автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Анализ формирования и прогноз распространения зон загрязнения подземных вод при газификации угольных пластов

Министерство топлива и энергетики РФ Российская академия наук Институт горного дела им. АА.Скочннского

ГОД На правах рукописи

1 П 1 П: 'Ь : УДК 556.332.6.002.637:022.278(043.3)

Елена Васильевна ДВОРНИКОВА

АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗОН ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ГАЗИФИКАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Институте горного дела им. АА.Скочинского. Научный руководитель - проф., докт. техн. наук Е.В. Крейнин,

Официальные оппоненты:

проф., докт. техн. наук С.Е. Чирков,

канд. геол.-минер. наук Л.Е. Яковлев •

Ведущее предприятие - ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО.

Автореферат разослан ^¿и^ 1996г.

Защита состоится *<!%<$" ¿¿/-¿>'¿4' 199бГ1

в иа заседании специализированного совета Д 135.05.03.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им А.А.Скочннского.

Ученый секретарь специализированного совета проф., докт. техн. паук

Н.Ф. Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В сонременных условиях при постоянном росте производства и потребления энергии особенно важное значение в оценке топливно-энергетического комплекса приобретает проблема его воздействия на окружающую среду, в том числе на гидросферу, охрана которой в последние десятилетия является одной из актуальных задач современного мира.

Ограниченность запасов нефти и природного газа, а также рост затрат на их разработку, освоение и транспорт позволяют протезировать в ближайшей перспективе неизбежный росг добычи угля.

Однако сегодняшний технический уровень добычи и потребления твердого топлива свидетельствует о постоянном превращении отдельных угольных районов в зоны экологического бедствия.

Одним из направлений улучшения экологической обстановки в угледобывающих районах является разработка альтернативных нетрадиционных способов переработки угля на месте его залегания в другие экологически более чистые виды топлив (жидкое и газообразное). Перспективным направлением является разработка и внедрение скважинных методов добычи угля, к которым в первую очередь можно отнести подземную газификацию угля (ПГУ).

Использование газа ПГУ в качестве первичного энергоносителя в разл1гчных топлнвосжигающнх агрегатах, ранее эксплуатируемых на твёрдом, топливе, предотвращает загрязнение атмосферы твёрдыми несгоревшнми частицами и опаснейшими газообразными веществами (БОг и ЫОх).

Несмотря на упомянутые экологические преимущества способа ПГУ (на всех стадиях цикла от добычи до сжигания), по сравнению с традиционными способами, существует опасность загрязнения подземных вод. Учитывая, что в 2000-м году население земного шара будет потреблять 50% всех запасов пресных вод, значение своевременной охраны гидросферы от загрязнения и истощения трудно переоценить.

Поэтому комплексная оценка степени негативного воздействия процесса ПГУ на гидросферу как альтернативного способа разработки угольных месторождений, основанная на анализе формирования и прогнозе распространения зон загрязнения подземных вод, и разработка на основании этого водоохранных мероприятий является актуальной научно-практической задачей.

Типовой по ряду признаков характер источников загрязнения при ПГУ позволит распространить анализируемый опыт исследований на другие обьекты горного производства.

»

Цель работы состоит в прогнозе и оценке возможного химического загрязнения подземных вод при ПГУ и разработке на основании этого водоохранных мероприятий.

Идея работы заключается в исследовании и анализе особенностей взаимодействия подземных вод с очагом техногенного загрязнения на примере подземной газификации угольного пласта н обосновании на основании этого технологий, минимально воздействующих на водоносные горизонты.

Методы исследппапий. Для достижения поставленной цели был принят комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщенно существующих результатов теоретических и экспериментальных исследований; методы гидродинамических, гидрогео-хнмнческнх и термометрических исследований на режимной сети гндронаблюдательных скважин в природных условиях; методы лабораторного моделирования физико-химических процессов в статических и динамических условиях ; методы численного моделирования на ЭВМ.

Научные положения, защищаемые в диссертации, и их новизна:

впервые предложенная классификация факторов экологического воздействия процесса ПГУ на подземные воды, базирующаяся па учете техногенных н природных факторов , которые определяют степень химического и теплового загрязнения подземных вод и учитывают горно-геологические условия месторождений, технические и технологические особенности процесса ПГУ ;

впервые полученные количественные закономерности изменения минерализации , химического состава подземных вод и степени их загрязнения побочными продуктами ПГУ в процессе газификации в зависимости от времени и интенсивности газификации, и закономерности снижения их концентраций в зависимости от расстояния до очагов загрязнения;

впервые полученные количественные закономерности изменения температур подземных вод в процессе газификации, в зависимости от интенсивности ведения процесса, близости скважины к очагу горения и степени осушения газогенератора, а также закономерности распределения температур в отработанных газогенераторах в условиях крутопадающих пластов;

установленные адсорбционные ёмкости и параметры поглощения сырого угля и угля после его термической обработки, необходимые для понимания физико-химических процессов взаимодействия загрязненных подземных вод с вмещающими породами и для расчётов динамики распространения этого загрязнения за пределы газогенератора;

адаптированная к условиям Южно-Абинской станции "Подземгаз" профильная модель фильтрации и миграции, позво-

ляющая прогнозировать время и масштабы возможного загрязнения.

Достоверность и обоснованность научных положений. выводов и рекомендаций подтверждается:

статистически обоснованным количеством натурных и лабораторных исследований и экспериментов;

сходимостью результатов расчёта на профильной фильтраци-онно-миграционной модели с фактическими результатами исследований взаимодействия подземных вод и продуктов ПГУ в природных условиях.

