Івано-ФРАНКіВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І ГАЗУ

МАЛИШЕВСЬКА ОЛЬГА СТЕПАНІВНА

УДК 504.064.2.001.18:(504.064.3:528.8)

НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ МЕТОДИ І ЗАСОБИ ЗМЕНШЕННЯ ТЕХНОГЕННОГО НАВАНТАЖЕННЯ НА ДОВКІЛЛЯ В РАЙОНІ ЗАТОПЛЕНИХ КАЛІЙНИХ ШАХТ (на прикладі рудника “Калуш”)

Спеціальність 21.06.01 – екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Івано-Франківськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу, Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Семчук Ярослав Михайлович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, завідувач кафедри безпеки життєдіяльності, м. Івано-Франківськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шмандій Володимир Михайлович, завідувач кафедри екології Кременчуцького політехнічного університету, м. Кременчук;

доктор технічних наук, професор Лабій Юрій Михайлович, професор кафедри екології та рекреації Прикарпатського національного університету ім. В.Стефаника, м. Івано-Франківськ.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра екології та охорони навколишнього середовища Міністерство освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “25” вересня 2006 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради СРД 20.052.05 в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу, за адресою 284018, Україна, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська,15

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу, за адресою 284018, Україна, м. Івано-Франківськ, вул Карпатська,15

Автореферат розісланий “22” серпня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Паневник О.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На Прикарпатті, де розробка калійних родовищ розпочалась більше як століття тому, проникнення прісних вод у гірничі виробки спричинило виникнення екологічної небезпеки для довкілля. Прісні води інтенсивно розчиняють соляні відклади, що складають водозахисну стелину, руйнують надсолеві теригенні породи, внаслідок чого проходить просідання земної поверхні, провалоутворення та значні депресійні зниження у водоносних горизонтах. Процес безперервний і некерований та продовжується аж до затоплення гірничих виробок, і руйнування рудника в цілому. Так, наприклад, на калійному руднику “Калуш” Калуш-Голинського родовища виник раптовий провал земної поверхні над шахтним полем, який вивів із експлуатації 40 житлових будинків. На місці провалу утворилась мульда осідання, а в її центрі - водоймище площею 30 га та глибиною 3,7 м.

Із метою зменшення впливу природного затоплення вперше серед країн СНД на руднику “Калуш” у 1989-91 рр. здійснили регульоване затоплення гірничих виробок високомінералізованими розсолами, що значно зменшило руйнівний вплив рудника на довкілля: призупинилося карстоутворення, сповільнилося осідання земної поверхні над виробками. Однак, карстові провали, стовбури шахт, пошукові свердловини, що пробурені крізь соляний поклад, стали каналами гідродинамічного зв’язку між шахтними розсолами і водоносними горизонтами, що приводить до локального засолення вод, які використовуються для питного водопостачання.

Тому, для оптимізації екологічної ситуації на ліквідованих рудниках і тих, що ліквідуються методом регульованого затоплення, постала необхідність у розробці методів і засобів зменшення та охорони довкілля від негативного впливу затоплених калійних шахт, що є однією з основних причин представлення даної дисертаційної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційна робота підготовлена у відповідності з договором із Західно-Українською геофізичною розвідувальною експедицією Державного геофізичного підприємства „Укргеофізика” згідно пооб’єктного плану Державного комітету природних ресурсів за темою „Прогнозування деформації земної поверхні над відпрацьованими шахтними полями рудника „Ново-Голинь” за результатами геофізичних досліджень 1995-2004 рр.” (0104U009628).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка науково-технічних методів та засобів зменшення техногенного впливу затоплених калійних шахт на навколишнє середовище.

Задачі, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:

- провести аналіз стану досліджень впливу затоплених калійних шахт на довкілля та встановити масштаби гідрохімічного та гідродинамічного впливу витіснених шахтних розсолів із затоплених виробок, на підземну та поверхневу гідросфери;

- розробити нові методи і засоби зменшення наслідків впливу керованого затоплення калійних шахт Прикарпаття на навколишнє середовище;

- створити та впровадити автоматизовані системи довгострокового прогнозу зміни забруднення підземних вод та передбачити технічні заходи для його запобігання;

- розробити комплекс заходів та засобів з метою утилізації розсолів;

- удосконалити установку та розробити нову технологію переробки відходів калійного виробництва, з метою зменшення техногенного впливу на довкілля та одержання товарної продукції.

Об’єктом досліджень є геосистеми – Калуш-Голинського та Стебницького калійних родовищ і їх трансформація під антропогенним впливом.

Предмет досліджень – оцінка геоекологічної ситуації та шляхи її оптимізації, розробка природоохоронних та відновлювальних заходів у соленосних районах.

