Застосування скиду кар’єрної і підземної води при осушенні родовищ корисних копалин для видобутку електроенергії

Застосування скиду кар'єрної і підземної води при осушенні родовищ корисних копалин як засобу видобутку електроенергії за допомогою гідроагрегатів малих та мікроГЕС. (19) (21) u200900181 (22) 12.01.2009 (24) 10.01.2011 (46) 10.01.2011, Бюл.№ 1, 2011 р. (72) КЛИМЕНКО АЛЕКСІЙ АЛЕКСІЙОВИЧ, ВОЛКОВ ОЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ, КОВАЛЕНКО ВІТАЛІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ 3 Технічний стан тих, що діють ГЕС характеризується значно або повністю зношеним основним гідросиловим, гідротехнічним і електротехнічним устаткуванням; наявністю несправностей в спорудах напірного фронту, які можуть стати причиною виникнення аварійних ситуацій; замулюванням водосховищ; зростанням огорожі води на неенергетичні потреби; розмивами кріплень водозливних і берегових ділянок нижніх б'єфів і тому подібне У статті Андрія Жуматного від 20 жовтня 2006 року «Малі гідроелектростанції позеленіють» на сайті наводяться дані, що в Україні діють близько 50 малих ГЕС, сумарна потужність яких складає приблизно 100 Мвт (для порівняння - це менше потужності одного енергоблока ТЕС). Середньорічне вироблення електроенергії МГЕС, що діють, складає 300-400 млн, квт/ч. Близько сотні електростанцій, проектною потужністю 21,5 Мвт, ще підлягають відновленню. А в статті «Мала гідроенергетика» на сайті сказано, що мала енергетика України із-за її незначної питомої ваги (0,2 %) в загальному енергобалансі не може істотно впливати на умови енергозабезпечення країни. Проте експлуатація малих ГЕС дає можливість виробляти близько 250 млн. квт·ч електроенергії в рік, що еквівалентно щорічній економії до 75 тис. тонн дефіцитного органічного палива. По попередніх підрахунках технічний гідроенергетичний потенціал малих річок складає 0,7 млн.квт (6,4 млрд.квт.ч) або 30 % від загального технічного потенціалу всіх річок України (21,5 млрд. кВт.ч.). Економічний гідропотенціал малих річок України може бути оцінений у розмірі 1.3- 1,6 млрд.квтч. Як ми бачимо Україна не використовує весь той гідропотенціал, який закладений самою природою. Тому становить зрозуміло, чому в наший країні ще не замислювалися, щоб навчитися отримувати вигоду від прихованих під землею підземних вод. Гідроагрегат малої та мікроГЕС (МГЕС) складається з турбіни, генератора і системи автоматичного управління. По характеру використовуваних гідроресурсів МГЕС можна розділити на наступні категорії: нові руслові або пригребельні станції з невеликими водосховищами; станції, що використовують швидкісну енергію вільного перебігу річок; станції, що використовують існуючі перепади рівнів води. Використання енергії невеликих водотоков за допомогою малих та мікроГЕС є одним з найбільш ефективних напрямів розвитку поновлюваних джерел енергії. Одним з основних достоїнств об'єктів малої гідроенергетики є екологічна безпека. В процесі їх споруди і подальшої експлуатації шкідливих дій на властивості і якість води немає. Сучасні станції прості в конструкції і повністю автоматизовані, тобто не вимагають присутності людини при експлуатації. Що виробляється ними електричний струм відповідає вимогам ГОСТу по частоті і напрузі, причому станції можуть працювати як в ав 56125 4 тономному режимі, тобто поза електромережею енергосистеми краю або області, так і у складі цієї електромережі. А повний ресурс роботи станції не менше 40 років (не менше 5 років до капітального ремонту). Ну а головне - об'єкти малої енергетики не вимагають організації великих водосховищ з відповідним затопленням території і колосальним матеріальним збитком. Проектуванням і розробкою устаткування для таких ГЕС займаються багато науково-виробничих організацій і фірми різних країн. Фахівцями цих фірм розроблені і захищені патентами оригінальні технічні вирішення систем автоматичного управління малими і мікро ГЕС. Використання таких систем не вимагає постійної присутності на об'єкті обслуговуючого персоналу - гідроагрегат надійно працює в автоматичному режимі. Система управління може бути виконана на базі програмованого контролера, який дозволяє візуально контролювати параметри гідроагрегату на екрані