Практическая ценность работы:

экспериментально доказано, что основная масса загрязняющих компонентов выносится вместе с газом на поверхность в виде конденсата , после прекращения процесса ПГУ, концентрация загрязняющих компонентов в подземных водах выгазованных обьсмов превышает ПДК в 2-5 раз, что для способа ПГУ можно считать малой степенью их загрязнения, и, что является необходимым условием для промышленной реализации предприятия ПГУ;

предложены оптимальные гидродинамические режимы эксплуатации подземных газогенераторов, минимизирующие взаимодействие продуктов газификации с подземными водами;

разработанная численная программа миграции загрязнённых вод позволяет осуществлять предпроектную оценку экологических последствий при ПГУ и может быть использована для широкого класса профильных задач миграции ;

полученные закономерности дают возможность разработать эффективные водоохранные мероприятия и, следовательно, обосновать минимальный ущерб, наносимый подземной гидросфере при ПГУ.

Реализация работы.

Разработанный механизм прогноза взаимодействия подземных вод с продуктами газификации реализован на опытно-промышленном участке Южно-Абинской станции "Подземгаз" и рекомендован для использования в аналогичных условиях на обьек-тах горного производства при прогнозе миграции загрязнения от наземных накопителей жидких отходов, а также на участках подземных пожаров и подземного захоронения сточных вод.

Полученные количественные закономерности изменения химического состава подземных вод и предложенная классификация факторов, учитывающих горно-геологические условия месторождения, были использованы при выборе и обосновании участка ПГУ в Индии. Результаты гидрогеологических исследований по выбору участка приведены в " Отчете о гидрогеологических исследованиях на месторождении лигнита Мерта Роуд март 1995г.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на семинаре по подземной газификации углей (г. Кемерово, 1992г.), на научных семинарах в ИГД им. А.А.Скочинского.

Основные результаты выполненных исследований были использованы в ТЭО предприятия ЛГУ на месторождении Мерта Ро-уд в Индии, штат Раджастаи.

Публикации.

По результатам проведённых исследований опубликовано 7 печатных работ. Подана заявка № 95117620/03, кл. С 10 Л 5/00, приоритет от 17.10.95г. на изобретение "Способ подземной газификации".

Разделы диссертационной работы выполнялись в рамках ГНТП "Экологически чистая энергетика" (1990-95гт.) и в соответствии с темами ИГД им. А.А.Скочинского: №№ 0124030000, 0124022000, 0192146000, 0124051000.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 251 листе машинописного текста, включает 54 рисунка, 21 таблицу.Она состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 145 названий и 3 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основной вклад в исследование особенностей движения и формирования химического состава подземных вод на участках ПГУ внесли учёные: П.П.Климентов, А.И.Силни-Бекчурин, К.Ф. Богородицкий, В.И.Кононов, Ю.С.Шилов. Особое значение в формировании состава терм имеет парообразная вода, роль которой в переносе химических элементов на участках ПГУ подробно рассмотрена п работах К.Ф.Богороднцкого. Проблеме формирования гидротерм и анализу физико-химической обстановки на участках, возникающих под воздействием искусственных (участки ПГУ) и естественных (районы современной вулканической деятельности) локальных очагов тепла, посвящены работы В.И.Кононова.

При исследовании процессов формирования химического состава подземных вод на участках термоаномалнй получен ряд научных и практических результатов. Однако до настоящего времени но изучен вопрос экологической оценки изменений гидродинамического, температурного и геохимического режимов подземных вод, происходящих под воздействием процесса ПГУ. Но исследованы вопросы определения масштабов и динамики возможного химического и теплового загрязнения. Но выяснена физическая природа и параметры физнхо-кнмкческого взаимодействия загрязненного потока подземных сод и вмещающих пород. Вей это ио позволяет

осуществить научно обоснованный прогноз миграции загрязнения за пределы участков газификации и разработать на основании этого мероприятия по защите подземных вод от загрязнения.

На основании вышеизложенного сформулирована цель работы и поставлены следующие задачи:

провести обобщение и анализ геолого-гндрогеологичоских исследовании для оценки экологических последствий ноздонспжя процесса ПГУ на подземные воды и факторов, определяющих химическое и тепловое взаимодействие с очагом зафязнения;

определить пути, характер распространения и количественные закономерности возможного химического и теплового загрязнения в потоке подземных вод в природных условиях;

провести экспериментальные исследования по выяснению характера физико-химических процессов взаимодействия загрязненных подземных вод с вмещающими породами и определить параметры массообмена ;

осуществить прогноз и аналитические исследования распространения загрязнения на адаптированной к условиям Южно-Абинской станции "Подземгаз" профильной фильтрацнонно-миграционной модели;

разработать мероприятия по снижению и предотвращению зафязнения подземных вод.

Исследования проводились на участке горного отвода Южно-Абинской станции "Подземгаз " в Кузбассе.

Наиболее полная И обьективная оценка степени зафязнения подземных вод была возможна лишь при комплексном подходе, который предполагал наличие единой методологической базы учета влияния как природных, так и техногенных факторов, определяющих химическое и тепловое взаимодействие подземных вод с очагом горения при ПГУ.

Применительно к решению поставленной задачи были установлены особенности формирования зоны техногенеза гидролнто-сферы при ПГУ и проведена систематизация основных показателей техногенеза. Выделены следующие виды техногенного воздействия на гидролитосферу: превращение угля в газообразное топливо на основе физико-химических реакций на месте его залегания, отбор подземных вод, эксплуатация наземных накопителей жидких отходов. Определены виды и характер техногенных изменений гидролитосферы, а также характер физико-механических и физико-химических процессов, сопровождающих технологию ПГУ и в значительной мере влияющих и определяющих степень зафязнения подземных вод.

