CC BY
74
Оригинальная статья
УДК 622.015.4:622.012.3 © Б.Л. Тальгамер, Ю.Г. Рославцева, 2020
Водоотведение при разработке угольных месторождений по восстанию с внутренним отвалообразованием
Р0!: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-12-7-10 -
Разработка угольных месторождений открытым способом оказывает негативное воздействие на все составляющие природной среды, в том числе и на водные ресурсы. В последнем случае это выражается в понижении уровня грунтовых вод в районе разреза и в сбросе загрязненных карьерных вод в гидрологическую сеть. Кроме того, создание очистных сооружений при водоотведении влечет дополнительное изъятие земельных ресурсов. Вместе с тем при разработке угольных месторождений по восстанию имеется возможность водоотведения без дополнительных мер по очистке карьерных вод путем их сброса через нижележащие обнаженные рыхлые отложения. Внутреннее отва-лообразование значительно осложняет эту возможность. При внутреннем отвалообразовании с заполнением выработанного пространства вскрышными породами и подви-ганием фронта горных работ по восстанию для отведения карьерных вод через водопроницаемые отложения предлагается вдоль нижнего контура разреза формировать пазуху между бортом выработки и отвалами, в которой создавать отстойник для откачиваемых из рабочей зоны вод. Параметры пазухи и отстойника рассчитываются с учетом расхода карьерных вод, угла залегания продуктивного пласта, фильтрационной способности пород, слагающих борт разреза, и вскрышных отвалов.
Ключевые слова:угольные месторождения, открытый способ разработки, водоотведение, карьерный водоотлив, очистка сточных вод.
Для цитирования:Тальгамер Б.Л., Рославцева Ю.Г. Водоотведение при разработке угольных месторождений по восстанию с внутренним отвалообразованием // Уголь. 2020. № 12. С. 7-10. 00!: 10.18796/0041 -5790-2020-12-7-10.
ВВЕДЕНИЕ
При разработке месторождений угля наибольшее негативное воздействие горные работы оказывают на земельные ресурсы. Вместе с тем отмечается значительное отрицательное влияние и на водные ресурсы, которое выражается в изменении соотношения стока поверхностных и подземных вод с понижением уровня грунтовых вод в районе разреза, в загрязнении поверхностного стока и в изъятии земельных участков под очистные сооружения. В целом доля техногенных водоемов в общей площади
ТАЛЬГАМЕР Б.Л.
Доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой
«Разработка месторождений полезных ископаемых» Иркутского национального исследовательского технического университета (ИРНИТУ), 664074, Россия, г. Иркутск, e-mail: [email protected]
РОСЛАВЦЕВА Ю.Г.
Канд. техн. наук, доцент кафедры
«Разработка месторождений полезных ископаемых»
Иркутского национального исследовательского
технического университета (ИРНИТУ),
664074, Россия, г. Иркутск,
e-mail: [email protected]
нарушенных при добыче угля земель невелика и составляет 3,5% [1], в том числе на очистные сооружения, приходится менее 1%. Однако влияние созданных отстойников на прилегающие территории с повышением уровня грунтовых вод и переувлажнением поверхностного слоя может быть весьма существенным. Кроме того, очистка сточных вод не всегда бывает достаточно эффективной, что влечет загрязнение поверхностных вод. И если взвешенные частицы в большинстве случаев удается осадить в отстойниках, то минерализация сточных вод после очистных сооружений практически не уменьшается [2, 3]. По данным ВНИИОСугля, только 5% угледобывающих предприятий имеют минерализацию карьерных (шахтных) вод менее 1 г/т, у остальных она составляет несколько грамм на литр [4].
Снизить негативное влияние горных работ на водные ресурсы позволяет сокращение сброса сточных вод. В первую очередь это можно осуществить за счет уменьшения притока в выработанное пространство с использованием водоотводных сооружений, дренажных систем (А.С. и патенты №№ 983269, 1448089, 1799418, 21877649, 2269652,
2293819, 2293819, 2337244, 2382866, 2627054 и др.), а также гидрозавес, пневмозавес, барражей [4, 5]. Вторым направлением в сокращении сброса сточных вод является перекачка карьерных (шахтных) вод в нижележащие водоносные горизонты с использованием водонагнеталь-ных скважин или специальных выработок [4, 5].
