ВПЛИВ НА НАВКОЛИШНЄ СЕРЕДОВИЩЕ ВІДХОДІВ ВУГЛЕВИДОБУТКУ І ВУГЛЕПЕРЕРОБКИ

Петрова Л. О.

Геологический журнал 2002. №2

За час приведення вуглевидобувних і вуглепереробних робіт на території Південно-Східного Донбасу геоекологічне середовище зазнало істотних змін. Це насамперед пов'язано із зміною природних ландшафтів, впливом відходів вуглепереробки на ландшафти степу, а також зміною їх геохімічних показників внаслідок додаткового надходження хімічних і мінеральних сполук ззовні.

Сьогодні постає питання дослідження динаміки негативної дії вуглевидобувної галузі на грунти, грунтові води та атмосферу.

Техногенний вплив підприємств вугільної промисловості здійснюється через відвали шахт і збагачувальних фабрик, випаровування із поверхні накопичувачів стічних вод. Ці води вміщують сірку і важкі метали, що є активними джерелами надходження сульфатів у грунти. При цьому варто враховувати додаткове навантаження - це вивіз порід териконів у балочно-яружну мережу, тобто область формування природних вод.

Забруднення дощових і талих вод у районі збагачувальних фабрик і породних відвалів набуває значних масштабів. За даними досліджень "УкрНДІвуглезбагачення" з проммайданчиків шахти "Ворошиловоградська" і однойменної збагачувальної фабрики поверхневі і талі води виносять.щороку з території фабрики 42,3 т завислих частинок, 10,5 т розчинних солей. Це переважно солі сульфатів, хлоридів, гідрокарбонатів. З одного відвалу дощовий стік вимиває 406,9 т/рік речовин і, зокрема, 8 т солей.

У басейні р. Лугань знаходиться сім збагачувальних фабрик. Сума стічних вод складає 207,8 тис. см3/добу, мінералізація - 2,28- 4,96 г/л, сульфати - 460-906 г/л. кількість відходів 13,15 тис. м3/добу. Відбувається швидке зростання мінералізації стічних вод у часі. Великий вплив стічних шахтних вод на формування хімічного складу ґрунтових вод спостерігається у заплаві р. Лугань.

У сучасних умовах на певних ділянках відбувається перемішування солоних вод (конкретно в Донбасі - шахтних вод) нижніх гідрохімічних зон і верхніх водоносних горизонті (і, які використовуються для господарсько-питних потреб. Загальний стік шахтних вод у басейн р. Лугань складає 3720 м3/добу при мінералізації 0,9-13,5 г/л. Наявність такої кількості відходів .мінералізованої води являє собою велику екологічну небезпеку. Стічні води потрапляють у геохімічно чужорідне середовище поверхневих вод активного водообміну. Тому при їх змішуванні і взаємодії з породами починають протікати різні реакції. Внаслідок цього змінюється хімічний склад води, частина новоутворених речовин випадає в осадок, погіршуються фільтраційні властивості порід, сильно розвивається мікрофауна тощо. До негативних наслідків стоку шахтних вод на поверхні слід віднести засолення грунтів і порушення екологічної рівноваги.

Зміна хімічного складу ґрунтових вод відбувається у постійній взаємодії компонентів складної природної системи: вода-порода-газ - живі мікроорганізми. Ось чому є важливим комплексне вивчення геохімічних процесів на базі гідрохімічних, мінералогічних і геомікробіологічних досліджень.

Спостерігається метаморфізація стічних шахтних вод із мінералоутворенням у них. У результаті метаморфізації шахтних вод формуються новоутворення або простежуються важкооборотні зміни у складі вод підлило порід, газів і мікроорганізмів. Це сприяє Переходу одного гідрохімічною типу в інший.

