CC BY
89
---------------------------------------- © М.О. Лаврик, 2009
УДК 504.53.052 М. О. Лаврик
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ВЕДЕНИЯ УГЛЕДОБЫЧИ ДЛЯ ПОЧВ ЗАПАДНОГО ДОНБАССА
Одной из проблем, препятствующих устойчивому развитию угледобывающей промышленности Украины, является нерациональное недропользование, которое приводит к ряду экологических проблем: 1) изъятие и деформация почв; 2) понижение уровня водоносных горизонтов; 3) нарушение технологий водоотведения; 4) фильтрационное загрязнение; 5) сброс высокоминерализованных и сточных вод без очистки; 6) газовыделение; 7) пылевыделение; 8) комплексное пылегазовыделение при буровзрывных работах; 9) кислотный сток с поверхности внешних отвалов; 10) выщелачивание внешних отвалов; 10) горение шахтных отвалов [1].
Территория Западного Донбасса является одной из наиболее техногенно-напряженных в Украине. Такая ситуация связана, прежде всего с комплексным воздействием 7 шахт, которые входят в состав ГХК «Павлоградуголь» и самостоятельной шахтой «Благодатной», затрагивающим все элементы окружающей среды.
Каменноугольные отложения Западного Донбасса занимают площадь 18 тыс. км2, на большей части которой по мере увеличения глубины проведения горных работ и снижения уровня подземных вод под влиянием шахтного водоотлива нарастало стойкое региональное нарушение равновесия геологической среды в системе „минеральный скелет горных пород — подземные воды”. В результате возник ряд необратимых геологических процессов, к которым относятся:
• просадки дневной поверхности и подвижки породного массива в зонах прямого влияния горных работ;
• снижение механической прочности пород в зонах обрушения, проседания, подвижек и развития техногенной тектонической трещиноватости, а также вследствие влияния водонасыщения, выщелачивания водорастворимых минералов и др.;
• разрушение региональных водоупоров и связанная с этим активизация миграции минерализованных вод глубоких горизонтов в поверхностные водные объекты, а также изменение структуры потоков взрывоопасных газов;
• развитие гидрогеомеханических напряжений и ударов вследствие затопления горных выработок и объемного распределения гидростатических давлений, результатом которых могут быть локальные землетрясения (с обвалами межшахтных целиков и изолирующих перемычек, деформацией дневной поверхности и разрушением наземных сооружений).
С точки зрения негативного воздействия на окружающую среду шахт Западного Донбасса, связанного с недропользованием в процессе добычи каменного угля, целесообразно выделить следующие комплексные проблемы: образование подработанных территорий, образование отвалов, терриконов, хвостохранилищ, прудов-накопителей, откачка больших объемов подземных вод, сброс високоминерализованных и загрязненных вод в поверхностные водоемы и фильтрации их в подземные горизонты, затопление и подтопление территории, латеральное и вертикальное вторичное засоление и химическое загрязнение почв.
Среди геоэкологических проблем, с которыми сталкиваются угледобывающие предприятия, одной из наиболее острых является негативное влияние горнодобывающих комплексов на почвы. Это связано с масштабностью влияния предприятий угольной промышленности на почвенные комплексы, депонирующими свойствами почв, с состоянием которых связана структурная целостность и биопродуктивность.
Особого внимания во множестве проблем, связанных с негативным влиянием горных предприятий на почвенные системы, заслуживает вторичное засоление почв. Площадь засоленных почв на территории Украины постоянно растет. В целом, в Украине такие почвенные системы занимают более 4,8 млн. га, а в Днепропетровской области по данным 2007 г. - приблизительно 250 тыс. га [2].
