Актуальность этой темы очень велика для Донецкого каменноугольного бассейна, так как здесь везде добывается уголь, который используется и в производственных и бытовых целях. Токсичные элементы являются опасными для здоровья человека и окружающей среды, а их извлечение из полезных ископаемых – это емкий и дорогостоящий процесс. Малые элементы являются ценными компонентами в углях. Поэтому рассмотрение, именно, особенностей их пространственного распределения – путь к решению многих проблем, связанных с добычей, переработкой, использованием угля без лишних финансовых затрат.

Исследование особенностей пространственного распределения токсичных и малых элементов в угольных пластах является одной из наиболее актуальных задач как для Донецко-Макеевского района, так и для большей части Донбасса, где одним из основных загрязнителей природной среды является угольная промышленность. Поэтому наиболее важным представляется геохимическое изучение угля, изучение влияния геологических факторов, тектонических нарушений, зон размыва, геохимических аномалий на его формирование.

Цель работы: установить основные закономерности пространственного распределения токсичных и малых элементов в угольных пластах шахты «Трудовская».

• - выявление комплекса токсичных и малых элементов, присутствующих в углях и оценка их средних содержаний;
• - определение характера распределения элементов в пластах угля на поле шахты, выявление участков содержаниями, превышающими ПДК;
• - оконтуривание участков с высоким содержанием токсичных и малых элементов;
• - изучение роли геологических факторов (литология, тектоника, технические показатели угля) на генезис и закономерности минерализации токсичных и малых элементов;
• - анализ зависимости содержания элементов с зольностью, сернистостью, мощностью угольного пласта;
• - установление влияния токсичных и малых элементов на загрязнение окружающей среды.

Объектом исследования является поле шахты «Трудовская».

Токсичные и малые элементы в угольных пластах шахты «Трудовская».

На различных этапах исследования использовались разные методы:

• - для обзора существующих исследований использовался анализ литературных данных;
• - для обработки химико-аналитических данных при решении поставленных задач использовались статистический, корреляционный, вариационный, дисперсионный анализы;
• - для построения пространственных моделей использовался графический пакет SURFER;
• - а также методы интерпретации полученных аналитических и графических данных.

Научная новизна работы состоит в том, что изучением особенностей пространственного распределения токсичных и малых элементов в угольных пластах на шахте «Трудовская» раньше занимались, но не рассматривали связи между генезисом этих элементов в углях и геологическими факторами, не анализировали тектонические особенности изучаемого объекта.

Результаты работы можно использовать для решения широкого круга задач. Установив основные закономерности распределения токсических и малых элементов в угольных пластах на шахте «Трудовская» их можно применять для аналогичных угольных пластов всего Донбасса. Зная факторы, влияющие на повышенное или аномальное содержание элементов в углях, можно определять участки с повышенным содержанием вредных элементов, которые необходимо избегать при отработке пластов или вести извлечение ценных компонентов.

Донецко-Макеевский угленосный район находится в пределах Донецкой области, площадь его составляет 3170 км2.

Большая часть района расположена на южном склоне главного Донецкого водораздела в области верховьев рек, текущих к Азовскому морю (Кальмиус, Крынка), к Днепру (Волчья), к Северскому Донцу (Кривой Торец). Наиболее высокие отметки поверхности (до +280 м) наблюдаются в северо-восточной части района у ст. Криничная, минимальные (+90 м) – в долине рек Кальмиус и Крынка.

В районе развиты угольная, коксохимическая, металлургическая, машиностроительная и другие отрасли тяжелой промышленности. Площадь района покрыта густой сетью железных и автомобильных дорог.

Район осваивается промышленностью более 100 лет. Глубина разработки на основной площади превышает 600 м, а по наиболее благоприятным пластам – 900-1000 м[1].

Стратиграфия

Донецко-Макеевский угленосный район характеризуется развитием отложений С2 и С3, почти повсеместно перекрытых четвертичными отложениями. В крайней западной части района на размытой поверхности карбона залегают породы юрского и мелового возраста.

Среднекаменноугольные отложения залегают согласно на породах нижнего карбона, представлены свитами С21-С27 .Для отложений верхнего карбона характерно согласное залегание на породах свиты С27 . Отдел представлен всеми тремя свитами (С31 мощностью от 450 до 1000 м, С32 – от 950 до 1150 м, С33 – около 900 м).

Мезозойские отложения залегают на размытой поверхности карбона с явным угловым несогласием. Мезозойские отложения представлены юрой и верхним мелом. Мощность мезозоя – 8-80 м. Он повсеместно перекрыт четвертичными отложениями (неогеновыми и палеогеновыми).

Литология

В составе среднекаменноугольных отложений преобладают алевролиты и аргиллиты (64-79 %), подчиненное значение имеют песчаники (19-34 %), известняки (0,6-3 %) и угли (0,25-2,2%). Отмечается зависимость степени промышленной угленосности свит (кроме свиты С24) от относительного содержания песчаников: в свитах С23, С25, С26 песчаники составляют 32-34 % (основная угленосность), в свитах С21, С22, С27 – 19-20 % (угленосность значительно ниже).

Для отложений верхнего карбона характерно появление в разрезе красноцветных глин и резкое уменьшение степени угленосности.

Юрские отложения представлены глинистыми и песчаными породами, верхний мел – глауконитовыми песками. Мезозойские отложения перекрыты повсеместно четвертичными суглинками и глинами (до 10-20 м) с небольшими участками неогеновых и палеогеновых супесей и песков мощностью до 20-30 м.

Тектоническое строение района

Донецко - Макеевский район расположен на южном крыле Кальмиус - Торецкой котловины, охватывающей всю юго-западную часть Донбасса. Общее падение пород карбона северо-западное, в среднем 12-18°. Только на крыльях дополнительных складок или вблизи нарушений встречаются более крутые углы падения, нередко до 70°. Залегание пород осложнено серией поперечных флексур и надвигами различного направления, а также мульдообразными прогибами и куполовидными поднятиями, что обуславливает сложное тектоническое строение района, особенно его северо-восточной и южной частей .

Юго-западная часть района от реки Волчьей и до западной окраины г. Донецка характеризуется спокойным моноклинальным залеганием слоев, падающих на север под углом 5-10°, незначительным развитием разрывных нарушений. Наиболее крупный Мушкетовский надвиг имеет амплитуду 15-50 м.

