Исследование влияния последствий закрытия угольных шахт на экологическую систему Пермского края после отработки участков Кизеловского угольного бассейна Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Оригинальная статья

УДК 622.882(470.53):622.85 © Е.В. Кирюшина1, И.В. ЗеньковН2, Ле Хунг Чинь3, Ю.П. Юронен4, А.В. Агалакова4, В.Н. Вокин1, Е.В. Черепанов1, Ю.А. Маглинец1, А.А. Латынцев1, К.В. Раевич1, А.С. Лунев1, П.Л. Павлова1, Л.Н. Кузина1, К.А. Штреслер1, 2024

1 Сибирский федеральный университет, 660041, г. Красноярск, Россия

2 Сибирский научно-исследовательский институт горного и маркшейдерского дела, 660025, г. Красноярск, Россия

3 Технический университет им. Ле Куй Дон, 1 1355, Ханой, Вьетнам

4 Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнева, 660037, г. Красноярск, Россия

Н e-mail: zenkoviv@mail.ru

Original Paper

UDC 622.882(470.53):622.85 © E.V. Kiryushina1, I.V. ZenkovH2, Le Hung Trinh3, Yu.P. Yuronen4, A.V. Agalakova4, V.N. Vokin1, E.V. Cherepanov1, Yu.A. Maglinets1, A.A. Latyntsev1, K.V. Raevich1, A.S. Lunev1, P.L. Pavlova1, L.N. Kuzina1, K.A. Shtresler1, 2024

1 Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2 Siberian Research Institute of Mining and Surveying, Krasnoyarsk, 660025, Russian Federation 3 Le Quy Don Technical University (LQDTU), Hanoi, 1 1355, Vietnam 4 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation H e-mail: zenkoviv@mail.ru

Исследование влияния последствий закрытия угольных шахт на экологическую систему Пермского края после отработки участков Кизеловского угольного бассейна

Research into the impact of coal mine closure on the environmental system of the Perm Krai upon completion of mining operations on sites in the Kizelovsky coal basin

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2024-10-105-109-

В статье приводятся результаты исследования экологического состояния нарушенных земель в ходе добычи угля подземным способом на угленасы-щенныхучастках Кизеловского угольного бассейна в Пермском крае. Выявлены виды и площади техногенных ландшафтных объектов, образованных в ходе деятельности предприятий угольной промышленности. Предложен комплекс работ по ускорению восстановления экологического баланса на территории, подверженной многолетнему техногенному воздействию угледобывающих предприятий.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, угледобывающая промышленность, восстановительная экология, Пермский край, Кизеловский угольный бассейн,угольные шахты, шахтные терриконы, шахтные воды, экологические проблемы.

Для цитирования: Исследование влияния последствий закрытия угольных шахт на экологическую систему Пермского края после отработки участков Кизеловского угольного бассейна / Е.В. Кирюшина, И.В. Зень-ков, Ле Хунг Чинь и др. // Уголь. 2024;(10):105-109. Э01: 10.18796/00415790-2024-10-105-109.

КИРЮШИНА Е.В.

Канд. техн. наук, доцент

Сибирского федерального университета,

660041, г. Красноярск, Россия

ЗЕНЬКОВ И.В.

Доктор техн. наук, профессор, заместитель директора по научной работе Сибирского научно-исследовательского института горного и маркшейдерского дела, 660025, г. Красноярск, Россия, e-mail: zenkoviv@mail.ru

ЧИНЬ ЛЕ ХУНГ

Канд. техн. наук, доцент

Технического университета им. Ле Куй Дон,

11355, г. Ханой, Вьетнам

ЭКОЛОГИЯ • ECOLOGY

ЮРОНЕН Ю.П.

Канд. техн. наук, доцент Сибирского государственного университета науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнева, 660037, г. Красноярск, Россия

АГАЛАКОВА А.В.

Канд. экон. наук, доцент Сибирского государственного университета науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнева, 660037, г. Красноярск, Россия

ВОКИН В.Н.

Канд. техн. наук, профессор, Сибирского федерального университета, 660041, г. Красноярск, Россия

ЧЕРЕПАНОВ Е.В.

Канд. техн. наук, доцент

Сибирского федерального университета,

660041, г. Красноярск, Россия

МАГЛИНЕЦ Ю.А.

Канд. техн. наук, профессор Сибирского федерального университета, 660041, г. Красноярск, Россия

ЛАТЫНЦЕВ А.А.

Канд. техн. наук, доцент

Сибирского федерального университета,

660041, г. Красноярск, Россия

РАЕВИЧ К.В.

