CC BY
49
УДК 550.41
DOI: 10.21209/2227-9245-2018-24-1-10-17
ИССЛЕДОВАНИЕ УЧАСТКА ПРЕЖНЕГО ВОДОСБРОСА КИСЛЫХ ВОД ШАХТЫ ШИРОКОВСКАЯ (КИЗЕЛОВСКИЙ УГОЛЬНЫЙ БАССЕЙН)
SITE INVESTIGATION OF THE PREVIOUS SPILLWAY WITH ACID WATERS AT THE SHIROKOVSKAYA MINE (KIZEL COAL BASIN)
Представлено исследование старейшего на Урале Кизеловского угольного бассейна, расположенного на территории Пермского края. Отмечено, что разработка месторождений угля длилась более 200 лет. Установлено, что в начале 90-х гг. XX в. объединение Кизелуголь признано нерентабельным вследствие того, что в период 1992—2000 гг. закрышись все угледобывающие предприятия объединения. Показано, что за-крыггие шахт не решило экологических проблем территории. Выявлено, что кислые высокоминерализованные шахтные воды стали самопроизвольно поступать на поверхность и загрязнять реки. Определено, что на значительных по площади территориях породных отвалов, промплощадок шахт и прилегающих территориях отсутствует почвенно-растительный слой, что требует проведения рекультивационныгх работ. Рассмотрены химические и минералогические особенности земель, нарушенныгх в результате прежнего сброса кислых шахтных вод на территории Кизеловского угольного бассейна. Исследован наибольший по площади участок прежнего водосброса шахты Широковская, которыш сформировался во время работы шахты, когда кислые шахтные воды приходилось откачивать и сбрасыгвать на поверхность до ближайшего водотока. Детальная съемка показала, что протяженность участка составляет около 2 км, ширина — 100 м и более. Вымвлено, что грунты с загрязненного участка имеют кислую реакцию среды рН 2,3...3,0. Вместе с тем зафиксировано повышенное содержание микроэлементов-загрязнителей Си, Zn, РЬ и Мо, характерных для данной территории. Изучен вертикальный разрез техногенных грунтов на участке до глубины 80 см, в результате чего обнаружено, что данные грунты являются субстратом, не пригодным для развития растений. Показано, что самопроизвольного зарастания этих участков не происходит, хотя сброс шахтныгх вод не осуществляется уже около 20 лет. Проведенное исследование позволило сделать выгвод, что вышос химических элементов с этих участков с водными потоками приводит к загрязнению поверхностных и подземных вод, прилегающих территорий, обуславливает деградацию существующих экосистем. Определена необходимость проведения рекультивации нарушенных земель
Ключевые слова: угольный бассейн; кислые шахтные воды; вобосброс; нарушенные земли; техногенные грунты; нейтрализация грунтов; рекультивация; угледобыча; водоносный комплекс; тонкодисперсные гидроксиды железа
The research of the oldest in the Urals Kizelovsky coal basin, located on the territory of the Perm region, is presented. It was noted that the development of coal deposits lasted more than 200 years. It is established that in the early 90's. XX century the Kizelugol association was recognized as unprofitable due to the fact that in 1992-2000 all coal mining enterprises of the association were closed. It is shown that the closure of mines did not solve environmental problems of the territory. It was revealed that acidic highly mineralized mine waters began to flow spontaneously onto the surface and pollute rivers. It is determined that in soil areas that are significant in the area of rock dumps, industrial sites of mines and adjacent territories, there is no soil-vegetation layer, which requires reclamation work. The chemical and mineralogical features of lands disturbed as a result of the previous discharge of acid mine waters on the territory of the Kizelovsky coal basin are considered. The largest area of the former
S. A. Krasilnikova, Perm State National Research University, Perm
С. Л. Красильникова, Пермский государственный национальный
исследовательский университет, Пермь
© С. А. Красильникова, 2018
10
spillway of the Shirokovskaya mine was investigated, which was formed during the operation of the mine, when acid mine water had to be pumped out and dropped to the surface to the nearest watercourse. Detailed survey showed that the length of the site is about 2 km, width - 100 m and more. It was revealed that the soils from the contaminated area have an acidic reaction of pH 2,3 ... 3,0. At the same time, an increased content of trace elements, Cu, Zn, Pb and Mo, characteristic for this territory was recorded. A vertical section of man-made soils in a section up to a depth of 80 cm was studied, as a result of which it was found that these soils are a substrate not suitable for the development of plants. It is shown that spontaneous overgrowing of these sites does not occur, although the discharge of mine waters has not been carried out for about 20 years. The carried out research led to the conclusion that removal of chemical elements from these areas with water flows leads to contamination of surface and groundwater, adjacent territories, causing degradation of existing ecosystems. The necessity of re-cultivation of disturbed lands is determined
Key words: coal basin; acid mine waters; spillway; disturbed lands; technogenic soils; neutralization of soils; reclamation; coal mining; water-bearing complex; fine iron hydroxides
Старейший на Урале Кизеловский угольный бассейн, где добыта угля началась еще в конце ХУШ в., расположен на территории Пермского края. Он узкой полосой вытянут в меридиональном направлении и имеет протяженность более 100 км, а ширину — 15...20 км.
