Результаты гидрохимических исследований на полях ликвидированных шахт Сахалинской области Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Л.Г. Буянова, Т.Н. Елисафенко, И.А. Тарасенко, 2004

УДК 622.272

Л.Г. Буянова, Т.Н. Елисафенко, И.А. Тарасенко

РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ПОЛЯХ ЛИКВИДИРОВАННЫХ ШАХТ САХАЛИНСКОЙ ОБЛАСТИ

Семинар № 11

ТТ иквидация нерентабельных и убыточ-

•/-I ных шахт в конце 90-х годов прошлого века в связи с реорганизацией угольной промышленности стало массовым явлением практически на всей территории Российской Федерации. Сахалинская область не явилась в этом плане исключением. Закрытие и затопление нерентабельных шахт, улучшая в целом экологическую обстановку в районе, вызывает ряд негативных экологических последствий. Применимо к Сахалину наиболее важным аспектом является выход на поверхность токсичных шахтных вод и загрязнение ими поверхностных водотоков.

Ионно-солевой состав природных вод является показателем соответствующих условий окружающей среды, характеризуя собой сложившуюся геохимическую обстановку и происходящие в ней процессы. В то же время состав и концентрация солей в воде рассматривается как значимый экологический фактор, определяющий условия использования поверхностных вод в питьевых, рыбохозяйственных и иных целях. Таким образом, исследование ионносолевого состава поверхностных вод является одним из этапов определения экологических условий территории. При этом становится приоритетным оценка изменения химического состава воды в условиях антропогенного воздействия.

Опыт работы на ликвидированных шахтах ряда регионов (Кузбас, Приморье) показал, что в затопленном горном массиве происходит формирование техногенных шахтных вод, в состав которых входят компоненты, являющиеся загрязнитеблями природных и поверхностных вод.

Гидрохимическое обследование полей закрытых шахт «Макаровская» и «Горнозаводская» проводилось летом 2003 г. в рамках комплексного экологического обследования ликвидирован-

ных шахт Сахалинской области ОАО «Дальвост-НИИпроектуголь» при непосредственном участии авторов статьи. Цель обследования заключалось в оценке фактического состояния подземных и поверхностных вод и определении степени влияния на них ликвидированных угледобывающих предприятий. Шахты «Макаровская» и «Горнозаводская» расположены в южной части о. Сахалин. Площадь обследования включала области влияния этих ликвидированных шахт. Учитывая, что практически все реки и ручьи региона имеют рабохозяйственную категорию и являются нерестовыми для ценных пород лососевых рыб, особое внимание уделялось поверхностным водотокам, а именно возможности проникновения в них и пути распространения загрязнения, источником которого являются шахтные воды. Подобное обследование в данном районе проводилось в первые, как по площади обследования и количеству проб, так и по набору определяемых компонентов, в связи с чем результаты работы представляют неоспоримый научный интерес.

В полевых условиях проведен сокращенный анализ воды более чем по 50 пробам. По 10 пробам в аттестованных лабораториях был выполнен полный химический анализ с дополнительным определением содержания растворенных газов (С02 и 02), борной кислоты, БЮ2, ПАВ, нефтепродуктов, фенолов, микрокомпонентов (РЬ, 7и, Си, Мп, А1, N1, С(1, А8, Н^, Е, В, Ва), БПК5, и пермангонатной окисляемости.

Для оценки экологической обстановки полученные данные сравнивались с ПДК для источников хозяйственно-питьевого назначения [1, 2] и нормативами для рыбохозяйственных водоемов [3].

Состояние природных и техногенных вод в зоне влияния шахты «Макаровская»

Шахтой «Макаровская» разрабатывалось одноименное буроугольное месторождение, расположенное на восточном крыле ЗападноСахалинского антиклинория. Ближайшие населенные пункт - пос. Горный и пос. Туманове, находятся в нескольких километрах от шахтного поля. Шахта была ликвидирована в 1999 г. На момент обследования процесс затопления шахты закончился, гидродинамический режим стабилизировался. Из вспомогательного ствола изливаются шахтные воды с расходом 178 м3/час.