В центральной части района выделяются структуры: Бутовская, Чайкинская, Советская, Ясиновско-Ждановская флексуры, Бутовский купол и Макеевская мульда. Флексуры расположены диагонально к общему северо-западному направлению основной складчатости Донбасса и характеризуются крутыми (60-80°) западными крыльями, осложненными согласно падающими надвигами.

В крайней южной части района моноклинальное, пологое (3-12) залегание пород осложнено пересекающимися надвигами: Калиновским, Буденовским, Мушкетовским, Первомайским, Диагональным, наиболее крупные из которых – Калиновский и Первомайский – почти меридианального простирания, с амплитудой смещения 300-400 м выходят на юг далеко за пределы района.

В восточной части района первичное залегание осложнено пликативными и дизъюнктивными нарушениями второго порядка.

Из пликативных структур в районе выделены две группы. Субширотные структуры второго порядка развиты в восточной части района. К ним относится Макеевская мульда и Ряснянская синклиналь. Макеевская мульда представляет собой брахисинклиналь. Ряснянская синклиналь с юго-востока примыкает к Макеевской мульде. Она ассиметрична.

Субмеридианальные флексурные складки составляют специфическую особенность Донецко-Макеевского района.

Помимо пликативных структур, в районе широко развиты дизъюнктивные нарушения, в основном надвигового характера, с амплитудой смещения от нескольких метров до нескольких сот метров. Дизъюнктивные нарушения района объединены в 4 характерные группы по морфологическим и генетическим признакам.

Первая группа – надвиги с северо-западным падением сбрасывателя. Наиболее крупные из них – Французский и Калининский. Простирание этих надвигов – юго-западное.

Вторая группа – надвиги с юго-восточным падением сбрасывателя. К ним относятся надвиги восточнее Французского.

Третья группа – надвиги с северо-восточным падением сбрасывателя, северо-западным простиранием. Самый крупный из этой группы – Мушкетовский надвиг.

Четвертая группа – нормальные сбросы встречаются в районе довольно редко. Простирание сбросов различное.

Полезные ископаемые района

Основное полезное ископаемое района – уголь. Наиболее угленосными в районе являются свиты С23, С25, С26, С27. В свитах С21, С22, С24 встречаются угольные пласты, достигающие рабочей мощности, однако промышленное значение их весьма ограничено. Свита С31 содержит только один угольный пласт рабочей мощности, в свите С23 угольные пласты промышленного значения не имеют.

Основные угольные пласты сохраняют рабочую мощность на значительно меньшей площади. Остальные 23 угольных пласта достигают рабочей мощности на ограниченных участках, вскрываются шахтами попутно, при разработке основных пластов.

Мощность рабочих угольных пластов изменяется от 0,45 до 1,3-1,6 м, повышаясь на отдельных небольших участках до 2,0-2,2 м.

Строение пластов преимущественно сложное. Некоторые угольные пласты (h10, k8, l1, n1) расщепляются на две пачки, которые прослеживаются дальше как самостоятельные пласты. Угольные пласты h7, m3, n1 на отдельных участках размыты.

В районе имеются угли всех марок: от длиннопламенных до тощих и полуантрацитов. Угли в основном гумусовые, клареновые. Марочный состав углей закономерно изменяется с запада на восток. На большей части района угли представлены марками Ж, КЖ, К, ОС, в связи с чем район является основной базой коксующихся углей Донбасса.

Содержание золы в углях района изменяется от 3 до 30 %, серы – от 0,6 до 9,5 %, влажность рабочего топлива колеблется от 2 до 16 %, выход летучих веществ зависит от марочного состава углей (от 40-46 % для Д до 6-13 % для Т). Низшая удельная теплота сгорания изменяется от 5480 (Д) до 6570 ккал/кг (Т). Высоким качеством отличаются угли пластов свит С23, С25, С26, С31, среди которых 12 пластов содержат до 1,5 % серы и до 15-18 % золы.

Глубина зоны выветривания колеблется в разных частях района от 40 до 70 м.

Сапропелево-гумусовые угли встречаются весьма редко в виде тонких прослоев (0,05-0,1 м) преимущественно в кровлях пластов h3, h51, h7, h10, k6, l3, l4. Представлены кеннелями и очень редко бодхед-кеннелями.

1.1 Геологическое строение площади исследуемого объекта

Стратиграфия и литология

В пределах шахтного поля распространены палеозойские, мезозойские и кайнозойские отложения.

Палеозой представлен средним и верхним карбоном (С2 и С3) . Средний карбон представлен Каменской (С25) , Алмазной (С26) и Горловской (С27) свитами. Маркирующие горизонты Каменской свиты – K8, K7, k8, k6; Алмазной свиты – L1, l81в, l81н, l71в , l71н , l7, l6, l4, l3, l21, l1; Горловской свиты – M10, M1, m60, m51, m5, m41, m3,m2, m1. Верхний карбон представлен Исаевской свитой (С13). Маркирующие горизонты – N24, N2, N51, N1, n11. Мезозой представлен нижним и верхним мелом (К1 и К2) и юрой (I). Кайнозой представлен неогеном, палеогеном (N, P) и четвертичным периодом (Q1 и Q2).

Литологический состав разреза среднего карбона (свиты С27, С26, С25) представлен обломочными породами (песчаниками, алевролитами, аргиллитами), среди которых залегают маломощные слои известняков и углей. Отложения свит С27 и С62 состоят на балансе шахты. Средняя мощность отложений этих свит 350 и 190 м соответственно, наблюдается увеличение мощности. Породы среднего и верхнего карбона развиты повсеместно. В свите С27 аргиллиты составляют 22,8%, алевролиты -42,1 %, песчаники – 26,8 % , угли и углистые аргиллиты – 1,4 %, известняки – 1,7 %. В свите С26 доля аргиллитов – 18,5 %, алевролитов - 48,9 %, песчаников – 33,2 %, углей и углистых аргиллитов - 3,5 %, известняков – 1,6 %. Песчаники в разрезе описываемой толщи, в основном, имеют серую и светло-серую окраску, реже – темно-серую за счет обогащения углистым материалом. Состоит из зерен кварца и в меньшей степени – полевого шпата. Цемент глинисто-слюдистый, иногда известковистый. Текстура изменяется от массивной до слоистой, мелкозернистые песчаники часто обладают отчетливо выраженной горизонтальной слоистостью. Наиболее выдержанными горизонтами песчаников в разрезе свиты С27 считаются М5Sm5 – до 19 м; m5SM7 – до 17 м, а в разрезе свиты С26 – l1Sl2 – до 15 м; l6Sl7 – до 22 м. В разрезе свиты С25 вскрыт выдержанный горизонт песчаников l3Sl1 мощностью до 35 м.