Методи досліджень - представляють комплекс, що містить: аналіз сучасного стану екологічної ситуації в соленосних калійних районах (аналіз наявної інформації про масштаби і наслідки впливу розробки, експлуатації та ліквідації калійних рудників на екологічну ситуацію в регіонах); геофізичні (електророзвідка території - виявлення та встановлення місцезнаходження підземних порожнин, стану навантаження ціликів у затоплених виробках і т.п.), гідрохімічні (відбір та аналіз проб підземних, поверхневих і шахтних вод, з метою оцінки фактичних масштабів і наслідків впливу виносу солей із затоплених шахтних виробок на підземну і поверхневу гідросферу), геодинамічні (маркшейдерські спостереження по прокладених профільним лініям, з метою встановлення змін у динаміці просідання земної поверхні над ліквідованими рудниками) методи досліджень; фізичне та математичне моделювання з використанням ГІС-технологій та розроблених автором систем автоматизованого просторово-часового прогнозування (з метою прогнозування і оцінювання просторово-часових та кількісних змін масштабів і наслідків впливу виносу солей із затоплених шахтних виробок калійних рудників на підземну і поверхневу гідросферу); лабораторні (хімічні - встановлення оптимального складу, технології підготовки відходів калійного виробництва для переробки; фізичні – розробка лабораторної установки для випарювання донасичених розсолів) та натурні (розробка та впровадження пілотної установки для переробки калійних відходів) експерименти.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше розроблені математичні моделі, що лягли в основу методик і систем автоматизованого просторово-часового прогнозування, для встановлення масштабів забруднення розсолами підземних водоносних горизонтів.

2. Вперше, на основі порівняльного аналізу технічних рішень щодо утилізації розсолів, обґрунтовано перевагу їх переробки у порівнянні з захороненням у підземні водоносні горизонти та скидом у поверхневі водотоки.

3. Вперше, на основі удосконалення технології утилізації високомінералізованих розсолів шляхом їх випаровування, встановлено оптимальний склад вихідної сировини та визначена технологія підготовки відходів калійного виробництва для переробки на розробленій випарній установці, а також визначений оптимальний режим роботи промислових установок, що дає можливість реалізувати замкнуту екологічно-безпечну схему переробки відходів з одержанням товарної продукції.

4. Дістала розвиток концепція регульованого затоплення соляних виробок розсолами, шляхом її впровадження для ліквідації калійних шахт „Стебник” і „Ново-Голинь”, доведено її переваги над іншими методами ліквідації, після проведеного аналізу даних багаторічних спостережень за просіданням земної поверхні, зсувах і провалах.

Практичне значення одержаних результатів.

Сьогодні на Прикарпатті проводиться регульоване затоплення рудника “Ново-Голинь” Калуш-Голинського та рудника №2 Стебницького калійних родовищ. Для дослідження масштабів і наслідків екологічної небезпеки ліквідації шахтних виробок високомінералізованими розсолами, розроблено та реалізовано в програмному вигляді: моделювання процесу площинного забруднення підземних вод розсолами під впливом витіснення останніх із затоплених шахтних виробок через канали гідродинамічного зв’язку (САПР „Ореол”), що покладено в основу „Методики тривимірного прогнозування розповсюдження забруднюючих речовин у підземному водоносному горизонті”, яку впроваджено на Стебницькому державному гірничо-хімічному підприємстві “Полімінерал”; моделювання процесу дифузійного виносу солей із затоплених шахтних виробок через канали гідродинамічного зв’язку (САПР „Еколог”), на основі якого розроблено „Методику розрахунку прогнозування розповсюдження забруднюючих речовин по каналах гідродинамічного зв’язку”, яку впроваджено на ДП “Калійний завод” ВАТ “Оріана” та отримано Деклараційний патент України № 67391 А. Для зменшення екологічної небезпеки, що створюють розміщені у шахтних виробках і акумулюючи ємностях розсоли та відходи калійного виробництва, розроблено спосіб та установку з їх переробки на товарну продукцію. На спосіб та установку з переробки отримано патенти України № 75177, № 76481.

Особистий внесок здобувача. Полягає у безпосередній його участі на всіх етапах виконання - від формування завдань і експериментальних досліджень до розробки проектів і їх впровадження.

При активній участі дисертанта розроблено: у лабораторних умовах спосіб та установку для переробки відходів одержаних при переробці полімінеральних калійних руд [6, 10, 11, 20]; математична модель прогнозування розповсюдження забруднених речовин по каналах гідродинамічного зв’язку [9]; технічне рішення, щодо утилізації розсолів шляхом їх підземного захоронення [3].

Автором особисто розроблено: замкнуту екологічно-безпечну схему руху розчинів у способі та установці для переробки соляних відходів [6, 10, 11, 20]; САПР „Ореол” та „Еколог” забруднення підземних водоносних горизонтів розсолами [7, 22]; імовірнісну математичну модель прогнозу забруднення підземних водоносних горизонтів [22]; метод розрахунку допустимих об’ємів відведення розсолів у маловодні ріки та на його основі створено основні положення регламенту відведення розсолів [5, 18]; проведено розрахунок промислового закачування розсолів у підземний поглинаючий горизонт [3, 19]; запропоновано технічні заходи щодо запобігання розповсюдження забруднення у підземних водах [8, 21].

На окремих етапах згаданих робіт, результати яких були використані у дисертації, брали участь співавтори Бараненко О.Б., Кнігініцька Л.П., Семчук Я.М., Осипчук М.М. разом з якими були опубліковані наукові праці та одержані 3 патенти і два проходять експертизу.

- Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на 14 Міжнародних конференціях: „Україна наукова „2003” (м. Дніпропетровськ, 2003 р); „Проблемы комплексного освоения горнодобывающих регионов” (м. Дніпропетровськ-Кривий Ріг, 2003 р); „Динаміка наукових досліджень „2003” (м. Дніпропетровськ-Черкаси-Одеса, 2003 р); „Нагальні питання вирішення проблеми підтоплення ґрунтовими водами територій міст та селищ міського типу” (м. Харків, 2003 р); „Наука і освіта „2004” та „2005”” (м. Дніпропетровськ, 2004, 2005 рр.); „Безпека життя і діяльності людини – Освіта. Наука. Практика” (м. Рівне, 2004 р); „Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” (м. Донецьк, 2004 р); „Сучасний стан навколишнього середовища промислових та гірничопромислових регіонів. Проб-леми та шляхи вирішення” (м. Київ, 2004 р); „Екологія. Людина. Суспільство.” (м. Київ, 2004 р); „Динаміка наукових досліджень „2004” (м. Дніпропетровськ, 2004 р) та на наукових семінарах кафедри безпеки життєдіяльності ІФНТУНГ (2001- 2006 Івано-Франківськ).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 22 наукові праці, серед яких 8 у фахових науково-технічних виданнях та збірниках наукових праць, що передбачені переліком ВАК України, 11-ти збірниках матеріалів і тез Міжнародних та Всеукраїнських науково-технічних конференцій, отримано три патенти України та один проходить кваліфікаційну експертизу.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, додатків. Повний обсяг дисертації - 232 стор., із них 17 додатків на 73 стор. Дисертація містить 23 рисунка, 17 таблиць і посилання на 153 літературні першоджерела на 13 стор.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність, мету та завдання роботи, об’єкт і предмет дослідження, розкрито наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі на підставі аналізу літературних джерел окреслено етапи розв’язання проб-леми розробки природоохоронних заходів у гірничо-видобувних соленосних районах, наведено геологічну і гідрогеологічну характеристику досліджуваного району, їх трансформацію під техногенним впливом шахтної розробки і ліквідації калійних шахт.

У вирішення проблем охорони довкілля в гірничо-видобувних соленосних районах вагомий внесок внесли вітчизняні та закордонні вчені: Адаменко О.М., Бочевер Ф.М., Орадовська А.Е., Гаркушин П.К., Козлов С.С., Липницький В.К., Корінь С.С., Джинорідзе Н.М., Кузьменко Е.Д., Миронен-ко В.А., Мольський Е.В., Руминін В.Г., Рудько Г.І., Семчук Я.М, Тесля Н.І., Шокін Ю.П, Янін Е.П та інші. Результати досліджень цих науковців дозволили закласти теоретичні основи та впровадити на практиці методи захисту геологічного середовища в гірничо-видобувних соленосних районах.

Проте проблема, що розглядається, є складною та багатогранною і ще далека від свого вирішення.

Основними з калійних родовищ Передкарпаття є Калуш-Голинське і Стебницьке, що розробляються більше 100 років. Родовища приурочені до внутрішньої зони Передкарпатського передового прогину, що зумовлює їх складну тектонічну будову. Промислові поклади калійних солей належать до воротищенських, стебницьких та балицьких відкладів та представлені каїнітом, лангбейнітом і полігалітом. Перспективні для розробки на Передкарпатті є Рунгурське, Делятинське, Блажевське калійні родовища.

У розділі детально розглянуті наслідки техногенного впливу шахтної розробки Калуш-Голинського і Стебницького Прикарпатських калійних родовищ на навколишнє середовище.

На Калуш-Голинському (рудники Калуш, Голинь, Ново-Голинь) та Стебницькому (рудники №1, №2) калійних родовищах, де застосовувалась камерна система розробки з відкритим очисним простором, покрівля якого підтримується міжкамерними ціликами. Цілики з часом деформуються і проходять незворотні зміни геологічного середовища, гідрохімічної та гідродинамічної обстановки над підробленою територією. Зміни викликають зсув гірських порід покрівлі у бік відпрацьованого простору та активізації карстово-провальних процесів і, як наслідок, деформацію земної поверхні, провалоутворення, руйнування об’єктів, затоплення земельних угідь. Провали стають каналами гідродинамічного зв’язку між поверхневими, підземними і шахтними водами, що викликає: засолення підземних та поверхневих вод; підвищення напорів підземних вод і зростання швидкості фільтрації; появу нових об-

ластей живлення і розвантаження водоносних горизонтів (у тому числі і техногенно створених).

Накопичений науковий i практичний досвід застосування природоохоронних заходів не забезпечує збереження родовищ та запобігання нових техногенних катастроф - за останні 15 років було затоплено 3 рудники та сталися дві крупні аварії, тому перспективність проведення досліджень у цьому напрямку не викликає сумніву.

На основі проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано мету та завдання дисертаційної роботи.

У другому розділі подано результати статистичного аналізу та лабораторних досліджень за зміною: мінералізації підземних, поверхневих і шахтних вод, їх рівнів та геодинамічної обстановки над затопленим рудником “Калуш”, що проводяться протягом 15 років із моменту його ліквідації.

Для зменшення осідання земної поверхні, збереження суцільності водозахисної стелини і зниження негативного впливу солевідходів на довкілля застосовується закладка виробленого простору рудників.