В первые десятилетия освоения уголь-ныгх месторождений добыта угля велась в небольших объемах для удовлетворения спроса местных предприятий. Изначально толчком для активизации угледобычи послужило строительство горнозаводской железной дороги в 1879 г. В дальнейшем значительный рост добычи угля происходил в годы первых пятилеток и во время Великой Отечественной войны, когда Донбасс был захвачен фашистами, а стране для победы требовался уголь. В первые послевоенные десятилетия объемы добычи также росли, но затем из-за сложныгх геолого-гидрогеологических и горнотехнических условий рост остановился, а затем и вовсе последовало снижение добычи. В 90-е гг. XX в. разработка угля в Кизеловском бассейне признана нерентабельной, вследствие того что до 2000 г. все шахты объединения Ки-зелуголь были закрыиы.
Закрыггие шахт не решило экологических проблем территории. Даже для крупный рек, притоков Камы и Чусовой постоянно фиксируются экстремально высокие уровни загрязнения воды [8] и донных отложений [7]. Основными источниками загрязнения в настоящее время являются кислые шахтные воды, самопроизвольно
изливающиеся на поверхность. Вместе с ними в реки поступает более 90 % от общего количества загрязнителей [9]. Достаточно ощутимо, хотя и в меньших масштабах, происходит загрязнение рек за счет стоков 53 породныгх отвалов угольных шахт, которые по площади занимают более 300 га [ 1; 2].
Еще одним мощным источником загрязнения окружающей среды являются участки прежнего сброса кислых шахтных вод. Ширина нарушенных участков может достигать 100 м и более, протяженность — до 1.2 км. Общая площадь участков превышает 50 га. Почвенно-растительный слой здесь отсутствует. Верхняя часть разреза представлена делювиальными суглинками, измененными под воздействием кислых шахтныгх вод. Предварительные исследования показали, что водная вытяжка суглинков имеет кислые значения рН~3, высокое содержание сульфатов, железа, алюминия, тяжелых металлов [4]. Данные грунты являются субстратом, не пригодным для развития растений. Самопроизвольного зарастания этих участков не происходит, хотя сброс шахтных вод не осуществляется уже 17.25 лет. Вынос химических элементов с этих участков с водными потоками приводит к загрязнению поверхностных и подземных вод, прилегающих территорий, обуславливает деградацию существующих экосистем [3].
В мировом масштабе проблема нарушенных земель не является новой и рассматривается многими авторами. Подобная проблема зафиксирована в Верхнесилез-
ском угольном бассейне, который находится в Польше и Чехии [7], а также в провинции Гуйчжоу в Китае [11].
Исследование участка прежнего водосброса шахты Широковская. Шахта сдана в эксплуатацию в 1945 г., закрыта — в апреле 1997 г. [6].
В обводнении шахты основную роль играли трещинно-пластовые подземные воды угленосной толщи, приуроченные к пачкам кварцевыгх песчаников. Значительно меньше в формировании шахтного водо-притока участвовали трещинно-карстовые
воды визейского водоносного комплекса. В 1977—1996 гг. максимальный приток воды в шахту составлял 2675 м3/ч (май 1981 г.), минимальный — 560 м3/ч (январь 1996 г.), среднегодовой — 707.1081 м3/ч.
Водоотлив шахты был оборудован деревянным коробом от места сброса до р. Полуденный Кизел. Со временем короб пришел в негодность, а шахтная вода стекала по земной поверхности, в результате чего сформировался значительный по площади участок нарушенных земель (рис. 1).
