У наш час все частіше постає питання: "Що буде далі, коли всі вивчені запаси корисних копалин будут вже вичерпані,а нові ще не підлягали детальній розвідці?"Виявлення промислових родовищ корисних рудних та нерудних копалин є найважливішою науковою проблемою і практичною метою геологичних досліджень.Наш край відомий по усьому світу своїми видкладеннями карбону(каменновугільний період),і якщо у должній мірі приделяти увагу його вивченню та надавати кошти для його розробці, то наша країна ще дуже великий відрізок часу буде забеспечена своїм власним вугіллям, а разом з цим і робочими місцями для нашого населення.Але видробка,вивчення та добуток вугілля пов'язані не тільки з умовами праці, а і з охороною навколишнього середовища.Посилення вимог до його охорони обумовлює розширенння робіт по вивченню токсичиих та потеційно токсичних елементів вугілля, вміщаючих порід, продуктів вугледобутку та переработки вугілля, небезпечного по забрудненню навколишнього середовища та порушенню екологичної рівноваги.

Основними елементами, які при масовому спалюванні вугілля забруднюють навколишнє середовище є : S, Ве, As, F,Ge, для яких відомі високі вмісти токсичних сполучень в повітрі, воді, які перевищують гранічно допустимі концентрації ГДК. Крім того, існує небезпека місцевого забруднєння навколишнього середовища за рахунок Рb, Ni, Мn, Сг, V, Сo, Ge, сполучення яких відносяться до потенційно токсичних. На території Донецько-Макеівського геолого-промислового району при дослідженні вмісту токсичних елементів в вугіллі відзначені перевищення норм ГДК Аs в 1,6, Be в 1,4, Мп в 70 , Рb в 14, V в 2, Сг 2 рази. В гірничий масі відзначені перевищення норм ГДК. В продуктах та відходах вугледобутку перевищення відзначалось на всіх збагачувальних фабриках району.

На прикладі поля шахти "Росія" можливо простежити розподіл токсичних єлементів у вугіллі, за допомогою даних, які були здобуті при бурінні свердловин детальної розвідки.

Актуальність теми роботи обумовлена потребою рішення питань охорони навколишного середовища за рахунок впровадженя в виробництво науково- обгрунтованих методів прогнозування вмісту токсичних елемєнті в вугіллі, гірничній масі, та своєчасно знизити вміст цих елементів у товарній продукцій.

Дослідження розподілу токсичних єлементів мало вивчена тема, якою почали займатися зовсім недавно. На моїй делянці роботи по цьому питанню зовсім не проводились. А у наш час велике значення приймає небезпека праці,для цього повинні проводитися уселякі заходи по її забеспеченню. Тому має бути вивченний вміст токсичних єлементів в вугіллі, безпека його відпрацювання, геологічні умови його залягання та літологічний склад.

Ціль роботи полягає у розробці методик прогнозування та моделювання розподілу вмісту токсичних елементів в вугіллі, визначення ступенню небезпеки праці на ділянці робот, побудова карт розподілу токсичніх єлементів по пласту вугілля та обробка даних за допомогою статистного пакету "Statgraf".

Основні завдання роботи – статистичний аналіз розподілу токсичних єлементів в вугіллі та виявлення їх взаємозв'язків з геологією.

Для досягнення мети неохідно було вирішити ряд завдань:
-оцінити та визначити закономірності розподілу токсичних елементів у вугіллі по полю шахти "Росія"
- встановити геохімічні асоціації токсичних елементів у вугіллі:
- провести типізацію вміщуючих порід, як збагачуючих, так і розубожуючих гірничу масу токсичними елементами:
- розробити методи прогнозування та моделювання вмісту токсичних елементів в гірничий масі та продуктах збагачення.

Наукові положення:

    1. Тісні кореляційні зв'язки між токсичними елементами дозволяють використовувати їх для прогнозування вмісту цих елементів у вугіллі району.
   2. Регульоване поступлення вміщюючих порід в гірничу масу є керованим параметром ЇЇ токсичності.
   3. Генетичні зв'язки токсичних елементів з органічною та мінеральною частиною вугілля дозволяють прогнозувати розподіл вмісту цих елементів в продуктах збагачення.

   Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що для шахти "Росія" вперше встановлені геохімічні асоціації токсичних елементів у вугіллі:
- розроблені методики прогнозування розподілу вмісту токсичних елементів в гірничий масі та продуктах збагачення;
- запропоновані методики моделювання розподілу вмісту токсичних елементів у вугіллі, вмішюючих породах, які є у видобутку, гірничої масі та продуктів збагачення.