Найбільш ефективним за продуктивністю і якістю є гідравлічний спосіб закладки, що забезпечує практично 100 % закладання відпрацьованого простору. Він застосовується при надходженні надсольових вод у рудник, що може привести до природного затоплення, спосіб реалізують, шляхом регульованого затоплення порожнин. Матеріал закладки - вода, розсоли з різною концентрацією солей, тверді відходи виробництва та їх суміш. Враховуючи розчинність соляних порід, необхідною умовою є не агресивність матеріалу закладки відносно порід, які складають виробки. Даним способом ліквідовано рудники Солікамська, Німеччини, „Калуш”, ліквідують - „Ново-Голинь” та „Стебник”.

У роботі детально розглянута гідравлічна закладка, шляхом регульованого затоплення, Північного та Центрального каїнітових полів рудника “Калуш” та її наслідки. Поштовхом до ліквідації стали значні зміни геологічного середовища в межах рудника: раптовий провал земної поверхні розміром 200Ч180Ч8,5 м; інтенсивний розвиток карстово-суфозійних процесів (утворилось 11 провалів діаметром до 34 м і глибиною до 22 м) (рис. 1, 2); наявність неконтрольованого постійно зростаючого припливу в рудник надсольових вод (200 м3/добу), все це викликало аварійну ситуацію –загрозу природного затоплення рудника. Для її запобігання проф. Семчуком Я.М. були розроблені основні положення схеми регульованого затоплення шахти.

Рис. 1. Наслідки раптового провалоутворення

земної поверхні над відпрацьованими виробками шахти “Калуш” по вул. Вітовського м. Калуша. | Рис. 2. Провал №7, що виник серед новобудов м. Калуша (07.06.1987).

Дана схема є простою, економічною, екологічно безпечною та впроваджена в мінімальні строки. Просторова відокремленість полів рудника „Калуш”, різноманітність мінерального складу порід виробок, вимагали автономного заповнення відроблених просторів. Тому шахтне поле було розділено на три окремі ділянки двома гідроізоляційними перемичками. У першу, ввійшли виробки Центрального, в другу –Північного каїнітового, а в третю – виробки Хотінського полів.

Центральне поле затопили розсолами неагресивними до порід виробок, склад яких встановили дослідним шляхом, що мало виключити розчинення і вилуговування міжкамерних ціликів, і запобігти зсуву поверхні. Затоплення проводилось 27 місяців (1988-90 рр.). Контролювали склад розсолів що зміни при невідповідності складу розсіл направлявся на донасичення. Закачано 1 млн. 210 тис. м3 розсолів.

Північне каїнітове поле заповнили ненасиченими розсолами, що не виключало розчинення міжкамерних ціликів у межах глибини розповсюдження техногенних тріщин, яка не враховується при розрахунку запасу міцності ціликів і не повинно привести до збільшення осідання земної поверхні. Ліквідація проходила протягом 16 місяців (1989-90 рр.). Закачано 1 млн. 240 тис.м3 розсолів.

Ліквідація Північного та Центрального каїнітових полів дозволила уповільнити, а частково і зупинити просідання земної поверхні та вберегти від руйнування важливі об’єкти і споруди.

До заливки над Центральним полем проходила початкова стадія просідання зі швидкостями 10-15 мм/рік. Під час заливки швидкості зменшувались і в 1990 році склали від 2 до 5 мм/рік. На кінець 2005 р. накопичене осідання складає на від 19 мм до 2,25 м. Максимальна швидкість - 3 мм/рік. Крім цього, спостереження вказує на протікання локальних процесів просідання зі швидкостями від 4 до 21 мм/рік біля засипаних провалів та стовбурів шахт.

До заливки максимальні швидкості осідання над Північним полем сягали 20-25 мм/рік. Під час заливки спостерігалось їх збільшення в 5-10 разів, а після закінчення осідання зменшилось до 5-8 мм/рік (рис. 3). Плавне осідання прослідковується по всій ділянці і складає на кінець 2005 року від 34 мм до 2,94 м. Максимальна швидкість осідання 5 мм/рік.

Рис. 3. Графік осідання (з) і швидкості осідання (з’) на репері № 5/ІІІ (спостережного профілю ІІІ-ІІІ) Північного каїнітового поля.

За схемою ліквідації рудник „Калуш” мали затопити на 40 м нижче водоносного горизонту, щоб виключити його засолення, однак провали і зсув земної поверхні створили гідродинамічний зв’язок затоплених виробок з р. Сівкою, що сприяло дозатопленню рудника вище безпечного рівня і на даному етапі спостерігається розповсюдження ареалу засолення ґрунтів та підземних вод.

Для спостереження за наслідками та масштабами впливу затоплених виробок рудника „Калуш” на підземні і поверхневі води над Центральним та Північним каїнітовим полями у 1990 році була організована спостережна мережа складена: гідрогеологічними свердловинами і колодязями для спостереження за зміною мінералізації вод гравійно-галькових відкладів; глибоких свердловин, для дослідження зміни рівнів та мінералізації техногенно-створеного розсольного горизонту; пунктів спостереження за зміною мінералізації поверхневих вод. На основі її даних: розсоли у виробках насичені при концентрації 360-400 г/дм3, їх рівень у затоплених виробках утримується на рівні р.Сівки з 1994 р (тобто з цього часу підземні і поверхневі води є гідравлічно зв’язаними із шахтними розсолами), що привело до формування ареалу засолення підземних і поверхневих вод площею 47,5 га; при проходженні над затопленими виробками, води ріки Сівки збільшують мінералізацію на 2,3 – 13, 5 г/дм3; води гравійно-галькових відкладів після проходження піку мінералізації (9,76 г/дм3) у 2001 році (останнє провалоутворення) утримують мінералізацію а межах 1 г/дм 3 (± 0,25), крім проб відібраних у колодязях і свердловинах біля провалів і стовбурів шахт, тут мінералізація сягає – 4-6,5 г/дм3, що говорить про формування локальних ареалів засолення.