Выделены элементы воздействия процесса ПГУ на окружающую среду . В первую очередь источником зафязнения является очаг горения в угольном пласте, а также продукты газификации

(СС>2 , СО, Нг , СЩ , СтНп , Нг5), побочные продукты газификации (фенолы, смолы, аммиак, цианиды, перидиновые основания) и остаточные продукты газификации (зола, шлаки ). Это подземные источники загрязнения - действующий и отработанные газогенераторы, а также наземный источник загрязнения - траншея с конденсатом.

Выполненный анализ п обобщение многолетнего опыта газификации угольных пластов на станциях "Подземгаз" , расположенных в пяти различных угольных бассейнах нашей страны, показал, что степень воздействия ПГУ на состояние водоносных горизонтов не одинакова и определяется не только спецификой самого технологического процесса, но и природными условиями месторождения. На основании выполненного анализа ■ были выделены факторы, влияющие на загрязнение подземных вод. Их можно разделить на две основные группы: техногенные и природные факторы, классификация которых приведена на рис. 1.

Среди техногенных факторов, оказывающих существенное влияние на подземные воды, важными являются: высокие температуры в очаге горения (до 1200-1300° С) и в выгазованном пространстве; наличие избыточного давления в подземном газогенераторе; конструкция подземного газогенератора и режимы газификации; деформация углевмещающих пород кровли и почвы за счёт процессов сдвижения и температурного воздействия; осушение участков газификации и водоотлив из выгазованиых пространств.

Среди природных (ракторов, влияющих на загрязнение подземных вод, важными являются: изолированность угольного пласта от наиболее проницаемых пород почвы и кровли и от водоносных горизонтов; проницаемость вмещающих пород и угольного пласта; водонасыщеиность углевмещающих пород и гидродинамический характер водоносных горизонтов; литология пород почвы и кровли угол),кого пласта, сорбционные свойства пород.

Степень поздейстпии на подземные воды техногенных флкто-рон п значительной мере определяется природными (факторами, или шнчр. геологическими и гидрогеологическими условиями месторождения.

В целом углрпмешаюгцая толща пород участка исследований, представленная переслаиванием алевролитов, плотных аргиллитов , посчаникои и углей балахонской серии кижнс-нсрмского возраста, обладает низкой проницаемостью и водонасмщенностью и харате-рипуется коэффициентом фильтрации 0,012-0,Зм/сут. Это является положительным фактором, уменьшающим опасность интенсивной миграции зафязнения. Следует отметить, что горный отвод станция " Подземгаз как объект исследований является весьма сложным, в связи с тем, что большая часть угольных запасов за 37 лет

Иэолкромкностъ угольного 0Л4СТ* от вАк&олз« сроияцдеыых пор<м оочвы ■ кровля и юдоносньд гормэоктр»

Водонасыщекмосгь углеамещдющмх пород я пцрсущямосчедш! х*р«кггр юдоносвцд гор и х>кто»

Прояяц*емосгъ угля м вмеимющях порол

Литология оороА почвы я к.рояля угольного плдст«

Сорбцмояние свойств« оород

Выстжд« тэмоврвтуры в очаг« горенкж

Избыточно« двяление • г» эо генератор«

IV Деформация углевн«щ«ющкх I

КоАсбим уровня подземных »од ■ увеличение облаете фильтрация гам

Поступление кислорода. аэота С яозаУ*ОИ даклиш

Обрив колонн техиолоптесмп скмжяи ■ увелхчеяме утечек гв»а

Ш' Конструкция поаэ«много газогенератора к режимы гъэмфикааим

ОбраЭОМИИ« ГЯЭО 11 воде — врояодящих грсшми

Сяяжеяяе уровяя оорсмякх ма я уМЛЯЧекЯ* ОблдСТЯ фяльтрддяя ПМ

V Осуттгм участие* гжэяфякация

Рпс. 1. Классификация факторов экологического воздействия процесса ПГУ на подземные воды

отработана методом ПГУ. Здесь выделены источники как теплового загрязнения, так и несколько разнородных источников химического загрязнения.

Процесс газификации осуществлялся на дутье низкого давления до 2-2,5 ати, а при создании первоначальных каналов газификации и в процессе сбоечных работ применялось дутьё высокого давления до 50-70 ати, что в свою очередь влияло на степень загрязнения подземных вод. В выгазованном пространстве действующего генератора статическое давление колебалось от 0,5 до 1,2 ати.

На основании анализа источников и путей миграции возможного загрязнения исследования закономерностей химического и тепловою взаимодействия подземных вод с очагом загрязнения были сосредоточены на участке действующего газогенератора № 17, на отработанных газогенераторах, а также на участке хранения конденсата.

Решение поставленных задач потребовало, проведения в полевых условиях качественных аналитических исследований химического состава подземных вод (определение макро и микрокомпо-нептного их состава, а также загрязняющих компонентов); детальных исследований гидродинамического и температурного режима подземных вод ; опытно-фильтрационных работ на ключевых участках загрязнения.

В лабораторных условиях необходимым было проведение исследований по определению параметров физико- химического взаимодействия загрязненного фенолом потока подземных вод на образцах прогретого и сырого угля, отобранного из скважины на участке горного отвода.

Целью проводимых полевых наблюдений и исследований, в совокупности составляющих систему мониторинга за качеством подземных вод, являлось выявление закономерностей формирования гидродинамического, температурного и геохимического режимов подземных вод, а также получение фактологической базы для фильтрлционно-миграцнонной модели, с помощью которой будет решена задача прогноза распространения зафязнения за пределы горною отвода.

