CC BY
127
ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2017. № 3-1
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2017. No. 3-1
УДК 504.433:622(470.61) DOI 10.23683/0321-3005-2017-3-1-69-75
ТЕРРИКОНЫ УГЛЕПРОМЫШЛЕННЫХ РАЙОНОВ ДОНБАССА КАК ИСТОЧНИК ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
© 2017 г. В.Е. Закруткин1, Л.Г. Зубова2, Е.В. Гибков1, А.Р. Зубов2, С.Г. Воробьев2
1Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия, 2Луганский национальный университет им. В. Даля, Луганск, Украина
WASTE DUMP OF THE COAL-MINING AREAS OF DONBASS AS SOURCE OF IMPACT ON THE ENVIRONMENT
V.E. Zakrutkin1, L.G. Zubova2, E.V. Gibkov1, A.R. Zubov2, S.G. Vorobiev2
1Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, 2DahlLuhansk National University, Luhansk, Ukraine
Закруткин Владимир Евгеньевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: [email protected]
Зубова Лилия Григорьевна - доктор технических наук, профессор, кафедра гидрометеорологии, Луганский национальный университет им. В. Даля, ул. Ватутина, 1а, г. Луганск, 91034, Украина, е-mail: [email protected]
Vladimir E. Zakrutkin - Doctor of Geology and Mineralogy, Professor, Head of the Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Lilia G. Zubova - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Hydrometeorology, Dahl Luhansk National University, Vatutina St., 1a, Luhansk, 91034, Ukraine, email: [email protected]
Гибков Евгений Викторович - кандидат географических наук, старший преподаватель, кафедра геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: [email protected]
Зубов Алексей Рэмович - доктор сельскохозяйственных наук, заведующий кафедрой гидрометеорологии, Луганский национальный университет им. В. Даля, ул. Ватутина, 1а, г. Луганск, 91034, Украина, е-mail: [email protected]
Воробьев Сергей Германович - кандидат технических наук, доцент, кафедра прикладной физики, Луганский национальный университет им. В. Даля, ул. Ватутина, 1а, г. Луганск, 91034, Украина, е-mail: [email protected]
Eugenyi V. Gibkov - Candidate of Geography, Senior Lecturer, Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Alexey R. Zubov - Doctor of Agricultural Sciences, Head of the Department of Hydrometeorology, Dahl Luhansk National University, Vatutina St., 1a, Luhansk, 91034, Ukraine, e-mail: [email protected]
Sergey G. Vorobiev - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Applied Physics, Dahl Luhansk National University, Vatutina St., 1a, Luhansk, 91034, Ukraine, e-mail: [email protected]
Рассмотрены терриконы Донецкого угольного бассейна как источник воздействия на окружающую среду. С использованием авторской методики дистанционного измерения геометрических параметров промоин по космическим снимкам был оценен вынос вещества с породного отвала вследствие делювиальных процессов. Это позволило установить масштабы поступления широкого перечня микроэлементов, главным образом тяжелых металлов (Си, РЬ, Мп, М, ^ьг, Zn, Li, Ве, Со), в результате водной и ветровой эрозии, а также их водорастворимых соединений в составе стока с поверхности терриконов. Для последних определена решающая роль сернокислого гидролиза в масштабах миграции микроэлементов, что позволяет считать относительно молодые по возрасту формирования породных отвалов наиболее опасными с точки зрения влияния на почвенный покров и поверхностные водные объекты.
Ключевые слова: углепромышленные территории, породные отвалы, техногенный делювий, Донбасс, тяжелые металлы.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2017. No. 3-1
Results of a research dump breeds of the Donetsk coal basin as a source of impact on the environment are considered. With use of an author's technique of remote measurement of geometrical parameters of gullies on satellite images the carrying out of substance from a dump breeds owing to diluvial processes has been estimated. It has allowed to establish scales of receipt of the wide list of minerals, mainly heavy metals (Cu, Pb, Mn, Ni, Sr, Zn, Li, Be, Co) as a result of water and wind erosion, and also their water-soluble connections as a part of a drain from a surface of dump breeds. For the last the crucial role of sulfate hydrolysis on level of migration of heavy metals is defined that allows to consider dump breeds, rather young on age offormation, the most dangerous from the point of view of influence on a soils and surface waters.