Обследовались природные водотоки, в которые происходит сброс изливающихся шахтных вод - это р. Шахтная и р. Горная, в которую впадает р. Шахтная. Также пробы отбирались по водотокам, через которые, вероятно, происходит общая разгрузка подземных вод горного массива в зоне ведения добычных работ - рр. Видная, Ко-раловка, верховья которых расположены в границах горного отвода шахты.

Региональный фон характеризует проба, взятая в верховьях р. Шахтной выше источников антропогенного воздействия. Природные поверхностные воды относятся к весьма пресным сульфатно-гидрокарбонат-ным магниево-натриево-кальциевым [4]. Формула солевого состава:

м НСО3 66 Б04 20 С1 14__________

01 1 Са 40 (№+К) 38 Mg 20Ее общ1

По данной пробе отмечено превышение ПДК для питьевой воды по бору в 2,2 раза и по железу в 1,2. Для рыбохозяйственных нормативов ПДК превышены по марганцу в 2,2; борной кислоте в 38 раз и железу в 3,6 раза. Содержание прочих компонентов, а также органолептические и биологические характеристики в норме. Таким образом, при общем удовлетворительном качестве воды, можно отметить выраженную гидрохимическую аномалию по бору и железу.

Основным источниками загрязнения природных вод в зоне влияния шахты, по опыту ведения гидроэкологических работ на ликвидированных угледобывающих предприятиях, являются изливающиеся на поверхность шахтные воды. На шахте «Макаровская» они пресные, гидрокарбонатные натриевые. Формула солевого состава:

НС03 91 С1 7 Б04 2 м°-71 (№+К) 91Са 4 Mg 2Ее общ2

превышение ПДК для воды питьевой отмечено по следующим компонентам: натрию в

2,3; железу в 16; бору в 5,1; марганцу в 1,1 раза. Для рыбохозяйственных норм ПДК превышены по аммонию в 2,5; марганцу в 11,4; меди в 1,2; борной кислоте в 88 раз, железу в 49 раз. Кроме этого, не соответствуют нормативам цветность - 150 град. при норме 20 и БПК - 4,1 при норме 3 мг/дм3 (табл.). Такие показатели, как сухой остаток и содержание гидрокарбонатов соответствуют нормативам, но значительно превышают фоновые концентрации. Следует отметить, что в большинстве случаев шахтные и карьерные воды характеризуются повышенным количеством сульфатов, содержание их ниже фоновых значений является специфическим для шахты «Макаровская».

Следует отметить, что те компоненты, по которым отмечается гидрохимическая аномалия (бор, марганец, железо), согласно фоновой пробы, зафиксированы в повышенных концентрациях (по сравнению с ПДК) и в шахтной воде. Таким образом, в ее составе отражены характерные черты, свойственные для природной гидрохимической ситуации в данном регионе.

Исследованием установлено, что химический состав поверхностных вод существенно изменяется по мере продвижения от излива до места впадения в реку-приемник. Прежде всего, идет процесс активного выпадения соединений железа, о чем свидетельствует характерное окрашивание дна и берегов водотока в краснокоричневый цвет. В результате в пробе, отобранной на 200 м ниже по течению от излива содержание железа снижается с 4,9 до 3,5 мг/дм3, снижаются минерализация и цветность.

Из поверхностных водотоков наиболее активному техногенному воздействию со стороны шх. «Макаровская» подвергается

р.Шахтная, протекающая через промплощадку и принимающая в себя стоки с излива шахтных вод. Динамика изменения ионного состава воды р. Шахтной приведен на рис. 1-2. В пробе, отобранной ниже впадения шахтных вод, можно отметить увеличение гидрокарбонатов в 2 раза (с 106,8 до 213,6 мг/дм3), железа в 4 раза (с

0,34 до 1,3 мг/дм3), суммарного содержания натрия с калием с 35,6 до 56,6 мг/дм3.