Рис. 1. Участок прежнего сброса кислых шахтных вод шахты «Широковская» / Fig. 1. Site of the former discharge with acid wool waters on the Shirokovskaya mine
Детальная съемка объекта показала, что участок вытянут в северо-западном направлении от промплощадки шахты до р. Полуденный Кизел. Протяженность участка составляет около 2 км, ширина — 100 м и более (рис. 2).
На шахте «Широковская» в один из периодов проводилась нейтрализация шахтных вод. В результате на участке сброса
аккумулировалось значительное количество тонкодисперсных гидроксидов железа. В связи с этим особенностью этого участка является то, что на метаморфизованных суглинках залегает слой техногенных грунтов мощностью до 1 м, представленный тонкодисперсными гидроксидами железа со щебнем, дресвой и песком пород шахтных отвалов.
Рис. 2. Схема нарушенного участка / Fig. 2. Scheme of disturbed area
Для изучения свойств и состава техногенных отложений и измененных суглинков отобрано 36 проб грунта на шести поперечный профилях, расположенных равномерно по всему участку.
Анализ водной вытяжки показал, что грунты с загрязненного участка имеют кислую реакцию среды. Водородный показатель водной вытяжки грунтов профиля, ближайшего к источнику загрязнения (шахте), составляет 2,3.2,6. С удалением от промплощадки он незначительно повышается, и на профиле, расположенном возле р. Полуденный Кизел, составляет 2,7.3,0. Содержание водорастворимых солей вблизи источника загрязнения составляет около 3 г/кг. На профилях, расположенных возле р. Полуденный Кизел, оно снижается до 1.1,5 г/кг (табл. 1).
По данным валового спектрального анализа на 29 элементов, наблюдается повышенное содержание микроэлементов-за-
грязнителей, характерных для Кизелов-ского угольного бассейна. В техногенных грунтах наибольшие концентрации наблюдаются для Си, 7п, РЬ и Мо, содержание которых составляет в несколько раз выше фонового. В подстилающих техногенных грунтах измененные суглинки также загрязнены. Объясняется это тем, что происходят миграция элементов из поверхностного ги-дроксидно-железистого слоя техногенных грунтов в нижележащие суглинки и аккумуляция их в глинистом субстрате. Кроме того, суглинки являются сорбентами тяжелых металлов, токсичных элементов и являются естественным комплексным геохимическим барьером.
Для определения изменчивости вещественного состава техногенных грунтов в разрезе шурфа 1 послойно отобраны пять проб и проведен их рентгенофазовый анализ (табл. 2).
Таблица 1 / Table 1
Химический анализ водной вытяжки грунтов участка прежнего водоотлива шахты Широковская / Chemical analysis of water extracts in the soils which from the site of previous dumping on the Shirokovskaya mine
№ n/n / No Номер пробы / Sample number Место отбора проб / Place of sampling Содержание ионов в водной вытяжке, мг/кг грунта / Content of ions in aqueous extract, mg / kg of soil Сумма водорастворимых солей, мг/кг / Sum of water-soluble salts, mg / kg
HCO3 Cl SO4 Ca Mg Fe общ K+Na pH
Суглинки на участках относительного фона / Loams in areas of relative background
1 V.6 Профиль V / Profile V 91 48 203 54 33 отс. 39 4,80 468
2 II.1 Профиль II / Profile II 91 48 622 109 33 отс. 177 4,60 1080
Техногенные грунты участка прежнего водосброса шахты «Широковская» / Technogenic grounds of the site of previous spillway of the Shirokovskaya mine
3 VI.3 Профиль VI / Profile VI 10 41 1910 109 66 94 660 2,30 2890
4 V.3 Профиль V / Profile V 5 75 1866 54 33 76 789 2,44 2898
5 IV.3 Профиль IV / Profile IV 10 62 1377 109 33 83 485 2,39 2159
6 III.3 Профиль III / Profile III 10 82 1436 109 66 100 451 2,52 2254
7 II.3 Профиль II / Profile II 10 62 536 109 33 отс. 117 2,68 867
8 I.3 Профиль I / Profile I 10 86 1019 109 33 35 350 2,65 1642
Таблица 2 / Table 2
Минеральный состав грунтов шурфа 1 участка прежнего водоотлива шахты «Широковская»/ Mineral composition of the soil in the pit 1 from the site of previous