Для прогнозування розповсюдження наявних ареалів засолення в просторі і часі та для вибору, і розробки максимально ефективних природоохоронних заходів, щодо їх локалізації і ліквідації, стала необхідною розробка систем автоматизованого просторово-часового прогнозування (САПР).

У третьому розділі проведено аналіз математичних моделей міграції і розсіювання забруднюючих речовин у водоносному горизонті та на основі даних лабораторних і натурних спостережень розроблено математичні моделі і відповідні їм САПР „Еколог” і „Ореол”, що відтворюють і моделюють механізми змін мінералізації підземних вод у районі впливу підземних джерел забруднення.

На основі даних спостережної мережі для прогнозування зміни концентрації підземних вод з часом, під впливом виносу солей у випадку повного заповнення каналу зв’язку між шахтними розсолами і підземними водами, була розроблена математична модель розрахунку прогнозування розповсюдження забруднюючих речовин по каналах гідродинамічного зв’язку, що лягла в основу САПР „Еколог”,. САПР „Еколог” прогнозує кількісний вплив дифузійного винесення солей у вищезалягаючий водоносний горизонт, у випадку повного заповнення каналу зв’язку шахтними розсолами, з відтворенням результатів зміни мінералізації підземних вод у часі.

Задача полягала у розв’язанні рівняння дифузійної міграції (теплопровідності) – закон Фіка:

, t > 0, 0 < х <h (1)

з початковою умовою - С(0, x) = C0 , (C0=0,58 г/дм3); (2)

та граничними умовами:

а) на відмітці критичного рівня розсолів (підошві водоносного горизонту):

С(t, 0) = C0 , (C0=350 г/дм3); (3)

б) на перерізі каналу зв’язку: (4)

У формулах (3-6): С0- мінералізація вод водоносного горизонту, г/дм3; С – концентрація солей, г/дм3; t – час, доба; х – ордината, яка відраховується від рівня високо мінералізованих розсолів у напрямку знизу-вверх; С0 – мінералізація шахтних розсолів, г/дм3; Dk – коефіцієнт молекулярної дифузії в каналі зв’язку, см2/с; Vg – дійсна швидкість припливу розсолів з каналу зв’язку, см/с; h – глибина на якій розташовано затоплену шахтну виробку, (м).

Задачі 1 і 4 розв’язані чисельним методом. Змінні t та х дискретизовано із сталими кроками Дt і Дх, тобто знайдено значення функції С(t, x) у вузлах дискретної сітки: хі = і •Дх, і =; tj = j • Дt, j =.

Одержати значення невідомої функції в кожний наступний момент часу tj+1, маючи її значення в момент часу tij у всіх внутрішніх точках хі можна позначивши Сi,j = С(tj, xi), через різницевий аналог рівняння (1)

=, (5)

при цьому початкова умова (2) веде до Сі0 = С0 (6), а з граничної умови (3) одержуємо Сj0 = С0 (7).

У граничних точках х0 значення Сj0 задає рівність (7), а в ХМ значення СМj+1 знаходимо з різницевого аналогу рівняння (4) позначивши Сi,j = С(tj, xi):

=. (8)

Підібравши відповідним чином значення Дt та Дх для збіжності описаного різницевого методу, із врахуванням експериментально встановлених початкових і граничних умов на основі даних спостережень на руднику ”Калуш” з 1990-2005 рр. та ввівши їх в розроблену САПР „Еколог”, одержали (рис.4).

Рис. 4. Графічний результат роботи САПР „Еколог”. Графік зміни мінералізації підземних вод з часом під впливом привнесення солей із каналів зв’язку шляхом молекулярної дифузії.

З метою: кількісної оцінки процесу площинного розповсюдження ареалів засолення у підземному водоносному горизонті та визначення концентрації забруднюючої речовини у будь-який час і будь-якому місці ареалів; прогнозування форми і розмірів ареалів та їх просторово-часових змін; було розроблено математичну модель тривимірного прогнозування розповсюдження забруднюючих речовин у підземному водоносному горизонті та на її основі САПР „Ореол”.

В основу САПР „Ореол” покладено розв’язання тривимірного імовірнісного диференціального рівняння випадкового дифузійного процесу з вектором переносу та матрицею дифузії при площинному розповсюдженні забруднення у підземному водоносному горизонті.

Траєкторія руху частинки в середовищі під дією теплового руху молекул середовища та макроскопічного руху описується, як реалізація (t) випадкового дифузійного процесу з вектором переносу

та матрицею дифузії В. Такі реалізації одержують, розв'язавши стохастичне диференціальне рівняння:

(9)

де - тривимірний стандартний вінерівський процес, з початковою умовою =.