Для проведения целенаправленных натурных исследований была создана специальная площадная режимная сеть гидронаблю-дательиых скважин, расположенных как вдоль, так и вкрест направления основного переноса потока подземных вод, с элементами детального контроля в ключевых участках загрязнения .

Всего пробурено 23 гидроиаблюдательные скважины. Общий метраж бурения составил 2933 м. Каждая из гидронаблюдательных скважин вскрывает тот или иной угольный пласт , в связи с чем их глубина меняется от 50 до 325 м. Большая часть скважин предна-

значена для контроля за миграцией загрязнения от действующего газогенератора №17 . Часть скважин пробурена па выгазонанные пространства отработанных газогенераторов, а также на участке хранения конденсата. В систему мониторинга включены технологические и водоотливные скважины на действующем и отработанном газогенераторах, квершлаги шахты "Киселевская", участки ответственности разреза им. Вахрушева, колодцы па жилпоселке.

Период наблюдений на газогенераторе №17 составил 9 лег, а на остальной площади, по скважинам режимной сети, 4,5 года.

Анализ гидродинамического режима показывает, что за счет водоотлива и выноса влаги вместе с газом на поверхность в течение всего периода работы газогенератора сохраняется глубокая депрессия ( на 240 м )подземных вод с направлением потока под в сторону выгазованного пространства, что является положительным ((¡актором, препятствующим распространению загрязнения за пределы газогенератора. Восстановление уровня подземных вод на газогенераторе, после чего возможно ожидать распространения загрязнённого потока за пределы участка газификации, происходит в течение 1 года после окончания работ по газификации.

Исследования температурного режима подземных вод на участке горного отвода проводились с целью получения общей картины термического воздействия очага горения на подземные воды в условиях длительной отработки месторождения методом ПГУ с планомерным размещением отдельных газогенераторов на значительной площади (4,5 км2). Исследовались закономерности изменения температуры откачиваемых подземных вод в процессе газификации и после ее окончания. Проводилось термометрическое зондирование на участках отработанных газогенераторов для выяснения закономерностей формирования изотерм в выгазованном пространстве в условиях крутопадающих слоев. Особое внимание уделялось вопросам миграции теплового загрязнения за пределы участков газификации.

Анализ температурного режима подземных вод показал :

- в процессе газификации, на действующем опытно-промышленном газогенераторе № 17 температура воды, откачиваемой из выгазованного пространства, изменялась от +9 до +65° С и зависела от интенсивности процесса ПГУ, близости скважины к очагу и степени осушения газогенератора;

- а условиях крутопадающих пластов температурные аномалии длительное время сохраняются в верхней части газогенератора, нижняя часть газогенератора остывает в первую очередь;

- длительно сохраняющиеся температурные аномалии наблюдаются на ранее отработанных участках газификации угольных пластов мощностью 4-8 м ( воды прогреты до 50-60°С )и обьясня-ются аккумуляцией в них значительного количества тепла, выде-

лившегося в промессе газификации и зависящего от объёма вы-газованного угля, к.п.д. газификации и времени с момента окончания газификации;

- глубина прогрева подземных вод (до + 40°С) вокруг газифицируемых пластов зависела от размеров зоны обрушения, проницаемости пластов и направления потока подземных под, и составляла вокруг пласта "IV Внутреннего" (мощностью 0 м ), как п сторону почвы, так и в сторону кровли соответственно 30-40 м, а вокруг пласта " II Внутреннего " ( мощностью 2 м ), соответственно 0-13 м , а по простиранию угольного пласта достигала 100 м;

- подземные воды месторождения за счет длительной его отработки методом ПГУ прогреты в целиках на глубине 100-150 м до 2225° С и но сравнению с фоновой температурой (+б°С) имеют аномально высокие значения;

-после восстановления уровней подземных вод наблюдается медленное снижение их температуры, в среднем составляющее + 2®С в год, что объясняется процессами разбавления гидротерм холодными водами данного месторождения, отмечалась миграция теплового потока от отработанных газогенераторов, теми повышении температуры подземных вод и скорость миграции зависели от исходной температуры в отработанном газогенераторе и от гидравлического градиента потока подземных вод.

Исследования закономерностей формирования химического состава подземных вод проводили в процессе газификации (пласт "II Внутренний"), а также после сё окончания. Полученные закономерности изменения концентрации фенолов и минерализации подземных вод, а также зависимость концентрации фенолов от интенсивности ПГУ приведены на рис.2.

Формирование химического состава подземных вод на участке газификации определялось воздействием на подземные воды газогенераторных газов, интенсивным взаимодействием воды с вмещающими породами в условиях высоких температур, а также испарением подземных вод.

В процессе газификации подземные воды насыщаются свободной углекислотой и аммиаком. Содержание диоксида углерода, в присутствии которого повышается растворяющаяся способность воды, достигает 90-150 мг/л, попа аммония 40-60 мг/л. Наблюдается рост общей минерализации откачиваемой поды до 1700-2000 мг/л в основном за счёт ионов НСО3, SC>4( NH4. Содержание гндрокарбо-нагнои углекислоты достигает 1600 мг/л, сульфатов 800 мг/л. Подземные воды дополнительно обогащаются нонами железа. Концентрация двухвалентного железа достигало 2,0 мг/л, трёхвалентного железа 0,5 мг/л. Снижается РИ водной среды. По типу минерализации подземные воды становятся пшертермальными пгдрокорбо-иатно-сульфатиымн натриевыми, кислыми.

Л Г» ... 1 .... I .,..<.... I .... I .... I ■ .