Keywords: coal-mining territories, coal dumps, technogenic slide-rocks, Donbass, heavy metals.
Каменноугольные разработки в России были начаты 14 ноября 1795 г., когда был издан указ Екатерины II об их начале. Виднейший русский горный инженер П.Н. Горлов предложил считать эту дату днём начала развития каменноугольной промышленности Донбасса. Это предложение П.Н. Горлова было принято Русским техническим обществом. Таким образом, Лисичий Буерак (Лисичанск) был официально признан местом рождения угольного Донбасса [1]. Лисичанск стал средоточием промышленных начинаний, местом, куда съезжались горные инженеры и профессора русские, французские, английские и немецкие. Разведки, поиски, эксперименты, удачи и неудачи - все это свершается в Лисичанске в конце XVIII и XIX в.
На рис. 1 показана геологическая карта Лисичанского угленосного района. Район является северозападной частью Донецкого бассейна. Угленосные отложения в пределах указанной площади протягиваются с северо-запада на юго-восток в виде полосы длиной 37 км и шириной 8 км.
В геологическом строении Лисичанского угленосного района принимают участие осадки каменноугольной системы, относящиеся к свитам С23 - С32. Каменноугольные отложения представлены толщей чередующихся между собой песчаников, алевролитов, аргиллитов, известняков и углей. Углесодержа-щими являются свиты среднего отдела, отложения свит верхнего карбона практически безугольные. Ли-тологический состав свит приведен в табл. 1.
Рис. 1. Геологическая карта Лисичанского угленосного района: 1 - верхний мел; 2 - триас; 3 - граничные известняки свит карбона; 4 - выходы свиты С26; 5- разрывные нарушения; 6 - шахты вертикальные; 7 - шахты наклонные; 8 - граница угленосного района; 9 - известняки; 10 - угольные пласты (а - нерабочие; б - рабочие); 11 - песчаники; 12 - аргиллиты и алевролиты / Fig. 1. Geological map of Lisichansk coal area: 1 - lower Cretaceous deposits; 2 - Triass deposits; 3 - boundary limestones of carbon series ; 4 - С26 series outlet; 5- faults; 6 - upraise coal mines; 7 - incline coal mines; 8 - coal area border; 9 - limestones; 10 - coal seams (а - exhausted; b - coal producing); 11 - sandstones; 12 - clay stones and aleurolites
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2017. No. 3-1
Угли Лисичанского района по степени метаморфизма относятся к марке Д, и только в пределах Матросского купола имеются газовые угли в пластах свиты С25 и нижней части свиты С26. Добыча угля в районе производится шахтами с вертикальными и наклонными стволами. Глубина вертикальных стволов колеблется от 37 до 290 м [2].
При разработке угольных месторождений подземным способом наряду с добычей угля на поверхность из шахт выдается порода, получаемая при проведении подготовительных, а также очистных выработок. Периодически в отвалы направляются шлам и ил от очистки капитальных выработок и водосборников, а также порода от работ по восстановлению аварийных выработок. В отвалы шахт направляются также отходы обогащения. Количество выдаваемой из шахт породы зависит от горно-геологических условий залегания угольных пластов (мощности, угла падения, наличия геологических нарушений, сближенности пластов), способов их разработки (взрывным способом, отбойными молотками или комбайнами) и систем разработки. Количество породы, извлекаемой углеобогатительными фабриками, колеблется в широких пределах и зависит от зольности угля, а также от глубины обогащения. При обогащении малозольных коксовых углей отходы составляют 5-15 %.
Отходы угледобычи и углеобогащения, складируемые в отвалы, являются основными промышленными отходами. Сейчас их в Центральном Донбассе 1185, с объемом породы 1050 млн м3. Занимаемая ими площадь -7190 га [2, 3].