В Украине, однако же, значительное внимание уделяется вопросам засоления почв под воздействием дренажа, мелиорации, ведения сельского хозяйства, но малоизученным остается вопрос комплексного влияния угледобывающих предприятий на развитие процесса вторичного засоления почв. С целью установления зависимости между вторичным галогенезом почв и предприятиями
горной промышленности Западного Донбасса поставлены и выполнены следующие задачи: 1) характеристика основных процессов, инициированных деятельностью шахт ГКХ „Павлоградуголь”, прямо и косвенно обусловливающих развитие вторичного засоления почв; 2) исследование типа, химизма, уровня засоления почв, прилегающих к пруду-накопителю шахтных вод в балке Косьмин-ной; 3) установление зависимости между засолением почв района исследования и сбросом шахтных вод в технические водоемы, путем сопоставления качественного и количественного состава солей в пахотном слое почв и шахтных водах.
Основными причинами вторичного засоления почв в горнодобывающих районах, в частности, в районе Западного Донбасса являются:
1. Одновременное вскрытие и взаимодействие водоносных горизонтов с различной степенью минерализации в пределах интенсивного, активного и затрудненного водообмена с региональным разрушением слабопроницаемых разделяющих слоев, в результате чего наблюдается повышение минерализации залегающих близко к поверхности подземных вод. Затопление и подтопление территории с поднятием уровня соленых грунтовых вод.
2. Сброс высокоминерализованных шахтных вод в технические водоемы без предварительной деминерализации, с последующей инфильтрацией в водные горизонты.
3. Проседание земной поверхности в результате подработки шахтных полей и др.
1. Характеристика причин развития вторичного галогене-за почв в районе Западного Донбасса.
Нарушение технологий водоотведения связано с развитием подтопления и затопления территории. Эти формы техногенного воздействия особо остро проявляются в случае расположения близко друг к другу эксплуатируемых горнодобывающих предприятий, что характерно для Западно-Донецкого каменноугольного бассейна [3]. Из-за этого только на территории Павлоградского и Петропавловского районов в зоне затопления и подтопления оказалось более 3400 га земель различного назначения, из которых только на пашни приходится 506 га. В результате анализа происшедших изменений было установлено, что уменьшение площади угодий, пригодных для сельскохозяйственного производства в этом регионе
составляет более 1500 га. Это происходит по причине затопления и подтопления угодий в зоне ведения горных работ в пойме реки Самара, а также инфильтрации искусственно созданных водоемов - прудов-отстойников шахтных вод в балках Косьмин-ная, Таранова, Свидовок и пруда-шламонакопителя в балке Сту-канова.
Одной из ведущих причин развития данной ситуации является разработка угольных пластов под природными и хозяйственными объектами. Шахтные подработки в районе поймы, вызывая деформацию дневной поверхности в виде оседаний, провалов, смещений, способствуют интенсивному изменению гидрогеологических условий территории Западного Донбасса, в результате чего происходит подъем к поверхности и частичное выклинивание грунтовых вод с последующим разливом реки на просевших территориях.
В процессе добычи и обогащения угля образовано более 30 млн. м3 высокоминерализованных шахтных вод, которые поступали в пруды-накопители, расположенные в балках Николина, Таранова, Свидовок, Косьминная. Минерализация шахтных вод колеблется от 1,7 до 24 г/дм3 при повсеместном содержании хлоридов более 50 %. Противофильтрационным экраном оборудован только один накопитель в балке Свидовок. Из остальных водоемов отмечены значительные фильтрационные потери.
Процессы деформации и проседания земной поверхности наблюдаются в районе деятельности угольных шахт. Так, в регионе, более 50 % угленосных площадей расположены под поймой реки Самара, где ведется добыча угля подземным способом. Из-за отсутствия высокоэффективных технологий и механизированных комплексов по закладке выработанного пространства происходит проседание земной поверхности и затопление поверхности пойменной водой реки. В результате полностью подработано, нарушено и частично подтоплено более 5 тыс. га земельных и лесных угодий.
Схематически все описанные выше процессы представлены на рис. 1.