1 2 3'

интенсивность газификации, т/час

Рис.2 Графики изменения минерализации, концентрации сульфатов,

фенолов в подземных водах в процессе водоотлива и зависимость концентрации фенолов от интенсивности процесса газификации ( по скважинам а-верхнего, б-нижиего розжигового рядов )

Анализ проведенных исследований показал, что на режим и состояние подземных вод значительное влияние оказывает избыточное давление газов в зоне газификации угля. Вокруг выгазован-ного пространства образуется зона с избыточным давлением на зеркало подземных вод. Утечки газа составляли 7-15% . Образующиеся побочные продукты термического разложения угля (смолы, фенолы,цианиды и др.соединения) реагируют с частью воды, перешедшей из капельно-жидкого состояния в пар. Парообразная вода в дальнейшем конденсируясь насыщает подземные воды органическими веществами.

Анализ представленного материала по загрязняющим компонентам показывает, что за весь период наблюдения роданиды в подземных водах выгазованного объёма обнаружены но были. Цианиды по большинству проб отсутствовали или их концентрации не превышали ПДК для питьевого водоснабжения и лишь по единичным пробам незначительно превышали их.

Содержание фенолов колебалось от 0,0009 до 0,02 мг/л (ПДК -0,001 мг/л). Максимальная концентрация фенолов отмечалась в период наиболее интенсивного ведения процесса. После окончания работ по газификации в процессе откачки воды концентрация фенолов, основных анионов и катионов снижалась, а через 3 месяца содержание фенолов не превышало ПДК.

После прекращения работ но газификации в течение четырехлетнего периода наблюдений в пробах воды, отобранных с заданной глубины пробоотборником, концентрация фенолов не превышала 0,0037 мг/л, минерализация подземных вод снизилась до 000 мг/л.

Определённый интерес представляет сравнение химического состава газового конденсата, отобранного из газоотводящей скважины 7г, с химическим составом воды, откачиваемой из канала газификации той же скважины через водоотливную скважину 39. Как видно из табл. 1, в конденсате содержание вредных примесей таких, как фенолы, роданиды, цианиды,в 1000 раз выше, а нонна аммония в 300 раз выше, чем в подземных водах, откачиваемых из канала газификации этой же скважины. Это указывает на то, что образуемые продукты неполного сгорания угля вместе с газом и испаренной влагой практически полностью выносятся из газогенератора на дневную поверхность. В подземных же водах выгазованного объёма их остаётся лишь тысячная доля процента (0,007%)от общего содержания загрязняющих веществ в конденсате.

Специальные исследования микрокомпонентного состава подземных вод показали, что из 27 микрокомпонет-ов, содержащихся в откачиваемой воде, лишь концентрация таких компонентов, как литий, бериллий, марганец и железо, незначительно превышает ПДК для воды, предназначенной для объектов хозяйствснно-

Таблица 1

Содержание загрязняющих компонентов в пробах, отобранных в процессе газификации на газогенераторе № 17

№ Место отбора пробы Фенолы, мг/л Цианиды, мг/л Роданнды, мг/л Аммоний, мг/л

(дата отбора) летучие нелетуч.

1. Газоконденсат на выходе из скв. 7г (май 1991г.) 1366,4 32,9 75,8 530,7 2602

2. Газокоиденсат на выходе из скв. 7г (август 1991г.) 310,0 1,6 1,84 7,0 3963

3. Газокоиденсат на слипе в хранилище (май 1991г.) 80,0 0,7 1,4 2,2 """

4. Вода из скруберов после биоочистки (ноябрь 1991г.) 0,2 0,0 Не обнаружены Не обнаружены 19,3

5. Подземные воды из скв. N3 39 (май 1991г.) 0,09 Не обнаружены 0,10 Не обнаружены ■ 0,2

6. Подземные воды из скв. № 39 (август 1991г.) 0,003 Не обна ружены 0,14 Не обнаружены 7,4

7. Подземные воды из скв. N5 30 (май 1991г.) 0,009 Не обна ружены 0,24 Не обнаружены 4,9

питьевого и культурно-бытового водопользования. Конденсат, поступающий на биоочистку, существенно загрязнён рядом микроэлементов: бериллием, вольфрамом, железом, кадмием, литием, марганцем и свинцом.

Таким образом, анализ исследований, проведенных в период газификации, позволяет утверждать: основная часть загрязняющих компонентов выносится вместе с газом в виде конденсата на дневную поверхность.

Анализ данных, полученных по скважинам, осуществляющим контроль за распространением загрязнения, показал (рис. За), что повышенное содержание фенолов в подземных водах на расстоянии 100м от газогенератора № 17 отмечалось в период, когда за счёт водоотлива в центральной части газогенератора на значительной площади сохранялась депрессия подземных вод, очаг горения в верхней части газогенератора оставался не затопленным и продолжались процессы догазовки отдельных, целиков. Всё это, а также работы в центральной части газогенератора (подача дутья высокого давления) способствовало миграции утечек газа по осушенной толще пород. Повышенное содержание фенолов и аммония в подземных водах объяснялось процессами конденсации влаги газа утечек и растворением её в подземных водах. Депрессия подземных вод, существующая в этот перид в районе действующего газогенератора, способствовала локализации загрязнённого потока подземных вод в районе газогенератора.

По скважинам, расположенным на расстоянии 300 м от газогенератора, изменение химического состава подземных вод практически отмечено не было, что свидетельствует о выпадении конденсационной влаги утечек парогазовой смеси в непосредственной близости от очага газификации.

Как показали исследования, проведенные по скважинам, контролирующим распространение загрязнения за пределы газогенератора, после восстановления уровня • подземных вод и полного затопления очага горения ни в одной из контрольных точек наблюдения концентрация фенолов и аммония практически не превышала ПДК для питьевого водоснабжения ( рис 3 б,в ).

