Оценка влияния эндогенных процессов на изменение геоэкологической ситуации при ликвидации рудника Текели

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оценка влияния эндогенных процессов на изменение геоэкологической ситуации при ликвидации рудника Текели

25.00.36 - геоэкология

Тажмагамбетов Ерболат Абдукаримович

Республика Казахстан

Тараз, 2010



Работа выполнена в Казахском национальном университете им. аль-Фараби

Научный руководители: доктор технических наук

Бурлибаев М.Ж.

кандидат геолого-минералогических наук

Бураков М.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Сагындыков А.А.,

кандидат технических наук

Имангалиева А.К.

Ведущая организация: Казахский Национальный

Технический Университет им. К. И. Сатпаева

Защита диссертации состоится «23» февраля 2010 года в «16» ч. на заседании диссертационного совета Д 14.13.02 в малом актовом зале Таразского государственного университета имени М.Х. Дулати по адресу: 080012, г. Тараз, ул. Толе би, 60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таразского государственного университета имени М.Х. Дулати.

Автореферат разослан «21» января 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Сахы М.Т?ЖЫРЫМ

Тажмагамбетов Ерболат Абдукаримович



Текелі кенішін жою кезінде геоэкологиялы? жа?дайларды? ?згеруіне

эндогендік процестерді? ?серін ба?алау

25.00.36. - геоэкология

Ж?мыс Текелі кенішін жабумен ?оса тау кені орнына эндогендік ?рт оша?тарынан келіп т?сетін жерасты суларымен бірлескен ?олайсыз геоэкологиялы? процестерді? к?шею ?серін ба?алау?а арнал?ан. Ба?алау «Казцинк» А? су басуды? т?рлі жобалы? н?с?аларын жаса?тау кезінде д?ст?рлі гидродинамикалы? ж?не гидрогеохимиялы? жобаларда?ы термодинамикалы? процестерді есепке алу негізінде ??рыл?ан. Т?жырымдама ретінде эндогендік ?рт оша?тарында жынысты? жаппай еруіні? жо?ты?ы ж?не кен рудаларыны? тым жарыл?ышты?ы мен бастап?ы ?алпында?ы сыйымды жыныстарды? атмосферамен ты?ыз байланысыны? болмауы туралы эксперименттік деректерге негізделген ашы? тепе-те?дік ж?йесіні? моделі пайдаланыл?ан. Термодинамикалы? модельдер к?кіртті газды жары?ша?ты айма?тар ар?ылы алып шы?у, тау- кен орындарыны? су басу мерзімі, ж?йедегі ерітіндіні ?оюландыру ж?не химиялы? тепе-те?дікті ?оз?ау н?тижесінде жерасты суларыны? химиялы? ??рамы компоненттеріні? концентрациясын ?згертуге на?ты болжамдар жасау?а м?мкіндіктер берді. Алын?ан жобалар Текелі кенорны ауданында?ы ауа атмосферасы, жерасты ж?не ?сті?гі ?абатта?ы суларды? сапасына жасалын?ан ?ндірістік мониторинг н?тижелерімен тексерілді.

Геологиялы?, гидрогеологиялы? ж?не гидрохимиялы? талдау деректері негізінде б?рын т?уелсіз ?дістермен аны?тал?ан: кеніш ауданында жерасты ж?не ?сті?гі ?абатта?ы суларды? ?алыптасуыны? сапалы жа?дайлары, кеніш суларыны? к?тпеген жа?дайларда жер бетіне шы?ып кетуі ж?не Текелі ?зеніні? ал?аптарына ?осылып кетуіне жол бермеу ?шін жерасты сулары а?ысыны? жергілікті базисін ?алыптастыру, а?ын суларды цинктен толы? тазалау ?шін карбонатты? кедергіні пайдалану м?мкіндігі д?лелденді. Сонымен ?атар бірінші рет бір?атар жа?а н?тижелер аны?талды, атап айт?анда:

1. Су басу бастал?анша суды? газы мен буын шы?ару, бу т?зілту, Текелі кенішін су бас?ан кезде эндогендік ?рт оша?тарында тау жыныстарын ?ыздыруды? термодинамикалы? модельдері жаса?талды. Осы модельдерді? негізінде к?кірт газын шы?ару, еріген су к?лемі, су басу мерзімі, еру концентрациясыны? коэффициенті мен реагенттерді? химиялы? белсенділігіні? ?згеруі, атмосферада?ы ж?не шахта суларында?ы ластаушы заттарды? шектік шо?ырлануы есепке алынды.

2. Эндогендік ?рттерді? оша?тарын жой?аннан кейінгі жерасты суларыны? таби?и температурасы мен химиялы? ??рамын ?алпына келтіру мерзімі есепке алынды.

3. Эндогендік ?рттерді? ?сері ескеріле отырып, ластаушы заттарды? барынша к?п жобалан?ан концентрациясыны? шамамен шектік тастандыларыны? есебі алынды.

4. Таби?и минералдар(доломит) негізінде гидрохимиялы? кедергілерді санды? ба?алау орындалды, б?л оны? шахта суларыны? Текелі ?зеніне тікелей «тасталуына» ?олдану?а м?мкін еместігін, ал ?аратал ?зеніне «тастал?ан» кезде - оны? экологиялы? сиымдылы?ын 50%-дан астам азайтып пайдалану м?мкіндігін к?рсетті.

5. Эндогендік ?рт айма?ында?ы кеніш суларында Габер процесіні? бір т?рі ретінде аммонийді? пайда болу себептері аны?талды ж?не оны оша?пен байланысты тоты?у айма?ыны? белсенділігіні? индикаторы ретінде пайдалану ?сынылды.

