Проведение геохимической оценки состояния окружающей среды, загрязнение которой оказывает негативное влияние на условия существования организмов, является одной из наиболее актуальных задач. Для Донецко-Макеевского района – как и для большей части Донбасса – одним из основных загрязнителей природной среды является угольная промышленность. В этой связи наиболее важным представляется геохимическое изучение угля и шахтных вод района. Эта проблема имеет два аспекта. Во-первых, анализ содержания в компонентах геологической среды элементов в концентрациях, представляющих угрозу для здоровья человека. И, во-вторых, рациональное использование природных ресурсов, одним из направлений которого, на наш взгляд, является попутное извлечение ценных компонентов. В данной статье представлены новые результаты геохимического изучения углей и шахтных вод Донецко-Макеевского углепромышленного района.
Описание района исследований
Донецко-Макеевский углепромышленный район, имеющий площадь 3170 кв.км и находящийся в пределах Донецкой области, расположен на южном крыле Кальмиус-Торецкой котловины. Кроме пликативных дислокаций в районе широко распространены разрывные нарушения, в подавляющем числе представленные надвигами: Мушкетовский, Французский, Калининский, Тимошенко, Ясиновский, Первомайский и др.
В геологическом строении района принимают участие отложения среднего и верхнего карбона, почти повсеместно перекрытые четвертичными и отчасти палеогеновыми отложениями. В западной части на размытой поверхности карбона залегают породы юрского и мелового возраста.
Толща карбона включает все свиты среднего и нижние свиты верхнего отдела.
Водоносные горизонты заключены в отложениях каменноугольного, юрского, верхнемелового и палеогенового возраста, в четвертичных отложениях они приурочены к аллювию и прослоям песков в суглинках.
Материал и методы исследований
Распределение химических элементов в углях было изучено по данным кернового и бороздового опробования угольных пластов действующих шахт Донецко-Макеевского района. Было проанализировано 277 проб из керна скважин и горных выработок по основным разрабатываемым пластам. Лабораторные работы по определению состава углей спектральным полуколичественным анализом выполнялись лабораториями ПГО «Донбассгеология» и «Луганскгеология».
Гидрогеохимические исследования включали анализ более 500 проб шахтных вод. Лабораторные работы, проводимые в лаборатории ПГО «Донбассгеология», включали изучение физических, химических свойств воды и спектральный полуколичественный анализ.
Анализы и результаты
При анализе содержания химических элементов в углях района относительно кларков осадочных пород выявлены следующие закономерности.
Наибольшие превышения кларков осадочных пород характерны для элементов I 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.
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.
Для шахтных вод Донецкого-Макеевского района, характеризующихся преимущественно сульфатно-хлоридно-натриевым составом и высокой минерализацией, наиболее типичными элементами являются: Li, Ba, Mn, Ti, Pb, Sr, Ni, Mo, Cu, Cr, V, B, Br, F, выявленные практически во всех пробах. Меньшей встречаемостью характеризуются Zn, Bi, Zr, Co, La, Ag. В отдельных пробах обнаружены Cd, Sc, Nb, Y, Yb, Sb, Hg, Be, As, Au, Ga. В шахтных водах района не выявлены Tl, Ta, Hf, W.
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).
Концентрации мышьяка по отдельным пробам превышают ПДКп до 350 раз , в среднем составляя 9-10 раз. Наиболее высокие содержания ртути, превышающие ПДКп до 12 раз, отмечены в угольном пласте g2, разрабатываемом шахтами ш/у «Донбасс» и «Заперевальная».
Превышение ПДКп по свинцу достигает 6,25-9,4 раз . Наиболее высокое содержание фтора отмечено по пласту l4 (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 .
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. 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 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.
В шахтных водах исследуемого района наблюдается иная картина. Из элементов I класса опасности содержание только свинца почти повсеместно превышает ПДК. В отдельных пробах в концентрациях, превышающих ПДК, выявлены фтор (ПДК 1,5 мг/л) (им.Бажанова (1,8 мг/л), «Лидиевка» (1,9 мг/л) и бериллий.
Таким образом, наиболее опасными по содержанию токсичных элементов I класса опасности являются угольные пласты , разрабатываемые шахтами «Кировская», им. Горького, «Заперевальная», «Трудовская», ш/у «Донбасс», а также воды шахт «Лидиевка», «Октябрьский рудник», «Орджоникидзе».
Перспективы добычи попутных компонентов из углей и шахтных вод района
В углях исследуемого 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. 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 шахт «Трудовская», им. Засядько, «Панфиловская», им. Абакумова, «Кировская», «Лидиевка». Минимальные содержания германия установлены на полях шахт им.Горького (1,5-3 г/т), «Октябрьский рудник» (2,5-5 г/т).
Содержание галлия в пределах исследуемого района изменяется в пределах от 0,0 до 60,0 г/т, составляя в среднем 9,1 г/т. Максимальные концентрации галлия выявлены по пластам 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.
В шахтных водах района отмечены лишь единичные достигающие промышленных содержания химических элементов, не представляющие существенного интереса. Однако, на наш взгляд, необходимым является проведение дальнейших исследований с целью изучения возможности добычи ценных компонентов попутно с очисткой шахтных вод района, что может иметь не только экологический, но и экономический эффект.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы. Концентрации химических элементов I класса опасности (ртуть, мышьяк, бериллий, свинец, цинк) в углях и I, II, III классов опасности (свинец, литий, бор, никель, барий, марганец, стронций и другие) в шахтных водах Донецко-Макеевского района превышают предельно допустимые концентрации в десятки и даже сотни раз.
Использование углей, обогащенных As, Hg, Be и т.п. как в промышленных, так и бытовых целях, а также шахтных вод в сельском хозяйстве и т.д. ведет к загрязнению всех компонентов природной среды. Некоторые элементы, не обладая способностью к летучести, накапливаются в золе и концентратах, что также может иметь негативные экологические последствия при использовании этих углей в коксохимии.
Некоторые элементы в углях района могут рассматриваться как ценные и извлекаться попутно с углями. Содержание таких элементов как германий, галлий, стронций, барий, марганец, ванадий, хром, литий, церий достигают промышленных концентраций, что требует более детального изучения распределения этих элементов в углях. Дальнейшие исследования должны быть направлены на выделение перспективных участков, содержащих в повышенных концентрациях ценные компоненты, разработку технологии их извлечения и обоснования соответствующих кондиций.
В завершении хотелось бы обратить внимание на необходимость более детального изучения факторов накопления и миграции элементов в углях и шахтных водах района, что повысит эффективность решения задач охраны и рационального использования природных ресурсов.