На підставі проведених досліджень можна стверджувати таке: основну роль при взаємодії стічних шахтних вод з поверхневими, ґрунтовими водами і породами відіграють реакції між і сульфатами і карбонатами (гідрокарбонатами), катіонний обмін, а також реакції нейтралізації. Інші реакції (гідратації, гідролізу, карбонатизації) мають другорядне значення. Самоочищення стічних вод призводить до втрати ними сульфатів і випадання карбонатів, а концентрація хлорид-іона змінюється тільки частково. Стічні шахтні; води характеризуються різким домінуванням хімічного стоку над механічним. У складі завислих частинок знаходиться 2,5 - 6,6% карбонатів, серед яких СаСО, переважає (80,95%). У колоїдах осадків основну роль відіграє поглинання кальцію, натрію, вторинне значення має магній.

Питомий об'єм стічних шахтних вод у загальному балансі складає 21,5%. Найбільш забрудненою на території Луганської області є р. Лугань з притокою Лозова, у води яких шахтами щодобово скидається 1000 т солей, в основному сульфатно-хлоридного складу

Однією із проблем є скид високомінералізованих шахтних вод та їх демінералізація. За ступенем мінералізації найбільш високомінералізовані води (до 34,7 г/дм3) скидаються із шахти ім. Капустіна. Вміст СО2 сягає 83,6 мг/дм3; концентрація мікроелементів (мг/дм3): Вr до 137,2; Lі до 6,5; Ва - до 19; Sr - до 1294; Ті - до 19: Мn - до 9,7 тощо. В цілому, по Лисичанському геопромисловому району спостерігається тенденція до збільшення мінералізації шахтних вод з південного сходу на північний захід до Кремінного насуву (шахта ім. Капустіна розташована в зоні впливу Північно-Донецького насуву). Високомінералізовані води скидаються також з шахт "Пролетарська" (до 23.5 г/дм3) і "Луганська" (до 9,5 г/дм3). Водневий показник стічних вод - від кислих (рН 5) до лужних (рН 9). Вміст сульфатів становить 234 -1988 мг/дм3. іноді - 3868 мг/дм3. Концентрація хлоридів у стічних водах сягає 80-22002 мг/дм3. Максимальний їх вміст (22 002 мг/дм3) зафіксований на шахті ім. Капустіна, що в 44 рази перевищує норми ГОСТу. Основними мікроелементами-забруднювачами навколишнього середовища є стічні води і джерела з-під відвалів шахт і териконів, які містять, підвищені концентрації титану, марганцю, літію, брому, берилію, кадмію.

Сумарні концентрації мікроелементів досить значні. Найбільші концентрації важких металів відмічені в джерелах з-під відвалів. Так у Довжано-Ровенецькому районі сумарний показник (Zc) досягає 26241 (шахта "Дар'ївська-6") Основні мікроелементи: берилій (1600ГДК), марганець (360 ГДК), алюміній (5287 ГДК), бром (535 ГДК), літій (154 ГДК), мінералізація 30,7 г/дм3. У Боково-Хрустальному вуглепромисловому районі встановлені значні концентрації марганцю (1600 ГДК), берилію (1200 ГДК). брому (133 ГДК); сумарний показник забруднення досягає 17 877 (шахта "Центральна").

Відвали вугільних підприємств, збагачувальних фабрик, терикони, шламонакопичувачі є одним із основних джерел забруднення грунтів мікроелементами, засолення хлорид- і сульфат-іонами, а також зміни рН у бік зменшення.

Окрім забруднення атмосфери шкідливими газами, відвали порід негативно діють на грунти. Це призводить до зміни хімічного складу грунтів і ґрунтових вод. Стік з відвалів порід териконів утворює наноси, що спричиняє повне захоронення сучасних грунтів.

Індикатором значного вмісту токсичних елементів та їх сполук поблизу відвалів центральних збагачувальних фабрик і териконів (табл.1) є відсутність трав'яного покриву і відмирання дерев (наприклад - "мертвий ліс" біля відвалу шахти "Центрсоюз"). Площі пошкодженої чи знищеної рослинності перевищують площу відвалів у 3-5 разів. Загальна площа, зайнята під відвалами, складає близько 26 млн м2.

Таблиця 1. Концентрації (мг/кг) деяких мікроелементів у зоні впливу відвалів і териконів

На ділянках вуглевидобутку та вуглепереробки повсюдно підвищені чи високі концентрації мають такі елементи, як Нg Аs, Рb. Со, Сu, Ва, Cd. F, Мn.