Н?тижесінде тау- кен орындарын су бас?аннан кейін атмосфера?а «тастау» айма?ы ар?ылы шы?атын ластаушы заттардын(к?кірт диоксиді) негізгі к?зі ретінде эндогендік ?рт оша?тарыны? іс-?рекетін то?тату ?орытындылары; жерасты суларыны? эндогендік ?рт оша?тарымен бірлескен іс-?рекетін ескере отырып тау-кен орындарыны? су басу мерзімін жобалау; кен сулары температурасыны? ж?не кен суларыны? кенішті су басуы ая?талуы с?тіндегі химиялы? ??рамы компоненттеріні? концентрациясыны? жобалы? м?нісі толы?тай д?лелденді.

Жалпы «тастаулар» бойынша мониторингтік м?ліметтерді? алша?ты? себебі ба?ылау н?ктелеріні? жел жа?тан орналасуы ж?не ?лшеуді? ?ажетті аума?ын ?амтамасыз ете алмайтын приборларды? пайдаланылуымен; цинкті? ж?не Текелі кенішін су басуды? ?орытынды кезе?інде - Батыс Текелі кенорнынан кен суларыны? Капитальная ?азбасына а?ып келуінен кен суларында?ы бас?а да химиялы? ??рам компоненттеріні? концентрациясы бойынша т?сіндіріледі. Б?л суларды? бойында 4-5 горизонттар де?гейінде орналас?ан эндогендік ?рт оша?тары айма?ынан ?азбалар?а келіп т?сетін химиялы? реакциялар ?німдері бар. Осынау оша?ты жой?аннан кейін б?л концентрацияларды? т?мендеу тенденциясы аны? бай?алды.

Зерттеулерді? н?тижелері тау-кен нысандарын пайдалан?ан кезде газдарды? т?зілуіні? теориялы? есебі ?шін ж?не ?здігінен жанып кетуі ??рамы бар жыныстардан т?ратын пайдалы ?азбаларды? кенорындарын жою ж?не геоэкологиялы? жа?дайлар ерекшеліктерін есепке алу ?шін ?олдану?а болады ?рі ?арастырылып отыр?ан аума?та Балхаш?а ??ятын ?аратал ?зенін цинкпен ластау?а жол бермеу жолымен экологиялы? ?ауіпсіздікті ?амтамасыз етуге ба?ытталып отыр.

Жаса?тал?ан модельдерді экологиялы? мониторинг ж?йесін ??р?ан ж?не о?тайландыр?ан кезде, ?орша?ан орта?а ?серді ба?ала?анда ж?не бас?а жа?дайларда ?олдану?а болады. Диссертациялы? ж?мыс н?тижелері ?Р Білім ж?не ?ылым министрлігі Гидрогеология ж?не геоэкология институты техногендік гидрогеология лабораториясы, «GeoNet» ЖШС-ні? ?ылыми есебіні? бір б?лігі болып табылады. Зерттеулерді? одан ары ?арай ба?дарлары ретінде су то?та?ан айма?та?ы жерасты суларыны? минералдануы ж?не химиялы? ??рамны? ?ат-?абат жобаларын ж?не жерасты ж?не жер бетіндегі суларды? пайдасыз жыныстар айма?ында?ы бірлескен ?серіні? моделін жаса?тау к?зделеді.



Summary

Tazhmagambetov Erbolat A.

Assessment of Endogenic Geoecological

By-effects of Tekely Mine Watersealing

25.00.36 - Geoecology

The research paper is devoted to assessment of growing adverse geoecological by-effects of Tekely mine watersealing. These phenomena result from interaction of endogenic fire center with the groundwater being carried into the mine tunnels. The assessment is based on various thermodynamic data used in traditional hydrodynamic and hydrogeochemical forecasts made by JSC «KazZinc» for development of project watersealing variants. Reasoning from the experimental data refuting any mass melting of strata in endogenic fire centers, as well as from the data confirming contact of heavily fissured ore rocks and bearing strata with the atmosphere an equilibrium open-ended system has been taken as the conceptual model here.

The thermodynamic models enabled to make specific forecasts for sulphur dioxide loss through the fissured zones, time of mine tunnels watersealing, groundwater's chemical content changes because of evaporative concentration and chemical balance shift in the system as well. In the course of industrial air and water, both surface and subsurface, monitoring conducted in the area of Tekely deposit all the expected data were compared to the monitoring finding.

The geological, hydrogeological and hydrochemical analytical studies of the area confirmed the data, which have earlier been established with independent methods. These data refer to the following: surface and subsurface waters formation quality; formation of local groundwater course baseline eliminating any possibility for elemental outcrop of mine water and its cross-flow towards the Tekely river valley; availibility of carbonate barrier for afterpurification of wastewater from zinc.

Moreover, there is a number of new achivements, as follow:

1. Thermodynamic models developed for gas and water vapour withdrawal prior to watersealing, vaporization and warming of rocks in endogenic fire centers at the mine watersealing. Based on these models the estimations are made of the following: sulphur dioxide gas loss, vaporized water amount, watersealing time, coefficients of evaporating concentration and chemical activity changes, maximal air and mine water pollutants concentrations.

2. The time predicted for restitution of natural temperatures and reduction of groundwater chemical composition after the endogenic fire centers suppression.

4. Emission limits and maximum permissible discharge established for predicted pollutants concentrations, with the allowance made for endogenic fires.

5. Quantitative assessment of hydrochemical barrier based on natural minerals (dolomite). The assessment showed unsuitability of the barrier for direct discharge of mine water to the Tekely river. As to Karatal river, its ecological capacity can decrease at least by 50 %.

6. Ascertained formation of ammonium in mine wate in endogenic fires zone. This process is similar to the Haber process and is supposed to be used as the activity indicators in oxidation zones connected with the fire centers.

The following has been confirmed fully: conclusion that as soon as mine tunnels are watersealed the endogenic fire centers, as the the main air emission source (sulphur dioxide) through the rock failure zone, become inactive; time forecasts for mine tunnels watersealing with the view of groundwater interacting with endogenic fire centers; predicted mine water temperatures and chemical composition by the time of watersealing completion.