Алевролиты представлены мелко- и крупнозернистыми разностями. Цвет серый и темно – серый. В текстурном отношении встречаются различные типы слоистости и неслоистых разностей. Слоистость алевролита обусловлена скоплением обугленного детрита, чешуек слюдистого материала по плоскостям, иногда изменением гранулометрического состава пород. Алевролиты часто являются непосредственной кровлей и почвой угольных пластов, алевролиты почвы из-за скопления обугленных остатков корней обладают характерной "кучерявой" текстурой. Аргиллиты серого и темно-серого цвета в зависимости от степени насыщения углефицированным веществом, по слою с включениями карбонатов (сидерит, кальцит). Как правило, неслоистые плитчатые, часто с раковистым изломом, горизонтальнослоистые, сложены, преимущественно глинистыми силикатами группы слюд и монтморилонита и в меньшей степени каолинита. Все аргиллиты, как правило, неслоистые, с обильными включениями верхней части слоя корневых растений. Известняки имеют распространение в толще свит и являются основными маркирующими горизонтами. Из шести известняков свиты С27 – маркирующими горизонтами являются М101, М7, М5, М1. Мощность их изменяется от 0,4 до 1,8 м. Основным маркирующим известняком свиты С26 является L1, мощность его достигает 3 м. Известняки преимущественно мелкокристаллические, текстура массивная, трещиноватая, трещины заполнены кальцитом, с остатками фауны. Породы юры распространены в западной и северо-западной части шахтного поля. Они включают песчаники, гравелиты, алевриты, аргиллиты, среди которых встречаются тонкие прослои угля, в почве которых залегают кварциты в виде крупных галек и валунов. Верхний и нижний мел представлен мелоподобными мергелями, уплотненными глауконитовыми песками, светло-серыми и зелеными спонголитами. Эти породы распространены в северо-западной и западной частях исследуемого участка. В восточной части меловые отложения выклиниваются. Породы неогена и палеогена распространены повсеместно, но неравномерно. Породы представлены мелко- и тонкозернистыми кварцевыми песками и пестроцветными глинами. Четвертичные породы развиты повсеместно, увеличиваясь на водораздельных участках и уменьшаясь по долинам рек и балок. Представлены породы желтыми суглинками, красно-бурыми глинами с частыми известковистыми включениями[2].

Тектоническое строение

В структурном отношении оцениваемая площадь приурочена к крайней юго-западной части Кальмиус-Торецкой котловины Донецкого бассейна и расположена в западной части Донецко-Макеевского геолого-промышленного района. Оцениваемая площадь характеризуется спокойным моноклинальным залеганием каменноугольных отложений. Простирание пород от широтного (на западе) до северо-восточного в восточной части шахтного поля с азимутом 245-270°. Падение северо-западное с углами падения 6-14°. Относительно спокойное залегание пород осложнено наличием мелких дизъюнктивных нарушений типа надвигов и сбросов. Крупные нарушения на оцениваемой площади отсутствуют. Единственной скважиной 3060 вскрыто разрывное нарушение типа надвига (повторение пласта m60) с амплитудой до 25 м, затухающей с глубиной. На площади шахтного поля горными выработками вскрыты малоамплитудные разрывные нарушения (пережимы и частичные размывы) с амплитудой смещения 0,25 – 8,0 м. Общим для малоамплитудных нарушений выделенных зон является прерывистый характер сместителя с небольшими амплитудами единичных размывов, неповторяемость элементов каждого сместителя на разноименных пластах. Указанные нарушения представляют собой серию крутопадающих, а местами почти вертикальных трещин. Иногда они с глубиной или почти к выходу затухают. По большинству пластов, даже при отсутствии видимых смещений (пережимов) в пределах выделенных зон отмечалось ухудшение горно-геологических условий эксплуатации и вызывало потери запасов в полосах, примыкающих к нарушению. Все малоамплитудные нарушения группируются в 2 основные системы (зоны).

Первая зона – надвиги северо-восточного простирания, представленная надвигами 1, 2, 3, 4, 5 распространяющимися в южной части шахтного поля. Отмеченные надвиги затухают к центральной части поля. Вторая зона – сбросы широтного простирания. Вскрыты скважинами на смежном поле (шахта имени Челюскинцев), переходят на поле шахты "Трудовская" в северо-восточной части, постепенно затухающая. Кроме того, отмечается ряд мелких бессистемных малоамплитудных нарушений, имеющих распространение между отмеченными выше надвигами. С целью выявления геометризации, оценки пространственных границ, прогнозирования осложняющих горно-геологические факторы, в зонах влияния нарушений в центральной части шахтного поля в период доразведки разбурен короткий детализационный профиль скважинами через 125-175 м.

В скважинах выполнен комплекс геофизических исследований. По данным ГИС разрывных нарушений не выявлено. Отмечены интервалы повышенной трещиноватости пород. По данным МЭК (межскважинный электрокаротаж) в межскважинном пространстве и данным МПЭФ-с – в околоскважинном пространстве не исключены малоамплитудные разрывные нарушения. В целом, тектоническое строение поля шахты простое, о чем свидетельствуют незначительные потери (эксплуатационные и по геологическим причинам), составляющие на отработанной площади за 1978-1990 гг. 3,2 %.

Петрографический состав углей

Макроскопически уголь полублестящий, с частыми прослойками блестящего, полуматового и матового, полосчатый и тонкополосчатый, с включениями тонких линз фюзена, по трещинам с включением пирита в виде линз и гнезд, с налетами глинистого материала.

Микроскопически уголь клареновый представлен переслаиванием полос витрена с прослойками кларена, дюрено-кларена и кларено-дюрена. Гелифицированное основное вещество, в основном, бурое, однородной, волокнистой или комковатой структуры. В виде мелких обрывков наблюдаются фюзенизированные ткани, макро- и микроспоры, кутикулы; из минеральных примесей присутствуют пирит, глинистый материал, кальцит и кварц.