В настоящее время 74,3 % шахтных отвалов Донбасса представлены рельсовыми тер-рикониками с отсыпкой породы в форме конуса высотой до 50100 и более метров, и каждый из них занимает площадь от 2 до 10 га, чаще всего ценных городских земель, поскольку 80 % всех террикоников региона расположены в городах и поселках. В каждом из них содержится в среднем 1144 тыс. м3 отвальной массы.
Одним из таких типичных конических отвалов является
Таблица 1
Характеристика свит карбона Лисичанского угленосного района / Characteristic of carbon series of the Lisichansk coal area
Свита Литологический состав , %
Песчаники Алевролиты Аргиллиты Известняки Угли
С32(О1-О4) 24 27 45,6 3,2 0,2
С31 20 28 47,3 4,5 0,2
С27 21,2 33,4 35,6 9 1,7
С26 20,7 40,9 29,7 4,8 3,9
С25 33,2 32,3 29 4 1,5
С24 23,8 30,4 41,6 3,5 0,7
С23(Н3-11) 30,6 35,3 29 4,3 0,8
95-метровый террикон шахты им. Д.Ф. Мельникова ОАО «Лисичанскуголь» (рис. 2).
Ниже представлены результаты изучения вредного воздействия данного отвала на окружающую среду. На рис. 3 и в табл. 2 представлены результаты спектрометрических исследований гамма-излучения отвальной породы, выполненные с помощью спектрометра-дозиметра «РИТМ-С».
Углепромышленные территории традиционно относятся к наиболее проблемным в экологическом отношении регионам. Природные комплексы в их пределах на протяжении длительного времени подвергаются интенсивному техногенному воздействию, следствием которого является широкомасштабное загрязнение компонентов окружающей среды [4]. Причем основную роль в этих негативных процессах, как показывают исследования, играют техногенные геохимические потоки, формирующиеся на стадии эксплуатации угольных месторождений.
Рис. 2. Террикон шахты им. Д.Ф. Мельникова ПАО «Лисичанскуголь» / Fig. 2. Waste dump of Melnikov coal mine of PJSC «Lisichanskugol»
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE. 2017. No. 3-1
Рис. 3. Результаты спектрометрических исследований: а - внешний вид спектра; б - пик232^ на спектре; в - пик 40K на спектре; г - локализация всех пиков на спектре в виде заштрихованной области / Fig. 3. Results of spectrometer researches: а - general view of a spectrum; b - peak 232Th on a spectrum; c - peak 40K on a spectrum; d - localization of all peaks on spectrum in the form of the shaded area
Таблица 2
Протокол обработки спектра гамма-излучений проб отвала шахты им Д.Ф. Мельникова / Protocol processing the spectrum of gamma radiation from samples of the Melnikov coal mine
№ п/п Нуклид Активность Удельная активность Погрешность определения активности, %
Бк мкКи Бк/кг мкКи/кг
1 232Th 63,8 0,0017 58 0,0016 15,2
2 226Ra 177,8 0,0048 161,6 0,0044 18,1
3 40K - - - -
4 137Cs - - - -
Объем пробы, см3 Масса пробы, кг Удельная эффективная активность, Бк/кг Время измерения (экспозиция), с
1000 1,1 237,6 1200
Для оценки многолетнего выноса породы с отвала вследствие эрозионных процессов была использована авторская методика дистанционного измерения ширины промоин по космическим снимкам с сервера Google Earth, защищенная патентом на полезную модель № 36884. Шаги осуществления алгоритма пока-
заны на рис. 4. В табл. 3 представлены результаты расчета площади поперечного сечения промоин.Ши-рина учетной площадки поперек склона 40 м, высота от основания 39 м. Площадь сечения промоин рассчитана по эмпирической формуле F = =0,222 Ь169, где Ь - ширина промоины поверху.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
Таблица 3
Результаты дистанционного измерения параметров промоин на терриконе № 3 шахты им. Д.Ф. Мельникова / Results of remote measurement of parameters of flood gullies on waste dump No. 3 of Melnikov coal mine
№ промоины Ширина, м Площадь поперечного сечения, м2
1 0,88 0,1773
2 1,4 0,3885
3 4,9 3,2274
4 3,91 2,2039
5 3,02 1,4244
6 4,19 2,4772
7 2,47 1,0141
Всего 20,77 10,91
NATURAL SCIENCE. 2017. No. 3-1
Суммарная площадь сечения промоин составляет 10,91 м2; модуль смыва по расчету - 2727 м3/га. С учетом объемной массы породы (d = 1,29 т/м3) модуль смыва с учетной площадки принимает значение 3518 т/га. По расчету переходной коэффициент К для условий террикона равен 0,9. Соответственно, значения модуля смыва с отвала следующие: M=3518 0,9 = 3166,2 т/га.