The discrepancy concerning gross emissions data with those of the monitoring lies in location of the observation posts windward, as well as in insufficient capacity of measurement instruments. As for concentrations of zinc and other chemical components found at the final watersealing stage, the reason lies here in the fact that the mine water from Zapadnoye Tekely deposit fall into adit «Kapitalnaya», whose mine water is concentrated with chemical reagents leaked in the adits located in the endogenic fire zone, which is situated at the height of the 4-5-th horizons. Due to suppression of the fire center the pollutants concentration obviously began decreasing.

The research results can be helpful in theoretical estimations of gases generated by operating mining units, studying of the geoecological conditions for development and closing down of mineral deposits, which have spontaneously igniting rocks. Furthermore, the purpose of the research is to provide environmental safety of the area under consideration, namely, to prevent contamination with zinc of the Karatal river flowing into the lake Balkhash. The proposed models can be used in development and optimization of the system of ecological monitoring, EIA and so on. The results described in the dissertation paper are a part of research reports of the Laboratory of Technogenic Hydrogeology attached to the Institute of Hydrogeology and Geoecology under the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan, and of Limited liability company «GeoNet».

Further related research is supposed to deal with elaboration of layerwise predictions of mineralization and chemical composition of groundwater in the dead zone of the cone of depression, as well as with development of interaction surface and subsurface water models for the waste pile zone.Размещено на http://www.allbest.ru/



Общая характеристика работы. Работа посвящена оценке эффектов усиления взаимодействия поступающих в горные выработки подземных вод с очагами эндогенных пожаров при ликвидации рудника Текели. Оценка строилась путем сопоставления результатов прогнозного моделирования термодинамических процессов (выбросов пара и газов через зоны трещиноватости, изменения скорости затопления горных выработок, испарительной концентрации и изменения химической активности реакций в системе атмосферный воздух - подземные воды - горная порода - очаг эндогенного пожара) с традиционными гидродинамическими и гидрогеохимическими прогнозами, выполненными АО "Казцинк" при разработке различных проектных вариантов затопления. Полученные с помощью предложенных термодинамических моделей результаты проверялись данными производственного мониторинга качества атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод в районе месторождения Текели.

Актуальность. Интенсификация использования водно-земельных и минеральных ресурсов Казахстана способствует прогрессирующему техногенному изменению гидрологических и гидрогеологических условий, нарушению и перестройке взаимосвязи поверхностных и подземных вод, их водно-солевого режима и, в конечном итоге, их загрязнению и истощению, поэтому одной из приоритетных задач стратегии "Казахстан-2030" является задача рационального использования и охраны водных ресурсов.

Горнодобывающая промышленность при шахтном способе добычи полезных ископаемых вызывает целый ряд негативных геоэкологических изменений природной среды, среди которых понижение уровней подземных вод вследствие формирования режима искусственной разгрузки, формирование кислых вод, загрязнение подземных и поверхностных вод. Разработка месторождений сопровождается образованием техногенных грунтов, проседанием и провалами земной поверхности, активизацией карста, суффозией, снижением сейсмостойкости породных массивов, изменением напряженного состояния массивов горных пород.

Не меньшее количество экологических проблем создает и обострившаяся в последние годы в Казахстане проблема ликвидации крупных горнодобывающих предприятий. Их ликвидация сопровождается прекращением рудничного водоотлива и затоплением горных выработок, создавая угрозу дополнительного загрязнения подземных и поверхностных вод рудничными и обусловливая необходимость проведения мероприятий по рекультивации рудников и объектов перерабатывающего комплекса. Положительным моментом ликвидации является прекращение пыления и переноса в атмосфере большей части загрязняющих веществ. Оптимальное управленческое решение по сокращению и предотвращению негативных экологических последствий ликвидационных мероприятий требует комплексного учета всех аспектов воздействия, поэтому поиск такого решения является актуальной и сложной теоретической и практической проблемой.

Ликвидация рудника Текели многократно осложнялась наличием длительно существующих очагов эндогенных пожаров, усиливающих окислительные процессы и соответственно загрязнение атмосферного воздуха и подземных вод, поэтому диссертационные исследования актуальны как по постановке проблемы, так и по выбору объекта рассмотрения.

Цель исследования - разработка теоретических и практических методов оценки воздействия на окружающую среду ликвидации рудника Текели с учетом влияния процессов, сопровождающих эндогенные пожары.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

оценить современную геоэкологическую ситуацию в регионе размещения рудника Текели;

выявить основные факторы воздействия на окружающую среду производственной деятельности рудника Текели и обосновать с гидродинамических позиций оптимальный вариант технологической схемы его ликвидации; затопление рудник текели атмосферный

выполнить прогнозную оценку воздействия эндогенных пожаров на интенсификацию процессов окисления при затоплении рудника Текели;

сравнить прогнозные параметры изменений качества атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод с данными производственного мониторинга при ликвидации рудника Текели.

Основная идея работы: Обоснование концептуальной модели равновесной открытой системы на базе экспериментальных исследований об отсутствии массового плавления пород в очагах эндогенных пожаров, наличии совершенной связи с атмосферой вследствие сильной трещиноватости руд и вмещающих пород с учетом образования зоны обрушения в период эксплуатации.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются природные и техногенные факторы загрязнения природной среды при ликвидации рудника Текели. В качестве основных предметов исследования выступают процессы изменения активности зон окисления, связанных с очагами эндогенных пожаров в процессе затопления рудника Текели.

Методы исследований. Основными методами исследований являются методы аналитического термодинамического и геоэкологического моделирования природных процессов; обобщение имеющихся литературных, фондовых материалов и результатов мониторинговых наблюдений гидрологического, гидрогеологического и гидрогеохимического режимов поверхностных, подземных и рудничных вод в районе месторождения Текели, а также собственных периодических полевых исследований выбросов двуокиси серы в зоне обрушения и выноса загрязняющих компонентов шахтными водами. Для визуализации результатов использовалась компьютерная графика.

Научная новизна исследований заключается в:

- разработке термодинамических моделей для прогноза выноса с рудничными газами тепла и вещества в атмосферу, уточнения сроков затопления рудника; изменения минерализации и концентраций загрязняющих компонентов, выносимых в поверхностные водотоки шахтными водами.