Показатель отражения витринита изменяется в разрезе угленосных толщ в пределах 0,47-0,59 % (в среднем), что соответствует 1-й стадии метаморфизма – класс 10 .

Содержание витринита в углях 81-88 % ( в среднем ), семивитринита – 1-2 %, фюзенита – 3-13 % , липтинита – 4-8 % .

Зона выветривания установлена на основании широкого фронта разведочных работ в районе по пластам свит С25, С26,С27. Граница годности проводится на глубине 30-40 м по вертикали от поверхности каменноугольных отложений.

Метаморфизм и химический состав углей

Увеличение степени метаморфизма углей на поле шахты "Трудовская" происходит в восточном и северо-восточном направлениях со стратиграфической глубиной залегания пластов. Метаморфизм и марочный состав углей характеризуется изменением площади поля шахты элементного состава и основных классификационных параметров. Элементный состав является одним из показателей степени углефикации.

Массовая доля углерода в угле изменяется от пласта m5 – 75,4 % к пласту k8 – 80 %. Содержание водорода и азота изменяется незначительно, в пределах 5,0-5,8 % и 1,39-17,4 % соответственно по всем пластам. Низшая теплота сгорания (Qi2) углей по пластам изменяется по отдельным подсечениям от 20,8 МДж/кг до 28,5 МДж/кг (пласт k8). На исследуемой площади наблюдается закономерное уменьшение влажности с запада на восток и со стратиграфической глубиной в сторону повышения метаморфизма угля. Так, аналитическая влага снижается от пласта m5 к пласту k6 соответственно 7,5-2,4 % (в среднем), по отдельным подсечениям значения аналитической влаги колеблются от 13,3 % (пласт m5) до 3,5 % (пласт k6). Максимальная влагоемкость определена по керновым пробам, а также по пробам, отобранным из горных выработок шахты, в стратиграфическом разрезе уменьшается от пласта m5 (14,7 %) до пласта k6 (7,9 %) в среднем, изменяясь по отдельным подсечениям от 17,8 % до 4,2 %. Рабочая влага определена по данным опробования шахты по пластовым пробам из горных выработок, средние значения изменяются по пластам m3 – 14,5%; l4 – 12,6%; k8 – 8,2%. Среднепластовые значения максимальной влагоемкости близки к среднепластовым значениям рабочей влажности. Величина рабочей влажности товарного угля – 12,6 %. По ГОСТ 25543-88 , исходя из значений выхода летучих веществ, показателя отражения витринита, суммы фюзенизированных компонентов и толщины пластического слоя, уголь пластов m5, m3, m2, l7, l6, l4, l3, l21, l1 (юго-западная часть) относится к длиннопламенному (Vdat – 35,8-44,1 %, y – 0-6 мм, R0 – 0,47-0,59 %). Уголь пластов l1 – в северо-восточной части, k8 и k6 - относится к длиннопламенному – газовому ДГ , подгруппа - длиннопламенный газовый витринитовый – ДГВ ( Vdat – 41,5-43,4 % , y – 7-9 мм , R0 – 0,50-0,53 % ). По пласту k6 на площади забалансовых запасов в северо-восточной части поля шахты происходит увеличение степени метаморфизма, но из-за незначительной площади распространения – марка ДГ не выделяется. Согласно действующим ГОСТам – 25543-88, 537-85(технические требования) угли поля шахты длиннопламенные газовые – энергетические.

Угли пластов l1 , k8 , k6 , относящиеся к марке ДГ, слабоспекающиеся (y – 7-8 мм), не удовлетворяют требованиям ГОСТа 537-85 по содержанию серы общей. Зольность (Аd) угольных пачек на поле шахты колеблется в значительных пределах – от 1,8 % до 39,4 %. Средние значения по пластам составляют 5,2-14,1 %, соответственно по маркам: Д -5,2-14,1 % , ДГ – 13,2-14,0 %. Угольные пласты m3 , l6 по зольности угольных пачек малозольные (Аd <8 %), угольные пласты m5, m2, l7, l4, m3, l21, k8, k6 – среднезольнистые (Аd <16 %). Пластовая зольность (Апd) с учетом породных прослоев и аргиллита углистого в почве и кровле пластов, в среднем составляет 5,2 – 24,9 %, превышая на 0-10,8 % абсолютную зольность угольных пачек. По пластовой зольности угольные пласты l6, l3 – малозольные (Аd – 5,2-7,4 %), угольные пласты m2, l4, l21 – среднезольнистые (Аd – 12,9-13,6 %), k8, k6 – повышеннозольные (Аd – 16,1-24,9 %). По пласту l4 – наличие повышеннозольных и частично среднезольных углей на значительной площади объясняется частичным или полным замещением отдельных пачек угля в верхней части пласта аргиллитом углистым. По пласту l1 – увеличение зольности для балансовых и забалансовых запасов на юго-западе оцениваемой площади отмечается за счет увеличения мощности прослоев в пласте и их количества, частичного замещения отдельных пачек угля аргиллитом углистым и расщеплением пласта на отдельные пласты l1н и l1в. По пласту k6 повышеннозольные угли отмечаются в юго-западной части поля шахты бывшей 11-бис, увеличение зольности обусловлено наличием в пласте прослоев аргиллита углистого. Эксплуатационная зольность в отличие от непосредственно определенной в лаве включает засорение горной массы угля обрушаемыми боковыми породами и за счет пород от перемещения подготовительных выработок. Эксплуатационная зольность пласта l4 – 24,6-26,7 %, m3 – 25,1 %, k8 – 29,9 %. Засорение угля, в основном, наблюдается за счет пород почвы.

Химический состав золы углей в процентном отношении слагающих компонентов почти по всем пластам сходится. Но по отдельным подсечениям колебания значительные: SiO2 – 16,3-55,6 % Fe2O3 – 7,58-57 %. Диоксиды железа преобладают, как правило, в пробах с повышенным содержанием серы. В среднем по пластам: SiO2 – 21,26-45,73 % , Fe2O3 – 13,64-35,7 % , Al2O3 – 11,26-24,38 %. Массовая доля остальных основных компонентов золы незначительна (СаО – 2,61-11,76 %, МgO – 0,95-2,82 %, SO3 – 1,35-6,55 %). Зола по всем пластам, в основном, кислая.