Практичне значення робота полягає в розробці та впровадженні у виробництво методів прогнозування та моделювання розподілу вмісту токсичних елементів в гірничий масі та продуктах збагачення, що дозволяють завчасно передбачати виконання технологічних заходів по зниженню вмісту цих елементів нижче норм ГДК.

РОЗДІЛ 1 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ТА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

Питанням геохімії процесів утворення вугленосних покладів, розповсюдженню токсичних елементів в вугіллі та вміщуючих породах присвячені роботи Перельмана О.І., Кізільштейна Л.Я., Горового А.Ф., Ненахової Н.Ф., Юровського А.З., Клер В.Р., Барни Т.В., Ішкова В.В.

Розробці методів прогнозування величин забруднення вугілля вміщуючими породами присвячені роботи Широкова А.З., Свержевського В.Л., Смірнова Б.В., Доброгорського М.О., Нагорного Ю.М., Сафронова І.Л.. Ішкова В.В.

Питанням прогнозування вмісту мінеральних компонентів при збагаченні вугілля присвячені роботи Разумова К.А., Артюшина М.А., Грановського Ю.В., Митрофанова С.І., Землякова Б.О.[1]

Аналіз робіт, присвячених питанням розповсюдження токсичних елементів свідчить, що в Донбасі існують різні рівні вивченості розподілу цих елементів в вугіллі та вмішуючих породах на полі шахти . Огляд робіт також показав, що більшість авторів виділяє комплекс елементів кісними методами з використанням лінійного коефіцієнта кореляції, шо робить отриману інформацію ненадійною та залежною від одиниць виміру вмісту елементів.[5]

Класифікація та аналіз робіт, присвячених прогнозуванню величин забруднення вміщуюючими породами вугілля показав, що в практиці прогнозних методів можна виділити: геолого-діагностичний, геолого-статистичний, геолого-геофізичний і метод аналогій. Із перерахованих методів найбільш припустимим для гірничо-геологічних та гірничо-технічних умов є геолого-статистичний метод.

Огляд наукових робіт з питань збагачення вугілля дозволив встановити, що в цей час увага звернута до питань прогнозування зольності у продуктах переробки вугілля, та практично відсутні роботи, щодо прогнозування вмісту токсичних елементів (ВТЕ) в продуктах збагачення вугілля.

Аналітичний огляд наукових робіт з питань прогнозування вмісту токсичних елементів у вугіллі дозволив встановити існування важливої наукової та практичної проблеми, сформулювати мету та завдання, які наведені в загальній характеристиці праці.

РОЗДІЛ 2 МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ РОБІТ

Для досягнення поставленої мети були досліджені на ВТЕ в вугіллі та в вміщуючих породах 21 аналіз, отриманний при перетині геологорозвідувальних свердловин.

Другий етап полягав у проведенні лабораторних досліджень вугілля углепетрографічними та мінералогічними методами.

Статистична обробка результатів спектральних аналізів виконувалась з використанням програм STATGRAF 98, Ехсеl 97, SРSS 7.0 та включала:

а) розрахунок основних статистичних характеристик емпіричних розподілень токсичних елементів (середніх та модальних значень, дисперсії, коефіцієнтів варіації, асиметрії, ексцесу та інші);
б) розрахунок та аналіз коефіцієнтів лінійної та гама-кореляції, кореляції Спірмена та Канделла з метою виявлення парагенетичних асоціацій токсичних елементів;
в) ранжування величин кореляційних зв'язків та розрахунок рівняння регресії оптимально апроксимуючих залежностей між елементами, які входять в асоціацію;
г) виконання дискримінантного та кластерного аналізів з метою встановлення рядів спорідненості токсичних елементів з органічною речовиною вугілля.

Це дозволило виявити геохімічні асоціації без використання гіпотетичних припущень відносно виду функції розподілення їх генеральних сукупностей та одиниць виміру. Об'єднання елементів проводилось при наявності двох коефіцієнтів кореляції не менш 0.5 та довірчої ймовірності 95%.

При оцінці зв'язку токсичних елементів з органічною та мінеральною частинами вугілля були використані коефіцієнти: спорідненості з органічною частиною, приведеною концентрацією та приведеним витяганням, на основі яких була проведена типізація вміщуючих порід, як збагачуючих та розубожуючих гірничу масу токсичними елементами.