Таким образом, общий анализ гидродинамического и геохимического режимов подземных вод показал:

вокруг действующего газогенератора (за счет откачки воды из выгазованного пространства и выноса влаги с отводимым газом) создается глубокая депрессия подземных вод, локализующая загрязнение и препятствующая распространению его за её пределы;

в процессе газификации основная масса загрязняющих компонентов выносится вместе с газом на поверхность в виде конденсата, в подземных водах в процессе осуществляемого водоотлива максимальная концентрация фенолов не превышала 0,02 мг/л;

0.550-

0.075 3- 1 *

0.063 1

а \ чч \

о \

«0.050- V \

в \ > ^

ашз- 1 \

о - ----- I

о.оо<,а

в 0.0014

169

100

юо

адо

100

I,*

1 к -V -

-6 ^ч в V "5 \

- • XV

- • .*- \ ^ П ДХ«.ммани № ¡Гд^Фвмода

1 1 1 1.

100 300

400

500

115

* —

----Ц

50

100

I,.

Рис. 3 ДИНАМИКА МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ : а - в период газификации от действующего газогенератора (г/г) № 17 ; б - после восстановления уровней воды от отработанного г/г № 17 ; в - от отработанного газогенератора № 5 ; г - от участка наземного хранения конденсата ( I — снижение концентрации фенолов, II - снижение концентрации иона аммония )

после окончания работ по газификации и продолжающегося водоотлива происходит снижение концентрации загрязняющих компонентов до значений ниже ПДК;

мшрацня загрязнения за пределы участка газификации после её окончания не наблюдалась, хотя в подземных водах выгазован-ного обьема концентрат«! фенолов составляла 0,00375 мг/л , иона аммония 5,4 мг/ л (выше значений ПДК), это обьясняется, вероятно, процессами сорбцини загрязняющих веществ породами, за счет чего происходит естественное самоочищение подземных вод.

Анализ результатов исследований на отработанных газогенераторах показал, что несмотря на более чем тридцати и двадцатилетний период с момента окончания на них газификации подземные воды выгазованных обьемов метаморфизованы. Степень мета-морфизации их различна и зависит в первую очередь от мощности газифицируемого угля, а также от времени с момента окончания на них газификации.

Общим для подземных вод на отработанных газогенераторах является несколько повышенное содержание в них диоксида углерода, достигающее в среднем 70 мг/л, иоиа аммония 4-0 мг/л, трехвалентного железа 0,9 мг/л, фенолов 0,002-0,005 мг/л. Характерно, что повышенные значения вышеуказанных компонентов отмечались на участках, где отрабатывались наиболее мощные пласты " IV Внутренний" и "Горелый" и где длительное время сохраняются аномально высокие температуры подземных вод ( участки терм ).

Аномальный для данного месторождения геохимический состав подземных вод на данных участках обьясняется наличием в выгазованных пространствах остаточных продуктов газнфихации (золы, шлаков, смол и горячей воды).

Анализ динамики техногенной метаморфизацин подземных вод позволяет утверждать, что после естественного восстановления уровня подземных вод в течение трехлетнего периода наблюдений произошло практически повсеместное опреснение вод. Сульфатно-гидрокарбонатные кальциево-натриевые воды на отработанных газогенераторах стали гидрокарбонатиыми кальциево-натриевымн водами. Миграция и аномальный гидрокарбонатно-сульфатный состав подземных вод с повышенным содержанием загрязняющих компонентов наблюдались лишь в районе расположения газогенераторов № 2 и №15, куда производили слив конденсата.

Анализ гидрогеохнмического режима подземных вод на участке траншеи наземного хранения конденсата (вырытой в четвертичных суглинках) показал, что на данном участке происходит интенсивное загрязнение подземных вод. Отмечена миграция загрязненного потока подземных вод в сторону шахты "Киселевская ". Воды слабосолоноватые, аммонийные, гидрокарбонатные натриевые с

повышенным содержанием фенолов. В скважинах, расположенных на расстоянии 12 м от траншеи, концентрация гидрокарбонатного иона достигала 3125 мг/л, карбонатного иона 625 мг/л, иона аммония 225 мг/л, диоксида углерода 400 мг/л,' фенолов 15 мг/л и минерализации 3840 мг/л. Анализ данных по скважине, расположенной на расстоянии 60 м от траншеи ( рнс.З г ), свидетельствует о резком снижении концентраций вышеперечисленных компонентов ( концентрация фенолов 0,9 мг/л ), что обьясняется, вероятно, процессами сорбции, окисления и разбавления загрязненных вод породами и подземными водами. На основании полученных данных был сделан вывод о протекании в толще пород процессов самоочищения подземных вод. После естественного подъема уровней подземных вод и подтопления траншеи с конденсатом на расстоянии 60 м от неё концентрация фенола снижается с 0,9 до 0,0025 мг/л , а через три года не превышает ПДК.

Таким образом, участки поверхностного хранения конденсата являются источниками интенсивного загрязнения и должны быть ликвидированы.

Анализ гидрогеохимических исследований, проведенных по скважинам, расположенным за пределами горного отвода, подтверждает вывод о самоочищении подземных вод. Ни в одной из проб за многолетний период наблюдений компоненты загрязнения обнаружены не были. Последнее может происходить за счёт естественных сорбционных свойств горных пород, а также увеличения ёмкостных, а также сорбционных свойств прогретой толщи пород и пород, заполняющих выгазованное пространство отработанных газогенераторов.

Для подтверждения данной гипотезы с целью выяснения механизма физико-химических процессов взаимодействия загрязнённых подземных вод с углём и вмещающими породами и получения сорбционных параметров, необходимых для проведения расчётов миграции загрязнения за пределы газифицируемой площади, проводились лабораторные исследования в статических и динамических условиях .