Канд. техн. наук, доцент

Сибирского федерального университета,

660041, г. Красноярск, Россия

ЛУНЕВ А.С.

Канд. техн. наук, доцент

Сибирского федерального университета,

660041, г. Красноярск, Россия

ПАВЛОВА П.Л.

Канд. техн. наук, доцент

Сибирского федерального университета,

660041, г. Красноярск, Россия

КУЗИНА Л.Н.

Канд. экон. наук, доцент

Сибирского федерального университета,

660041, г. Красноярск, Россия

ШТРЕСЛЕР К.А.

Старший преподаватель Сибирского федерального университета, 660041, г. Красноярск, Россия

Abstract

The article presents the results of studying the environmental state of lands disturbed in the course of underground coal mining of the coal-bearing areas of the Kizelovsky coal basin in the Perm Krai. Types and areas of man-made landscape objects formed in the course of coal mining activities are revealed. Complex measures are proposed to accelerate restoration of the environmental balance in the territory that has been exposed to man-made impact of coalmining operations for a long period of time. Keywords

Remote sensing of the Earth, ooal mining industry, restoration ecology, Perm Krai, Kizelovsky coal basin, underground coal mines, mine waste piles, mine water, environmental issues. For citation

Kiryushina E.V., Zenkov I.V., Trinh Le Hung, Yuronen Yu.P., Agalakova A.V., Vokin V.N., Cherepanov E.V., Maglinets Yu.A., Latyntsev A.A., Raevich K.V., Lunev A.S., Pavlova P.L., Kuzina L.N., Shtresler К.А. Research into the impact of coal mine closure on the environmental system of the Perm Krai upon completion of mining operations on sites in the Kizelovsky coal basin. Ugol'. 2024;(10):105-109. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2024-10-105-109.

ВВЕДЕНИЕ

На Среднем Урале, в границах Пермского края более двухсот лет (с 1797 г.) производилась добыча каменного угля. В последнее столетие в этом регионе рядом с городами Кизел, Губаха, Гремячинск в разные периоды времени постоянно работали несколько десятков шахт. В одних шахтах уголь становилось добывать нерентабельно, и они закрывались. Выбывающие производственные мощности по добыче угля компенсировались строительством шахт на других перспективных угленасыщенных участках бассейна. В конце прошлого столетия добыча угля подземным способом была полностью прекращена. Предварительный обзор исследуемой территории на космоснимках высокой детализации выявил наличие многочисленных изменений природного ландшафта техногенного происхождения, произошедших в ходе деятельности угольных шахт, что, как известно, определяется термином «накопленный экологический ущерб». Масштабное изучение информации, находящейся в свободном доступе, показало отсутствие комплексной картины ландшафтных нарушений, обусловленных подземной добычей угля на участках Кизеловско-го угольного бассейна. Актуальность получения знаний о существующей экологической проблеме весьма корреспондируется с масштабными исследованиями экологических последствий деятельности предприятий мировой угледобывающей промышленности, в том числе с использованием ресурсов дистанционного зондирования Земли из космоса [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование последствий работы шахт по добыче каменного угля из месторождений Кизеловского угольного бассейна проведено в секторе площадью 110 тыс. га. Изучаемая территория определяется следующими природно-географическими характеристиками. Угольный бассейн находится в границах западных склонов Среднего Урала. Здесь в условиях сильнорасчлененного рельефа развита речная сеть. Питание рек происходит как за счет атмосферных осадков, так и за счет разгрузки напорных артезианских вод. Количество осадков на исследуемой территории составляет 750 мм в год. При этом уровень показателя испаряемости (370 мм) практически в два раза ниже количества атмосферных осадков. Отметим, что добыча угля из шахт производилась на местности, покрытой преимущественно хвойным и в меньшей степени смешанным лесом. Лесной покров находится на

участках общей площадью не менее 88% от площади исследуемой территории, что является положительным фактором в образовании густой речной сети.

В общем виде исследуемый сектор имеет форму полосы шириной 15-18 км в северной и центральной ее частях и 10 км в южной части. Протяженность сектора в направлении «север - юг» между пос. Талый на севере и пос. Грузди на юге равна 74 км [12]. По данным космического мониторинга установлены географические секторы с наибольшей концентрацией техногенных ландшафтных объектов: сектор с геолокацией в радиусе 12 км от центра г. Кизе-ла; сектор с геолокацией в радиусе 7-12 км от центра пос. Углеуральский; сектор с геолокацией в радиусе 4-14 км от центра г. Губаха; сектор с геолокацией в радиусе 3-7 км от центра г. Гремячинска. В исследовании выделены следующие виды техногенных ландшафтных объектов, связанных с природо- и землепользованием: промышленные площадки закрытых шахт и шахтные терриконы (см. таблицу). Закрытые шахтные стволы определяются на кос-моснимках по следам водных потоков, изливающихся из них на земную поверхность.