Указанные способы достаточно трудоемки и нашли применение на водообильных месторождениях, разрабатываемых крупными предприятиями. На небольших угольных месторождениях (или на отдельных участках крупных месторождений) с незначительной мощностью продуктивных отложений, разрабатываемых с высокой скоростью подвигания фронта горных работ, использование сложных систем перехвата подземных вод и последующего заведения их под землю неприемлемо.
В условиях небольших месторождений практически единственным вариантом водоотведения является карьерный водоотлив с отстойником, сооружаемым на поверхности. Экологическая опасность этого варианта отмечена выше. Вместе с тем доля небольших угольных разрезов во многих регионах России не снижается [6, 7], так как они более близко расположены к потребителям и не связаны с высокими транспортными расходами по доставке сырья. Поэтому вопрос повышения экологической чистоты разработки небольших угольных месторождений достаточно актуален.
АНАЛИЗ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОДООТВЕДЕНИЯ
Из анализа исследований небольших угольных месторождений в Иркутской области [7] установлено, что почти все они имеют горизонтальное и пологое залегание пластов, которые характеризуются небольшой мощностью и перекрыты в основном четвертичными отложениями. Уголь большей частью каменный с содержанием серы 1,5-2,5%. Степень разведанности мелких месторождений низка (категория запасов - в основном С2). Водоо-бильность месторождений невысокая, однако практически везде угольный пласт находится ниже уровня грунтовых вод. Разработка этих месторождений осуществляется с внутренним отвалообразованием в основном по восстанию. Вскрытие запасов полезного ископаемого осуществляется с использованием разрезной траншеи, пройденной вдоль нижней границы карьерного поля. Пустые по-
роды из разрезной траншеи складируются на поверхности месторождения у борта разреза с отсыпкой внешнего отвала. Отсыпка вскрышных пород с первой заходки осуществляется в выработанное пространство, созданное при проходке разрезной траншеи с использованием драглайнов. Откачка карьерных вод осуществляется в большинстве случаев в отстойники, расположенные на поверхности за пределами контуров подсчета запасов. При отсутствии внутренних отвалов для водоотведения можно использовать открытый дренаж через борт карьера, а также применять различные простые дренажные устройства. Внутреннее отвалообразованиезначительно ограничивает использование дренажа, особенно при работе с подвалкой бортов выработки. В таких условиях создание приемлемой схемы водоотведения весьма затруднительно [8].
С целью снижения землеемкости горных работ и уменьшения негативного воздействия на водные ресурсы предлагается возвращать карьерные воды, поступающие в выработанное пространство, в осушенные водоносные горизонты, расположенные вдоль нижнего борта разреза. Для этого между нижним бортом выработки и откосом внутреннего отвала от первой заходки экскаватора-драглайна оставляют пазуху, в которую в последующем производят откачку карьерных вод (см. рисунок). Пазуху формируют глубиной, обеспечивающей подсечение естественных водоносных горизонтов и обуславливающей самотечное удаление карьерных вод. В большинстве случаев глубина пазухи может приравниваться к мощности рыхлых отложений, перекрывающих пласт угля. Возможность самотечного удаления воды из пазухи проверяется с использованием формулы Дарси:
Н = Q / В ■ I кф,
где Q - расход карьерных вод, м3/ч; В - ширина разреза (длина пазухи) вдоль нижнего борта, м; I - продольный уклон местности ниже разреза; кф - средний коэффициент фильтрации рыхлых отложений, слагающих борт разреза, м/ч.
С целью снижения фильтрационных утечек в сторону выработанного пространства на внешний откос отвала от первой заходки (со стороны выработки) может быть уложен водонепроницаемый экран, в том числе из глинистых пород, пленки (см. рисунок).
Более детально оценить возможность удаления карьерных вод из пазухи через борт разреза и рассчитать филь-
Технологическая схема откачки карьерных вод в пазуху вдоль нижнего борта разреза при внутреннем отвалообразовании: 1 - продуктивный пласт; 2 - вскрышные породы; 3 - борт разреза; 4 - внешний отвал от разрезной траншеи; 5 - пазуха между бортом и отвалом от первой заходки; 6 - рыхлые отложения, слагающие борт разреза; 7 - водонепроницаемый экран; 8 - водосборный зумф; 9 - насосная станция
трационные утечки через отвалы можно с использованием гидродинамического моделирования с учетом основных параметров открытой дренажной системы [9]. Возвращение карьерных вод, состоящих в основном из подземного и инфильтрационного притоков, в осушенные водоносные горизонты горного массива отвечает требованиям управления водными ресурсами [10, 11] благодаря сохранению естественного баланса между поверхностным и подземным стоками в районе горных работ. Очистка сточных вод фильтрацией через вскрышные породы позволяет достичь высокой степени осветления за счет эффективного улавливания тонкодисперсных взвешенных частиц [12, 13].