Все отмеченные изменения происходят в пределах ПДК, кроме железа, содержание которого в реке ниже впадения шахтной воды достигает 4,3 ПДК. Далее идет снижение содержания указанных компонентов. В пробе, отобранной в устье р.Шахтной, гидрокарбона-

5 воо I 700 т еоо й 500 400

5 200 В юс 3 о

о

5

11

а нэээ □ г* »к 7Ю.0

А Л

78 18.0 ЕЯ—» 91,0 "1А|, о ШЩ6

Е а §

1 3 |

Я н з

Р. я й

I*а

11 н

1“ 11

* I

2Т3.6 К

1$о.а

. ^ ш

| 3 <;

3 4 -

I И

& ЁI

78

а X: 11

ц 1 £ Ч г-

£

"3-

Рис. 2. Влияние излиеа шахтных вод на содержание в поверхностных водах гидрокарбонат-иона и суммарного содержания ионов натрия и калия

^ 2.Ь

I

0.5

XX

XX

XX

оо 1.30

XX 0.65 ! П в,

li.Lt/ о, за 0,34 1 0,9 ] Д А1

СЕЯ РФ! Г7ТЗ жж Ы'Л

.ё £

3 3

т Я Ч

Ц I

I б £ ¡1 =у

£ & ^

III

I 5,

э 8 1

5- I ^

I—■ иН

Рис. 2. Влияние излива шахтных вод на содержание суммарного железа в поверхностных водах

тов 160, железа 0,66, натрия с калием 49,4 мг/дм3. Таким образом, содержание железа снижается в 2 раза.

Из результатов обследования видно, что влияние излива на ионный состав поверхностных вод носит ограниченный характер. В целом, влияние шахты прослеживается до р. Горной, т.е. на расстояние около 1,5 км вниз по течению, где содержание основных ионов возврвщается практически к фоновому уровню.

Состояние природных и техногенных вод в зоне влияния шахты «Горнозаводской»

Горнозаводское буроугольное месторождение расположено в юго-западной части полуострова Крильон, омываемого с запада водами Татарского пролива. Ликвидация шахты была проведена в 1998-1999 гг. Как «Макаровская», шахта «Горнозаводской» в

настоящий момент затоплена. Излив шахтных вод происходит из устья главной штольни. Избыток шахтной воды (1,5-2 л/сек) сбрасывается в р. Лопатинку, поэтому из поверхностных водотоков она изучена наиболее полно. Так же пробы отбирались по рекам, верховья которых расположены в границах горного отвода шахты - р. Борисовка, р.Открытая, р. Богдановка.

Региональной фоновой пробой можно считать пробу, отобранную в верховьях р.Открытой, выше горного отвода и пробу, отобранную в верховья р. Лопатинки. Природные поверхностные воды относятся к весьма пресным, по химическому составу хлридно-гидрокарбонатные кальциево-

натриевые с повышенным содержанием железа. Типичная формула солевого состава:

Сравнение качества техногенных вод, формирующихся на поле ликвидированных шахт “Макаровская” и «Горнозаводская», с предельно-допустимыми значениями

Показатели качества пдк, мг/дм3 Фактическая концентрация, мг/дм3

По ГОСТу «Вода питьевая» По СанПин «Вода питьевая» 1996 г. По рыбо-хоз. нормам, 1997 г. Излив шахтных вод на шахте «Макаровская» Излив шахтных вод на шахте «Горнозаводская»