dumping on the Shirokovskaya mine
Интервал отбора, м / Selection interval, m Описание грунта / Description of the soil Минеральный состав пробы / Mineral composition of the sample
исходная / initial после обжига / after firing
0,0.0,03 Сухие песчанистые слипшиеся комочки коричневого и светло-коричневого цвета / Dry sandy clumps of brown and light brown Кварц / Quartz Гетит / Goethite Кварц / Quartz Гетит / Goethite
0,03.0,05 Влажная пластичная глиноподобная масса ярко-коричневого, рыжего цвета / Wet plastic clay-like mass of bright brown, red color Кварц / Quartz Гетит / Goethite Кварц / Quartz Гетит / Goethite
0,05.0,15 Сухая комковатая песчанистая масса темно-коричневого цвета / Dry cloddy sandy mass of dark brown color Кварц / Quartz Гетит / Goethite Кварц / Quartz Гетит / Goethite Ярозит / Yarosite
0,15.0,40 Влажная комковатая песчанистая масса от темно-коричневого до черного цвета с куском шлака / Wet lumpy sandy mass from dark brown to black with slag Кварц / Quartz Кварц / Quartz Гетит / Goethite Ярозит / Yarosite
0,60.0,80 Сильно увлажненная пластичная глиноподобная масса от темно-серого до черного цвета / A highly moistened plastic clay-like mass from dark gray to black Кварц / Quartz Кварц / Quartz Гетит / Goethite Ярозит / Yarosite Диккит / Dickit
Разрез техногенных грунтов в зоне влияния кислых шахтиыгх стоков стратифицирован. Верхний горизонт сложен техногенными осадками рентгеноаморфного гидроксида железа и гетита. Залегающие под ним суглинки метаморфизуются с образованием в них новообразованных минералов — гетита и ярозита [10].
О 0. 5 1 юи
Рис. 3. Космоснимок участка прежнего сброса шахты «Широковская» / Space image of the former
discharge site of the mine "Shirokovskaya"
На космосннмке, полученном с помощью программы Google Earth, участок прежнего сброса шахты «Широковская» отчетливо виден, ввиду отсутствия почвенного покрова, а также высокого содержания гидроокислов железа, которые придают поверхности ярко-коричневый цвет (рис. 3).
Сравнение границ участка на современном космическом снимке с планом, составленным в период после закрытия шахты, показало, что самопроизвольного зарастания нарушенных земель не проис-
ходит. Данная территория требует проведения природоохранных мероприятий, включающих нейтрализацию кислых грунтов и рекультивацию [5].
Список литературы_
1. Блинов С. М., Максимович Н. Г., Меньшикова Е. А. Современное техногенное минералообразова-ние в аллювии рек Кизеловского угольного бассейна / / Минералогия техногенеза. 2003. С. 20—38.
2. Блинов С. М., Максимович Н. Г., Найданова Н. Ф., Шлыжов В. Г., Потапов С. С. Минералогические основы утилизации отходов ОАО «Березниковский содовыш завод» / / Минералогия техногенеза. 2003. С. 51-55.
3. Блинов С. М., Потапов С. С., Ворончихина Е. А., Доможирова С. А., Батурин Е. Н., Потапов Д. С. Новый метод улучшения экологической ситуации на участках прежнего сброса кислых шахтных вод Кизе-ловского угольного бассейна / / Минералогия техногенеза. 2005. С. 229—238.
4. Блинов С. М., Потапов С. С., Доможирова С. А., Батурин Е. Н. Эколого-геологическое состояние участков сброса шахтных вод Кизеловского бассейна и результаты натурных экспериментов по их рекультивации / / Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы регион. науч.-практ. конф. Пермь, 2005. С. 324-326.
5. Ворончихина Е. А. Рекультивация нарушенных ландшафтов: теория, технологии, региональные аспекты. Пермь, 2010. 163 с.
6. Красавин А. П. Экологическая реабилитация углепромышленных территорий Кизеловского бассейна в связи с закрытием шахт. Пермь: Звезда, 2005. 287 с.
7. Меньшикова Е. А., Блинов С. М. Особенности современного аллювиального седиментогенеза на территории Кизеловского угольного бассейна // Проблемы минералогии, петрографии и металлогении. Науч. чтения памяти П. Н. Чирвинского: сб. науч. ст. Пермь, 2004. С. 305-315.
