/л или г/кг (в случаях более одного грамма на килограмм) сумму всех минерализованных веществ, определенных при анализе. Минерализация шахтных вод изменяется в очень широких пределах как по содержанию солей, так и по их количественному составу (последнее даже в пределах одной шахты). Однако каждому угольному бассейну присуща своя минерализация шахтной воды. В Подмосковном, Кузнецком и Печорском угольных бассейнах встречаются в основном пресные воды, а шахтные воды Ростовской области относятся чаще к сульфатному классу натриевой группы II типа, реже - к гидрокарбонатному и хлоридному классу магниевой, натриевой, кальциевой групп. В микроэлементном составе шахтных вод обнаружено наличие железа, меди, титана, никеля, мышьяка, бериллия, цинка, кадмия, стронция, кобальта, ванадия, хрома, галлия, олова, свинца, молибдена, серебра, сурьмы, бария, теллура, висмута, марганца и др. В большинстве случаев их содержание не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК). Однако в некоторых водах содержание микроэлементов выше допустимого, что следует учитывать при осуществлении комплексной переработки этих вод. Так, в шахтных водах Кузбасса в концентрациях выше допустимых содержатся стронций, кадмий, марганец, барий, медь, кобальт, хром, свинец и сурьма.

Шахтные воды Печорского, Подмосковного и Кузнецкого бассейнов имеют умеренную жесткость - . Повышенную ( ) жесткость имеют шахтные воды Восточного Донбасса. Встречаются шахтные воды и с более высокой жесткостью.

Кислые шахтные воды, образуемые в результате окисления сульфидов железа под действием кислорода воздуха и воды встречаются в Кизеловском бассейне, а также на некоторых шахтах Подмосковного бассейна. Эти воды имеют повышенное содержание железа, изменяющееся от 90 до 713 мг/л и придающее воде бурую окраску.

Размер загрязнений шахтных вод органическими веществами определяют перманганатной или бихроматной окисляемостью (ХПК), а также биохимической потребностью в кислороде (БПК). Окисляемость выражается количеством кислорода в миллиграммах, затрачиваемого на окисление органических веществ в 1 л воды в стандартных условиях. В зависимости от содержания органических веществ окисляемость воды колеблется в широких пределах. Так, воды шахт Печорского и Челябинского бассейнов отличаются повышенной окисляемостью, составляющей . При наличии в шахтных водах трудноокисляемых органических загрязнений для определения химического потребления кислорода (ХПК) применяют в качестве окислителя бихромат калия.

Биохимическую потребность в кислороде (БПК) шахтных вод оценивают количеством кислорода, расходуемым на окисление не-ч стойких органических веществ в течение пяти ( ) и двадцати ( ) суток. Биохимическая потребность в кислороде значително изменяется даже в пределах одного бассейна.

Наличие азотнокислых солей в шахтных водах свидетельствует о загрязнении их продуктами распада животного и растительного происхождения. Нитраты и аммиак в шахтных водах содержатся в небольших количествах.

Бактериальное загрязнение шахтных вод вызвано попаданием в них фекальных вод и продуктов гниения древесины и живых организмов. Последние создают благоприятную среду для развития патогенных бактерий, которые возбуждают различные желудочно-кишечные заболевания (брюшной тиф, дизентерию и др.). Степень загрязнения вод оценивается колититром, колииндексом и микробным числом (Солититр определяется количеством воды в миллилитрах, в котором обнаруживается одна кишечная палочка, колииндекс - количеством кишечных палочек в одном литре воды, микробное число определяется количеством микробов в 1 мл воды). Колититр шахтных вод обычно находится в пределах  и менее, реже он составляет .

Мембранные методы опреснения шахтной воды. Этими методами опресняются солоноватые или соленые воды с минерализацией до 10 г/л, к которым относятся и воды шахтного водоотлива.

Обратный осмос (метод разделения растворов, ) - процесс преимущественного переноса растворителя через полупроницаемую мембрану, идущий в противоположном направлении по сравнению с широко распространенным в природе и давно известным осмотическим процессом. В обоих случаях полупроницаемая мембрана, пропуская молекулы растворителя, задерживает растворенные вещества.

Особенность обратного осмоса заключается в том, что поток исходной воды, омывая мембрану, разделяется на два: один проходит через мембрану, оставляя в исходной воде задержанные ею вещества, другой смывает эти вещества с поверхности мембраны и уносит их. Мембрана длительное время остается чистой и сохраняет свои технологические характеристики.

В зависимости от разделяемых сред, предъявляемых требований к качеству разделения, технологических условий эксплуатации используются различные мембраны:

· по форме (плоские, трубчатые с наружным диаметром от 0,5 до 25 мм и так называемые полые волокна с наружным диаметром  и внутренним );

· по структуре (непористые - диффузионные; пористые - изотропные, низотропные, изопористые; уплотняющиеся; жестко-структурные; комбинированные);

· по технике изготовления (сухое или мокрое формование, термическая желатинизация, облучение пленок заряженными частицами с последующим химическим травлением, экструдирование и т.д.);

· по материалам (стекло, металлическая фольга, широкий спектр Полимеров - ацетаты целлюлозы, полиамиды, полисульфоны, поливинилы, полибензимидозолы, полипперазинамиды и др.).

