Обводнённость месторождений. Как приручить стихию

Специалисты угольных разрезов Хакасии говорят, что с горно-геологическими условиями им, считай, повезло. Во всяком случае, ни на «Черногорском», ни на «Степном» разрезах обводнённость горной выработки не является проблемой.

Но это открытые горные работы, хотя и на поверхности водоприток бывает разный. В шахтах же вода может не только осложнить процесс добычи, но и натворить много бед. Страсти вокруг рудника «Мир» до сих пор не улеглись, ведь три года назад мы потеряли не только добывающее предприятие — восемь горняков таки и не сумели вернуться на поверхность.

«В той или иной степени обводнённость присутствует на любых горных месторождениях, в независимости от фильтрационных свойств породы. Это актуально как для карьерной, так и для шахтной добычи», — основываясь на собственном опыте, говорит генеральный директор ООО «Пайп тайм» Юрий Артюхов.

Другой вопрос, что обводнённость может быть низкая — как на упомянутых хакасских разрезах.

«Разрезы в наших краях не обводнённые, дождей мало, так что вода есть, но это не проблема — она нам никоим образом не мешает. У нас как таковых и работ по осушению нет: вскрыли пласт, если есть вода — это так, лужица, быстро её откачали и забрали уголь», — рассказали на «Степном» разрезе.

В таких условиях, говорит Юрий Артюхов, смысл в постоянной работе насосного оборудования и правда теряется, и реализуется текущее осушение по мере наполнения котлована водой — грунтовой или дождевой.

«А ведь бывает, что вода в карьере — это прямо-таки головная боль: сначала её приходится откачивать, а потом только вскрышные работы вести», — продолжает инженер из Хакасии.

Бывает, а как же. Чтобы продолжить добывать свинцовоцинковую руду открытым способом, Горевский ГОК отодвинул — в прямом смысле слова — русло Ангары, построив дамбу. Соседство с рекой создаёт одну из самых больших сложностей здешней добычи — большой водоприток, до 2700 «кубов» в час. Поэтому здесь, как и на многих предприятиях, системы водоотведения — это системы жизнеобеспечения карьера.

«Могу сказать, что в солевых шахтах вода практически не накапливается, т. к. останавливается в пласте соли, образуя насыщенные солевые растворы, и работать без систем водоотлива возможно. Но в случаях чрезвычайных происшествий — прорыв подземных озер и т. п. — необходимы мероприятия, обеспечивающие быстрый сбор и откачку воды.

В основном для этого достаточно обеспечить уклоны при разработке шахты и приямки для сбора вод. В угольных шахтах присутствие воды постоянное, и отключение водоотлива грозит затоплением шахты и обвалом», — делится заместитель генерального директора по производству ООО «ТрубопроводСпецСтрой» Сергей Шаров.

«Работая в Кузбассе, я не встречал шахт, где не стоит вопрос обводнён-ности месторождения. Игнорировать водопритоки и обводнённость месторождения невозможно, поскольку отсутствие или неправильно рассчитанный водоотлив горнодобывающего предприятия может привести к затоплению», — предупреждает заместитель главного инженера по технологии шахты «Юбилейная» Никита Полосов.

Не зная броду… О гидрогеологии месторождений

Горно-геологические условия будущего объекта добычи определяются ещё на этапе геологоразведки. Инфраструктуры месторождения ещё нет, а специалисты уже знают о крепости вмещающих пород, глубине их залегания, особенностях пластов, специфике самой руды. В этом списке стартовой информации и данные об обводнённости.

«Геологоразведочные работы проводятся партиями, в составе которых обязательно должен находится гидрогеолог. Материалы, полученные при проведении разведочных работ, не могут дать исчерпывающего ответа на многие вопросы эксплуатационников, особенно на участках, удалённых от скважин. Но тем не менее материалы, полученные при разведке, имеют огромное значение для правильного понимания общей гидрогеологической картины месторождения», — объясняет Никита Полосов.

Юрий Артюхов уточняет, что информация о гидрогеологических особенностях месторождения необходима для формирования системы водоотведения, подбора оборудования и комплектующих, а эти решения тоже закладываются на первых этапах жизни месторождения.

«Технические решения по организации водоотлива должны строиться, исходя из гидрогеологических условий — притоков подземных и поверхностных вод, фильтрационных свойств массива горных пород и прочих факторов», — добавляет специалист.