Рис. 1. Схема нарушенных земель в районе Западного Донбасса [1]: 1 - граница зон подтопления; 2 - граница зон затопления; 3 - подработанные участки шахтного поля; 4 - предполагаемая зона оседания земной поверхности
2. Результаты исследования почв, прилегающих к пруду-накопителю шахтных вод в б. Косьминной
Для проведения исследований отбирали почвенные образцы в районе б. Косьминной. Точки отбора проб являются, по сути, площадками наблюдений размером приблизительно 20 х 20 м. На этих площадках отбирали по 5 проб из аккумулятивного горизонта почвенного профиля (20 см). Пробы почв отбирались в 4-х направления света на расстояниях 100, 500, 1000, 1500 и 2000 м от пруда-накопителя.
В качестве критериев засоления почв использовали их основные химические характеристики: содержание легкорастворимых солей валовое, солеобразующих компонентов в почве (например, гидрокарбонат-ион, хлор-ион, сульфат-ион и т. д.), а также показатель активной кислотности рН. С этой целью в образцах почв определяли суммарное содержание легкорастворимых солей, обусловливающих явление засоления, их качественный состав, в водных вытяжках проб почвы, содержание анионов в водных вытяжках (С1-, SO42- и др.), активную кислотность (рН).
В результате исследований проб почв сделаны следующие выводы: на расстоянии 100 м от технического водоема тип засоления поч-
вы характеризуется как хлоридный, на остальных расстояниях -сульфатный. В катионном составе тип засоления представлен двумя разновидностями кальциево-натриевой и натриево-кальциевой. Величины рН водной вытяжки оказались близкими к нейтральным. Наибольшие различия соответствуют содержанию в пробах сульфат-иона от 0,029 до 0,048 %. Наименьшие содержания сульфатов наблюдаются при минимальном расстоянии от источника (пруда-накопителя). В то же время, именно на этом расстоянии (100 м) содержание хлоридов в 1,2 раза оказалось выше, чем в остальных точках отбора проб почвы.
Во всех без исключения пробах содержание хлор-иона и соответственно хлоридных солей превышает фоновые содержания этого компонента в 21,9 раза на расстоянии от пруда-накопителя в 100 м и в 20,6 раза на расстоянии в диапазоне от 500 до 2000 м. То есть, образовался ореол устойчивого засоления хлоридного и хлоридно-сульфатного типа.
В ходе исследования выполнена детальная оценка степени засоления почв по трем показателям: величина солесодержания, содержание хлор-ионов и сульфат-ионов. Эта оценка дала следующие результаты. Проба почвы, отобранная на расстоянии 100 м, является средне-засоленной по всем 3 параметрам. Остальные пробы дали такой результат: по величине солесодержания и содержанию сульфат-ионов их можно отнести к незасоленным, а по содержанию хлор-ионов к среднезасоленным. Величины солесодержания водной фракции из почв слоя 0,0.. .0,15 м отличаются для различных проб независимо от расстояния незначительно и укладываются в диапазон от 0,16 до 0,18 %.
3. Установление зависимости между процессами, происходящими в техническом пруде б. Косьминой и вторичным засолением прилегающих почв
Анализ химического состава проб воды, отобранных в четырех точках технического водоема б. Косьминой, соответствующих сторонам света, позволил заключить, что солевой состав вод так же, как и содержание отдельных компонентов, имеет четко выраженную направленность к типу вод, которые присущи именно шахтным водам. Это подтверждается наличием значительного количества хлор-ионов и ионов натрия, которые в сумме составляют 62-63 % от общей минерализации. Количество хлор-ионов превышает ПДК для питьевых вод в 2,5.3 раза, а сульфат-ионов - в 1,19.1,29 раза, а минерализация вод пруда0накопителя превышает минерализацию питьевых вод в сравнении с ПДК в 2,5.2,8 раза.
В соответствии с таким составом гидрохимический тип воды данного пруда-накопителя можно характеризовать как хлоридно-сульфатно-натриевый.
