CC BY
59
------------------------------------- © С.М. Федосеев, В.Р. Ларионов,
2011
УДК 622.279.2: 622.411.34 (001)
С.М. Федосеев, В.Р. Ларионов
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИМИ ВОДОПРИТОКАМИ В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ АЛМАЗОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЗАПАДНОЙ ЯКУТИИ
Дано описание способов борьбы с вредным сероводородным газом, поступающим в горные выработки алмазоносной провинции Западной Якутии. Отмечено, что способы нейтрализация сероводорода в пласте не приносит желаемых результатов в виду малой эффективности, дороговизны и токсичности применяемых химреактивов. В данной ситуации для борьбы с загазованностью горных выработок может служить только эффективная гидроизоляция.
Ключевые слова: пластовая вода, горная выработка, газы, сероводород, методы очистки, тампонаж, химическое упрочнение, клатраты.
У^азработка кимберлитовых место-ИГ рождений Западной Якутии ниже зоны мерзлых пород осложнена наличием высоконапорного метегеро-ичерского водоносного комплекса с большим содержанием растворенного в пластовой воде ядовитого сероводорода (до 120 и более мг/л) и солей (70 — 400 г/л). Из газов метано-азотно-сероводородного типа, выделяющихся в рудничную атмосферу из рассолов данного водоносного комплекса по сани-тарно-гигие-ническим нормам, наибольшую опасность представляет сероводород. Его ПДК в воздухе составляет 3,0 мг/м3, концентрационный предел взрываемости (КПВ) в воздухе 4,5 — 45,5 % объема. В составе углеводородных (УВ) газов, выделяющихся из рассолов, преобладает метан (97 % объема). Метан и его гомологи обладают слабым наркотическим действием, их ПДК равен 300 мг/м. КПВ метана в воздухе равен 5 — 15 %; этана, пропана, бутана соответственно - 2,9 - 15; 2,1 - 9,5; 1,5 - 8,5 % объема [1, 2].
При открытой разработке месторождений метан легко удаляется из рудничной атмосферы, он значительно легче воздуха (его относительная плотность по воздуху равна 0,55). Сероводород -тяжелый газ, его относительная плотность по воздуху равна 1,19 и из открытых горных выработок естественным путем не удаляется.
Методы очистки сероводородсодержащих вод по принципам удаления растворенного сероводорода из воды подразделяются на физические, химические, биохимические и комбинированные [3-5].
Физический метод, суть которого заключается в удалении растворенного в воде сероводорода при определенных физических условиях, способствующих появлению сил, разделяющих молекулы воды и сероводорода, отличается простотой и доступностью.
На практике широко применяется способ аэрации. При этом выделение растворенного газа из воды осуществляется вследствие более низкого парциального давления в воздухе. При аэра-
ции, как считает Кастальский А.А. [6], удаляется только молекулярно растворенный сероводород, поэтому она эффективна при низких рН. По данным некоторых авторов, степень удаления сероводорода при различных рН составляет:
при рН = 6,5 степень удаления 60%; при рН = 7,0 степень удаления 35%; при рН = 7,5 степень удаления 15% [7, 8].
Установлено, что аэрацию целесообразно применять при рН < 6,5 — 7,0 и при концентрациях до 2 — З мг/л [9]. В условиях поступления сероводородсодержащих пластовых вод в горные выработки, применение аэрации предполагает дополнительные энергетические затраты, связанные с проветриванием. Положение усугубляется тем, что сероводород - тяжелый газ (плотность по воздуху равна 1,19) и будет концентрироваться на дне горных выработок. В этих условиях проветривание рудничной атмосферы, особенно в глубоких горизонтах с помощью вентиляторов, становится трудновыполнимой задачей.