В созданном в пазухе водоеме имеются условия для осаждения илистых частиц, а фильтрацией через рыхлые отложения обеспечивается очистка карьерных вод от нефтепродуктов и тонкодисперсных глинистых части ц. Фил ь-трационные утечки из водоема, созданного в пазухе, обеспечивают восполнение ресурсов подземных вод и восстановление уровня грунтовых вод ниже разреза. Для создания пазухи с расчетными параметрами (в первую очередь установленной глубины) при необходимости увеличивают ширину разрезной траншеи и уменьшают ширину первой эксплуатационной заходки.
Предложенный способ отведения карьерных вод без создания внешних отстойников и сброса сточных вод в поверхностные водотоки использовался в проектах горных работ при разработке участков «Глинки» и «Талый» на Тыреть-Зиминской угленосной площади, а также при разработке участка «Велистовский» Азейского буроугольно-го месторождения.
В первых двух случаях отсыпка внутренних отвалов осуществляется с использованием автотранспорта, поэтому параметры пазухи и водоема в выработанном пространстве регулируются более просто - путем управляемого бульдозерного отвалообразования. По мере подвигания фронта горных работ по восстанию благодаря достаточно большому уклону почвы угольного пласта были обеспечены самотечное удаление карьерных вод к нижнему борту разреза и дальнейший дренаж через рыхлые отложения в борту.
При проектировании и разработке Велистовского участка карьерные воды после предварительного осветления в зумфах отводились в пазуху с использованием насосной станции. Пазуха была сформирована между бортом и внутренним отвалом не на всю ширину разреза, поэтому ее глубина для обеспечения отвода карьерных вод в осушенные водоносные слои, наклонно залегающие в сторону р. Азей, составила около 10 м (при необходимом значении 4 м). Значительная глубина пазухи, с одной стороны, обеспечивала обнажение угольного пласта, характеризующегося высокой фильтрационной способностью и находящегося в борту разреза за контурами лицензии (на границе охранного целика), а с другой стороны, позволяла сократить фильтрационные утечки из затопленной пазухи через отвалы в выработанное пространство. По результатам составленного водного баланса для данного разреза установлено, что средний приток воды в выработанное пространство составит 62,5 м3/ч, в том числе 13,9 м3/ч за счет атмосферных осадков в выработку и 7,1 м3/ч за счет фильтрационного притока из затопленной пазухи. Умень-
шение глубины пазухи приводило бы к сокращению расхода воды, дренирующей через борт разреза в сторону р. Азей и одновременно к увеличению фильтрационных утечек через отвалы в рабочую зону разреза.
Согласно проекту площадь зеркала отстойного водоема в пазухе должна составлять 4900 м2 при средней глубине 2 м. В связи с неравномерным расходом карьерных вод в меженный период глубина отстойного водоема в пазухе будет уменьшаться до 0,6-0,8 м, а во время ливневых дождей увеличиваться до 4 м с одновременным нарастанием фильтрационных утечек как в сторону р. Азей, так и в выработанное пространство. Последнее необходимо учитывать при обосновании производительности насосной станции карьерного водоотлива.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При разработке угольных месторождений по восстанию с размещением отвалов вскрыши в выработанном пространстве повышение экологической чистоты горных работ может быть обеспечено за счет формирования между нижним бортом разреза и внутренними отвалами пазухи, предназначенной для приема карьерных вод, откачиваемых из рабочей зоны. Это позволит уменьшить площади нарушенных земель, сброс сточных вод в гидрологическую сеть и степень загрязнения поверхностных вод, сократить зону водопонижения на прилегающих к выработке территориях.