В данном случае мы выяснили, что с приближением к источнику засоления возрастает токсичность почв за счет увеличения содержания хлор-ионов, а также наблюдается снижение содержания сульфат-ионов. Следовательно, можем заключить, что воздействие даже самого пресноводного из прудов-накопителей шахтных вод Западного Донбасса, приводит к развитию вторичного галоге-неза почв, а также то, что наблюдается изменение анионнокатионного состава водной вытяжки почв района со стремлением их к хлоридному типу засоления.
Из результатов лабораторных исследований почв, которые гипотетически могут подвергаться вторичному засолению в результате воздействия пруда-накопителя, следует, что основными солями, формирующими засоление почвы, являются гидрокарбонат и сульфат натрия, которые относятся к нейтральным солям, хлорид и сульфат натрия, а также хлорид магния. Наличие ореола хлоридно-го и хлоридно-сульфатного засоления можно связывать с влиянием пруда-накопителя, что подтверждается однотипностью солей в воде и почве. Сравнение состава и типа солей в почвах исследуемого участка и принятых считать фоновыми почв Западного Донбасса подтверждают реальность протекания процессов вторичного галогенеза в районе расположения прудов-накопителей шахтных вод. Так, на фоновых участках хлорид натрия в почвах практически отсутствует, а в почвах, которые находятся под воздействием длительного влияния предприятий угледобывающей промышленности, его содержание достигает 33 %, и в сумме токсичных солей доля хлорида натрия составляет на расстоянии 100 м 75,7 %, а на расстоянии от пруда 2000 м -58,9 %. Содержание такой соли, как хлорид магния, по сравнению с его содержанием в почвах на незагрязненных территориях увеличилась в 5,8 раз.
Выводы
Район Западного Донбасса отличается высокой концентрацией населения, жилых и промышленных объектов, систем трубопроводного и железнодорожного транспорта, а также потенциально экологически опасных предприятий (химических, угледобывающих, углеобогатительных и др.). Большинство этих объектов достаточно чувствительны к геологическим изменениям поверхности:
проседаниям, подвижкам грунта. По мнению геологов, нужно учитывать региональное увеличение масштабов изменения геологической среды, вызванного практически нерегулируемыми процессами воздействия шахт на окружающую среду. Результатом этого станет расширение зон проседаний и провалов поверхности, их затопление и образование болот и других водных объектов. Кроме того, отсутствие контроля в экологической сфере угледобывающих предприятий района приводит к снижению качества потенциально плодородных и сельскохозяйственных почв в результате многих негативных процессов, главным результатом которых является засоление и деградация почвенных комплексов.
Установлена зависимость развития вторичного галогенеза почв от сброса шахтных вод в пониженные формы рельефа по результатам лабораторных исследований качественного состава солей, содержащихся в техническом накопителе шахтных вод в балке Косьминной и прилегающих к нему почвах.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разработка мероприятий по решению эколого-гидрогеологических проблем, возникающих вследствие закрытия шахт ЦРД и Западного Донбасса: Обзорный план района. Западный район Донбасса / Днепрогипрошахт - 5139-1-О8О2ОО-ОНС, Инв. № А-13145. - Днепропетровск, 2002. - 3 с.
2. Экологический паспорт Днепропетровской области [Электронный ресурс] /
под ред. О.Ф. Оксамитного. — Днепропетровск: Державне управління охорони навколишнього природного середовища в Дніпропетровській області, 2007. — 112 с. Режим доступа к документу: http://www.menr.gov.ua/cgi-
Ыn/go?node=Ekol%20pass.
3. Водообмен в гидрогеологических структурах Украины / [Шестопалов В.М., Огняник Н.С., Дробноход Н.И и др.]- М.: АН УССР. Ин-т геологических наук. - К: Наукова думка, 1991. - 528 с.
— Коротко об авторе -------------------------------------------------
ЛаврикМ.О. - аспирант кафедры экологии,
Национальный горный университет, г. Днепропетровск, Украина, Е-таЛ: [email protected]