- расчетах количества реагентов в карбонатном геохимическом фильтре для осаждения избыточных количеств цинка и предотвращения загрязнения реки Каратал.

- обосновании растворенного в рудничных водах аммония в качестве индикатора наличия и активности зон окисления.

Положения, выносимые на защиту:

построение достоверных моделей (выноса с рудничными газами тепла и вещества в атмосферу, уточнения времени затопления рудника, изменения минерализации и концентраций загрязняющих компонентов, выносимых с рудничными водами в поверхностные водотоки) на основе учета теплообмена в системе атмосферный воздух - рудничные газы - подземные воды - поверхностные воды - горные породы - горные выработки;

значительное уменьшение концентрации основного загрязняющего компонента шахтных вод - цинка и предотвращение загрязнения р. Каратал дополнительной очисткой шахтных вод рудника Текели с помощью карбонатного геохимического фильтра;

выявление причины образования аммония в рудничных водах (при практическом отсутствии органического вещества в горных породах) в зонах эндогенных пожаров как аналога процесса Габера.

Практическая значимость результатов исследований заключается в возможности учета специфики геоэкологических условий месторождения Текели и выбора оптимального управленческого решения на основе серии термодинамических и экологических моделей и направлена на обеспечение экологической безопасности рассматриваемой территории путем предотвращения загрязнения цинком впадающей в Балхаш реки Каратал.

Обоснованность и достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций. Достоверность результатов, выводов и рекомендаций обосновывается достоверными натурными экспериментальными данными, полученными при исследовании проявлений очагов эндогенных пожаров, применением известных термодинамических и экологических математических моделей, достоверностью используемого фактического геологического, гидрогеологического и гидрогеохимического материала и подтверждаются результатами мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод в постликвидационный период в зоне месторождения Текели.

Реализация результатов работы. Материалы диссертационного исследования использованы в ТОО «Институт гидрогеологии и геоэкологии» в отчетах по научной тематике МОН РК, АО «Казцинк» и ТОО «GeoNet» в отчетах по хоздоговорной тематике.

Личный вклад автора в работу состоит в выборе задач и путей их решения, формулировок и обосновании научных положений, построении термодинамических моделей, выполнении всех численных расчетов, компьютерном картографировании полученных результатов.

Источники исследований. В основу диссертации положены опубликованные и фондовые материалы геологических, гидрогеологических и гидрогеохимических исследований; данные по режимным гидрологическим наблюдениям поверхностных вод (КазГидромет); проектные материалы и отчеты АО Казцинк, материалы обследования территории с целью ОВОС, а также опубликованные и фондовые исследовательские материалы по оценке влияния эндогенных пожаров в период эксплуатации месторождения.

Апробация работы. Отдельные результаты и разделы диссертации докладывались и обсуждались на различных конференциях в течение 2004-2008 гг. на международных конференциях, в том числе: «Вода: экология и технология» (Москва, 2004-2006); «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2008).

Публикации. 23 работы, среди которых 4 статьи в научных журналах, 1 монография, 5 тезисов на международных научных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных источников из 112 наименований на 142 с., трех приложений на 69 с., включает 23 рисунка и 28 таблиц в тексте и 15 рисунков и 17 таблиц в приложениях.

Основная часть

Введение содержит обоснование актуальности темы исследования, определение цели и задач работы, приводится научная новизна работы и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

1 Геоэкологическая характеристика региона размещения рудника Текели

В разделе проведен анализ геоэкологической ситуации территории на основе режимных метеорологических, гидрогеологических и гидрологических материалов, а также материалов обследования территории различными организациями, который показал, что физико-географические условия района исследований способствуют ухудшению геоэкологической ситуации при антропогенном воздействии. Так, неблагоприятные условия для рассеивания и переноса вредных примесей в атмосфере требуют правильного учета метеорологических факторов при расположении промышленных предприятий, жилых массивов и полигонов по размещению отходов. Значительная расчлененность территории обусловливает возможность загрязнения в зонах рудопроявлений и горных выработок подземных и поверхностных вод, являющихся источниками водоснабжения населения, что предъявляет повышенные требования к системам очистки сточных вод при их сбросе в водотоки рыбохозяйственной категории.

Месторождения Текели и Западное Текели расположены в пределах рудной пачки текелийской свиты в породах различного литологического состава, содержащих углисто-глинистые и углисто-глинисто-известковистые сланцы. Отработка месторождения системой с обрушением привела в 1949 г к самовозгоранию пирита и возникновению эндогенного пожара, продолжавшегося более 50 лет. Балансовые запасы на месторождениях Текели и Западное Текели отсутствуют, поэтому было принято решение о ликвидации рудника.

2 Специфика геоэкологических условий на момент прекращения производственной деятельности рудника Текели и технологическая схема его ликвидации

Воздействие производственной деятельности рудника Текели негативно сказалось на отдельных элементах экосистемы: водный и воздушный бассейны, недра, землю, растительный и животный мир. Однако в силу шахтного метода добычи основное региональное воздействие было оказано на изменение режима и качественного состава подземных вод, которые выклиниваются в поверхностные водотоки, что может привести к загрязнению р. Каратал. Максимальные изменения гидродинамических и гидрогеохимических условий произошли непосредственно в зоне горных выработок, хотя оказывают влияние и горные отвалы, и карьеры. Значительное воздействие на недра и почвы носит локальный характер.