Цветность, град. - 20 - 150 40

Окисляемость перманганатная, мг О2/ДМ3 5 5,0 4,8 4,76

Сухой остаток - 1000 1000 707,1 616,1

рн 6-9 6-9 6-9 7,0 7,7

Гидрокарбонаты - 1000 - 735,0 235,0

Сульфаты 500 500 100 10,7 253

Хлориды 350 350 - 32,6 29,1

Кальций - - 180 11,0 10,0

Магний - - 40 3,6 8,5

Натрий - 200 120 278,5 195,0

Калий - - 50 2,6 0,5

Борная кислота - - 0,1 8,8 5,0

БПК5 - 3,0 - 4,1 <1

Нитраты 45 45 40 <0,1 <0,1

Нитриты 3 3 0,08 <0,01 <0,01

Аммонийный азот - 2,5 0,5 1,25 0,05

Железо общее 0,3 0,3 0,1 4,9 1,96

Фосфаты 3,5 3,5 - 0,239 0,98

ПАВ 0,5 0,5 - 0,0008 0,0007

Фенолы 0,001 0,001 0,001 <0,0025 0,0015

Свинец 0,03 0,03 0,01 0,002 0,002

Цинк 5,0 5,0 0,01 0,003 0,005

Медь 2,0 1,0 0,005 0,006 0,004

Магний 0,5 0,1 0,01 0,114 0,051

Алюминий 0,5 0,5 0,5 0,04 0,32

Никель 0,02 0,1 0,001 0,003 <0,002

Кадмий 0,003 0,001 0,005 <0,001 <0,001

Мышьяк 0,01 0,05 0,05 <0,002 0,002

Ртуть 0,001 0,0005 0,00001 <0,0001 <0,0001

Барий 0,1 0,1 2 <0,05 <0,05

Бор 0,3 0,5 1,0 1,54 0,88

Фтор 1,2 1,2 0,05 <0,19 <0,19

Мо, 0 НСО3 57 С1 34 Б04 8

' (Ыа+К) 70 Са 17 ]] 10 Ее общЗ

Основным источником загрязнения природных вод в данном случае так же являются шахтные воды, которые характеризуются как весьма слабосолоноватые гид-рокарбонатно-сульфатные натриевые.

Формула солевого состава:

М0 62 Б04 53 НСОЗ 39 С1 8

,(На+К)"87-И^"7"СаЗ"Те"оЕщ1

В отличие от шахты «Макаровская», в данном случае тип воды сульфатный, что является в целом характерным для шахтных и карьерных вод, как на ликвидированных, так и на действующих угледобывающих предприятиях. При этом увеличение содержания сульфатов

З&ад

Э00Л1

£ ^ппл

р- 150)5 100,0 50 д 00

160,0

: 7&.0 йяя Г!

... ‘ Р в а л, ■ г™*? & '0

ЩгЛ И=1 Г-Л'-В Ш. тш

Р ЛСКГЩНОКВ, ВфЯйБЪй

р Лияегпиогл

выше места ЕЛаДМИ Б нес сгфко» и ЦШЯЯЫЫОД

И:члш,1 сшхтищ ПОД

р -."Ьпштнии;!: шее МЙССП впадением в нес иШШЛСЙФЯ

Р.Л'тт1шс1. возле устья

Рис. 3. Влияние излива шахтных вод на содержание гидрокарбонатов, сульфатов и суммарного содержания натрия с калием вр.Лопатинке

Рис. 4. График изменения содержания сульфат-иона в р.Борисовке

сопровождается снижением цветности (40 по сравнению со 150 град.), что также является типичным.

Превышение ПДК для воды питьевой отмечено по следующим компонентам: натрию в 1,6; железу в 7; бору в 2,9; фенолам в 1,5. Для рыбохозяйственных норм ПДК превышены по сульфатам в 2,5; марганцу в 5; борной кислоте в 50 раз. Кроме этого, не соответствуют нормативам цветность - 40 град. при норме 20 (см. таблицу). Следовательно, набор загрязняющих веществ, совпадающий по ряду компонентов с первой шахтой (бор, марганец, железо, натрий) включает дополнительные вещества (сульфаты, фенолы).

Все это говорит о неоднородности качества формирующихся техногенных шахтных вод. Их химический состав, органолептические свойства и ионный тип имеют специфические черты применимо к каждой обследованной зоне.

Так же как и в первом случае, состав шахтной воды после выхода на поверхность практически сразу начинает претерпевать изменения. Наиболее активно протекает процесс выпадения железа.

В пробе, отобранной на 140 м ниже излива, оно снижается до 1,7 мг/дм3.

Из поверхностных водотоков наиболее активному техногенному воздействию со стороны шахты «Горнозаводская» подвергается р. Лопатинка, принимающая в себя стоки с излива. В пробе отобранной ниже впадения шахтных вод можно отметить увеличение гидрокарбонатов более чем в 2 раза (с 78,0 до 169,0 мг/дм3), суммарного содержания натрия с калием с 40,0 до 65,3 мг/дм3 (рис. 3). Далее, по течению р. Лопатинки идет снижение содержания указанных ионов. В пробе, отобранной в устье р. Лопатинки гидрокарбонатов 65,0; железа 1,1; натрия с калием 31,0 мг/дм3. Таким образом, в р. Лопатинке, как и в р.Шахтной происходит восстановление ионного состава воды и на определенном расстоянии от источника воздействия (в данном случае около 1,4 км) практически достигает фоновых значений.