К настоящему времени суммарная площадь промышленных площадок закрытых шахт с заброшенными зданиями и сооружениями составляет 252,4 га, общая площадь шахтных терриконов, находящихся в том виде, в котором они были отсыпаны при работе шахт, равна 324 га [11]. На промплощадках имеются многочисленные участки с остатками некондиционного окисленного угля. На горизонтальных поверхностях двух терриконов высажены деревья на трех разрозненных участках общей площадью 2,4 га. Эти объекты находятся вблизи г. Кизела и пос. Угледарский, т.е. в районах с наибольшей концентрацией населения. На поверхность тринадцати терриконов и промплощадок общей площадью 98,7 га нанесены в ходе горнотехнической рекультивации горные породы четвертичного возраста, из них на пяти терриконах суммарной площадью 29,1 га на юге исследуемой терри-

тории был произведен посев трав. Кроме того, в границах исследуемой территории на горизонтальной поверхности восьми терриконов в результате саморасселения сформирована древесно-кустарниковая растительность на участках, общая площадь которых составляет 13,4 га. Все вышесказанное говорит о том, что специальные работы по ликвидации накопленного экологического ущерба в необходимом объеме не проводились. По нашей оценке, работы проведены в объеме не более 17,2% от объема работ, позволяющих в максимальной степени устранить экологические последствия работы шахт по добыче угля. Последнее относится к терриконам и промышленным площадкам.

Обзор информации на космоснимках показывает, что все техногенные ландшафтные объекты находятся на склонах складок рельефа земной поверхности. Общеизвестным является тот факт, что между двумя противоположными склонами, т.е. в складке земной поверхности, покрытой густым хвойным или смешанным древостоем, формируется река или ручей. Исследуемая территория не является исключением из этой природной аксиомы. Как установлено по данным космической съемки, на исследуемой территории формируются 11 малых рек и один ручей, в границах бассейнов которых находятся техногенные ландшафтные объекты. Истоки трех транзитных рек: Косьвы, Усьвы и Вильвы (приток р. Камы) находятся далеко на восток за границами исследуемой территории. Река Косьва впадает в Каму, находящуюся в 55 км западнее исследуемой территории. Две реки - Усь-ва и Вильва впадают в р. Чусовую, которая является одним из левых притоков р Камы. Река Кизел имеет семь притоков, пять из которых (Въящер, Восточный Кизел, Полуденный Кизел, Малый Полуденный Кизел, Сухой Кизел) включены в исследование. Общая картина экологических показателей р. Кизел, впадающей в р. Вильва (приток р. Яйвы), и пяти притоков резко отрицательная за счет воздействия многочисленных техногенных объектов

Количество техногенных объектов после добычи угля подземным способом в границах бассейнов рек в центральной части Пермского края

The number of man-made objects upon completion of underground coal mining within the boundaries of the river basins in the central part of the Perm Krai

Название реки (ручья) Промышленная площадка шахты Шахтный террикон Закрытый шахтный ствол

Въящер 3 4 2

Восточный Кизел 5 1 4

Коспаш 1 1 1

Полуденный Кизел 9 14 10

Малый Полуденный Кизел 3 2 2

Сухой Кизел 2 3 2

Кизел 2 13 2

Косая 3 5 2

Губашка 7 8 3

Косьва 1 6 2

Берестянка 2 1 1

Ладейный лог 2 2 2

Юбилейный (ручей) 1 2 1

Вильва (приток р. Чусовая) 3 9 9

Усьва 2 1

Итого 44 73 44

■

ЭКОЛОГИЯ • ECOLOGY

угольной промышленности (см. таблицу). По данным дистанционного мониторинга цвет воды в семи реках (Кизел с пятью притоками и Вильва) имеет сплошной коричневый окрас, при этом цвет воды, начиная с места впадения р. Вильвы в р. Яйву, кардинально меняется с синего на коричневый на всем протяжении до впадения р. Яйвы в Камское водохранилище. (рис. 1,2). Направления движения воды в реках показаны стрелками.