комп'ютера. Гідроагрегати для малих і мікро ГЕС, що вже випускаються багатьма фірмами різних країн, призначені для експлуатації в широкому діапазоні натиску і витрат з високими енергетичними характеристиками і випускаються з пропелерними, радіально-осьовими і ківшовими турбінами. У комплект постачання входять, як правило, турбіна, генератор і система автоматичного управління гідроагрегатом. Проточні частини всіх турбін розроблені з використанням методу математичного моделювання. Про технічний рівень існуючого устаткування малих і мікро ГЕС можна судити з матеріалів ALLVRN.RU. Постійний адрес статті від 08 січня 2006 року «Мала гідроенергетика сьогодні це життєва необхідність»: http://biz.allvrn.ru/a-3/b52/317.html. У довіднику-каталозі за 2005 рік під редакцією П.П. Безруких «Устаткування поновлюваної і малої енергетики» приведені дані про устаткування і установки поновлюваної і малої енергетики, приклади їх використання, а також інформація про фірми-виробники цього устаткування в цілях його придбання. Про можливості і сучасні технології малої гідроенергетики можна також дізнатися з наступних джерел: Іванова О.А., Попов С.П., Тургузова Т.Ф. "Роль поновлюваних джерел енергії в енергопостачанні східних районів Росії" // Регіон: економіка і соціологія № 1, 2002; Лісичкин Г.В. "Екологічні проблеми альтернативної енергетики". - МНЕПУ, 2000; "Розвиток поновлюваних джерел енергії в Росії: можливості і практика" відділення міжнародної неурядової некомерційної організації "Рада ГРІНПІС", м. Москва, 2006 рік. Не дивлячись на те, що природа дає нам найпростіший спосіб здобичі енергії у нас в країні їм майже не користуються. Що ж тоді говорити про прихований під землею гідропотенціал України. Само по собі використання підземних вод в умовах роботи малих та мікроГЕС економічно не вигідно, але існують певні умови людської діяльності, де він в цілях безпеки своєї роботи вимушений з надр землі піднімати підземні води, а потім без особливої потреби скидати її на поверхню. І 5 саме на етапі скидання підземних вод можна отримати економічний ефект від застосування силового устаткування малих та мікро ГЕС, який хай і не відшкодує всі витрати отримані від викачування води з гірських вироблень, але у відчутних межах понизять ці обов'язкові для багатьох гірничодобувних підприємств витрати. Ще в книзі «Сучасний стан гірської науки до СРСР», Видавництва «Наука». Москва, 1968 року сказано, що вода ув'язнена в гірських породах, є, мабуть, найбільш небезпечним ворогом гірничодобувних підприємств. Найбільш радикальним засобом боротьби з нею є пониження її рівня. Успішне водопониження на великих площах, необхідне при будівництві і експлуатації сучасних крупних гірничодобувних підприємств, можливо тільки за наявності могутніх водовідливних засобів і правильно вибраних схем і способів водопониження. Останнє вимагає ясного уявлення про закони формування і руху підземних вод. Вчення про рух підземних вод виникло на рубежі XVIII в. і пов'язано з іменами таких вчених як М.В. Ломоносов, Д. Бернуллі і Л. Ейлер. Ще в 1750 р. М.В. Ломоносов, в своїй роботі «Про шари земних» писав, що підземні води знаходяться в тісному зв'язку з тими, що вміщають їх гірськими породами і є природними розчинами, що знаходяться в стані безперервного круговороту. Надалі основи теорії руху підземних вод були розвинені в роботах Н.Е. Жуковського, академіка Н.Н. Павлівського, автора роботи «Теорія руху ґрунтових вод під гідротехнічними спорудами і її основні застосування», методу розрахунку руху води у відкритих потоках і методу електрогідродинамічних аналогій для розрахунку фільтрації вод; академіка Л.С. Лейбензона, автора роботи «Рух природних рідин і газів в пористому середовищі», академіка П.Я. Кочиной, автора ряду робіт по теорії фільтрації і монографії «Теорія руху ґрунтових вод», і інших дослідників. Значний внесок в розробку питань динаміки, зональності і формування підземних вод, а також фільтраційних властивостей гірських порід внесений роботами професора Г.