При розробці короткострокового прогнозування, методики моделювання ВТЕ в гірничий масі та продуктах збагачення вугілля був використаний метод статистичного планування -«чорний» ящик з апріорним уявленням про об'єкти досліджень. Адекватність моделі перевірялась за критеріями Фішера, Стьюдента.

При середньостроковому прогнозуванні токсичності гірничої маси для визначення прирощення потужності тої, що виймається, був використаний геолого-статистичний метод прогнозування.

Об'єктом дослідження були видклади вугленосної формації поля шахти "Росія". З метою поліпшення вірогідності та точності характеристик та закономірностей, що досліджувались, було проведено районування площі, головним критерієм якого стали гірничо-геологічні та вутлепетрографічні особливості шахтопластів.

Використання даного обсягу фактичного матеріалу, комплексного методу досліджєнь дозволило отримати достовірні результати цієї роботи.[4]

РОЗДІЛ З ЗАКОНОМІРНОСТІ РОЗПОДІЛУ ТОКСИЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ В ВУГІЛЛІ

Аналіз результатів дискримінантного та кластерного аналізів, розрахованих коефіцієнтів спорідненості з органічною частиною, приведеної концентрації та риведеного витягання дозволив встановити ряди спорідненості токсичних лементів з органічною частиною вугілля по пластах:на площі блоку Ве > Мі, V, Сг, Со >, Аs, Р, Мn, РЬ; Ве, Мп > Мі, V, Сг, Ge, Со > Нg, Р, РЬ; Ве, Мп > V, Ni, Сг, Со > Нg, Р; РЬ;

На площі блоку були встановлені такі основні закономірності розподілу токсичних елементів в вугіллі та продуктах збагачення, та їх геохімічні асоціації:

В асоціацію входять: 5 - коефіцієнт кореляції від 0,537 до 0,74.Максимальний вміст Ge в продуктах збагачення спостерігається у фракціях із зольністю 6,2 - 14,7%. Коефіцієнт зустрічі - від 0 до 80%. . У вміщуючих породах перевищень ГДК не відмічено.Ве. Коефіцієнт зустрічі - від 45 до 100%. Перевищення ГДК у вміщуючих породах перевищення не відзначалось.

Парагенетичні асоціації токсичних елементів обусловлені близькістю : ковалентних радіусів атомів, величинами електронсгатнвності, координаційними ; числами, значеннями міжатомних відстаней, взаємною компенсацією при ізоморфізмі.
Визначені на площі резервного блоку закономірності розподілу та асоціації токсичних елементів дозволяють прогнозування вміст цих елементів вугіллі.

Для кожного показника (потужність, зольність, сірка, вихід летучих речовин та Германій) була виконана статистична обробка результатів за допомогою програми STATGRAF. Вивчено середнє, медіани, мода, mіn, max і інші статистичні характеристики.

Таблиця 1. Скорочена статистична характеристика вугілля.

Визначення коефіцієнту варіації має й практичне значення в геологорозвідувальній діяльності.

Интерпретація результатів статистичної обробки даних.

За отриманими результатами пласт вугілля L2 у межах ділянки характеризується спокійним моноклінним заляганням. Азимут простіру 240градусів, а також пологим падінням, вугіл падіння від 6 до 10 градусів. Потужність при її середньому значенні 1,1м змінюється від 1,05м до 1,2м. Коефіцієнт вариації дорівнює 0,1199, тобто менш 30%. Це свідчить, що пласт витриманий, характер накопичування відкладів спокійний, пласт належить до Діамантової світи середнього карбону. Якісні характеристики вугільного пласту L2 (Ad, Sd, Vdaf) розподілені неоднорідно, та дуже змінливі. Так як у нас викликає заінтересованність германій, окремо скажемо, що закон розповсюдження по германію нормальний. Цій показник утворювался під дією багатьох факторів. Вміст германію в вугіллі від 0.01 до 9.00. Коєфіцієнт варіації дорівнює 0.8089. Пояснення вмісту германія, з точки зору геології, не знайдено , но можно предположити, що чим більше домішків зустрілося на визначеній ділянці пласта вугілля L2, тим вище вміст германію, а також характер та генезис ціх домішків може зіграти роль у вмістах ( кількістях ) самого германію.

- встановлення закону розподілу вмісту токсичних елементів в вугіллі за допомогою статистичного пакету STATGRAF.

- встановлення впливу геології родовища корисних копалин на розподіл токсичних єлементів по пласту вугілля.