Детальный анализ ландшафтных техногенных объектов, образованных в ходе добычи угля на территории области, указал на то обстоятельство, что шахтные терриконы являются экологически проблемными с двух позиций. Поскольку они являются насыпями из горных пород с объемом до нескольких сотен тысяч кубических метров на склонах гористого рельефа региона, то при любом направлении ветра с поверхности терриконов будут производиться вынос пыли и вертикальное и горизонтальное ее перемещение на расстояние в зависимости от крупности частиц и силы ветра.

При перемещении горных пород из терриконов на природный ландшафт под воздействием атмосферных осадков сокращается площадь наземной растительной экосистемы, а также происходит попадание большого объема минералов в реки и ручьи, протекающие по дну складок рельефа. Для снижения отрицательного воздействия на природную среду, включая среду обитания человека, необходим источник финансирования специальных работ по изменению архитектуры терриконов и их рекультивации. Основу предлагаемых природоохранных мероприятий после изменения их архитектуры составляют работы по нанесению на всю поверхность террикона потенциально плодородных и продуктивных слоев горных пород мощностью 0,5 м и использование комплексных минеральных удобрений NPK (азот, фосфор, калий) с повышенными нормами внесения. Далее на поверхности терриконов необходимо произвести высадку саженцев деревьев и кустарников, а также посев многолетних трав.

По данным дистанционного мониторинга, из 25 шахтных стволов происходит непрерывное излитие шахтных вод и из 19 - сезонное, связанное с пиком поступления атмосферных осадков в недра. На пути кислых вод из шахтных стволов в реки и ручьи, по нашему мнению, необходимо обустроить техногенные водоемы с размещением водных растений, толерантных к пониженному значению pH и обладающих способностью концентрировать в фитомассе токсичные минеральные соединения и металлы.

Рис. 1. Место слияния рек Вильвы и Яйвы в Пермском крае на снимках из космоса: а - июль 2017 г.; б - июль 2022 г.

Fig. 1. The confluence of the Vilva and Yaiva rivers in the Perm Krai in space images: а - July 2017; б - July 2022

Рис. 2. Место впадения р. Яйвы в Камское водохранилище в Пермском крае на снимках из космоса: а - июнь 2015 г.; б - октябрь 2020 г. Fig. 2. Location of the Yaiva River inflow into the Kamskoye water reservoir in the Perm Krai in space images: а - June 2015; б - October 2020

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований территории Пермского края получены новые знания о нарушенных землях в ходе добычи угля подземным способом на протяжении последних ста лет на угленасыщенных участках Кизеловского каменноугольного бассейна. На территориях с высокой концентрацией терриконов и населенных пунктов необходимо выполнить работы по изменению вертикальной конструкции терриконов и последующей их рекультивации с нанесением потенциально плодородных горных пород и с высадкой древесно-кустарниковой растительности. На пути артезианских вод, изливающихся из нерабочих шахтных стволов, необходимо сформировать очистные сооружения в виде прудов-отстойников с заполнением их водными растениями, способными поглощать токсичные соединения, содержащиеся в шахтных водах.

Список литературы • References

1. Исследование горных работ и процессов восстановительной экологии на месторождениях угля во Вьетнаме по данным дистанционного зондирования / И.В. Зеньков, Ле Хунг Чинь, Ю.А. Анищенко и др. // Уголь. 2022. № 7. С. 21-24. DOI: 10.18796/0041-5790- 2022-7-21-24. Zenkov I.V., Trinh Le Hung, Anischenko Yu.A., Loginova E.V., Mag-linets Yu.A., Raevich K.V., Latyntsev A.A., Veretenova T.A., Kondrash-ov P.M., Pavlova P.L., Konov V.N. A study of mining operations and environmental rehabilitation processes in Vietnamese coal fields based on remote sensing data. Ugol'. 2022;(7):21-24. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2022-7-21-24.

2. Дистанционное зондирование в исследовании результатов ле-совосстановительной экологии на породных отвалах угольных разрезов Красноярского края / И.В. Зеньков, Ле Хунг Чинь, Ю.А. Анищенко и др. // Уголь. 2021. № 6. С. 54-57. DOI: 10.18796/0041 -5790- 2021-6-54-57.

Zenkov I.V., Trinh Le Hung, Anishenko Yu.A., Kazanskaya N.N., Vokin V.N., Kiryushina E.V., Latyntsev A.A., Veretenova T.A. Remote sensing in studying the reforestation results at rock dumps of coal mines in the Krasnoyarsk Territory. Ugol. 2021;(6):54-57. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041 -5790-2021 -6-54-57.