Щелочные окислы по пластам составляют: K2O – 1,15-2,47 %, Na2O – 0,91- 2,34 %. Температура плавления золы углей изменяется в пределах 1220-1400°С. По пластам m5, l3 – зола среднеплавкая, по пластам m3, m2, l7, l6, l21, l1, k8, k6 – тугоплавкая.

Массовая доля общей серы в угле непостоянна и по отдельным подсечениям изменяется в значительных пределах - 1,6-6,8 % . Уголь пластов l6, l4, l3 малосернистый. Средние значения Std – 1,4-1,5 %, колебания по отдельным точкам 0,8-6,0 %. Уголь пласта m5 – среднесернистый, среднее значение Std – 1,8 %, колебания по отдельным точкам 0,6-6,5 %. Уголь пластов m3, m2, l7, l21, l1, k8, k6 – сернистый. Средние значения Std – 3,1- 4,0 %. По марочному составу угли пластов l1 (северо-восточная часть), k8, k6 относятся к марке ДГ, слабоспекающиеся (y – 7-8 мм), полностью энергетическое сырье, не могут использоваться для целей коксования, так как не удовлетворяют требованиям ГОСТа 537-85 (технические требования) по содержанию серы общей, предельное допустимое содержание серы общей для углей, используемых для коксования по марке ДГ, составляет Std –3,1 %. В составе общей серы преобладает пиритная разновидность, которая составляет 60-80 % от количества общей серы в угле. Количество сульфатной и органической серы незначительно.

Массовая доля фосфора в углях колеблется от 0,001 до 0,0023 %.

Механическая прочность углей по всем пластам примерно одинакова 0,6-1,7 %. Механическая прочность внутрипластовых сланцев в среднем 2,3 %.

2 Состояние проблемы. Токсичные элементы в углях Донбасса

К токсичным в углях относятся содержащиеся в них элементы, их соединения или компоненты, образующие при добыче, переработке и использовании угля токсичные и канцерогенные соединения, загрязняющие окружающую среду (атмосферный воздух, почвы, поверхностные и подземные воды) выше норм предельно допустимых концентраций (ПДК). Элементы, образующие токсичные соединения, загрязняющие окружающую среду до концентраций ниже ПДК, относятся к потенциально токсичным.

В углях Донбасса установлено присутствие 16 токсичных элементов. Токсичные элементы в углях представлены ртутью, мышьяком, литием, ниобием, фосфором, медью, свинцом, марганцем, ванадием, сурьмой, хромом, молибденом, кадмием, цинком, висмутом, фтором. В распространении этих токсичных элементов выявлены такие особенности:

• - наибольшую роль в загрязнении играют халькофильные (ртуть, мышьяк, медь, свинец) и литофильные (литий, ниобий, фосфор, ванадий) элементы;
• - кадмий, ртуть и сурьма не установлены в некоторых угленосных районах;
• - наиболее часто (79,8%) токсичные элементы обнаружены в центральных районах;
• - содержания большей части элементов увеличиваются от северных, южных и западных к центральным угленосным районам[3].

При анализе содержания химических элементов в углях района относительно кларков осадочных пород выявлены следующие закономерности[4].

Наибольшие превышения кларков осадочных пород характерны для элементов класса опасности: ртути – в 5-62,5 раз, мышьяка – в 15-106 раз, бериллия – в 10 раз, свинца – в 15 раз, цинка – 2-2,5 раз[5].

Средние содержания большинства остальных элементов близки к кларковым значениям, образуя лишь в отдельных случаях повышенные концентрации. Максимальные превышения содержаний по отношению к кларкам установлены для Bi – до 90 раз, S – до 25 раз, Ge - до 17 раз, Ba – до 12,5 раз, Sc, Ag и Mn – до 3 раз, Mo и Li – до 2,5 раз, Sr - до 2 раз, Co и Cr – до 1,5 раз, V и Ti – до 1,2 раз.

Средние содержания таких элементов как – Nb (11,0 г/т), Sc (11,0 г/т), Ti (900,0 г/т), Cu (24,0 г/т), Sn (1,5 г/т), Y (16,0 г/т), La (14,0 г/т), Zr (80,0 г/т) - выше фонового для углей Донбасса, но ниже среднего содержания в земной коре.

Таким образом, по уровню максимальных содержаний можно выделить следующие группы элементов:

• превышающие кларк по всем пластам (Ge, As, Bi, S);

• превышающие кларк по отдельным пластам (Hg, Be, Zn, Pb, Ba , Sr, Ga);

• превышающие кларки в единичных случаях (Sc, Co, Mn, V, Cr, Ti, Mo, Ag, Li, F);

• на уровне и ниже кларков (Rb, Cs, Sn, Nb, Ni, Cu, Zr, Y, La);

• в углях не обнаружены Tl, Sb, Cd, Ta, Нf.

Поскольку использование углей и сброс шахтных вод, содержащих химические элементы в концентрациях, превышающих предельно допустимые, представляет потенциальную опасность для окружающей среды, необходимо изучение распределения химических элементов всех классов опасности.

Ввиду отсутствия нормированного содержания химических элементов в углях, при анализе использовались предельно допустимые концентрации содержания элементов в почвах (ПДКп).

В углях Донецко-Макеевского углепромышленного района превышение ПДКп характерно практически для всех элементов класса опасности (табл. 1).

Таблица 1. Максимальные содержания элементов I класса опасности, превышающие ПДК, в углях Донецко-Макеевского района.

Примечание: прочерк – нет данных.

Концентрации мышьяка по отдельным пробам превышают ПДКп до 350 раз (пласты l₄, l₇, m₃, h₁₀, h₈), в среднем составляя 9-10 раз. Наиболее высокие содержания ртути, превышающие ПДКп до 12 раз, отмечены в угольном пласте g ₂, разрабатываемом шахтами ш/у “Донбасс” и “Заперевальная”.

Превышение ПДКп по свинцу достигает 6,25-9,4 раз (максимальные превышения установлены по пластам k₈, l₄, m₃). Наиболее высокое содержание фтора отмечено по пласту l ₄ (ш/у “Донбасс” и “Заперевальная”) – 2 ПДКп. Превышение ПДКп по цинку составляет в среднем 1,5-2 раза, достигая по отдельным пластам 8,7 раз (h₁₀, h₃, l₄, l₇, l₈¹, m₃, m₄¹).

