Характеристика шахтных вод

Формирование шахтных водопритоков зависит от гидрологических, горно-геологических и горно-технических факторов: вида подземных вод — почвенных, грунтовых или межпластовых; глубины горизонта; мощности и угла падения пласта; состава и строения вмещающих пород; сернистости угля; принятой системы разработки месторождения. По физико-химическому составу шахтные воды принято подразделять на кислотные, минерализованные и загрязненные взвешенными частицами угля и породы. В шахтных водах в различных соотношениях содержатся также ионы железа, алюминия, кремния, кальция, магния, хлора, цинка, меди, SO4в2-, HCO3-, H+. Во всех шахтных водах присутствуют, кроме того, бактерии.
Агрессивность шахтных вод оценивается концентрацией водородных ионов (pH) и зависит не только от исходного гидрологического состояния, но и от скорости течения воды по выработкам, ее застаивания в старых выработках, капежа, расстояния водопритока от ствола, глубины горизонта. Наиболее агрессивными являются кислотные воды, которые образуются, главным образом, при значительном содержании в пластах серного колчедана FeS2. Даже щелочные и нейтральные воды, проходя через пласт, содержащий колчедан, вступают с ним в реакцию и обогащаются водородными ионами, превращаясь в кислотные воды. Заметим, что кислотные воды возникают только на шахтах, разрабатывающих наклонные высокосернистые пласты угля.
Формирование шахтных вод на верхних горизонтах происходит под влиянием преимущественно окислительных процессов. При соприкосновении пирита с рудничной водой под воздействием воздуха и растворенного в воде кислорода образуются сульфаты закиси железа и свободная серная кислота:

В результате дальнейшего протекания химической реакции двухвалентное железо окисляется до трехвалентного:

В слабокислых растворах сульфат трехвалентного железа гидролизуется и образует в коллоидном растворе основные соли. Они и придают кислотным шахтным водам характерный желтокоричневый цвет. Для нижних горизонтов более характерны восстановительные процессы, в них происходит обмен ионов кальция воды на ионы натрия пород. Проявляющаяся здесь также деятельность десульфирующих бактерий способствует формированию щелочных вод гидрокарбонатно-натриевого типа.
В соответствии с указанными условиями формирования шахтные воды различных угольных бассейнов приобретают свои характерные особенности, определяющие степень их агрессивного воздействия на материал элементов крепления горных выработок и шахтного оборудования. Наиболее агрессивными являются шахтные воды Кизеловского угольного бассейна, разрабатывающего преимущественно средние и мощные крутопадающие пласты (0,9—2,8 м) с высоким содержанием серы (5—6%) в виде пирита.
Вследствие этого шахтные воды Кизеловского бассейна характеризуются весьма высокой кислотностью (pH = 2,1-7,3). Кроме того, эти воды отличаются значительным содержанием сульфатов (до 6300 мг/л), наличием хлоридов, закисного и окисного железа, повышенной загрязненностью взвешенными частицами Для шахт Кизеловского бассейна характерна также высокая водообильность, достигающая в некоторых шахтах 50—60 тыс. м3/сут.
Сильно коррозирующими являются также шахтные воды Донбасса и Подмосковного бассейна, средняя сернистость углей в которых составляет 3,5%. Шахтные воды Донбасса весьма различны по показателю концентрации водородных ионов (от кислотных вод pH 3 до щелочных), являются жесткими, высокоминерализованными с повышенным содержанием сульфатов, карбонатов, хлоридов, закисного и окисного железа.
По концентрации солей свыше 58% шахтных вод относятся к солоноватым (1—3 г/л), 36% — к засоленным (3—10 г/л). По коррозирующему воздействию на металлы и бетон шахтные воды Донбасса приближаются к сильно агрессивным морским водам.
Кислотность шахтных вод Карагандинского угольного бассейна характеризуется величиной концентрации водородных ионов от pH 5,5 (кислая среда) до pH 8,2 (щелочная). Воды Карагандинских шахт отличаются большой жесткостью и содержанием значительного количества минеральных включений. При этом минеральный остаток преимущественно представляет собой соли сульфатно-хлоридно-натриевых групп с высоким содержанием ионов SO4в2-, Cl-, K+, Na+. В целом шахтные воды Карагандинского бассейна по отношению к металлам и бетону являются агрессивными.
Шахтные воды Кузнецкого, Челябинского и Печорского угольных бассейнов относятся, как правило, к нейтральным или слабощелочным. Содержание минеральных включений и взвешенных частиц в этих водах незначительно Поэтому по отношению к металлам и бетону воды этих бассейнов менее агрессивны, чем донецкие или кизеловские.
Учитывая, что агрессивность шахтных вод обусловливается не только низким значением pH, но и высокой минерализацией, концентрацией закисного и окисного железа, солей угольной кислоты, наличием ионов хлора и сульфатов, растворенного кислорода, аммиака и других веществ, в общем случае все шахтные воды следует отнести к оказывающим агрессивное воздействие на металлические и железобетонные конструкции.