До начала эксплуатации месторождения Текели подземные воды, проходящие через рудное тело, разгружались в р. Текели, проходя транзитом через аллювиальный водоносный горизонт. Рудное тело месторождения Западное Текели в отличие от месторождения Текели находилось в зоне затрудненного водообмена. Эксплуатация месторождений Текели и Западное Текели привела к созданию одной общей для них системы горных выработок, которые образовали единую систему сбора, накопления и отвода подземных вод. В период затопления рудника возможен процесс активизации пожарных явлений. В связи с поступлением кислорода в зоны окисления, изменятся температурные нагрузки на массив в целом, а наличие горячих вод может изменить характер растворения минеральных веществ. На период начала затопления рудника действующими на месторождении Текели остаются только 3 очага эндогенного пожара - Западный, Центральный и Восточный. Наличие газов и повышенная температура пород в зоне Верхнего очага на период начала затопления рудника объясняется их разогревом до температуры около 100?C при прохождении этой зоны перегретыми газами, истекающими из ниже расположенных остальных очагов.

3 Прогнозная оценка воздействия эндогенных пожаров на интенсификацию процессов окисления при затоплении рудника Текели

При прогнозировании изменений геоэкологической ситуации в качестве концептуальной выбрана модель равновесной открытой системы. Ее применение обосновано экспериментальными данными об отсутствии массового плавления пород в очагах эндогенных пожаров, наличием совершенной связи с атмосферой вследствие сильной трещиноватости руд и вмещающих пород в исходном состоянии и образования зоны обрушения в период эксплуатации. Отмеченное равновесие достигается выносом тепла за пределы очагов (главным образом, в атмосферу) перегретыми газами. Таким образом, все процессы переноса газов осуществляются в изобарических условиях при давлении, равном атмосферному.

Краевые условия: на нижней границе области переноса газов в отработанном пространстве на уровне 8 и 9 горизонтов (с абсолютной отметкой для каждого очага ), совпадающих с верхней границей очагов эндогенных пожаров, задается постоянная температура газовой смеси (их основу в соответствии с исследованиями Б.Г. Башкирова (1976) составляют и ) ; она равна температуре внутри очагов пожара (в среднем около 1300?C). На верхней границе задается температура газо-воздушной смеси , с которой эта смесь вырывается на дневную поверхность в зоне провала и в областях Восточной и Западной ложных фумарол со средней абсолютной отметкой ; эта температура задается равной 100?C. Процесс переноса принимается одномерным, вдоль оси, направленной вертикально вверх. При переносе исходной смеси газов происходит их смешивание с относительно холодным (с температурой около 20?C) атмосферным воздухом, содержащимся в отработанной зоне и поступающим туда по мере выноса вверх нагревшейся его части. Соответственно снижается температура газовоздушной смеси и концентрация углекислого и сернистого газов.

Считаем, что тепло И, полученное газами на выходе из очагов пожара, целиком тратится на нагрев контактирующего с этими газами воздуха (путем изменения внутренней энергии газа U) и на работу W по вертикальному перемещению газов:

; и ; ,

где N - число молей газа; м - молекулярный вес газа; g - ускорение свободного падения, cV - теплоемкость при постоянном объеме, Т - абсолютная температура. Это количество тепла равно теплу, пошедшему на нагрев атмосферного воздуха в верхней части отработанной зоны от температуры (исходная) до температуры : , где - количество молей воздуха, - теплоемкость при постоянном объеме. Тогда отношение концентрации смеси газов, выносимых из очага пожара, к концентрации составляющих воздуха:

.

С учетом пористости и естественной влажности пород в провале (активная пористость не превышает 0,1) по уравнению Клапейрона-Менделеева получаем объемный расход углекислого и сернистого газов около 0,84 и 0,22 м3/с. массовые расходы газов соответственно 1,2 и 0,26 кг/с.

Прогноз времени затопления горных выработок с учетом взаимодействия подземных вод с очагами пожаров строится по схемам затопления до 5 и 2 горизонтов при изолированных выработках на месторождении Западное Текели. Первый этап затопления горных выработок соответствует затоплению самых нижних горизонтов, когда поднимающаяся вода находится ниже очагов эндогенного пожара и не взаимодействует с ними. Второй этап начинается при достижении поверхностью воды нижней границы очагов, следствием чего будет интенсивное испарение воды с поверхности, и снижение темпов затопления выработок. На протяжении этого этапа выделяется несколько стадий, обусловленных изменением количества очагов пожара и площади контакта разогретой породы и воды.

Первый этап. Для упрощения постановки задачи принято, что площадь горизонтального сечения выработок не зависит от его отметки, т.е. , тогда изменение объема заполненных водой выработок во времени определяется изменением H - превышения уровня воды в горных выработках выше плоскости сравнения. Выразив объем V через приток подземных вод в горные выработки Q, имеем = . Используя прогнозную зависимость С.К Абрамова и О.Б. Скиргелло (1968):

,

где - фактический установившийся водоприток при среднем понижении уровня подземных вод ; S - прогнозное среднее понижение уровня подземных вод, после ряда несложных выкладок можно получить: . За плоскость сравнения принято положение статического уровня подземных вод на начало эксплуатации .

Первая стадия второго этапа начнется при достижении поверхностью воды 15 горизонта, с которым совпадает нижняя граница Центрального очага. Процесс считаем одномерным, горизонтальное перемещение жидкости по сети горизонтальных горных выработок достаточно быстрым, выравнивание напоров между зоной, где испарения нет, и зоной, совпадающей с очагом пожара, практически мгновенным. В силу низкой теплопроводности горных пород мощность зоны, в пределах которой возможен предварительный нагрев воды перед вступлением ее в очаг пожара, пространственно совпадает с очагом, т.е. нагревание и испарение воды происходит только внутри очага пожара, а площадь зоны парообразования равна . Высокая пустотность пород в очаге пожара (за счет добычных работ) обеспечивает значительную площадь контакта разогретых пород с поднимающейся водой и, соответственно, высокую эффективность отвода тепла из зоны контакта на разогрев поступающей снизу в очаг водой до температуры фазового перехода и вынос пара. При этом повышения температуры воды в вертикальном направлении сверху вниз не происходит. Тогда изменение тепла в очаге, пошедшего на нагревание и испарение этого объема воды равно , где - теплота; - плотность воды; - удельная теплоемкость воды; - изменение температуры воды при ее нагревании до точки кипения; L - скрытая теплота парообразования.