Одним из наиболее токсичных элементов является бериллий. При использовании углей, обогащенных Be необходимо иметь в виду, что при сжигании угля бериллий образует пыль оксида, которая не улавливается электрофильтрами [6]. Поскольку для бериллия нет установленного ПДКп, при анализе использовался кларк осадочных пород (3,0 г/т). Концентрация бериллия в угольных пластах исследуемого района, находится в пределах 0,4-50 г/т, в среднем составляя 4,0 г/т, а по пластам h₁₀, h₇, h₈, k₈, l₁, l₄, l₆, l₇, l₈¹, m₃, m₅, m₂, m₄¹ превышает кларк осадочных пород в 16,7 раз.

Содержание элементов II и III класса опасности в углях района, как правило, не превышает ПДКп. Единичные превышения ПДКп зафиксированы для хрома, марганца и ванадия.

Перспективы добычи попутных компонентов из углей

В угляхДонецко-Макеевского района высокие концентрации, достигающие и превышающие промышленные, установлены для германия, галлия, бария, лития и других элементов.

Концентрация германия в углях района колеблется от 1,2 до 63,4 г/т, составляя в среднем 4,7 г/т, что в отдельных случаях до 21 раз превышает среднее содержание для углей Донбасса и в десятки раз – кларк осадочных пород[7]. Практический интерес представляет содержание германия в энергетических углях более 10 г/т, в коксующихся – более 3 г/т сухого угля. Максимальные содержания германия (до 7,86-33,75 г/т) отмечены на участках распространения марок Д, Г, Ж, К по пластам m₅, l₄, k_8, h₁₁, l₈¹, m₄¹, m₃, l₇¹, m₂, l₁, l₆, l₃ шахт “Трудовская”, им.Засядько, “Панфиловская”, им.Абакумова, “Кировская”, “Лидиевка” (табл. 3). Минимальные содержания германия установлены на полях шахт им.Горького (1,5-3 г/т), “Октябрьский рудник” (2,5-5 г/т).

Таблица 3. Содержания химических элементов, превышающие промышленные, в углях Донецко-Макеевского района.

Элемент	Промышленные содержания, г/т	Максимальные содержания, г/т	Пласт	Шахта
Ge	3,0	33,75	l71	им.Засядько
		26,1	m3	“Панфиловская”
Ga	20,0	28,1	l4	“Трудовская”
		28,1	l7	им.Челюскинцев
Sr	450,0	2000,0	k8	“Трудовская”
		1000,0	k8	“Панфиловская”
Ba	1000,0	7000-10000	l4-l8	“Абакумова”
		3000,0	l4	“Трудовская”
Mn	1000,0	2000,0	k8	“Трудовская”
V	100,0	150,0	m3	“Трудовская”
Cr	100,0	150,0	l1н	“Панфиловская”
		150,0	m3	“Трудовская”
Li	100,0	150,0	l81	“Трудовская”
Ce	50,0	50,0	l1н	“Панфиловская”

Содержание галлия в пределах исследуемого района изменяется в пределах от 0,0 до 60,0 г/т, составляя в среднем 9,1 г/т. Повышенное содержание Ga характерны для пластов h₁₀, h₈, h₆, g₂, l₄, l_7, l₁, l₂, k₈. Максимальные концентрации галлия выявлены по пластам l₄, l₇ шх. “Трудовская” и им.Челюскинцев - до 28,1 г/т. Галлий в энергетических углях представляет интерес при содержании его в сухом угле не менее 20 г/т или при содержании не менее 10 г/т при содержании германия более 5 г/т. Второму условию удовлетворяют также пласты l_<1, l₂, k₈, m₃.

В углях Донецко-Макеевского района выявлены также высокие концентрации бария. При промышленных содержаниях 1000 г/т, концентрации в углях района достигают: по шахте им.Абакумова – 10000 г/т ( l₈), 7000 г/т (l₄), 2000 г/т (m₂ ); по шахте “Трудовская” – 3000 г/т (l ₄), 1000 г/т (k₈), а также по пластам l₈¹ шх. “Лидиевка” – 2000 г/т и k₆ шх. “Кировская” - 2000 г/т.

Максимальные концентрации лития выявлены по пластам l₈¹ шх.“Трудовская” - до 150 г/т; h ₂¹, h₃ ш/у “Донбасс”, h₇ шх. “Кировская” и h> ₇ им.Горького - до 100 г/т (при промышленных 100 г/т).

Кроме указанных элементов в содержаниях, подлежащих промышленной оценке обнаружены стронций, хром, марганец, ванадий, церий (табл. 3).

По отдельным пробам в концентрациях, близких к промышленным, встречены цирконий, скандий, иттрий, лантан и серебро.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что наиболее перспективными в плане добычи попутных компонентов в районе являются пласты l₄, k₈, m₃ шахты “Трудовская”, l₁ ^н, k₈, m₃ шахты “Панфиловская”.

На основе тысяч анализов углей, во всех зонах или районах Донбасса, выделенных либо по содержаниям ртути в угленосной толще, либо по географическому признаку (Восточный, Южный, Северный Донбасс), в распределении Hg усматривается полилюдальность: наряду с фоновыми содержаниями Hg имеются аномальные и резко аномальные. Первые связывают с "рассеянной ртутной минерализацией", вторые — с "обогащенной ртутной минерализацией"[8]. Усматривается также общий тектонический контроль ртутеносности углей: в антиклинальных структурах геохимический фон ртути выше, чем в синклинальных и гораздо выше — процентная доля геохимических аномалий.

Наиболее обогащены ртутью угли Центральной зоны. Здесь располагается крупный линеамент глубинного заложения (не менее 40—45 км) — Центрально-Донецкий разлом, находящийся в осевой части Главной антиклинали Донбасса. Этот линеамент и оперяющие его нарушения послужили проводниками ртутеносных гидротерм в угленосную толщу (главным образом — среднекарбонового возраста). В результате, фоновые содержания Hg в антрацитах Центральной зоны составляют 0.06—0.07 г/т, тогда как геохимический фон Hg в Восточном Донбассе составляет 0.025 г/т, в Западном Донбассе — 0.008 г/т, а в Южном Донбассе еще меньше —0.004 г/т. На втором месте по ртутеносности стоят угли Северной зоны, где располагается другая крупная антиклинальная структура Донбасса — Северная антиклиналь. Здесь, в южной части антиклинали, фоновые содержания Hg в антрацитах достигают даже 0.09 г/т.