При обосновании параметров пазухи между нижним бортом разреза и внутренним отвалом, создаваемой для приема карьерных вод и формирования отстойного водоема, следует учитывать не только фильтрационные свойства пород, слагающих борт разреза, но и неравномерность притока воды в разрез, а также уклон его дна и водопроницаемость пород вскрышных отвалов.
Список литературы
1. Угольные разрезы из космоса. Горные работы и экология нарушенных земель: монография / И.В. Зень-ков, В.В. Заяц, Б.Н. Нефедов и др. / Архив электронных ресурсов СФУ. 2017. 519 с. URL: http://elib.sfu-kras.ru/ handle/2311/131153 (дата обращения: 15.11.2020).
2. Алексеев Г.Ф., Бурцев С.В., Тургенева Л.А. Комплексный подход к реконструкции очистных сооружений карьерных вод - приоритетная задача АО ХК «СДС-Уголь» // Уголь. 2018. № 6. С. 72-73. DOI: 10.18796/0041-5790-2018-6-72-73.
3. Влияние окисленных бурых углей и минерализованных карьерных вод на агрофизические свойства каштановых почв Селенгинского среднегорья Забайкалья / А.Ц. Ман-гатаев, Н.Б. Бадмаев, Б.-М.Н. Гончиков и др. // Уголь. 2018. № 11. С. 102-108. DOI: 10.18796/0041 -5790-2018-11-102-108.
4. Экология и охрана природы при открытых горных работах: учебное пособие / П.И. Томаков, В.С. Коваленко, А.М. Михайлов и др. М.: Изд-во МГГУ, 1994. 418 с.
5. Овсейчук В.А., Овешников Ю.М., Лизункин В.М. Охрана окружающей среды при добыче твердых полезных ископаемых. Чита: Изд-во ЧитГУ, 2006. 298 с.
6. Таразанов И.Г., Губанов Д.А. Итоги работы угольной промышленности России за январь-июнь 2019 года // Уголь. 2019. № 9. С. 56-66. DOI: 10.18796/0041-5790-20199-56-66.
7. Тальгамер Б.Л., Коробкова Е.А. Угольная промышленность Иркутской области: история и перспективы развития. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2009. 112 с.
8. Проектирование карьеров: учебник. / К.Н. Трубецкой, Г.Л. Краснянский, В.В. Хронин и др. М.: Высшая школа, 2009. 694 с.
9. Cen Li Hui, Zhu Lin Hong. Modelling and Simulation of Open Drainage Systems // Applied Mechanics and Materials. 2013. Р. 427-430. URL: https://doi.org/10.4028/www.scientific. net/AMM.373-375.427 (дата обращения: 15.11.2020).
10. Gupta S.K., Ramesh K. Sai, Shaik Sameer. Decentralised wastewater treatment, a sustainable approach for use in developing country environment // Pollution Research. 2015. Vol. 34 (1). Р. 111-120.
11. Klemes Jiri. Assessing and Measuring Environmental Impact and Sustainability // Clean Technologies and Environmental Policy. 2015. Vol. 17. Р. 577-578.
12. Tyulenev M., Zhironkin S., Litvin O. The low-cost technology of quarry water purifying using the artificial filters of overburden rock Pollution Research // Pollution Research. 2015. Vol. 34 (4). Р. 825-830.
13. LesinYu., Hellmer Mark.The Experience of Implementation of Innovative Technology of Quarry Waste Water Purifying in Kuzbass Open Pit / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 142. URL: http://earchive.tpu.ru/ handle/11683/34786 (дата обращения: 15.11.2020).