Н. Каменського (Московський геологорозвідувальний інститут). Великою гідністю цих робіт є значне наближенні теорії динаміки підземних вод до природних гідрогеологічних умов, що дозволило вирішувати деякі завдання за визначенням величини водоприток і гірські вироблення. Широкий розвиток гірської промисловості, пов'язаний з освоєнням багатьох районів великої країни, дав поштовх інтенсивному вивченню обводнень різних родовищ корисних копалини. Паралельно цьому йшла розробка методів розрахунку величини можливих притоків води в період споруди і експлуатації гірських вироблень за різних природних і експлуатаційних умов, а також способів і техніки боротьби з водою. Зокрема, добре була розроблена техніка попереднього водопониження за допомогою водопонижаючих або водовбирних свердловин для забезпечення проходки шахтних стовбурів в сприятливіших умовах. Для споруди горизонтальних вироблень розроблена техніка застосування фільтрів, водопускних свердловин, 56125 6 голкофільтрів, водовідливу. Основи для проектних розрахунків числа і конструкції засобів водопониження, їх необхідної продуктивності і часу роботи, величини і швидкості пониження рівня підземних вод, очікуваної величини і швидкості пониження рівня підземних вод, очікуваної величини водопритока в гірські вироблення на різних стадіях робіт дані в роботах дуже багатьох авторів, серед яких слід назвати таких дослідників, як С.К. Абрамов, В.Д. Бабуся, Н.К. Гирінський, Н.І. Дружінін, П.П. Кліментов, С.А. Кріворог, O.K. Ланге, Н.І. Теслярів, Г.Б. Пихачев, О.Б. Ськиргелло, М.В. Сироватко, С.В. Троянський, М.І. Чельцов, Д.І. Щегольов, В.Н. Щелкачев і ін. Вивчення гідрогеології родовищ основних басейнів країни дали багато цінних матеріалів для практики і дозволило висунути ряд прогресивних ідей. Так, Н.І. Теслярів запропонував класифікувати рудні родовища по двох типах: із замкнутими і відкритими басейнами тріщино-карстових вод. Для перших характерні статичні запаси вод, а для других - динамічні. Звідси зроблений важливий для практики вивід, що на родовищах першого типу слід удаватися до різних засобів відкачування води для сработки рівня підземних вод, тоді як на родовищах другого типу доцільно удаватися до перехоплення потоків тріщино-карстових вод вище за шахтне поле. У навчальному посібнику для студентів гірських і геологічних спеціальностей вищих учбових закладів «Гідрогеологія родовищ твердих корисних копалини» П.П. Кліментов, А.М. Овчинників, Видавництво «Надра». Москва, 1966 рік сказано, що кількість видобутої з гірських вироблень води звичайно значно перевищує кількість твердої корисної копалини, що здобувається. На деяких ділянках притока води в підземні вироблення досягає величезних розмірів. Так, відомі родовища, що знаходяться в умовах широкого розвитку карсту, де притока води в систему вироблень перевищує 3 10000 м /г. У закарстованих карбонатних породах, наприклад вапняках, проведення гірських вироблень вимагає багато часу і засобів, оскільки притоки води в цих умовах в шахтні стовбури нерідко досягають 300-350 м3/г. Н.Г. Трупак описує приклади, коли притоки води при проходці шахтних стовбурів досягали 2500 м3/г. Враховуючи такі великі об'єми відкачуваної з гірського вироблення води, перед гірничорудним підприємством завжди ставиться завдання можливого використання цього природного ресурсу. Так, копальневі води використовуються для господарчо-побутових і технічних цілей, а на деяких шахтах - і для питних. Вони можуть також служити джерелом отримання розчинених в них солей і металів і застосовуються з лікувальною метою. До господарчо-побутових потреб, для задоволення яких використовуються копальневі води, відносяться: поливання вулиць, площ, спортивних майданчиків і городів, гасіння пожеж і т.п.; при достатньо високій якості води в санітарному відношенні вона подається в лазні і душові. До технічних потреб відноситься миття вугілля і руди на збагачувальних фабриках; після відпові 7 дної обробки (відстій і пом'якшення) копальнева вода використовується в паросиловому господарстві, для заливки коксу, виготовлення будівельних матеріалів і тому подібне. Нерідко серйозного практичного значення набуває питання про використання вод родовищ твердих корисних копалини для водопостачання. В цьому випадку дуже важливу роль грає стан гірських вироблень. На ряду родовищ копальневі води містять в значній кількості розчинені солі і важкі метали. На соляних родовищах зазвичай зустрічаються рассоли хлористого натрію, які