Биохимический метод основан на применение серных бактерий для уменьшения концентрации сероводорода в воде в специальных бассейнах. По Плешакову В. Д. [5] продукты биохимического окисления серными бактериями можно представить в виде ряда:
Ш- ^ S ^ S2 О22- ^ S4 06 2- ^ SO42
(1)
Для интенсивной работы серобактерий необходимо наличие биогенных веществ: азота; фосфора; калия. Скорость очистки сероводородсодержащих вод биохимическим методом при низких температурах невелика и неприменима при высоких концентрациях сероводорода. Биохимический способ невозможно применять в глубоких горизонтах, а также недостаточная их эффективность не позволяет использовать при низких
температурах и высоких концентрациях сероводорода в пластовой воде (низкие температуры и высокая минерализация пластовой воды, не совсем комфортные условия для жизни и деятельности бактерий).
Химические методы очистки сероводорода считаются наиболее эффективными, суть которых заключается в связывании или разложении сероводорода различными реагентами в легкоудаляе-мые химические соединения. Для этой цели в промышленной практике применяется газообразный хлор или его двуокись [3, 9]. Недостатком метода является обязательная дополнительная обработка воды после хлорирования в соответствии санитарно-гигиеническим и экологическим нормам. Однако, сам хлор и его диоксид токсичнее сероводорода, их ПДК в воздухе 0,1 мг/м3 , КПВ более 10 % и требуют при работе с ними специальные меры предосторожности.
Для нейтрализации сероводорода в воде также применяют перманганат калия и гидрат окиси железа [9, 10]. Эти способы несколько эффективны при высоких (до 200 мг/л) концентрациях сероводорода, но требуют больших затрат реагентов. Например, на 1 мг сероводорода требуется 3,3 г гидроокиси железа.
Несколько перспективным является применение кислорода воздуха [3] и озона [11] для химического окисления сероводорода. Реакция окисления сероводорода в кислороде происходит по следующей схеме:
2H2S + О2 ^ 2Б4. + 2Н2О 2^ + О2 ^2032- + Н2О (2)
По стехиометрическому соотношению на 1 мг сероводорода требуется 2,25 — 2,50 мг кислорода, что согласуется с данными непосредственных измерений [11]. Недостатком метода является малая скорость реакции. При исходном содержании сероводорода 1-3 мг/л
за сутки связывается только 10 — 15 % Н2S [3].
При озонировании 0,5 мг озона реагирует с 1 мг сероводорода и процесс окисления заканчивается с образованием коллоидного раствора серы:
3H2S + О3 ^ 3Б4. + 3 Н 2О (3)
А при расходе озона, равном 1,87 мг на 1 мг сероводорода, процесс окисления заканчивается с образованием сульфатов:
3H2S + 403 ^ 3H2S04 (4)
Для озонирования воды, содержащей 15-20 мг/л сероводорода, требуется 20 мин., расчетный расход озона 30 мг/л
[11]. Основным недостатком способа является метастабильность озона в чистом виде и большой расход электроэнергии на его получении. Однако в смеси с воздухом озон проявляет определенную стабильность и способ озонирования, предложенный Ларионовым В.Р., может оказаться несколько эффективным и представляет практический интерес [12].
К сожалению, все описанные методы нейтрализации и удаления сероводорода при проведении горных работ не предусматривают изоляцию горных выработок от высокоминерализованных водо-притоков, с нефтебитумопроявлениями. Здесь следует отметить, что основная масса ядовитого сероводорода попадает в рудничную атмосферу в результате естественной дегазации пластовой воды, поступающей в горные выработки.
В последние годы учеными ИГДС им. Н.В.Черского СО РАН предложен принципиально новый подход к изоляции горных выработок от притока пластовых вод посредством синтеза твердых молекулярных соединений включения (клатраты) прямо в пласте с использованием природных условий и материалов.
По всеобщей классификации веществ клатраты относятся сразу к двум классам соединений (не химическим): - молекулярным кристаллам и нестехиометрическим соединениям включения. Клатраты характеризуются общей формулой М1-пМ2, где п - число молекул хозяина (М2), образующего решетчатый каркас, приходящихся на одну молекулу гостя (М1), внедренного в полости каркаса и характеризует состав клатрата.