- збагачення промислових ресурсів вугілля та покращення умов його видобутку.

. Проаналізована залежність будови та якості вогнетривкої глини від генезису. Встановлена особистість будови вогнетривкої глини на прикладі Отрадівського родовища, яке має лінзовидну будову: вогнетривкі і тугоплавкі глини залягають практично горизонтально в формі лінз або пластових покладів. Гіпсометрія підошви покладів в загальному повторює допалеогеновий рельєф поверхні. Покрівля покладу несе сліди ерозійного розмиву.[4]

Проаналізована залежність якості вогнетривкої глини від вмісту глинозему (Al2O3), вогнетривкості та шкідливої домішки Fe2O3, що знижує якість глин. На підставі виявлених кореляційних зв'язків з використанням статистичного пакету STATGRAF.

При виконанні роботи були отримані наступні основні наукові га практичні результати:

1. На площі поля шахти були виявлені ряди спорідненості токсичних елементів з органічною частиною вугілля, встановлені закономірності зміни ВТЕ в залежності від потужності пласту вугілля, проведена типізація вміщуючих порід.

2. Розроблені методики прогнозування ВТЕ в продуктах збагачення з урахуванням генетичних зв'язків цих елементів з органічною та мінеральною частинами вугілля.

3. Запропонована у випадках перевищення норм ГДК токсичними елементами вміщуючих порід методика контролю з розрахунком норми забруднення.

4. Розроблені методики моделювання ВТЕ:
а) в гірничий масі з обмеженням обсягу маси, що добувається з урахуванням транспортних та технологічних обмежень в режимі усереднення
б) в продуктах збагачення з обмеженням обсягів гірничої маси шахт, які відгружають продукцію на збагачувальні фабрики.

5. Виявлен характер впливу на стан здоровья людини та забрудненню навколишнього середовища перевищення вмісту токсичних єлементів в вугіллі.

6. Проаналізовані данні статистичного аналізу розподілу токсичних єлементів в вугіллі та виявлення їх взаємозв'язків з геологіє з використанням статистичного пакету STATGRAF.

Забезпечення країни вугільною сировиною, безпечною для навколишнього середовища та стану здоров’я людини. Видобуток токсичних єлементів (наприклад, германію) з прошарків вугілля з цілью його подальшого використання за для добробуту людства.

Дільниця робіт знаходиться у Донецько - Макіївському промислово-геологічному районі. Це резервний блок шахти "Росія". На територіі блоку під час детальної розвідки було пробурено 21 свердловину та проведений геохімічній аналіз керну.За цими даними був проведен аналіз розподілу вмісту токсичних елементів в вугіллі.
   Проведені експериментальні роботи показали задовільну сумісність прогнозованих та фактичних значень з відносною похибкою: для короткострокового прогнозування - 10%, середньострокового прогнозування - 30%, прогнозування ВТЕ в продуктах збагачення - 25%.
   На основі приведених результатів рекомендуєтся широко використовувати наукові та практичні результати при проведенні геологорозвідувальних та вугледобувних робіт на шахті "Росія", що сприятиме підвищенню як ефективності розвідувальних робіт, так і екологічної безпеки добутого вугілля.
   Робота присвячена геохімічним асоціаціям та закономірностям розподілу токсичних елементів, прогнозуванню їх вмісту в гірничій масі. Запропоновано методику прогнозування розподілу вмісту елементів в продуктах збагачення (теоретичний баланс) вугілля з урахуванням генетичних зв'язків цих елементів з органічною та мінеральною частинами вугілля. Методи моделювання вмісту дозволяють передбачити виконання технологічних заходів до зниження вмісту цих елементів в гірничий масі та продуктах збагачення вугілля менше норм ГДК.

1. И.А. Скабалланович, М.В. Седенко. Гидрогеология, инженерная геология и осушение месторождений. Москва, “НЕДРА”, 1973. Гідрологічна та гідрогеологічна характеристика району

2. П.П. Климентов, М.В. Сыроватко. Гидрогеология месторождений твердых полезных ископаемых. Москва. “НЕДРА”. 1966.

3. Панов Б.С., Короткова Н.Г., Санина О.Е. О ртутной опасности Донецкого бассейна. Геологический журнал №4, 2005г.

4. Оценка воздействия на окружающую среду шахты "Россия" ГХК ОАО "УкрНТЭК", Донецк-1998.-325с.

5 Геологический паспорт шахты. Трест шахтной геологии технического бурения. 1968.-125с.