Знайшовши ймовірність P(t, , T) попадання дифузійного процесу, який стартував у точці , за

час t в область Г, знаходимо концентрацію забруднювача в кожній точці водоносного горизонту в будь-який момент часу t :

(10)

де - окіл точки ; V - об'єм області ; Е - область поступлення у водоносний горизонт забруднювача.

Результат представлено у вигляді матриці: перший стовпчик відповідає за розповсюдження забруднення по осі ОY, другий – ОХ, третій - OZ; перший рядок дає нам значення концентрації забруднювача на віддалі 1 м від джерела по осі ореолу забруднення, другий – на ј віддалі до кінця ореолу забруднення, третій – на Ѕ віддалі до кінця ореолу забруднення, четвертий – на ѕ віддалі до кінця ореолу забруднення, п’ятий – на кінці ореолу забруднення; та графіків (рис. 5).

У четвертому розділі подано загальну характеристику способів захисту підземних та поверхневих вод від забруднення. Розроблено метод розрахунку допустимих об’ємів відведення розсолів у маловодні ріки, проведено розрахунки з приймальності та зони впливу на Кампанський водоносний горизонт (верхня крейда) захоронення надлишкових розсолів, для зменшення екологічної небезпеки засолення гідросфери в досліджуваному регіоні.

Для локалізації ареалу засолення, що виник під впливом витіснення високомінералізованих розсолів через провали та шахтні стовбурів автором запропоновано застосування баражних завіс по контору ареалу, провалів, разом із зоною тріщинуватості, і стовбурів та приведено розрахунок припливу на одиницю довжини баражної завіси.

Сьогодні у наземних спорудах міститься 8 млн. м3 розсолів із мінералізацією 370 г/дм3, ця величина щороку зростає на 1,8 млн. м3 і після заповнення порожнин відпрацьованих калійних рудників вони будуть стравлюватись у поверхневі та підземні води в ще більших об’ємах. В якості спеціальних технічних водоохоронних способів захисту поверхневих та підземних вод від засолення нами розроблено метод розрахунку допустимих об’ємів відведення розсолів у маловодні ріки.

Розроблений метод проілюстровано на прикладі скиду розсолів калійного виробництва ВАТ „Оріана” у р. Сівку, що має статус рибогосподарської категорії водокористування, тобто загальний

Рис. 5. Графічна інтерпретація результатів САПР „Ореол”.

солевміст не має перевищувати 1 г/дм3. Сьогодні він складає 1,67 г/дм3, тобто вже фонова мінералізація вод перевищує ГДК.

Середній хімічний склад розсолів, який планується скидати у ріку: Сl- (104 г/дм3); SO4- (35 г/дм3); загальний солевміст (150 - 250 г/дм3). Оскільки хлориди є лімітуючим показником, по якому потрібна найбільша кратність розведення до ГДК, то регульований скид можна проводити лише з урахуванням вмісту хлоридів.

При існуючих витратах води асимілююча здатність р. Сівки вже повністю використана існуючими неконтрольованими скидами. Тому скид можливий лише в умовах проходження весняно-літніх повеней і паводків. Згідно проведених розрахунків за розробленою методикою встановлено, що при витраті води у ріці більше 20000 м3/год стає можливим регульований скид розсолів, що будуть асимілюватись рікою і не матимуть негативного впливу на її екологічний стан.

Для розрахунку відведення стоків у водний потік використовують рівняння (для консервативних речовин):

g = г Ч (Q/n), (11)

де g - витрата стічних (скиданих) вод, м3/год; Q - витрата води в річці, м3/год; n – кратність розведення стічних вод річковою водою, разів; г - коефіцієнт змішування.

Враховуючи інтенсивне перемішування водної маси в річці, яке зумовлене значними швидкостя-

ми водного потоку, невеликими глибинами і значною нерівністю русла та дна, допускаємо майже повне перемішування річкових і стічних (скиданих) вод у контрольному створі; коефіцієнт г = 0,75.

Кратність розведення одержуємо з формули:

n = (CCT – CГДК)/(СГДК – СФОН), (12)

де ССТ - концентрація забруднюючої речовини в стічних водах, мг/дм3; СФОН - концентрація забруднюючої речовини в річковій воді, мг/дм3; СГДК – гранично допустима концентрація забруднюючої речовини, мг/дм3.

Згідно проведених розрахунків, для розсолів з мінералізацією 250 г/дм3 кратність розведення n = 436 разів (для хлоридів), для розсолів з мінералізацією 150 г/дм3 кратність розведення n = 335 разів.

Для зменшення навантаження на гідросітку під час скиду розсолів, випуск розсолів повинен бути: розосередженим (суміші розсолів з водою); регульованим, шляхом спостережень за витратою води у ріці та хіманалізом проб води, на основі яких корегується зміна витрати розсолів, які скидають.

Закачування розсолів у підземні поглинаючі водоносні горизонти пропонується для горизонтів, які не є об’єктами для водозабезпечення, бальнеологічних та інших цілей.

На Калуш-Голинському родовищі було споруджено дві поглинаючі свердловини на глибину до 2000 м, побудовано насосну станцію. Максимальна потужність закачування суміші розсолів i води (3:1) була 1000 м3/добу. Згодом закачування було припинено, а насосну станцію демонтовано в зв’язку із високою собівартістю закачуваних розсолів та на даному етапі, можна рекомендувати відновити нагнітання у зв’язку із загостренням проблеми утилізації розсолів.