Из прочих водотоков интерес вызывает р. Бо-рисовка. Все пробы отличаются превышением ПДК по цветности, причем максимальное значение 300 она имеет в верховьях, в районе вскрыто-

го пласта. Далее по течению идет постепенное снижение данного показателя, но даже в устье он равен 80, при ПДК 20. Опираясь на опыт работы на шахтах Приморья, можно сказать, что повышенная цветность определяется содержанием гу-миновых веществ, определение количественных показателей которого не входило в программу экологического обследования.

В верховьях реки ионный состав воды в целом соответствует природному тип, с незначительно повышенным содержанием основных ионов, из которых только железо превышает ПДК (1,49 мг/дм3, т.е. 5 ПДК). Далее по течению, возрастает содержание сульфатов с 33,3 до 56,4 мг/дм3 и железа с 1,49 до 2,08 мг/дм3 (рис. 4).

На данном отрезке русла визуально наблюдается зона дренирования горного массива в виде участков высачивания по бортам. При этом тип воды меняется с гидрокарбонатного на сульфатный, что можно считать закономерным, если учесть, что шахтные воды также имеют сульфатный тип. Таким образом, можно предполагать, что помимо излива, разгрузка шахтных вод идет через долину р. Борисовки. К устью пропорция содержания основных ионов восстанавливается, содержание сульфатов снижается до 14,8 мг/дм3, вода становится гидрокарбонатной.

Выводы.

1. В результате обследования ликвидированных шахт «Макаровская» и «Горнозаводская» установлено, что в нарушенном горном массиве сформировались подземные воды техногенного происхождения значительно отличающиеся от природных вод по ионному типу, химическому составу и органолептическим свойствам. Шахтные воды обладают повышенной по сравнению с природными водами минерализацией и содержат в своем составе специфические компоненты, являющиеся загрязнителями природной среды

1. ГОСТ Р 2874. «Вода питьевая», 1996 г.

2. СанПиН 2.1.4.559-96. «Питьевая вода. Гигие-

нические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»

(магний, бор, железо, медь, натрий). Разгрузка техногенных подземных вод, как в результате излива, так и при дренировании, оказывает влияние на химический состав природных вод, приводит к изменению их органолептических свойств и даже ионного типа.

2. Свойства шахтных вод имеют свои специфические особенности применимо к каждой обследованной шахте и зависят от горногеологических условий их формирования. Так, для шахты «Макаровской» отмечается гидрокарбонатный натриевый состав, что является нехарактерным для шахтных вод в целом (учитывая опыт работы в других регионах). Для шахты «Горнозаводская» свойственен сульфатный тип изливающихся вод, что отмечается по подавляющему большинству ликвидированных шахт.

3. Несмотря на отличие шахтных вод от природных, в их химическом составе отражены черты, свойственные геохимическим особенностям региона в целом. Так, повышенное содержание бора и железа отмечается практически по всем пробам, в том числе и по фоновым, что можно оценивать как гидрохимическую аномалию для региона в целом и связано, вероятно, с содержание данных компонентов в коренных породах.

4. Данное влияние на рассмотренных шахтах носит ограниченный характер, по мере удаления от источника воздействия состав поверхностных вод имеет тенденцию к восстановлению и при условии отсутствия дополнительных источников антропогенного влияния стремится к своим природным характеристикам. В обоих случаях влияние излива шахтных вод не распространяется на расстояние далее 1,5-2 км, после чего качество поверхностных вод практически возвращается к фоновым значениям.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Перечень ПДК и ОБУВ вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов, 1997 г.

4. ОС «Воды подземные. Классификация по химическому составу и температуре», 1986 г.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------

Буянова Л.Г., Елисафенко Т.Н., Тарасенко И.А. - ОАО «ДальвостНИИпроектуголь»

------------------------------------------------------------------------ © В.В. Сенкус, 2004

УДК 622.5