Так как основным загрязняющим компонентом при ПГУ является фенол, лабораторные исследования сорбционных свойств проводились относительно фенола.

В связи с тем, что угольные пласты по отношению к вмещающим породам обладают более высокими фильтрационными свойствами, а также учитывая анизотропию толщи пород, обеспечивающую миграцию загрязненного потока подземных вод по простиранию пород, исследования проводились на угле (сыром н прогретом марки ГЖ), по которому в первую очередь будут фильтроваться загрязненные фенолом воды. Для проведения экспериментов на

прогретом угле осуществляли предварительную его термоподготовку (до 400°С).

Исследования проводились при исходной концентрации фенола в растворе, равной 0,04 мг/л (первая серия экспериментов) и 1,0 мг/л (вторая серия экспериментов), что соответствовало концентрациям фенола в подземных водах в природных условиях. Эксперименты проводились при температуре +20°С на модельных растворах, приготовляемых из водопроводной воды и фенола ч.д.а. (С6Н5ОН). Контроль за содержанием фенола осуществлялся с помощью унифицированного метода - по образованию окрашенного соединения с 4-аминоантииирином. Для сравнительной оценки ад-сорционной способности природного угля использовали активированный уголь марки АГ-3.

Для качественной оценки сорбционных свойств угля проводили исследования по экспресс-методике, разработанной для природных углей в ИПКОН РАН. Анализ полученных данных показал, что природный уголь марки ГЖ обладает хорошими сорбционны-ми свойствами и может быть использован как адсорбент для очистки сточных вод. Адсорбционная способность прогретого угля значительно выше и практически близка к активированному углю.

Целыо исследований в статических условиях являлось определение кинетики адсорбции, отражающей скорость протекания процесса и построение изотерм адсорбции для получения адсорбционных характеристик угля.

При проведении исследований в динамических условиях предполагали, что условия опыта моделируют процесс адсорбции фенола углем в природных условиях ( при продвижении по нему загрязненной воды от отработанных газогенераторов ). Всего было проведено пять экспериментов при различных исходных концентрациях: 0,022-0,064 и 0,45 мг/л.

Выполненные исследования адсорбционной способности образцов угля в статических и динамических условиях показали:

при контакте с загрязнённой водой природный уголь адсорбирует фенолы на своей поверхности, в связи с чем происходит очистка воды ;

прогретый уголь в зоне газификации адсорбирует фенолы из воды более эффективно, чем непрогретый, поэтому концентрация фенолов в воде вне зоны прогрева, по потоку подземных вод, будет ниже, чем в центральной части зоны;

определённые на первом этапе работы (при исходной концентрации фенола 0,04 мг/л) адсорбционные ёмкости прогретого и непрогретого угля ( для сырого 2,5 мкг/г, для прогретого 9 мкг/г) не являются максимальными и могут многократно возрастать за счёт увеличения времени контакта в реальных условиях, а также

при повторном контакте с загрязнённой водой за счёт полнмолеку-лярной адсорбции;

величина сорбции зависит от методики определения, наиболее высокая сорбируемость наблюдалась в статических условиях, низкая - в динамических;

полученные по стандартной методике в статических условиях адсорбционные характеристики (при исходной концентрации фенола в растворе 1 мг/л) дали возможность определить значение постоянной линейной изотермы Генри и коэффициента распределения Р для сырого и прогретого угля. Показатель сорбируемости Р, составляющий 0,00024 для сырого и 0,000105 для прогретого угля характеризует заметную сорбцию фенола, увеличивающуюся от сырого к прогретому углю. Полученные значения необходимы для прогноза миграции загрязнения, учитывающего процессы сорбции, протекающие в толще пород.

Для прогноза распространения загрязнения использовалась программа "р", позволяющая учитывать изменение пористости пород и коэффициента фильтрации в водоносном пласте, что характерно для участков ПГУ, осуществлять прогноз не только от точечного источника загрязнения, но и от сложившегося ареала, учитывать кинетику сорбции загрязнения. Была проведена адаптация существующей профильной фильтрационно-миграционной модели к условиям Южно-Абинской станции "Подземгаз".

Расчеты миграции загрязнения проводились от участка наземного хранения конденсата и от отработанного газогенератора N517. При расчетах миграции от газогенератора №17 были использованы параметры сорбции, полученные в лабораторных экспериментах, что позволило осуществить более надежный экологический прогноз миграции загрязнения.

Результаты расчетов позволяют утверждать, что на участке храпения конденсата в связи с малым гидравлическим градиентом потока подземных вод даже при низких сорбционных свойствах пород формируется стационарный ареал загрязнения, не доходящий до шахты " Киселевская что подтверждается данными, полученными в природных условиях.

Результаты расчетов миграции от отработанного газогенератора показали:

повышенные значения активной пористости, характерные мя отработанных площадей, замедляют скорость распространения загрязнения ;

за счет высоких сорбционных свойств угольного пласта происходит снижение концентрации фенола по пути миграции потока подземных вод.

Отмечено снижение концентрации фенола в ядре ареала загрязнения с 1 до 0,2 (в относительных единицах), Выполиешгые

расчеты на различные периоды времени от 30 суток до 20 лет показали, что уже на расстоянии 90 м от газогенератора максимальная их концентрация не превышает 0,0015мг/л ( 0,4 в относительных единицах ), что практически близко к ПДК . На расстоянии 200 м концентрация фенолов не превышает 0,0008 мг/л (0,2 в относительных единицах), что ниже ПДК для питьевого водоснабжения. Сравнение расчетных данных с фактическими на период наблюдений 3,5 сода показывает их хорошую сходимость .