Мінеральний та хімічний склад відвалів впливає на зміну ландшафтно-геохімічпого середовища вуглевидобувних регіонів. У результаті петрографічного і мінералогічного дослідження встановлено, що відходи вуглевидобувних підприємств в основному представлені аргілітами, подекуди з включенням вугілля і вапняків. Меншою мірою зустрічаються пісковики, алевроліти, вапняки і карбонатні породи різного генезису.

Кластична частина аргілітів складена кварцом, польовими шпатами, слюдою і хлоритом Окрім цього, в породі також знаходяться різні включення карбонатів, прошарків сидериту (від пелітоморфного до тонкозернистого), які, очевидно, частіше за все притаманні для останців рослинного матеріалу. Іноді трапляються доломіт і анкерит.До складу більшості аргілітів (особливо меншою мірою змінених) як включення входить вуглистий матеріал. Крім того, в аргілітах, алевролітах і пісковиках відмічаються утворення у вигляді кристаликів і прожилків гіпсу, який перейшов переважно в полугідрат, окремі зерна бариту (Ва - до 59%, а також присутні 5г. Ка. РЬ), апатиту, сірки, в Деяких відвалах - фосфати і глауконіт.

Іноді зустрічаються акцесорні мінерали: циркон (у складі якого Zn 9,5%), окрім звичайних домішок у вигляді Fe2O3, СаО, Аl2O3, є включення рідкісних земель (частіше -Sn, Ве. Nb, Та,Y2O3, Се2O3, ТhO2), мінерали титану (ільменіт, рутил, анатаз, сфен, лейкоксен, у складі яких у вигляді ізоморфних домішок присутні Fе, Sn4+, Сг3+, У3+), турмалін, дистен, силіманіт, епідот, хлоритоїди, амфіболи (рогова обманка) тощо. Із рудних мінералів знаходяться пірит, меншою мірою марказит, іноді магнетит. Повсюдно дуже поширені гідроксиди заліза у вигляді шкірочок, бурих нальотів на зернах піриту, зернах карбонатних конкрецій, псевдоморфози по сульфідах заліза, а також самостійні тонкодисперсні зерна гетиту і лімоніту.

Усі типи порід, що знаходяться у відвалах, збереглись частково і залежать від стану відвалу. Внаслідок процесів фізичного і хімічноговивітрювання та термічної дії (горіння териконів) постійно змінюється петрографічний, мінеральний і хімічний склад відвалів. У навколишнє середовище виноситься значна кількість хімічних сполук металів, що створює додаткове навантаження па екосистему в районах вуглевидобутку.

Увесь процес від викиду породи на-гора до її повного перетворення під дією атмосферних факторів і горіння складається із чотирьох стадій - вивітрювання і карбонатизація, окислення, горіння, вторинна мінералізація, кожна з яких по-своєму впливає на навколишнє середовище, зокрема поблизу відвалу (терикона). На першій стадії відбуваються процеси вивітрювання і карбонатизації порід, що обумовлюється атмосферними опадами і наявністю карбонатів, які знаходяться у відвалах. Це призводить до ущільнення порід відвалу, в яких карбонат розвивається по первинному матеріалу, іноді повністю витісняє останній. Даний процес має закономірність у відвалах, але він розвинений менше, ніж інші процеси вивітрювання. На даній стадії поряд з карбонатизацією відбувається роздоломічування. Для даного процесу характерним є вторинний кальцій, кавернозність внаслідок виносу гіпсу і руйнування доломіту, значний стік сульфатів і хлоридів з-під відвалу; стічні води створюють ореоли засоленості грунтів у напрямку руху ґрунтових вод, іноді до 10 км. Поряд з процесами засоленості із відвалів вимивається велика кількість важких металів.