Правда, говорит Никита Полосов, первые геологоразведочные данные  — это только стартовая информация. Если говорить о шахте, то изучение гидрогеологических условий объекта идёт на всех стадиях его освоения — от поисковой разведки до периода отработки включительно. При поисковых и детальных разведочных работах изучение водоносных горизонтов и их режима важно для составления технического проекта, вскрытия и отработки шахтного поля.

Полное понимание гидрогеологических характеристик месторождения (пласта, шахтного поля) появляются только после проведения вскрывающих и подготовительных выработок.
В целом, то же касается и открытых горных работ — особенно учитывая, что геометрия разреза всё время меняется.

«Параметры обводнённости на этапе проектирования месторождения количественно можно определить, исходя из динамических и статистических ресурсов подземных вод в водоносных горизонтах.

Динамические запасы — расход воды, проходящий через поперечное сечение водоносного горизонта за определённый период времени, то есть решающее значение будет иметь водопроницаемость (фильтрационные свойства) горных пород. Статистические запасы — это суммарный объём воды, расположенной в водоносных горизонтах.

Исходя из гидрогеологических условий, специалисты принимают решение о проектировании типа водоотлива: поверхностный, подземный, — или это, возможно, будет система предварительного осушения за счёт создания депрессионной воронки от работы водопонижающих скважин.

Иными словами, проектирование системы водоотведения на старте проекта необходимо, так как нужно изначально понимать, какие шаги должны быть предприняты».

Системы водоотведения. Что из чего?

Как объясняет Никита Полосов, принцип работы современных шахтных систем водоотведения одинаков, потому как задача для всех общая: собрать весь водоприток шахты и откачать его на поверхность.

«Водосбор и водоотлив осуществляется следующим образом: вода со всей системы горных выработок собирается с помощью канав в специальные выработки — водосборники. И далее с помощью насосов (углесосов) выдаётся на земную поверхность.

Различают главный водоотлив, устраиваемый в камере околоствольного двора для откачки на поверхность всего притока воды в шахту и вспомогательный — для перекачки воды с отдельных участков шахты к водосборникам главного водоотлива», — описал систему специалист.

Для разрезов тоже есть некоторая общая схема: насос, трубопровод, зумпф. Но всё-таки для каждого объекта разрабатывается индивидуальный проект.

«Современные решения на горнодобывающих предприятиях становятся всё более вариативными, по сути, это в большей степени касается выбора применяемого материала трубопровода и самой технологии водоотлива», — объясняет Юрий Артюхов.

Почему? Да потому что, как говорит Сергей Шаров, в воде добывающих предприятий «может содержаться вся таблица Менделеева». И состав грунтовых вод определяет износ элементов системы водоотлива.

Принципиальное значение имеет, в частности, твёрдость горных пород, частички которых непременно окажутся в перекачиваемой воде. Юрий Артюхов привёл такой пример: если по стальной трубе будет перекачиваться пульпа с достаточной примесью апатит-нефелиновой руды (5 по шкале твёрдости Мооса), то степень изнашиваемости такого трубопровода будет крайне высокой. Вплоть до того, что менять участки водопровода придётся раз 2-3 месяца.

«Это, конечно же, обернётся финансовыми и временными издержками. Поэтому в системах водоотведения необходимо учитывать, из какого материала будет организована система водоотлива (сталь, резина, полимер и прочее). А выбранный материал, в свою очередь, имеет различную шероховатость поверхности (стойкость к истиранию) и свои климатические особенности (минимальную и максимальную рабочую температуру)», — объясняет специалист «Пайп тайм».

Да мало ли, на самом деле, видов износа. Сергей Шаров рассказал, что компании доводилось работать с предприятиями, где в составе грунтовых вод оказывались агрессивные элементы, вызывающие химическую коррозию. Или твёрдая фракция, создающая абразивный износ. Или и то, и другое сразу.

«Решаем подобные проблемы созданием в трубах футеровочного покрытия, устойчивого к воздействию агрессивного фактора, обычно это термореактивная плёнка с введением в неё ПВХ При работе в шахтах, опасных по газу и пыли, применяем электропроводные добавки для стенок стеклопластика — таким образом удаётся снять «статику».

Вводим антипирены для обеспечения негорючести трубопроводов. На самые жёстко абразивные среды (там, где размер частиц твёрдой фракции 10-40 мм) применяем футеровку из алюмооксидной керамики», — комментирует Сергей Шаров, объясняя, чем отличаются проекты систем водоотведения друг от друга.

А что насчёт других способов водоотведения?

Мы уже начали разговор о том, что классические стальные трубы — не единственный вариант для систем водоотведения на добывающих объектах. Юрий Артюхов, например, рассказал об опыте работы компании с плоскосворачиваемыми полиуретановыми рукавами. По его словам, они «постепенно завоёвывают рынок горного водоотлива», поскольку мобильны, удобны для транспортировки и позволяют быстро развернуть систему.