Для скиду стоків, у межах району, виділено два перспективних горизонти: верхньоюрський, складений тріщинуватими, кавернозними вапняками потужністю більше 100 м і кампанський (верх-ня крейда), складений дрібнозернистими слабозцементованими пісковиками потужністю 80-250 м, що прослідковуються у вигляді смуги шириною 12-14 км, довжиною близько 70 км. Глибина залягання верхньоюрського горизонту більше 1500 м, кампанського – 1000 м. Потужна (1000 м і більше) товща неогенових порід складених глинистими породами із рідкісними і тонкими прошарками газоносних пісковиків, є надійним екраном, що гарантує безпеку захоронення розсолів у надрах.

Верхньоюрський горизонт не відрізняється постійністю фільтраційних властивостей, тому перспективним для скиду стоків є горизонт кампанських пісковиків, колекторні властивості якого, у межах досліджуваної площі, є витримані.

Згідно запропонованого методу підрахунком тисків необхідних для закачування різного об’єму розсолів у поглинаючі горизонти встановлено: кампанський горизонт при надлишковому тиску на гирлі свердловини 50-60 ат може приймати через одну свердловину до 900 м3/добу розсолів; юрський горизонт можна експлуатувати з тисками на гирлі 90-135 ат з приймальністю до 250 м3/добу розсолів. Тому кампанський горизонт, що володіє значно більшою приймальністю у порівнянні із юрським горизонтом, можна розглядати, як основний експлуатаційний горизонт, а юрський - рахувати резервним.

Для розрахунку ореолу розповсюдження розсолів від свердловини приймемо рух розсолів від свердловини по всій потужності пласта умовно рівномірним і радіальним, тоді радіус розповсюдження розраховується за формулою:

, (13)

де V – об’єм закачуваних розсолів, м3; Меф – ефективна потужність пласта в м; n – середня пористість порід колектора.

Проведений розрахунок розповсюдження розсолів у підземному горизонті показав, що при закачуванні 685 м3/добу їх об’єм через 50 років V – 12,5 млн. м3, а радіус ореолу розповсюдження розсолів у горизонті через 50 років становитиме 504,2 м.

Незважаючи на широке застосування в світі відведення надлишкових розсолів у водойми і ріки та утилізацію у підземні поглинаючі горизонти, їх слід розглядати як вимушені тимчасові природоохоронні заходи, які спрямований на охорону водних об’єктів від засолення до впровадження способів і пристроїв та мало- і безвідходних технологій з переробки та утилізації розсолів.

У п’ятому розділі наведено хіміко-технологічні методи переробки високомінералізованих розчинів морського типу із зміною та без їх агрегатного стану. Розроблено установку і спосіб, призначені для переробки відходів калійного виробництва – високомінералізованих розсолів донасичених галітово-лангбейнітовим залишком, з метою одержання товарної продукції - кухонної та технічної солей і хлор-магнієвого розчину – сировини для виробництва штучного карналіту (міндобриво), що є екологічно-безпечними внаслідок замкнутості системи руху розчинів в установці із виведенням лише готової продукції, що сприяє покращанню екологічної ситуації регіону.

Враховуючи те, що на методі термічної переробки ґрунтуються розроблені спосіб та установка то основну увагу, у даному розділі, приділено оцінці та характеристиці процесів та установок з тер-мічної переробки зі зміною агрегатного стану розчину.

Вихідною сировиною для досліджень були розсоли мінералізацією 350-365 г/дм3 складу, мас. %: К+- 2.18; Mg2+- 1.55; Na+- 4.39; Ca2+- 0.02; Cl-- 11.92; SO42-- 1.83; H2O- 78.11. Згідно розробленого способу, розсоли попередньо донасичували галітово-лангбейнітовим залишком сульфатної фабрики складу, мас. %: К+- 4.37; Mg2+- 3.26; Na+- 18.12; Ca2+- 2.24; Cl-- 29.65; SO42--21.31; H2O- 13.07 в результаті одержали освітлений розчин складу, мас. %: К+- 1.93-2.10; Mg2+- 1.33-1.48; Na+- 7.29-7.732; Cl-- 15.46-16,08; SO42-- 2.49-2.76; Са2+- 0.02-0.05 H2O- 69.86-71.17, який обробляли гідролізованим аміачним поліакриламідом, відстоювали і декантували.

На основі досліджень вибрали оптимальний технологічний режим процесу підготовки розсолів для переробки: тривалість процесу донасичення 10 хв; співвідношення між розсолом і залишком – (3-4):1; температура донасичення від 30 до 40 0С.

Процеси випаровування супроводжуються витратою великої кількості дорогої пари нагрівання. Її зменшення можна досягти шляхами збільшення кількості корпусів у випарних установках або розширенням корисної різниці температур між розчином у першому та останньому корпусах. Підвищення температури випарювання в першому корпусі обмежується кристалізацією вторинних калійно-магнієвих мінералів, тому необхідно було дослідити граничні температури і можливу глибину випарювання донасиченого розсолу.

Багаторазове використання нагріваючої пари дозволяє суттєво зменшити її розхід на одержання кухонної солі та кондиційного лангбейнітово-полігалітового концентрату, тому, для підвищення ефективності використання теплоти гріючої пари необхідно розширювати інтервали температур випарювання між корпусами у вакуумно-випарювальній установці (ВВУ). Для цього досліджували процес випарювання донасиченого розчину при високих температурах, щоб встановити гранично можливий ступінь випарювання, при якому ще виділяється чиста сіль.