8. Меньшикова Е. А., Блинов С. М. Современное состояние донных отложений рек Кизеловского угольного бассейна // Минералогия техногенеза. 2005. С. 238-251.
9. Потапов С. С., Блинов С. М. Геоэкологическая ситуация в Кизеловском угольном бассейне на основе изучения техногенных минерализаций // Уральский минералогический сборник. 2002. № 12. С. 204-219.
10. Pluta I. Polskij geologicheskij institute. P. 361-366.
11. Tao X., Wu P., Tang C., Liu H., Sun J. Environmental Earth Sciences. China. P. 631-638. References_
1. Blinov S. M., Maksimovich N. G., Menshikova E. A. Mineralogiya tehnogeneza (Mineralogy tehnogenesis), 2003, pp. 20-38.
2. Blinov S. M., Maksimovich N. G., Naidanova N. F., Shlykov V. G., Potapov S. S. Mineralogiya tehnogeneza (Mineralogy of technogenesis), 2003, pp. 51-55.
3. Blinov S. M., Potapov S. S., Voronchikhina E. A., Domozhirova S. A., Baturin Ye. N., Potapov D. S. Mineralogiya tehnogeneza (Mineralogy of technogenesis), 2005, pp. 229-238.
4. Blinov S. M., Potapov S. S., Domozhirova S. A., Baturin E. N. Geologiya i poleznye iskopaemye Zapadnogo Urala: materialy region. nauch.-prakt. konf. (Geology and minerals of the Western Urals: materials of region scientific-practical conf.). Perm, 2005, pp. 324-326.
5. Voronchikhina E. A. Rekultivatsiya narushennyh landshaftov: teoriya, tehnologii, regionalnye aspekty (Recultivation of disturbed landscapes: theory, technology, regional aspects). Perm, 2010. 163 p.
6. Krasavin A. P. Ekologicheskaya reabilitatsiya uglepromyshlennyh territoriy Kizelovskogo basseyna v svyazi s zakrytiem shaht (Ecological rehabilitation of coal-mining territories of the Kizelovsky basin in connection with the closure of mines). Perm: Star, 2005. 287 p.
7. Menshikova E. A., Blinov S. M. Problemy mineralogii, petrografii i metallogenii. Nauch. chteniya pamyati P. N. Chirvinskogo: sb. nauch. st. (Problems of Mineralogy, Petrography and Metallogeny. Scientific. Readings in the memory of P.N. Chirvinsky: Sat. sci. Art). Perm, 2004, pp. 305-315.
8. Menshikova E. A., Blinov S. M. Mineralogiya tekhnogeneza (Mineralogy tehnogenesis), 2005, pp. 238-251.
9. Potapov S. S., Blinov S. M. Uralskiy mineralogicheskiy sbornik (Ural Mineralogical Collection), 2002, no. 12, pp. 204-219.
10. Pluta I. Polskiy geologicheskiy institute (Polskij geologicheskij institute), pp. 361-366.
11. Tao X., Wu P., Tang C., Liu H., Sun J. Environmental Earth Sciences (Environmental Earth Sciences). China, pp. 631-638.
Коротко об авторе _ Briefly about the author
Красильникова Светлана Александровна, аспирант, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Россия. Область научных интересов: водосбросы кислых вод, нейтрализация грунтов, нарушенные земли [email protected]
Svetlana Krasilnikova, postgraduate, Perm State National Research University, Perm, Russia. Sphere of scientific interests: spillways of acidic waters, neutralization of soils, disturbed lands
Образец цитирования _
Красильникова С. А. Исследование участка прежнего водосброса кислых вод шахты Широковская (Кизеловский угольный бассейн) // Вестн. Забайкал. гос. ун-та. 2018. Т. 24. № 1. С. 10—17. DOI: 10.21209/2227-9245-2018-24-1-10-17.
Krasilnikova S. Site investigation of the previous spillway with acid waters at the Shirokovskaya mine (Kizel coal basin) // Transbaikal State University Journal, 2018, vol. 24, no. 1, pp. 10-17. DOI: 10.21209/22279245-2018-24-1-10-17.
Статья поступила в редакцию: 19.01.2018 г. Статья принята к публикации: 30.01.2018 г.