В результате проведенных исследований разработан комплекс мероприятий по защите подземных вод от химического и теплового, загрязнения. Первоочередным техническим мероприятием должно явиться прекращение сброса конденсата в четвертичные глинистые отложения. Газовый конденсат следует сливать в специально подготовленные котлованы с бетонированными основаниями и бортами. В качестве инженеро-технических мероприятий, снижающих утечки газа, для действующего подземного газогенератора предлагается способ поддержания в нём давления, равного или несколько меньшего существующего давления в этой зоне столба подземных вод, и проведение процесса газификации на режимах нагнетатель-но-отсасывающей системы. Для отработанных газогенераторов рекомендуется производить откачку воды из выгазованных пространств после окончания газификации до полного прекращения выноса загрязняющих веществ на земную поверхность с их последующей очисткой, а также ликвидацию отгазованных площадей путём тушения остаточных очагов горения и их глинизацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований в диссертационной работе решена актуальная научно-практическая задача комплексной оценки степени негативного воздействия процесса ПГУ на гидросферу, основанная на анализе формирования и прогнозе распространения зон загрязнения подземных вод при газификации угольных пластов, и разработаны мероприятия по их защите.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Получены основные количественные закономерности изменения химического состава и температуры подземных вод в процессе газификации. Показано, что основная масса загрязняющих веществ (фенолов, роданидов, цианидов, аммония) выносится вместе с газом на поверхность в виде конденсата. Максимальное содержание компонентов загрязнения отмечено в период газификации, когда вокруг газогенератора существует депрессия подземных вод, препятствующая распространению загрязнения. Эксперимен-

талыю доказано, что после прекращения газификации в процессе продолжающегося водоотлива уже через три месяца концентрации загрязняющих веществ не превышают ПДК.

2. Установлено, что в рассматриваемых геолого-гидро-геологичсских условиях после прекращения газификации и естественного восстановления уровней подземных вод по пути миграции загрязнения происходит самоочищение подземных под, что объясняется процессами сорбции загрязняющих веществ углем и породами.

3. Отмечена миграция теплового загрязнения за пределы газогенераторов. Вся толща пород горного отвода до глубины 100 м прогрета до + 25°С. Установлено, что на рапеее отработанных участках газификации мощных пластов длительное время сохраняются температурные аномалии, температура терм достигает + 60°С.

4. Установлены закономерности формирования ареалов химического и теплового загрязнения подземных вод на различных участках загрязнения: в процессе газификации на действующем газогенераторе; на отработанных газогенераторах; на участке наземного хранения конденсата. Определено, что основным источником химического загрязнения является участок наземного храпения конденсата, который должен быть ликвидирован. Экспериментально доказано, что в рассматриваемых условиях после прекращения газификации концентрация фенолов в подземных подах превышает ПДК в 2-5 раз, что для способа ПГУ можно считать малой степенью их загрязнения.

5. В результате исследований адсорбционных свойств сырого и прогретого угля в статических и динамических условиях были определены их адсорбционные емкости, постоянные линейной изотермы Генри и коэффициенты распределения Коэффициент распределения , составляющий 0,00024 для сырого и 0,00010 для прогретого угля, характеризует заметную сорбцию фенола, увеличивающуюся от сырого к прогретому углю.

6. Осуществлен прогноз формирования и распространения ареала загрязнения подземных вод с помощью фильтрацнонно-миграциониой модели с уютом полученных п лабораторных условиях сорбциоиных параметров угля, что позволило осуществить более надежны/! экологический прогноз, подтвержденный результатами исследований, полученными в полевых условиях. Разработанная методика прогноза дает возможность прогнозирования гид-рогоохимической обстановки па различных участках от разнородных источников загрязнения.

7. Разработан комплекс мероприятий по защите подземных вод от химического загрязнений (для действующего, отработанного газогенераторов и участка хранения конденсата), позволяющий спе-сти до минимума п с гатит го о воздействие ПГУ на подземные поды.

8. Выбор участка для ПГУ следует осуществлять с учетом возможных экологических последствий данной технологии, опираясь при этом на разработанную классификацию, позволяющую уже на стадии проектирования предприятия выбирать рациональную схему отработки угольного месторождения, конструкцию газогенератора, режимы осушения и газификации и необходимость разработки природоохранных мероприятий.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1. Подземная газификация углей и охрана окружающей среды // Известия ИГД им. А.А.Скочинского, № 1 - М., 1991. - С. 199-201 (соавторы Е.В.Крейннн, Р.И.Антонова, Е.В.Гурьянова).

2. Влияние подземной газификации углей на окружающую среду // Сб. докладов: Семинар по подземной газификации углей.-Кемерово, 1992. - С.52-59 (соавтор Р.И.Антонова).

3. Загрязняются ли подземные воды при газификации угольных пластов? // Уголь. - 1993. - № 4 - С. 39-40. (соавторы Е.В.Крейннн).

4. О взаимодействии подземных вод с очагом при подземной газификации углей // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых / АН РФ,- Новосибирск, 1993.- №5.- С. 73-78 (соавтор Е.В. Крейнин).

5. Исследование особенностей взаимодействия продуктов газификации угольных пластов и подземных вод // Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А. А. Скочинского. - 1994.- Вып. 295.- С. 48-56 -

6. Роль сорбционных свойств угля марки ГЖ в процессах самоочищения подземных вод // Уголь.- 1996.- № 5.- С. 45-47.

7. Основные факторы, влияющие на режим и загрязнение подземных вод при газификации угольных пластов // Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1996. - Вып. 304.