Смыв породы со всего отвала определен по формуле mсм = М^б.пов, где mсм - масса смытой породы; Sam» - площадь боковой поверхности отвала.
В результате измерений на плане отвала было установлено следующее значение площади боковой поверхности отвала: Sб.пов=44 480 м2 = 4,45 га.
б /b в /c
Рис. 4. Размещение учетной площадки на склоне отвала: а - положение учетной площадки; б - измерение ширины отдельной промоины; в - измерение площади поверхности отвала / Fig. 4. Placement of the registration site on a waste dump slope: a - placement of the registration site; b - measurement of width of the separate flood gully; c - measurement of surface area of the waste dump
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2017. No. 3-1
Таблица 4
Вынос тяжелых металлов с техногенным делювием террикона и дефляционными процессами, кг/год / Carrying out of heavy metals with technogenic slide-rocks of a coal-mining waste dump and deflationary processes, kg per year
Источник Cu Pb Mn Ni Sr Zn Li Be Co
Техногенный делювий 18,8 9,4 940 28,2 9,4 28,2 28,2 1,9 9,4
Дефляционный вынос 2,4 1,2 120 3,6 1,2 3,6 3,6 0,24 1,2
Таким образом, многолетний смыв породы со всего отвала достиг таких значений: mсм = 3166,2 4,45 = 14 089,5 т. Полученный объем смытой породы и данные о ее средневзвешенном химическом составе [3] позволяют дать предварительную оценку количества тяжелых металлов, ежегодно выносимых с техногенным делювием (табл. 4).
Газовые выделения из горящих угольных отвалов являются контрастными по своему химическому составу, что связано с длительностью процессов горения. У длительно горящих (высокотемпературных) террикоников типоморфными элементами выбросов в атмосферу являются S, Т^ Ag, Cd, А1, Р, у «молодых» (низкотемпературных) - К, О", Со, As [5].
Что же касается собственно газообразных соединений, то интенсивно горящий отвал является источником выделения в атмосферный воздух от 5 до 25 т в год опасных для здоровья населения загрязняющих веществ - главным образом оксида углерода, диоксида серы, сероводорода и оксидов азота.
В процессе посттехногенной трансформации пород отвалов в результате окисления и сернокислого гидролиза образуются вторичные гидрохимические потоки, содержащие большое количество геохимически активных соединений. Состав водорастворимых солей, мигрирующих с этими потоками, - преимущественно сульфатный. Причем абсолютное количество Б04 напрямую связано с состоянием терриконов: максимальное содержание
анионов данного типа наблюдается в негорящих отвалах, минимальное - в уже перегоревших. Данные табл. 5 показывают, что активность сернокислого гидролиза является определяющим фактором растворения и дальнейшей миграции микроэлементов в компоненты окружающей среды. Из чего можно сделать вывод о том, что наибольшую эко-лого-геохимическую опасность представляют относительно недавно образованные терриконы, в то время как прошедшие глубокую посттехногенную трансформацию отвалы оказывают существенно меньшее воздействие на почвенный покров и поверхностные воды. В дальнейшем сернокислые миграционные потоки с породных отвалов при контакте с зональным типом почв, представленным черноземами обыкновенными, с нейтральной или слабощелочной реакцией среды формируют щелочные геохимические барьеры [3]. При этом часть элементов, мигрирующая в виде простых катионов (2п, Си, РЬ, С^ Ы, Бг), осаждается в форме слаборастворимых гидроокислов. Группа элементов, находящаяся в сернокислом потоке в гидролизо-ванных соединениях (А1, Ве, Мо, 2г), осаждается в почвах в виде простых ионов.