витягуються з допомогою розсілопідйомних свердловин і використовуються для солеварения. Підземні води поліметаллічних родовищ нерідко містять кольорові метали. На більшості родовищ металів підземні води містять чорні і рідкісні метали. Кислі копальневі води, що несуть значну кількість сульфатів важких металів при достатньо великій притоці, набувають практичного значення як джерело здобичі металів. Можливості використання копальневих вод для лікувальної мети вивчені ще вельми слабо, проте існує і таке їх застосування. Не дивлячись на такий великий спектр використання копальневих вод, відкачуванні з вироблення води ще не використали як джерело здобичі електроенергії. Часто цей природний ресурс просто скидається в найближчі яри і балки. Хоча на етапі скидання вод, ми маємо прекрасну можливість застосувати гідроагрегати використовувані на малих та мікроГЕС для вироблення електроенергії для постачання її в мережу або використання для власних потреб. Враховуючи стрімке подорожчання енергоносіїв, є всі підстави припускати, що незабаром в Україні повною мірою почнуть використовувати малі та мікроГЕС не тільки в існуючих природних умовах, але і в умовах промислової діяльності людини. Можливість використання кар'єрних і підземних вод для вироблення електроенергії на етапі її скидання обумовлені наприклад «Правилами безпеки при розробці родовищ корисних копалин відкритим способом» - К.: Норматив, 1994 які були затверджені наказом Державного комітету України по нагляду за охороною праці від 31/05/94 № 54. З цих правил виходить, що кожний кар'єр, що не має природного стоку поверхневої і ґрунтової води, повинен бути забезпечений водовідливом. Устя стволів дренажних шахт, штолень, шурфів, бурових свердловин та інших вироботок повинні бути надійно захищені від проникнення через них в гірничі вироботки поверхневої води. При наявності на території кар'єру зсувів поверхня зсувного масиву повинна бути огороджена нагірними канавами, які захищають масив від проникнення в нього поверхневої і талої води, снігу, грязьових потоків. Гірничі роботи поблизу старих затоплених вироботок або інших водоймищ (річки, ставки, озера) повинні передбачати залишення спеціальних ціликів, які запобігають прориву води і встановлюють межі безпечного ведення робіт. Вода, яка видаляється 56125 8 з кар'єру, повинна скидатися в найближчий водопотік або місце, яке виключає можливість її зворотнього проникнення через тріщини, провали або водопроникливі породи у вироботки і заболочення прилеглих територій. Скид кар'єрної і підземної води, отриманої в результаті осушення родовища корисних копалин, повинен проводитися тільки після їх освітлення, а в необхідних випадках - після очищення від шкідливих домішків. Дотримання цих і інших правил техніки безпеки, а також гідрогеологічні особливості, що існують в Україні, при розробці родовищ корисних копалини, має на увазі собою, що скидання великої кількості кар'єрної і підземної води проводитиметься з висоти від 2 і більше метрів, що у свою чергу є достатньо сприятливі умови для вироблення електроенергії при використанні гідросилового устаткування малих та мікроГЕС. Суть корисної моделі: При промисловому освоєнні гірських родовищ залучаються об'єкти, вельми складні гідрогеологічні і інженерно-геологічні умови, що мають. При освоєнні таких родовищ, як правило, доводиться застосовувати попереднє, а потім тривале експлуатаційне осушення гірських розробок, відкачавши значні об'єми підземних вод. У зв'язку з цим визначена необхідність комплексного і раціонального освоєння всіх корисних компонентів родовищ корисних копалини. Суть їх полягає в неодмінному використанні при експлуатації родовищ корисних викопних ресурсів кар'єрних і підземних вод, тобто, на об'єктах завжди повинні розроблятися такі раціональні схеми осушення гірських розробок, які дозволили б, з одного боку, забезпечити безпечні умови ведення гірських робіт і видобутку корисних копалин, а з іншого боку, вирішити питання про раціональне використання кар'єрних і підземних вод для практичних цілей. Одним з нових напрямів раціонального використання кар'єрних і підземних вод для практичних цілей має стати видобуток електроенергії. При цьому ми хай і не відшкодуємо всі витрати пов'язані