В то же время изменение тепла, пошедшего на нагревание и испарение жидкости, равно изменению количества тепла, выделившегося при остывании объема пород в очаге пожара, т.е. . Здесь - плотность пород в очаге пожара; - удельная теплоемкость пород; - изменение температуры породы при ее охлаждении. После ряда преобразований уравнений имеем окончательно . Здесь - расход притока подземных вод в горные выработки на уровне нижней границы очага пожара. Аналогично прогнозируется приток подземных вод и скорость затопления горных выработок при взаимодействии подземных вод с остальными очагами пожаров (сначала Восточным, а затем Западным) - на второй и последующих стадиях процесса. Выполненные прогнозы сроков затопления горных выработок показали, что общая продолжительность затопления составит 780 суток; такая продолжительность не менее чем на 130 суток превышает сроки затопления рудника без учета взаимодействия рудничных вод с очагами эндогенного пожара; средний дебит излива рудничных вод составит 50 м3/ч;

Прогнозная оценка количества испарившейся воды в очагах эндогенного пожара построена на результатах рассмотренных моделей количества тепла на испарение и продолжительности затопления горных выработок, расчетные параметры и объемы испарившейся в каждом очаге воды представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Результаты расчета испарения воды в очагах эндогенного пожара

Затапливаемые этажи между горизонтами, от-до	Объем пустот в интервале затопления V, м3	Объем пустот в очагах пожара VП, м3	Объем воды VВ, испарившейся при заполнении очагов пожара, м3	Средний массовый секундный расход воды на испарение, m, кг/с	Объемный секундный расход пара V, м3/с
17-15	150000	-	-	-	-
15-14	150000	37500	36600	12,1	20,6
14-13	150000	60000	52500	13,5	23
13-12	230000	115000	70500	13,4	22,8
12-11	250000	100000	75000	11,3	19,2
11-10	200000	100000	64000	10,9	18,5
10-9	200000	100000	72000	11,3	19,2
9-8	200000	80000	60000	9,14	15,5
8-6	345000	-	-	-	-
6-5	33600	-	-	-	-
5-2	366400	-	-	-	-

Модель испарительной концентрации строится с учетом оценок объемов пустот и воды, которая испарится при затоплении очагов эндогенного пожара. Суть ее заключается в вычислении коэффициента кратности испарительной концентрации подземных вод на любом этапе затопления горных выработок, показывающем, во сколько раз увеличатся минерализация и концентрации отдельных компонентов химического состава подземных вод в условиях взаимодействия последних с очагами пожара:

,

где - коэффициент кратности испарительной концентрации подземных вод на уровне i-того горизонта; - объем пустот в интервале затопления от до i-того горизонта; - объем воды, испарившейся при заполнении пустот в очаге пожара в интервале от до i-того горизонта; n - число расчетных интервалов затопления. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

На уровне 5 и 2 горизонтов (варианты сброса шахтных вод из затопленных выработок) прогнозные показатели качества воды будут превышать исходные соответственно в 1,23 и 1,19 раз. После этого начнется медленное снижение минерализации воды и концентраций отдельных компонентов ее химического состава до исходных. Коэффициент кратности минерализации и компонентного состава воды в горных выработках (при одном и том же соотношении компонентов химического состава) за счет разбавления подземными водами имеет следующие значения после завершения затопления:1,20; 1,18; 1,13; 1,09; 1,06; 1,03 через 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000 суток соответственно, т.е. возвращение минерализации и концентраций макро- и микрокомпонентов химического состава шахтных вод к исходным значениям растянется не менее чем на 13-14 лет.

Таблица 2 - Результаты расчета испарительной концентрации шахтных вод в процессе затопления горных выработок

Затапливаемые этажи между горизонтами, от-до	Объем пустот в интервале затопления V, м3	Объем пустот в очагах пожара , м3	Объем воды , испарившейся при заполнении очагов пожара, м3	Коэффициент кратности минерализации воды за счет испарительной концентрации,
17-15	150000	-	-	1,00
15-14	150000	37500	36600	1,12
14-13	150000	60000	52500	1,20
13-12	230000	115000	70500	1,24
12-11	250000	100000	75000	1,25
11-10	200000	100000	64000	1,26
10-9	200000	100000	72000	1,28
9-8	200000	80000	60000	1,28
8-6	345000	-	-	1,23
6-5	33600	-	-	1,23
5-2	366400	-	-	1,19

Аналогичные расчеты для среднего прогнозного притока подземных вод 50 м3/ч (сброс шахтных вод через шахту "Закладочная" на уровне 2 горизонта), или 1200 м3/сут, коэффициент кратности минерализации и компонентного состава воды в горных выработках (при одном и том же соотношении компонентов химического состава) за счет разбавления подземными водами примет следующие значения: 1,18; 1,17; 1,15; 1,12; 1,09; 1,05; 1,03 через 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000 суток соответственно. Отсюда следует, что возвращение минерализации и концентраций макро- и микрокомпонентов химического состава шахтных вод к исходным значениям произойдет не менее чем через 25-30 лет.

Модель изменения химической активности. Предпосылка интенсивного теплового перемешивания вод позволяет вычислить осредненную по всему объему воды в пустотах температуру на любой этап затопления горных выработок: , где - температура, на которую нагреется вода для достижения температуры кипения, - исходная температура шахтных вод; - удельная теплоемкость воды. В результате взаимодействия рудничных вод с очагами эндогенного пожара произойдет повышение средней температуры рудничных вод на 49,5?C при затоплении рудника до 5 горизонта и на 44,0?C при затоплении до 2 горизонта.

Считая отношение изменений химических потенциалов пропорциональным отношению температур , можно получить . Для различных соединений соотношения растворимостей при указанных температурах меняются от 1,09 до 1,8. Принимая среднее значение кратности концентраций 1,45 при затоплении рудника до 2 горизонта, получим следующие концентрации загрязняющих веществ (табл. 3).