Аномальные содержания Hg, отвечающие "рассеянной минерализации", обычно попадают в интервал 0.10— 0.50 г/т, а резко аномальные, отвечающие "обогащенной минерализации", — превышают 1 г/т, и, например, в Восточном Донбассе составляют в среднем 2.6 г/т. Судя по приведенным в указанной книге таблицам, в Центральном Донбассе они могут быть еще выше. Действительно, по данным, любезно предоставленным нам проф. Б. С. Пановым (г. Донецк), в углях Центрального (Горловского) углепромышленного района Донбасса даже среднее содержание ртути в 12 раз выше кларка (1.21 г/т), а максимальное достигает фантастической цифры — 30 г/т!

На площади Никитовского рудного поля в углях с макроскопической киноварью содержание Hg достигало фантастической величины — 1 %, а среднее содержание Hg по свитам C23 и С26 ЮВ Донбасса, выведенное по анализам около 600 проб, составило 1.25 г/т. По данным анализов 24 образцов из десяти современных действующих шахт Донбасса, содержания Hg составили от 0.02 до 3.5 г/т (пласт "h5 нижний", шх. Глубокая, Донецко-Макеевский район), причем в шести образцах содержания Hg превышали 1 г/т. Но даже на этом фоне выделяются мощные аномалии Hg в четырех образцах, отобранных из пластов g2, h6 и h10 на двух заброшенных шахтах в пределах Никитовского рудного поля: от 12.8 до 25.5 г/т Hg!.

Распределение ртути обычно контролируется двумя свойствами углей — зольностью и сернистостью, причем для углей малозольных, бедных терригенной золой, увеличение зольности может быть эквивалентным нарастанию сернистости в форме пирита.

Вид зависимости "зольность — содержание Hg в угле" определяется балансом виртуальных (генетических) фракций ртути. Если доминирует ртуть в составе кластогенной золы, то зависимость в угле близка к линейной, а если существенен вклад аутигенной сорбционной фракции (имеющей модальные формы Hgорг или Hgcyльф), то линейная зависимость ослабевает, осложняясь сорбционным оптимумом, а для золы проявляется характерная дня всех утлефильных элементов негативная корреляция в координатах "зольность — содержание Hg в золе".

При прочих равных условиях везде четко проявлена эмпирическая закономерность: чем выше сернистость углей, тем выше в них содержание ртути. Эта связь обусловлена тем, что пирит является, как правило, не только главным концентратором, но и главным носителем ртути, т. е. пиритная ртуть дает наибольший вклад в валовое содержание ртути.

Теоретически вполне возможно как сингенетическое, так и эпигенетическое накопление ртути в углях.

Углеобразующие торфяники могли бы обогатиться ртутью в двух ситуациях: (а) если в них разгружались ртутеносные термальные воды или попадала ртутеносная пирокластика; (б) если в них формировался сингенетичный пирит, который мог концентрировать ртуть из окружающей среды.

До недавнего времени мы не знали примеров углей с таким типом накопления ртути, но последние публикации российских и канадских исследователей показывают, что вулканогенное накопление Hg в углях — вполне реально.

Так, в угленосной толще Минусинского бассейна отмечено некоторое накопление ртути в породах с примесью пирокластики, на основании чего томские геохимики допускают возможность привноса ртути в результате пеплопадов. В последнем случае не исключено и более позднее обогащение проницаемых горизонтов туффитов вследствие их аргиллизации.

В суббитуминозных меловых углях Альберты, на фоне общей тенденции позитивной корреляции "Hg — зольность" резко выделяется аномалия Hg в бентоните, образующем 3.5-см партинг в пласте общей мощностью 94.5 см. При средневзвешенном содержании Hg по пласту, с исключением бентонита, всего лишь 0.014 г/т, в бентоните содержание ртути выше в 90 раз — 1.270 г/т. Очевидно, что эта аномалия имеет вулканогенную природу, что согласуется с давно установленными нами фактами мощных аномалий Hg в прослоях туфов среди морских черных сланцев Пай-Хоя и севера Урала.

Имеются многочисленные примеры накопления Hg в приконтактовых пачках угольных пластов, сингенетично обогащенных пиритом.

Например, на контакте мощного (~21 м) палеоценового угольного пласта Wyodak (или Roland) в шт. Вайоминг с породами кровли фиксируется аномальное накопление Hg в слоях зольного угля (Ad = 13.2—39.9 %) — 0.37— 0.66 г/т, тогда как в нижележащих пачках пласта среднее содержание Hg составляет всего 0.05 г/т. Примерно такая же картина наблюдается и в припочвенной контактной зоне. Поскольку аналогично распределяется в пласте и S, то такую картину следует связывать с диагенетической сульфат-редукцией и осаждением сульфидов на геохимическом барьере торф/осадок.Можно думать, что в гидротермальном эпигенезе возможно обогащение углей ртутью в трех вариантах: а) появление в углях эпигенетических ртутьсодержащих сульфидов (в том числе и собственных минералов ртути); б) поглощение ртути сингенетическим пиритом из парогазовой фазы; в) сорбция ртути из гидротермального раствора на угольном ОВ.

Как уже отмечалось выше, в Донбассе почти все аномалии ртути связаны с гидротермальной минерализацией, которая более детально изучалась на Никитовских месторождениях и в южном крыле Северной антиклинали. Украинские геологи допускают, что гидротермальная активность совпала во времени с угольным метаморфизмом и даже была с ним связана генетически. Эпигенез ртути доказывается ее парагенезисом с другими рудными элементами, входящими в состав явно поздних сульфидов (Pb, Zn, Sb, As, Ag), а также чрезвычайной неравномерностью распределения Hg в пиритах, которое контролируется поздними тектоническими нарушениями, а не какими-то первичными (фациальными) факторами.

Примеры Донбасса (Никитовское рудное поле) и Аппалачей (бас. Варриор), отчасти и бассейна Иллинойса показывают, что фактором эпигенетической ртутеносности углей являются низкотемпературные гидротермальные процессы, связанные или не связанные с угольным метаморфизмом. Это дает основание для прогноза ртутеносности углей во всех областях, где есть проявления ртутной минерализации

Ртутоносность угольных пластов различных геотектонических типов зависит от особенностей образования и истории геологического их развития и определяется тектоническим режимом крупных участков земной коры. В углях угленосных бассейнов, приуроченных к авлакогенам, ртутоносность связана с постугленосной ртутной металлогенией. Совмещение ртутоносных и угленосных формаций в пространстве обусловлено развитием крупных тектонических структур на протяжении длительного геологического периода. С этих позиций первостепенными объектами для изучения ртутного оруденения в углях являются угольные бассейны в прогибах, осложненные глубинными разломами, располагающиеся в пределах ртутных провинций.В периоды тектонической активации ртуть поступала из мантии и образовывала не только ртутные месторождения, известные в Донецком бассейне, но и рассеивалась в породы угленосной толщи[9].