Друга стадія - це окислення видобутої породи. Чіткої межі між карбонатизацією і окисленням немає. Тобто окислення настає деякою мірою значно пізніше і веде до горіння породи. На стадії окислення між горілими і не горілими породами в довкілля (грунти, грунтові води і підземні води) виноситься максимальна кількість хімічних елементів, як в іоній формі, так і у вигляді різних органо-мінеральних і мінеральних сполук. Сульфатно-хлоридне засолення грунтів збільшується по площі.Окислені породи характеризуються бурим кольором, який обумовлений гідроксидами й оксидами заліза. На перших стадіях утворення гідроксидів і оксидів заліза процеси ідуть по послаблених зонах породи (по нашаруванню, по тріщинах, порах тощо), далі переходить на глинисті компоненти в аргілітах і цемент в алевролітах і пісковиках. Після цього окислення зазнає більш стійка частина породи - польові шпати і слюда.

Під впливом епігенетичних окисних процесів. що відбуваються у териконах, кисневі води досягають підошви териконів. Це призводить до різкого збільшення вмісту кисню, тобто до активізації біологічного кругообігу атомів внаслідок розкладу вуглефікованої органічної речовини. У свою чергу, у воду, що дренує терикон, надходить СО2 і гумусові кислоти; рН вод зменшується.

Характерною особливістю кислого процесу, як вже говорилось вище, є нестійкість карбонатів. тобто карбонати, які були у відвалах, розчиняються. У ході різкої зміни термодинамічних і геохімічних умов (зменшення рН, збільшення Еh, атмосферні опади) внаслідок кислого процесу з відвалів виноситься Са, Nа (насамперед), а також деякі інші елементи - Сu, Со, Sr, Іn, рідкісноземельні метали тощо.

Поряд із кислим процесом у відвалах порід відбувається сірчанокислий процес, оскільки при видобутку вугілля у відвали (терикони) надходить велика кількість сірки (від низькосірчаних - 0,1% до високосірчаних - 4,1%). Видобуті на-гора породи вміщують сульфідну і вільну сірку, в середньому знаходиться 2,2% сірки, у тому числі 2% сірки сульфідної (Fе2S. Рb2S, СuFеS2, СuS, Сu2S) як гідротермального, так і діагенетичного походження - FеS2, СuS, Сu2S. Коли кисневі, дощові води інфільтрують відвали і терикони, в них відбувається окислення сульфідів і утворення сірчаної кислоти: МеS + О + Н20 -> МеSO4 + Н2SO4. Внаслідок цього води, які дренують терикон сильно кислі, біля териконів рН іноді сягає 2.5, далі поступово підвищується до .4.1 4,5. Окрім того, виносяться також сульфати таких важких металів, як Сu, Fе, Рb, Мn, Аs та іy. У самих породах на місці кристалів піриту утворюються червоно-бурі плями гідроксидів заліза.

У результаті геохімічних процесів, які відбуваються у відвалі, стічні води з-під них змінюють геохімічним стан оточуючих ландшафтів. Внаслідок цього виділяється три зони впливу відвалів на довкілля. Перша зона - сильної дії відвалу. Вона в основному перекрита техногенними відкладами і наносами з відвалів. Тут рослинність відсутня. pH 2,5 3,8, довжина зони іноді сягає до 2 км. Концентрація алюмінію становить 20-80 мг/100 г грунту, заліза - 80 -600 мг/100 г грунту, сульфатів - 0,5-2 мг/дм3; у міру віддаленості від відвалу поступово рН збільшується. Друга зона - середнього впливу відвалів. Для неї характерне таке: вміст алюмінію дорівнює 10-20мг '100 г грунту, заліза - 10 80 мг/100 г грунту, сульфатів 0,3 -0,5%, рН 4,3-4,8. На території другої зони відбувається припинення росту трав'яного покриву, з рослиy випадають бобово-злакові.

Третя зона - мінімального впливу відвалів. Грунти цієї зони мають кислу і слабокислу реакцію (рН 4,6 - 5,3), яка встановлюється за фізико-хімічними властивостями порід відвалу, рельєфом, віком і параметрами відвалу. Терикони на стадії окислення впливають на локальну зміну ґрунтових вод і грунтів внаслідок вимивання з відвалу хлоридів, сульфатів, кислот і різних органо-мінеральних комплексів. Дощові води, дренуючи через відвали, виносять у грунти, поверхневі і підземні води токсичні елементи, які знаходяться у вугіллі і породах, - Аз, Со, F, Сd. Nі, Нg, S, Zn, Рb, Сu, Мn та ін.