«В настоящий момент идут работы на предприятии «Якутуголь». Там при проведении горной выработки и расширении горизонта вглубь происходит подтопление карьера грунтовыми водами, что требует их незамедлительной откачки. Кроме того, работы проводятся на разных участках, что крайне затрудняет применение стальных труб, так как требуется их транспортировка, сварка и т. д. Кроме того, склон карьера достаточно крутой, что на порядок усложняет процесс монтажа.

Плоскосворачиваемый рукав не требует применения специальной техники, сварки и прочих специализированных операций. Бухта шланга доставляется к месту проведения работ силами 1-2 человек, затем шланг разматывается, подключается к насосу, и запускается процесс перекачки»,  — рассказал Юрий Артюхов.

При открытых горных работах система вообще может не подразумевать монтажа труб — вода будет уходить через систему отводных каналов. Привычное решение — железобетонные лотки. Альтернативное — габионные конструкции.

Специалисты ООО «Габионы Маккаферри СНГ» рекомендуют выбирать второе решение при устройстве водоотведения на крутом рельефе, поскольку габионные конструкции обладают большей сопротивляемостью потоку и поэтому способны снижать скорость течения.

«Габионные конструкции целесообразней применять на месторождениях, расположенных в районах с суровым климатом. По понятным причинам железобетонные конструкции в условиях отрицательных температур круглогодично применять возможности нет. Выбор в пользу габионных конструкций позволяет предприятиям обеспечивать непрерывный процесс возведения систем водоотведения.

Это в первую очередь выгодно самому подрядчику, поскольку он может в более короткий срок сдать объект в эксплуатацию и защитить сооружения от подтопления или затопления», — объяснил технический директор ООО «Габионы Маккаферри СНГ» Александр Иншаков.

Ещё один современный вариант — лотки из бетонного полотна. Это материал совсем молодой — он на рынке только 12 лет, в нашей стране известен пять. Однако за это время он успел неплохо себя зарекомендовать — в том числе и в добывающей отрасли, на объектах крупных компаний.

«Бетонное полотно — это композит, который содержит бетонную смесь, помещённую в 3D-матрицу из ткани и водонепроницаемой ПВХ-основы. Бетон в составе химически модифицирован, благодаря чему материал может работать и с агрессивными средами.

Его используют даже для создания ёмкостей-накопителей — чтобы предотвратить загрязнение воды и почвы производственными стоками. Устройство водоотливных каналов — ещё одна задача, решаемая с помощью бетонного полотна», — объясняет руководитель проекта «Конкрит Канвас Раша» Ильдар Ямалиев.

Сам материал поставляется в рулонах, разложить его можно на любой поверхности. Тут главное — придать материалу правильную форму, после чего провести гидратацию — проще говоря, полить водой. Вода может быть любая  — хоть техническая, хоть солёная. В течение суток материал набирает 80% прочности, после чего система готова к эксплуатации. Такое решение уже функционирует на объектах «Полиметалл», «Еврохим» и СУЭК.

«Я думаю, в горной промышленности у бетонного полотна большое будущее. Да, материал инновационный, но заказчики останавливают свой выбор на нём, потому что он помогает существенно оптимизировать затраты на устройство системы водоотведения по сравнению с традиционными бетонными решениями.

1 рулон заменяет 12 кубов обычного бетона, работы могут проводить всего два человека, процесс идёт очень быстро и в последующие годы эксплуатации решения не требует какого-либо вмешательства. Расчётный срок службы бетонного полотна, который показали имитационные испытания, составляет 50 лет», — рассказывает Ильдар Ямалиев.

«Хотим обратить внимание на важность выбора материалов трубопровода на этапе проектирования. В основном мы сталкиваемся с тем, что в проект вкладывают металл, основываясь на справочниках или ТЗ заказчика. При этом современные материалы не рассматриваются, скорее всего, ввиду малой доли стоимости трубопроводов в проекте.

В таком случае решение по выбору материала остаётся за службой эксплуатации. При этом упускается возможность использования современных материалов: металл ремонтопригоден — его легко сварить, зачем искать что-то ещё. В свою очередь генподрядчик на этапе строительства должен выполнить работы в соответствии с проектом.