Так, для изоляции горных выработок от притока подземных вод, содержащих нефть, предложен оригинальный способ, включающий синтез клат-ратов тиомочевины в пластовых условиях [13]. Способ включает связывание нормальных алканов (н-алканы), содержащихся в нефти с тиомочеви-ной, нагнетаемой с дневной поверхности с образованием твердых клатрат-ных соединений тиомочевины. В данном случае тиомочевина образует клатратный каркас каналного типа, куда внедряются молекулы н-алканов и удерживаются в них посредством молекулярных сил.
На основе анализа результатов лабораторных исследований и особенностей эксплуатации противофильтрационной завесы (ПФЗ) карьера трубки «Мир» обоснована возможность устранения остаточного водопритока залечиванием микротрещин и пор. Способ осуществляется в комбинации с традиционной цементацией. Для достижения проектного коэффициента фильтрации 0,0014 м/сутки (Кпрон& 9-10-4 мкм2) через тело ПФЗ необходимо залечить микротрещины и поры с просветом 10-4 Г 10-8 м., куда не проникает цементационный раствор, гидратами газов (водные клатра-ты), синтезируемых непосредственно в массиве многолетнемерзлых пород, с использованием естественных пласто-
вых условий и природных материалов [14]
1. Химический энциклопедический словарь. - М.: Сов. Энциклопедия, 1983. - 790 с.
2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде., Справочное пособие для выбора и гигиенической оценки методов обезвреживания промышленных отходов. -М.: Химия, 1975 - 456 с.
3. Золотова Е.Ф., Аес Г.Ю. Очистки воды от железа, фтора, марганца и сероводорода. - М.: Стройиздат, 1975. - 176.
4. Кульский Л.А. Основы физико- химических методов обработки воды. М.: Изд-во МКХ РСФСР, 1962. - 220 с.
5. Плешаков В.Д. Удаление сероводорода из артезианских вод. М.: Изд-во МКХ РСФСР. - 1975. - 1975. - 250 с.
6. Кастальский А.А. Проектирование устройств для удаления из воды растворимых газов в процессе водоподготовки. - Госстрой-издат, 1957. - 230 с.
7. Gruchler J., Figer K., Wege de Beseitigung von Schevetelwasser staff // Wasserwirtschaft-Wassertechnik. - 1967. - №11.
8. Knop E. Versuchemit verschiedenen feluftungssystemen in technischen. - Berlin ; Masstab, 1966.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
9. Клячко В.А., Апельщин И.Э. Очистка природных вод. - М.: Стройиздат, 1975. - 160 с.
10. Willey B.F., a.o., Removal of
hydrogen sulfide with potassium permanganate //JAWWA. - 1964. - №4.
11. Линевич С.И. Использование природных сероводородных вод в народном хозяйстве. Ростов-на-Дону: Изд - во Ростовского ун-та, 1972. - 120 с.
12. А.с. 1784588 СССР. Способ очистки высокоминерализованных вод от от сероводорода /Ларионов В.Р. /Институт горного дела Севера СО РАН, Заявл. 05.08.91; Опубл. 12.05.92. // Изобретения. - 1992. - №48.
13. Патент РФ №2012775 МКИ Е21 В33/138. Способ изоляции горных выработок от притока подземных вод, содержащих нефть.. / Ларионов В.Р., Апросимова С.А., Федосеев С.М.; опубл. 15.05. 1994, Бюлл. №9.
14. Федосеев С.М., Ларионов В.Р. Способ уменьшения остаточного водопритока в горные выработки через глиноцементную про-тивофильтрационную завесу (ПФЗ).// ГИАБ, Выпуск 11, 2005.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Федосеев Семен Михайлович - научный сотрудник,
Ларионов Владимир Романович - кандидат химических наук, ст. научный сотрудник.
Учреждение Российской Aкадемии наук Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РAНг. Якутск, vaviro @ mail. ru.