Таблица 3 - Динамика тепловых параметров раствора и концентраций ингредиентов шахтных вод после завершения затопления горных выработок (при50 м3/ч)

Прогнозное время , сут	Прогнозная температура , градусы Кельвина		Динамика концентраций ингредиентов шахтных вод с учетом изменения химической активности
			Zn	SO	Cu
0	317,0	1,08	0,78735	507,065	0,029
100	314,5	1,07	0,775133	499,1968	0,02855
200	312,5	1,06	0,762915	491,3285	0,0281
500	306,5	1,05	0,726263	467,7238	0,02675
1000	299,5	1,02	0,665175	428,3825	0,0245
2000	289,5	0,99	0,543	349,7	0,02



4 Оценка воздействия ликвидации рудника Текели на компоненты природной среды с учетом эндогенных пожаров

Оценка воздействия на атмосферный воздух. В процессе ликвидации рудника максимальное воздействие эндогенных пожаров в соответствии с термодинамическими моделями должно было сказаться на выделении сернистого ангидрида и на изменение концентраций загрязняющих веществ в подземных водах. Моделирование рассеивания максимальных выбросов четко продемонстрировало превалирующее влияние эндогенных пожаров на загрязнение атмосферного воздуха (рис. 1). Это влияние сказалось также на переходе предприятия в период ликвидации на более высокую категорию опасности в случае учета эндогенных пожаров. На рис.2 представлены прогнозы динамики суточных выбросов SO2 (кг/сут) за период затопления очагов эндогенных пожаров.

Ликвидация источников загрязнения атмосферного воздуха на руднике Текели в количестве 15 организованных и 12 неорганизованных приведет к снижению вредного воздействия и улучшению состояния воздушного бассейна в районе. Снижение валовых выбросов составит 728,552 т/год. Эндогенный пожар с выходом на поверхность сернистого газа будет продолжаться до момента полного затопления подземных выработок. По мере естественного подъема уровня грунтовых вод с 15 по 8 горизонты очаги пожара будут гаситься, при этом вода будет постепенно охлаждать разогретые участки, начиная снизу, это приведет к снижению интенсивности выделения газов до полного прекращения.

Валовый выброс рассчитан с учетом уменьшения выброса по мере затопления очагов эндогенных пожаров и составил за весь период затопления рудника - 1090,42 тонн. На начало 2004 года в соответствии с термодинамической моделью плотность выброса уменьшилась до 24 г/с, а к октябрю 2004 года выброс сернистого ангидрида с поверхности зоны обрушения должен был практически прекратиться. Если не затапливать рудник, то выброс сернистого ангидрида за тот же период составит 2064 тонны.

Оценка воздействия на поверхностные воды. Результаты расчетов (табл. 4) показали, что экологической емкости р. Текели явно не достаточно для разбавления сточных вод с ухудшенными в результате воздействия эндогенных пожаров концентрациями цинка.



Таблица 4 - Результаты расчетов СПДС цинка в р.р. Текели и Каратал

Местоположение створа	Прог. конц. шахт. вод, С, г/м3	Обесп. поверх. стока, р, %	р. Текели	р. Каратал
			СПДС, г/м3	Превыш. прог. к СПДС	СПДС, г/м3	Превыш. прог. к СПДС
1	2	3	4	5	6	7
Без перемычек, сброс через шт. "Капитальная"
Напротив шт. Капитальная	1,772	50	0,0219	80,74	0,5603	3,16
	1,772	95	0,0157	112,26	0,2272	7,80
Перед сбросом со шт. Яблоновая	1,772	50	0,01	177,29	0,5603	3,16
	1,772	95	0,01	177,29	0,2272	7,80
После сброса со шт. Яблоновая	1,587	50	-0,9865		1,5102	1,05
	1,587	95	-1,2387		0,5096	3,11
С перемычками, изолирующими Западное Текели, сброс через шт. "Капитальная"
Напротив шт. Капитальная	1,0285	50	0,0282	36,38	0,4128	2,49
	1,0285	95	0,0187	54,74	0,3696	2,78
Перед сбр.со шт. Яблоновая	1,0285	50	0,01	102,85	0,4128	2,49
	1,0285	95	0,01	102,85	0,3696	2,78
После сброса со шт. Яблоновая	1,587	50	-0,4195		0,5756	2,75
	1,587	95	-0,5291		0,5096	3,11
С перемычками, сброс через шх. "Закладочная"
Напротив шх. Закладочная	0,936	50	0,0410	22,85	4,3189	0,21
	0,936	95	0,0237	39,49	1,0026	0,93
Напротив шт. Капитальная	0,936	50	0,0488	19,17	4,3189	0,21
	0,936	95	0,0282	33,18	1,0026	0,93
Перед сбр. со шт. Яблоновая	0,936	50	0,01	93,69	4,3189	0,21
	0,936	95	0,01	93,69	1,0026	0,93
После сбр. со шт. Яблоновая	1,587	50	-0,4195		1,9110	0,83
	1,587	95	-0,5291		0,6254	2,53

Лишь вариант с ограничением объемов до 50 м3/ч показывает возможность сброса цинка в р. Каратал без предварительной очистки сточных вод, при этом на уровне 95%-ой обеспеченности экологическая емкость р. Каратал по цинку используется практически полностью, поскольку прогнозная концентрация цинка составляет ~0,93 от максимальной концентрации сброса. По остальным загрязнителям проходят все рассматриваемые в Проекте варианты.

Анализ возможности очистки сточных вод от цинка на техногенном карбонатном барьере. Реакции осаждения цинка с известняком протекают в две стадии:

; .