Наиболее распространены мембраны из ацетил целлюлозы, ароматических полиамидов и композитные, представляющие собой один или несколько ультратонких слоев полиамидов на полисульфоновой или другой основе. Все они имеют анизотропную структуру, т.е. пронизаны порами с размерами, изменяющимися по толщине мембраны.

Для успешной работы технологической мембранной аппаратуры содержание взвешенных веществ в опресняемой воде должно отвечать нормам, принятым для питьевой воды (1,5 мг/л). Шахтные воды можно освободить от взвешенных и коллоидных загрязнений до указанного показателя, а также от микроорганизмов путем коагуляции взвесей и коллоидов сульфата алюминия или хлоридом железа (III), иногда целесообразно применять и флокулянт - полиакриламид.

При опреснении воды электролизом существуют два технологических барьера: карбонатный и сульфатный. Первый обусловлен отложением на мембранах карбоната кальция, второй — сульфата кальция. Поэтому перед электродиализом из шахтной воды необходимо удалить ионы кальция до концентрации , что позволит получить одновременно пресную воду и концентрированный раствор солей. Этот предел может быть повышен до  при опреснении воды обратным осмосом или дистилляцией. Высокую степень декальцинирования воды перед электродиализом можно обеспечить лишь натрий-катионированием или фосфатным доумягчением. Предпочтительным является первый метод, как не требующий дополнительных реагентов. Регенерационные растворы хлорида натрия для натрий-катионитовых фильтров могут быть получены непосредственно при комплексной переработке шахтных вод. Учитывая все же большой расход соли при регенерации катионов, целесообразно для декальцинирования воды использовать peaгентный метод, а для доумягчения ее - катионитовые фильтры.

Для предупреждения образования осадков карбоната кальция и гидроксида магния во всех случаях, вне зависимости от принятой схемы водоподготовки, рекомендуется предусмотреть подкисление рассола и катионита. Вместо подкисления или как дополнение к подкислению применяют периодическую переполюсовку аппаратов или так называемую пульсацию тока противоположного направления продолжительностью  через каждые  при одновременном отключении рабочего источника питания.

Ингибитором всех процессов, связанных с выделением твердых фаз минеральных веществ из шахтных вод, является повышенное содержание в растворенном состоянии органических веществ. Эти же вещества ухудшают и протекание процессов электродиализа. Поэтому количество органических веществ в воде, поступающих на деминерализационную установку, оснащенную мембранной аппаратурой, должно превышать норм, допустимых для питьевой воды. Иногда для удаления из опресняемой воды органических веществ использует активированный уголь.

В основном для устранения биологических загрязнений воду периодически хлорируют на всех сооружениях коагуляционной установки. Раствор хлорной воды или гипохлорита натрия в количестве  «активного хлора» подают в регулирующий бачок с шаровым клапаном.

При опреснении воды мембранными методами особую опасность представляет высокое содержание в ней ионов железа и марганца. Ухудшение работы опреснительных установок наблюдается даже при содержании в воде 0,02 мг/л железа и марганца. Осаждаясь на катионитовых мембранах и внутри их, гидроксиды железа и марганца постепенно увеличивают электрическое сопротивление мембран. В связи с этим необходимо обратить особое внимание на предотвращение загрязнения опресняемой воды железом в результате коррозии технологической аппаратуры и трубопроводов.

Для предупреждения биологических обрастаний в мембранных аппаратах и трубопроводах опресняемую воду целесообразно предварительно хлорировать дозами, обеспечивающими концентрацию остаточного хлора в воде . Для этого в электродиализаторах можно использовать хлор, выделяющийся в анодной камере.

Осветление шахтных вод. Для сбора шахтных вод и улавливания крупных взвесей сооружаются подземные водосборники, вместимость которых рассчитана на четырехчасовой нормальный приток воды. Шахтная вода, отстоявшаяся в водосборниках и выданная на поверхность в отстойники или пруды-осветлители, содержит взвеси, в которых  частиц менее 60 мкм. Пруды-осветлители с шести- , десятисуточным обменом воды улавливают до  тонких взвесей, чем и объясняется такое интенсивное их строительство.

Следует отметить, что в угольной промышленности впервые в отечественной практике применены высокоэффективные отстойники с выделением взвеси в тонких слоях. Однако при естественном осветлении даже в наиболее совершенных отстойниках в шахтной воде всегда остается значительное количество тонкодисперсной взвеси в количестве, доходящем до 100 мг/л. Воду с таким содержанием взвешенных веществ невозможно опреснять мембранными методами. Для более полного осветления шахтных вод и одновременного извлечения из них микроорганизмов, а также для снижения содержания органических веществ необходимо использовать метод коагуляции

Охрана водной среды