Значення граничного ступеню випарювання, при якому кристалізується чиста сіль, залежить від температури випарювання. Залежність граничної концентрації магнію у випарюваному розчині (С, %) від температури (t, 0С) може бути наближено описана емпіричним рівнянням Нивлта:

С=7,9-0,0365t (14)

Вище вказаної концентрації кухонна сіль забруднюється твердими домішками калійно-магнієвих солей, тому перевищення її є неприпустимим.

У результаті досліджень встановлено, що при температурах випарювання у першому корпусі випарної установки від 120 до 140 0С донасиченого розчину, з концентрацією по магнію від 1,5 % до 4,5 %, при кількості корпусів установки 3 і більше в першому корпусі досягається концентрація маг-нію в розчині значно менша її граничної величини (С) і в тверду фазу кристалізується достатньо чистий NaCl. Домішки солей у осаді знаходяться, в основному, у вигляді розчину для просочування, і частково у вигляді кристалічних калійно-магнієвих солей. При досягненні визначеної концентрації магнію в розчині починає збільшуватись концентрація іонів калію, магнію і сульфатів у осаді. Максимально можлива кількість корпусів (до 6) обмежується величиною корисної різниці температур між корпусами та економічною доцільністю.

Основою для запропонованої установки, стала трикорпусна прямоточна вакуумно-випарювальна установка (ВВУ), за допомогою якої на калійному виробництві одержували технічну сіль. Установка містить три послідовно встановлені вакуумно-випарювальні апарати з винесеними камерами нагрівання і сепараторами змішування, та вимушеною циркуляцією розчину. В описаній установці одержується технічна сіль, яка є непридатною для споживання людьми внаслідок її забруднення калійно-магнієвими домішками. Установка не забезпечує виділення максимальної кількості корисної сировини, так-як випарювання закінчується стадією одержання солі, а одержані концентровані калійно-магнієві розчини повертаються в шламо- та хвостосховища.

Виходячи з проведених експериментальних досліджень, стало можливим збільшення температури випарювання у першому корпусі ВВУ і встановлення додаткового корпусу ВВУ, в результаті чого пропонується наступний режим випаровування (рис. 6). Спочатку розчин випарюється у високотемпературному 1 корпусі при температурі від 115 до 140 0С (оптимальна 137 0С (± 2 0С) тиск у сепараторі першого корпусу від 0,11 до 0,22 МПа, потім при температурі від 95 до 110 0С у 2 корпусі (оптимальна 104 0С (± 5 0С)) та після цього при температурі від 75 до 80 0С у 3 корпусі (оптимальна 78 0С). Із 3 корпусу суспензія кухонної солі виводиться на гідроциклон, де розділяється. Для видалення з одержаної солі домішок, осад після випарювання необхідно репульпувати вихідним донасиченим розчином, у співвідношенні 1:1 протягом 5 хв, і після цього його відділити від розчину і промити водою, в сумарній кількості 10 % від маси солі. У результаті одержали промиту сіль складу (табл. 1), яка відповідає продукту вищого ґатунку (ДСТУ 3583-97). Ступінь випарювання розчину для виділення кухонної солі без домішок - 48,7 %, а ступінь виділення продукту із розчину складає 79,0 %.

Рис. 6. Блок-схема чотирикорпусної ВВУ для випарювання донасичених розчинів.

Таблиця 1.

Середній хімічний та сольовий склад розчинів, що поступають і одержують на установці.

Назва продукту | Склад, мас. % | Склад солей, мас. %

К+ | Mg2+ | Са2+ | Na+ | Cl- | SO42- | H2O | MgSO4 | MgCl2 | KCl | NaCl | СаSO4 | H2O

Вихідний розчин | 2,10 | 1,47 | 0,01 | 7,29 | 15,46 | 2,7 | 70,97 | 3,35 | 3,11 | 4,0 | 18,53 | 0,03 | 70,97

Розчин з І корпуса | 2,97 | 2,08 | 0,01 | 6,49 | 15,98 | 3,82 | 68,65 | 4,76 | 4,39 | 5,67 | 16,50 | 0,03 | 68,65

Розчин з ІІ корпуса | 3,84 | 2,7 | 0,01 | 5,69 | 16,5 | 4,94 | 66,32 | 6,16 | 5,71 | 7,32 | 14,46 | 0,03 | 66,32

Розчин з ІІІ корпуса | 4,72 | 3,31 | 0,01 | 4,89 | 17,03 | 6,06 | 63,98 | 7,56 | 6,99 | 9,0 | 12,43 | 0,03 | 63,98

Розчин з ІV корпуса | 5,59 | 3,92 | 0,02 | 4,09 | 17,55 | 7,18 | 61,65 | 8,93 | 8,28 | 10,66 | 10,39 | 0,06 | 61,65

Непромита сіль | 1,16 | 0,42 | 0,03 | 34,19 | 53,96 | 1,51 | 8,73

Промита сіль | 0,08 | 0,04 | 0,01 | 36,98 | 57,05 | 0,13 | 5,73

Аналіз результатів досліджень показав, що випарений розчин після виділення NaCl