Результатом реакции является минерал смитсонит, выпадающий в осадок в зоне реакции. Степень осаждения цинка целиком определяется количеством реагента, перешедшего в раствор. По литературным данным, максимальная растворимость СаСО3 при температуре 15?C составляет 0,01 г/дм3. На практике растворимость зависит от многих факторов и определяется наличием в растворе агрессивной углекислоты, способной переводить в раствор карбонат кальция Расчетная концентрация агрессивной углекислоты в сбрасываемых шахтных водах составляет и 5,3 мг/дм3. Этой концентрации реагента отвечает прирост массовой концентрации гидрокарбоната кальция в растворе 19,4 мг/дм3. Из второй реакции следует, что количество цинка, осаждающегося из раствора, составляет 7,8 мг/дм3 при прогнозной величине 1,21 мг/дм3, т.е. весь цинк должен осаждаться на карбонатном гидрохимическом барьере в межсекционном пространстве биопрудов, однако остаточные его концентрации, достигающие 1 ПДК, регистрируются в районе биопрудов. Указанный факт является следствием недоучета дополнительных факторов: скорости реакции, площади зоны реакции и изменения ее во времени, наличие реакций не только с Zn, но и с другими соединениями и т.д. В результате эффективность резко снижается и составляет не более 0,07-0,1 от исходных величин.

Таким образом, использование СаСО3 обеспечивает осаждение цинка из сточных вод в соответствии с принятыми прогнозными значениями концентраций иона гидрокарбоната 0,5 - 0,7 мг/дм3 цинка, т.е. концентрация цинка в сточных водах может быть снижена не менее чем на 50-70 ПДК. При проектной величине сброса шахтных вод в 50 м3/ч для очистки сточных вод от цинка на величину 50-70 ПДК необходимо подавать в очистные сооружения карбоната кальция из расчета не менее 8,4-12 г/м3 стоков (на реакцию будет расходоваться не менее 420-600 г/ч реагента). Такая глубина очистки не позволит сбрасывать шахтные воды в р. Текели с расходом даже 50%-го уровня обеспеченности стока, однако для р. Каратал экологическая емкость по цинку увеличивается более чем на 50%.

5 Сравнительная оценка прогнозных параметров изменений природной обстановки с данными производственного мониторинга при ликвидации рудника Текели

После завершения подготовительных работ 21 октября 2003 года началось затопление рудника Текели, 1 апреля 2005 года началось затопление 5 горизонта. В рамках производственного мониторинга наблюдения за состоянием воздуха в зоне обрушения начались 17.07.2003 года, за шахтными и поверхностными водами - с 30.07.2003 года. Появилась возможность сравнения прогнозных параметров изменений природной обстановки с данными производственного мониторинга.

Мониторинг атмосферного воздуха осуществлялся в зоне обрушения (рис. 3).



Еще одной причиной расхождений является неправильный подбор приборов, не обеспечивающих необходимый диапазон наблюдений. Тем не менее, подтвердились полностью теоретические выводы о влиянии эндогенных пожаров на изменение выбросов диоксида серы, что видно из синхронности фактических концентраций с разницей температур исходящих газов и воздуха.

Мониторинг поверхностных вод. Данные мониторинговых наблюдений и разовых обследований ТОО «Ecotera» в 2005 и 2008 гг. отразили влияние природной гидрохимической аномалии, обусловившей колебания концентраций загрязняющих компонентов в пределах 1-2 ПДК, по р. Текели влияние эндогенных пожаров зафиксировано сначала нарастанием, а затем снижением концентраций аммония, незначительное влияние окислительных процессов на отвалах укладывается в диапазон изменений концентраций в зоне природной рудной и околорудной аномалии.

Мониторинг подземных вод. Подземные воды оценивались в точке наблюдения № 3 (ствол шахты «Закладочная»), точке наблюдения № 5 (устья штолен «Капитальная», «Параллельная»).

Полностью подтвердились выполненные прогнозы сроков затопления горных выработок с учетом взаимодействия подземных вод с очагами эндогенного пожара, прогнозные значения температуры рудничных вод и концентраций компонентов химического состава рудничных вод на момент завершения затопления рудника.

Причиной значительных расхождений прогнозных значений концентрации цинка и других компонентов химического состава в рудничных водах на заключительном этапе затопления рудника Текели является попадание в штольню "Капитальная" рудничных вод с очага пожара месторождения Западное Текели в результате отсутствия водонепроницаемых перемычек в выработках 5-7 горизонтов. С угасанием этого очага отчетливо проявилась тенденция к снижению этих концентраций (табл.5)

Таблица 5 - Результаты независимой проверки определений химического состава рудничных вод по эпизодическим наблюдениям ТОО «Ecotera»

Дата отбора	Место отбора проб	рН	Взвеш. в-ва	Сульфаты	Цинк	Аммо-ний	Железо общее	Сух.остаток
22.04.2005	р. Текели (фон)	8,05	25,8	19,6	0,01	0	0,2	159
22.04.2005	шт. Параллельная	6,7	57,9	3303,7	0,79	12	2	5011
22.04.2005	шт. Капитальная	6,85	22,1	972,8	0,91	2	3,4	1604
22.04.2005	После слияния стоков из штолен	7	51,9	2951,4	0,11	10	1,2	4497
15.06.2008	р. Текели (фон)	7,49	24,0	22,2	<0,05	<0,1	<0,1	178,5
15.06.2008	шт. Параллельная	7,69	37,0	945,0	0,27	1,75	0,1	1652
15.06.2008	шт. Капитальная	7,68	43,5	1271,8	0,34	2,5	0,1	2185
15.06.2008	После слияния стоков из штолен	7,99	38,5	1197,8	0,29	<0,1	0,1	2170

Объективное представление о точности прогнозов по минерализации и содержанию загрязняющих компонентов в подземных водах можно составить лишь в момент достижения уровнем отметки пятого горизонта. В остальное время принятая система отбора проб фиксирует фактически состав атмосферных осадков, попадающих на поверхность стабилизированной депрессионной воронки с небольшим водоотводом и небольшим притоком из застойной зоны в основной массе горных выработок, где скопились подземные воды, концентрация цинка и других компонентов в которых соответствует прогнозным значениям.

По результатам мониторинга и контрольных замеров подземных вод получен вывод о прекращении активного горения в мае-июне 2005 года.

По работе получены следующие выводы и результаты.

На основе анализа геологических, гидрогеологичес...