В дальнейшем большая часть химических элементов поглощается почвой и сосредотачивается в гумусовом горизонте, формируя локальные зоны загрязнения, и только некоторая часть (А§, В1, Мо, КЬ, ') рассеивается вниз по почвенному профилю.
Стадия трансформации Cu Pb Mn Ni Sr Zn Li Be Co
Негорящий (сток с породного отвала в п. Сидорово-Кадамовский) 6,0 14,1 1403 33,6 2,7 44,5 7,9 0,88 13,5
Горящий (выход воды из-под породного отвала № 5) 0,04 1,7 275 8,7 1,7 0,08 5,1 0,31 3,3
Перегоревший (сток воды с породного отвала шх. № 143) 0,05 0,02 7,25 0,21 1,5 0,35 0,2 0,013 0,2
Таблица 5
Поступление тяжелых металлов с поверхностным стоком породных отвалов различной стадии постехногенной трансформации, кг/год / Carrying out of heavy metals with a surface flow of coal-mining waste dumps of various stage of post-technogenic transformation, kg per year
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2017. No. 3-1
Таким образом, проведя эколого-геохимическую оценку воздействия породных отвалов на окружающую среду Донецкого угольного бассейна, можно сделать вывод о том, что мощность геохимических потоков, связанных с делювиальными процессами, существенно выше, чем дефляционных. При этом дальность перемещения ветрового переноса значительна и покрывает большие площади. При рассмотрении выноса растворенных веществ с поверхности терриконов следует обратить внимание на определяющую роль сернокислого гидролиза в миграции веществ, которая в наибольшей степени проявляется в относительно молодых породных отвалах, что следует учитывать при разработке стратегий развития углепромышленных регионов.
Литература
1. Лопатин Н.В. У колыбели Донбасса. Луганск : Областное изд-во, 1960. 279 с.
2. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. М. : Гос. науч.-техн. изд-во литературы по геологии и охране недр, 1963. Т. 1. 1210 с.
3. Зубова Л.Г., Зубов А.Р., Харламова А.В., Воробьев С.Г., Макаришина Ю.И., Буняченко В.В. Терриконы. Луганск : Ноулидж, 2015. 712 с.
4. Закруткин В.Е., Гибков Е.В. Техногенные геохимические потоки угледобывающих районов и их влияние на окружающую среду (на примере Донецкого бас-
сейна) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2016. № 3 (190). С. 66-71.
5. Девятова А.Ю. Газофазные выбросы в атмосферу при горении угля // Изв. вузов. Горн. журн. 2013. № 5. С. 29-34.
References
1. Lopatin N.V. U kolybeli Donbassa [At the cradle of the Donbass]. Lugansk: Oblastnoe izd-vo, 1960, 279 p.
2. Geologiya mestorozhdenii uglya i goryuchikh slantsev SSSR [Geology of coal deposits and combustible shales of the USSR]. Moscow: Gos. nauch.-tekhn. izd-vo literatury po geologii i okhrane nedr, 1963, vol. 1, 1210 p.
3. Zubova L.G., Zubov A.R., Kharlamova A.V., Vo-rob'ev S.G., Makarishina Yu.I., Bunyachenko V.V. Ter-rikony [Terrics]. Lugansk: Noulidzh, 2015, 712 p.
4. Zakrutkin V.E., Gibkov E.V. Tekhnogennye geokhimicheskie potoki ugledobyvayushchikh raionov i ikh vliyanie na okruzhayushchuyu sredu (na primere Do-netskogo basseina) [Technogenic geochemical flows of coal-mining regions and their impact on the environment (on the example of the Donetsk basin)]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki. 2016, No. 3 (190), pp. 66-71.
5. Devyatova A.Yu. Gazofaznye vybrosy v atmosferu pri gorenii uglya [Gas-phase emissions into the atmosphere during coal combustion]. Izv. vuzov. Gorn. zhurn. 2013, No. 5, pp. 29-34.
Поступила в редакцию /Received_19 мая 2017 г. / Мау 19, 2017