з викачуванням води з гірських вироблень, але у відчутних межах понизимо ці обов'язкові для багатьох гірничодобувних підприємств витрати. Враховуючи на те, що в цілях безпеки скид кар'єрної і підземної води повинен проводитися так щоб виключити можливість її зворотного проникнення, тобто через огорожу нагірними канавами, або через залишені спеціальні ціликі у старі затоплені вироботки або інші водойми (річки, ставки, озера), діючі в країні правила безпеки та географічний стан родовища в багатьох випадках передбачає на багатьох кар'єрах та шахтах наявність достатнього скиду кар'єрної і підземної води (від 1,5-180 та більше метрів). Крім того, в країні існують достатні гідрогеологічні умови родовищ корисних копалин, які дають приток води від 100 до 1000 м3/г. (а іноді і 2500-10000 м3/г.), та постійна необхідність її вилучення за межі родовища. Тобто, в Україні існують дуже чудові умови щоб на етапі скиду кар'єрної і підземної води здійснити видобуток електроенергії за допомогою гідроагрегатів малих та мікроГЕС. 9 56125 Відомості, які підтверджують можливість здійснення корисної моделі: У «Нормах технологічного проектування гірничодобувних підприємств чорної металургії з відкритим способом розробки» затвердженого Міністерством чорної металургії СРСР 31 березня 1976 p., ми маємо три категорії осушення родовищ: прості, складні і вельми складні. п. 2.77. Простими гідрогеологічними умовами вважають: а) родовища, складені, в основному, скельними, слабо тріщинуватими водоносними породами, з притокою підземних вод до 100-300 м3/г., рідше до 500 м3/г.; б) родовища, складені тріщинуватими скельними і напівскельними породами, іноді перекритими рихлими водоносними нестійкими утвореннями потужністю 10-15 м., з притокою підземних вод до 300-500 м3/г., рідше 1000 м3/г.; в) родовища, складені рихлими нестійкими піщаноглинистими породами з локальним водонасиченням, з притокою підземних вод до 100 м3/ г. Решта всіх родовищ знаходиться в складних і вельми складних гідрогеологічних умовах. п. 2.78. Для забезпечення нормальних умов ведення гірських робіт на родовищах з простими гідрогеологічними умовами застосовують кар'єрний водовідлив. п. 2.80. Максимальна притока вод в кар'єр визначається як сума притоки підземних вод і притоки за рахунок атмосферних опадів. п. 2.86. Вода, що видаляється з кар'єру, повинна скидатися в найближчий водопотік або місце, що виключає можливість її зворотного проникнення в кар'єр через тріщини, провали або водопроникні породи, а також виключати можли Комп’ютерна верстка І.Скворцова 10 вість заболочування прилеглих до кар'єру територій. Як ми бачимо, навіть в цих нормах існують дуже сприятливі умови як по об'ємах вод, так і по натиску, які дозволяють застосувати гідросилове устаткування малих та мікроГЕС на ділянці скида підземних вод. У країнах близького зарубіжжя в даний час налічується всього декілька фірм, які в тому або іншому ступені здатні задовольнити нашим потребам в згаданому устаткуванні. Це підприємство "Гидромаш", розташоване на Уралі, яке в 40-50 роки випустило значну кількість гідротурбін класичного типу різної потужності для, так званих, сільських ГЕС. В даний час "Гидромаш" в змозі випускати певні типи турбін обладнаних агрегатами з вертикальними пропелерними і радіальноосьовими гідротурбінами, встановленими в бетонних спіральних камерах або у відкритих аванкамерах, при мінімальних натисках ГЕС порядка 4-4,5 метрів. Заслуговують уваги розробки Санктпетербурзької фірми "ІНСЕТ". До їх числа можна віднести стаціонарний гідроагрегат з пропелерною турбіною потужністю до 500 кВт з мінімальним експлуатаційним натиском 8 метрів, а також діагональна і ковшова гідротурбіни невеликої потужності з мінімальними натисками 5,5 і 40 метрів відповідно, призначені для мікро гідроелектростанцій. Певний інтерес представляють розробки Санкт-петербурзької фірми "Енерго-альянс", що спеціалізується на проектуванні і виробництві сучасний поперечний, - струменевих або двократних турбін. Згаданий тип турбін для агрегатів малих та мікроГЕС може бути використаний при натисках від 1,5 до 180 метрів. Максимальний коефіцієнт корисної дії таких турбін, досягає величини порядку 90 %. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601