3. Mitrakova N.V., Khayrulina E.A., Blinov S.M., Perevoshchikova A.A. Efficiency of acid sulphate soils reclamation in coal mining areas. Journal of Mining Institute. 2023;(260):266-278. DOI: 10.31897/ PMI.2023.31.

4. Xiaonan Li, Kai Zhang, Kaikai Bao et al. Effect of coal gasification coarse slag on soil water and nutrition at an arid opencast coal mine site in Northwest China. Land Degrad. Dev. 2024;35(9):3112-3125. DOI: 10.1002/ldr.5121.

5. Gossen I., Gurkova E., Sokolov D. Assesment of Effectiveness of Reclamation Activities on Coal Dumps in Kuzbass. Ecology and Industry of Russia. 2023;(3):33-39. DOI: 10.18412/1816-0395-20233-33-39.

6. Christian J. Thomas, Robert K. Shriver, Fabian Nippgen et al. Mines to forests? Analyzing long-term recovery trends for surface coal mines in Central Appalachia. Restoration Ecology. 2023;31 (5):e13827. DOI: 10.1111/rec.13827.

7. Депонирование углерода девятилетними культурами сосны на рекультивированном отвале разреза «Черногорский» ООО «СУЭК Хакасия» / О.С. Сафронова, Е.В. Маркова, Н.А. Оста-пова и др. // Уголь. 2024. № 3. С. 94-96. DOI: 10.18796/0041-57902024-3-94-96.

Safronova O.S., Markova E.V., Ostapova N.A., Evseeva I.N., Morshnev E.A. Carbon deposition by nine-year-old pine crops at the reclaimed dump of the «Chernogorsky» section of ООО «SUEK Khakassia». Ugol. 2024;(3):94-96. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2024-394-96.

8. Xiaolin Kuang, Yiling Hu, Liang Peng et al. Application of biological soil crusts for efficient cadmium removal from acidic mine wastewater. Journal of Hazardous Materials. 2024;(465):133524. DOI: 10.1016/ j.jhazmat.2024.133524.

9. Vivek Kumar, Dibyendu Paul, Sudhir Kumar. Acid mine drainage from coal mines in the eastern Himalayan sub-region: Hydrogeochemi-cal processes, seasonal variations and insights from hydrogen and oxygen stable isotopes. Environmental Research. 2024;(252):119086. DOI: 10.1016/j.envres.2024.119086.

10. Chunlu Jiang, Lili Cheng, Chang Li, Liugen Zheng. A hydrochemical and multi-isotopic study of groundwater sulfate origin and contribution in the coal mining area. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2022;(248): 114286. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2022.114286.

11. Google Earth. [Electronic resource]. Available at: https://www. google.com.earth/ (accessed 15.09.2024).

Authors Information

Kiryushina E.V. - PhD (Engineering), Associate Professor, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Zenkov I.V. - Doctor of Engineering Sciences, Professor,

Deputy Director for Scientific Work, Siberian Research Institute

of Mining and Surveying, Krasnoyarsk,

660025, Russian Federation, e-mail: zenkoviv@mail.ru

Trinh Le Hung - PhD (Engineering), Associate Professor,

Le Quy Don Technical University (LQDTU), Hanoi, 11355, Vietnam

Yuronen Yu.P. - PhD (Engineering), Associate Professor,

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,

Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

Agalakova A.V. - PhD (Economic), Associate Professor,

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,

Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

Vokin V.N. - PhD (Engineering), Professor, Siberian Federal

University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Cherepanov E.V. - PhD (Engineering), Associate Professor,

Siberian Federal University, Krasnoyarsk,

660041, Russian Federation

Maglinets Yu.A. - PhD (Engineering), Professor,

Siberian Federal University, Krasnoyarsk,

660041, Russian Federation

Latyntsev A.A. - PhD (Engineering), Associate Professor, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Raevich K.V. - PhD (Engineering), Associate Professor, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Lunev A.S. - PhD (Engineering), Associate Professor, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Pavlova P.L. - PhD (Engineering), Associate Professor,

Siberian Federal University, Krasnoyarsk,

660041, Russian Federation

Kuzina L.N. - PhD (Economic), Associate Professor,

Siberian Federal University, Krasnoyarsk,

660041, Russian Federation

Shtresler К.А. - Senior lecturer, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Информация о статье

Поступила в редакцию: 5.08.2024 Поступила после рецензирования: 16.09.2024 Принята к публикации: 26.09.2024

Paper info

Received August 5,2024 Reviewed September 16,2024 Accepted September 26, 2024