Ртутоносность угольных формаций характеризуется полигенным генезисом. Сингенетическая ртуть связана с осадочно-биогенными процессами накопления органического вещества, источником ртути здесь служит растительный материал. Содержание ртути, обусловленное сингенетическим ее накоплением, невысокое и обычно составляет геохимический фон. Сингенетическое накопление ртути характерно для угленосных формаций платформенного типа в участках угольных пластов, не затронутых гидротермальной проработкой. Аномалии ртути в угольных пластах Донбасса обусловлены эпигенезом, резко разобщенным во времени с процессами углефикации; они находятся в генетической связи с известными ртутными и полиметаллическими месторождениями, проявлениями, площадями рассеяной минерализации. Эпигенетическая ртуть в пластах углей образует ореолы вокруг известных и прогнозируемых проявлений, содержание ее высокое и обычно на 3-5 порядков выше по сравнению с содержаниями ртути, образовавшейся сингенетически. Этими же причинами вызвано разнообразие форм нахождения ртути в углях различных угленосных бассейнов[10].

3 Распределение токсичных и малых элементов в углях шахты "Трудовская"

В углевмещающей толще поля шахты «Трудовская» постоянно или часто встречаются следующие токсичные и малые элементы: мышьяк (химический), ртуть, бериллий, фтор, марганец, свинец, никель, ванадий, хром, кобальт, литий, стронций, барий, скандий, иттрий, лантан, иттербий, титан, цирконий, ниобий, молибден, медь, цинк, олово и висмут.

Для изучения распределения в углях токсичных элементов первого класса опасности (Hg,As,Pb,Be) было проведено керновое и бороздовое опробование угольных пластов. Данные опробования изучались с помощью химического (As), спектрального полуколичественного (Hg,As,Pb) и атомно-абсорбционного (Hg) анализов. Обработка данных анализов проводилась на компьютере с помощью программ STATGRAF, SURFER, EXCEL. Были установлены основные статистические характеристики, корреляционные связи между отдельными элементами, а также связи между элементами и качественными показателями угля: зольностью, мощностью, содержанием серы, выходом летучих компонентов.

При определении основных статистических характеристик были выявлены значимые корреляционные связи между мышьяком и ртутью. Установлена тесная положительная связь содержаний ртути и мышьяка с содержанием общей серы в угле, что свидетельствует о накоплении этих элементов в условиях восстановительной среды и подтверждает возможность их нахождения в сульфидной форме[11]. Распределение ртути обычно конт¬ролируется двумя свойствами углей — зольностью и сернистостью.

Анализ площадного распределения четырех токсичных элементов в пределах шахтного поля показал, что ртуть и мышьяк имеют сходное распределение. К полям высоких содержаний ртути и мышьяка в целом относятся и высокие концентрации свинца. В то же время пространственное распределение бериллия отличается от распределения мышьяка, ртути, свинца. При этом повышенные содержания бериллия фиксируются в пределах полей относительно низких концентраций ртути, мышьяка и свинца в угольном пласте. В целом пространственные поля всех элементов сложно дифференцированы.

По результатам исследований можно сделать следующие предварительные выводы. Сера превышает кларковое содержание в 5 – 14 раз, мышьяк до 21 раза, бериллий и молибден до 1,2 раза, висмут в 20 -140 раз. Наиболее сложным распределением в угле характеризуется ртуть. Положительная корреляционная связь ее с содержанием серы в угле предполагает концентрацию ртути в пирите. Так как в результате обогащения угля пирит уходит в хвосты, следует ожидать интенсивное накопление ртути в хвостохранилищах обогатительных фабрик. Вероятно, аналогичным образом ведут себя мышьяк и свинец. Полученные данные следует учитывать при потреблении углей с высоким содержанием ртути, мышьяка, свинца, а также при использовании отходов углеобогащения (изготовлении кирпича, керамзита, аглопорита и т.д.).При использовании углей, обогащенных Be необходимо иметь в виду, что при сжигании угля бериллий, находящийся в органической части, образует тонкодисперсную пыль окисла, которая не улавливается электрофильтрами. Сжигание таких углей может представлять потенциальную опасность для окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Аммосов И.И. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР.-М.: Гостехиздат, 1963.—Т.1: Донбасс.—1210 с.
2. Хабибулин К.Л. Геологический отчет о результатах доразведки поля шахты «Трудовская» ПО «Донецкуголь» по добыче угля . – Донецк: 1991.—235 с.
3. Горовой А.Ф., Горовая Н.А. Токсичность углей шахтных полей Донбасса//Доклады 3 Международной конференции "Творческое наследие В.И.Вернадского и современность" 22-24 мая, Донецк, с. 121-124.
4. Эколого-геохимические особенности углей и шахтных вод Донбасса (на примере Донецко-Макеевского углепромышленного района). Автореферат Фоменко Н.В.
5. Виноградов А.П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры// Геохимия. – 1962. - № 7. – С. 555-571.
6. Клер В.Р., Перциков И.З. Неорганические компоненты твердых топлив. – М.: Химия, 1991. – 221с.
7. Panov B.S., Dudik A.M., Shevchenko O.A., Matlak E.S. On pollution of the biosphere in industrial areas: the example of the Donets coal Basin// International Journal of coal geology - 1999, № 40. – Р. 199-210.
8. Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Проблема ртути в углях//Вестник Института Коми НЦ Уро РАН - №10 - 2004, с. 6-12.
9. Ртуть в угольных пластах Донбасса и ее экологическое значение. Автореферат Хлякиной М.Г.
10. Дворников А.Г. Ртутоносность углей Донецкого бассейна.-М.: Недра,1987, 158с.
11. Особенности распределения некоторых токсичных элементов в углях Донецко-Макеевского промышленного района Донбасса. Тарасова В.А., Проскурня Ю.А.