SURFACE MINING
Original Paper
UDC 622.015.4:622.012.3 © B.L.Talgamer, Yu.G. Roslavtseva, 2020
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 12, pp. 7-10 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-12-7-10
Title
WATER DISPOSAL DURING DEVELOPMENT OF RESERVOIR DEPOSITS BY UPRISING WITH INTERNAL DUMPING Authors
Talgamer B.L.1, Roslavtseva Yu.G.1
1 Irkutsk National Research Technical University (IRNITU), Irkutsk, 664074, Russian Federation
Authors' Information
Talgamer B.L., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of the Department of Mineral Deposits Development, e-mail: [email protected] Roslavtseva Yu.G., PhD (Engineering), Associate Professor of the Department of Mineral Deposits Development, e-mail: [email protected]
Abstract
Surface mining of coal deposits has a negative impact on all components of the natural environment, including and water resources. In the latter case, this is expressed in lowering the groundwater level in the area of the section and in the collection of contaminated quarry water into the hydrological network. In addition, the creation of treatment facilities during wastewater entails an additional withdrawal of land resources. At the same time, during the development of coal deposits in the uprising, there is the possibility of water disposal without additional measures for the treatment of quarry waters, by their discharge through underlying naked friable deposits. Internal dumping greatly complicates this possibility. In case of internal dumping with full filling of the worked-out space with overburden and an uprising of the front of mining operations to divert quarry water through permeable sediments, it is proposed to form a sinus between the production side and dumps along the lower contour of the section in which to create a sump for the water pumped out from the working zone. The parameters of the sinus and sump are calculated taking into account the flow of quarry water, the angle of occurrence of the reservoir, the filtration capacity of the rocks in the section and overburden dumps.
Keywords
Coal deposits, Surface mining, Water disposal, Career drainage, Cleaning of drains.
References
1. Zenkov I.V., Zayats V.V., Nefedov B.N. et al. Coal cuts from space. Mining operations and ecology of disturbed lands: Monograph. Archive of SFU electronic resources, 2017, 519 p. Available at: http://elib.sfu-kras.ru/han-dle/2311/131153 (accessed 15.11.2020). (In Russ.).
2. Alekseev G.F., Burtsev S.V. & Turgeneva L.A. Comprehensive approach to open pit mine water treatment facilities upgrading - "SBU-Coal" Holding Company JSC priority task. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, No. 7, pp. 72-73. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2018-6-72-73.
3. Mangataev A.Ts., Badmaev N.B., Gonchikov B.-M.N., Kulikov A.I., Ilyin Yu.M. & Sordonova M.N. Influence of oxidized brown coal and mineralized career
water on change of castanozems agrophysical properties of Selenginsky mediterranean of Transbaikalia. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 11, pp. 102-108. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2018-11-102-108.
4. Tomakov P.I., Kovalenko V.S., Mikhailov A.M. et al. Ecology and environmental protection during surface mining. Moscow, MGGU Publ., 1994, 418 p. (In Russ.).
5. Ovseichuk V.A., Oveshnikov Yu.M. & Lizunkin V.M. Environmental protection in the extraction of solid minerals. Chita, ChitGU Publ., 2006, 298 p. (In Russ.).
6. Tarazanov I.G. & Gubanov D.A. Russia's coal industry performance for January - June, 2019. Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 9, pp. 56-66. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2019-9-56-66.
7. Talgamer B.L. & Korobkova E.A. Coal industry of the Irkutsk region: history and development prospects. Irkutsk, IRNITU Publ., 2009, 112 p. (In Russ.).
8. Trubetskoy K.N., Krasnyansky G.L., Chronin V.V. et al. Career design: Textbook. Moscow, Higher School Publ., 2009, 694 p. (In Russ.).
9. Cen Li Hui & Zhu Lin Hong. Modelling and Simulation of Open Drainage Systems. Applied Mechanics and Materials, 2013, pp. 373-375, 427-430. Available at: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.373-375.427 (accessed 15.11.2020).
10. Gupta S.K., Ramesh K. Sai & Shaik Sameer. Decentralised wastewater treatment, a sustainable approach for use in developing country environment. Pollution Research, 2015, Vol. 34 (1), pp. 111-120.
11. Klemes Jiri. Assessing and Measuring Environmental Impact and Sustainability. Clean Technologies and Environmental Policy, 2015, Vol. 17, pp. 577-578.
12. Tyulenev M., Zhironkin S. & Litvin O. The low-cost technology of quarry water purifying using the artificial filters of overburden rock Pollution Research. Pollution Research, 2015, Vol. 34 (4), pp. 825-830.
13. Lesin Yu. & Hellmer Mark. The Experience of Implementation of Innovative Technology of Quarry Waste Water Purifying in Kuzbass Open Pit / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, Vol. 142. Available at: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/34786 (accessed 15.11.2020).
For citation
Talgamer B.L. & Roslavtseva Yu.G. Water disposal during development of reservoir deposits by uprising with internal dumping. Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, No. 12, pp. 7-10. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2020-12-7-10.
Paper info
Received July2,2020 Reviewed July 24,2020 Accepted November 11,2020