Таким образом, вопрос модернизации трубопроводного транспорта и его развитие с использованием современных материалов, таких как композиты, откладывается и обычно забывается. В процессе эксплуатации проектировщик не участвует, инвестор заботится о снижении издержек и скорейшем возврате вложенных средств, механики стремятся использовать самые ремонтопригодные материалы, и вопрос увеличения сроков эксплуатации трубопроводов отпадает сам собой.

При этом наши первые технологические трубопроводы из стеклопластика проработали уже более 25 лет, и заказчики сейчас задаются вопросом продления их дальнейшей эксплуатации и думают о разработке методик неразрушающего контроля трубопроводов, чтобы обеспечить продление срока службы, не разбирая трубопровод».

Что делать с грунтовыми водами дальше?

И ещё один важный вопрос. Допустим, с месторождения воду увели —опасности нет, процессу добычи она не мешает. Что делать с ней дальше? Первый вариант — очищать и сбрасывать в водоём. Однако сегодня предприятия отдают предпочтение экологичному и рациональному варианту — очищать грунтовую воду и использовать её на производстве: на том же карьере или на ОФ, где вода нужна для технологических процессов или орошения.

«Такой подход — явление достаточно распространённое, так как у горнодобывающей компании отпадает необходимость в поиске источника воды извне. Не нужно забирать её из ближайшего водоёма, то есть вся потребность в воде закрывается путём сбора воды из карьера или шахты. В этом случае, как правило, заказчик предъявляет особые требования к системе водоотведения: может потребоваться мобильное решение, которое может быть быстро смонтировано и демонтировано», — комментирует Юрий Артюхов.

«Система сбора воды на месторождении для её последующего использования на производстве (для систем пылеподавления или в технологической цепочке) является наиболее рациональной среди существующих схем. Использование оборотной воды положительно сказывается как на экономическом, так и экологическом аспектах.

Экономический эффект — снижение затрат на приобретение дополнительных объемов воды на производственно-противопожарное водоснабжение. Дополнительный источник необходим только в качестве резерва. Экологический эффект — использование оборотной воды не создаёт дополнительных нагрузок на окружающую среду, то есть оборотная вода не сбрасывается в водоёмы», — соглашается Никита Полосов.

В целом эксперты перечислили основные возможные варианты. Для пылеподавления собранные грунтовые воды сегодня используют, например, на «Краснобродском» разрезе «Кузбассразрезугля»: самосвал-«поливалка» едет по технологическим дорогам, орошая их. А на ОФ «Распадской» вообще реализовали сложную схему.

Грунтовые воды «Распадских» разреза и шахты собираются, к ним добавляется дождевая вода из отстойников на ОФ, и всё это по-хозяйски пускается в дело на фабрике. Ведь процессы обогащения здесь мокрые, практически для всех нужна вода. Потом её очищают и снова пускают в оборот здесь же — и так по кругу.

Опыт «Юбилейной»

Шахта «Юбилейная» изначально была спроектирована под гидротехнологию, которая практиковалась до начала 1990-х годов.
А гидротранспорт угля с отправкой его по пульпопроводу на ЦОФ «Кузнецкая» и вовсе сохранялся до начала 2000-х годов.

Сегодня на шахте эксплуатируются обе камеры гидроподъёма, построенные для гидротранспорта угля: КГП на гор.-260 м и ЦКГП № 2 на гор.-60 м. Система водоотлива взаимоувязана с очистными сооружениями шахтных вод (ОСШВ) на основной промплощадке шахты. Они построены после 2016 г. и являются источником технического водоснабжения подземных горных работ.

В КГП гор. -260 м собирается вся технологическая вода с рабочих пластов 16, 15 и 14, а также вода из отработанных пластов шахты «Юбилейная». На пульпоквершлаге гор.-260 м возведена водоупорная перемычка № 1540, через которую осуществляется управление основным водопритоком из отработанных пространств вышележащих пластов. В КГП гор.-260 м установлены зумпфы шламовой воды (углесосы) и зумпфы чистой воды (насосы ЦНС). В настоящее время доля шламовой воды в КГП гор.-260 м составляет около 30%.

Чистая вода из зумпфов откачивается через ствол № 4 и через две скважины с гор.-60 м на поверхность сразу в резервуары блока насосных станций ОСШВ с последующим использованием в оборотном цикле водоснабжения.

Шламовая вода из зумпфов перекачивается по стволу № 4 в ЦКГП №2 гор.-60 м, с последующей откачкой по стволу № 2 в отстойники ОСШВ. Резерв производительности системы шахтного водоотлива составляет не менее 50%, что обеспечивает надёжное управление водопритоками в соответствии с долгосрочной программой развития горных работ на шахте.

Текст: Анна Кучумова