Для териконів на стадії горіння характерна наявність численних включень гідроксидів і оксидів заліза, що обумовлює червоно-бурий колір породи. Характерним є відсутність уламків вугілля, наявність великої кількості тріщин, пустот вигорання, велика пористість.

Окислення органічної речовини вугілля і вміщуючих порід вільним киснем повітря є реакцією з високим тепловим ефектом. Тут можлива значна величина хімічної спорідненості. В нормальних умовах зони гіпергенезу ця реакція неможлива через низьку температуру, але при горінні терикона температура збільшується на сотні °С і веде до реакції. Отже, хімічні елементи з ізобарним показником можуть вступати в хімічні реакції з киснем і вивільнятися з даної системи, а в подальшому мігрувати як розчини хімічних елементів.

Стадію горіння підходів вуглевидобутку продовжує стадія вторинної мінералізації. Ділянки вторинної мінералізації фіксуються в усіх типах порід, але здебільшого вони притаманні для ділянок горіння.

Вторинна мінералізація відмічається у вигляді: порошкоподібних нальотів на породах, видовжених і дуже дрібних кристаликів, розташованих в тонкодисперсній масі порід, і радіально витягнутих агрегатів у тріщинах і пора; прозорих дрібних кристалів іншого габітусу, розсіяних в тонкодпсперсній масі порід і у вигляді щіток, друз, розітнених по пустотах вигорання; новоутворених дрібних кристалів сірки; суцільної білувато-жовтої маси, цементуючої уламки порід.

У ділянках вторинної мінералізації порід виявлено аміак. Нашатир (аміак) утворює в,породах землисті нальоти, шкірочки, некольорові прозорі кристалики по тріщинах, щітки і друзи. Має скляний блиск, низьку твердість, крихкий. Вміст NH4. - до 34%.

Серед новоутворень фіксується сірка у вигляді прозорих і напівпрозорих кристаликів зрізанодипірамідального, іноді таблитчастого габітусу. Колір від світло-жовтого до солом'яно-жовтого. Мінерал крихкий, з низькою твердістю і високим показником заломлення. Тобто властивості даної сірки подібні до властивостей сірки вулканічного походження. Це говорить про те, що кристалізація відбувалась при підвищенні температури під час горіння породи чи зразу після нього.

Стадія вторинної мінералізації характеризує завершальний етап хімічних і мінералогічних змін у відвалах вуглевидобутку і вуглепереробки. Поблизу відвалів, в яких за тривалий час відбулися процеси окислення і горіння, протікає чи завершується вторинна мінералізація видобутої маси, спостерігається також відновлення (деякою мірою) геохімічних ландшафтів даної ділянки впливу терикона. Тобто pH cередовища від кислот і слабокислого переходить до центрального і слаболужного (рН (6,5 - 7,8). Концентрація важких металів у грунтах зменшується внаслідок міграції рухомих форм у напрямку переміщення ґрунтових вод і не надходження в грунти з відвалу. Індикатором відновлення грунтів є зменшення сульфатів і хлоридів до норми, а також відновлення рослинного покриву.

Незважаючи на те, що деяка частина відвалів вуглевидобутку і вуглепереробки знаходиться на завершальній стадії вторинної мінералізації, вуглепромислова галузь завдає значної шкоди навколишньому середовищу. Видобуток і переробка корисних копалин (вугілля) є одним з найінтенсивніших і різнобічних джерел дії па геоекологічне середовище. Найважливішими порушеннями екосистеми є такі: зміна гідрохімічного режиму поверхневих і підземних вод - підвищення мінералізації, збільшення концентрації сульфатів, наявність іонів деяких важких металів; зміна ландшафтно-геохімічної характеристики степу, викликана техногенними факторами (утворення відвалів, териконів, хвостосховищ тощо); зміна характеру геохімічних процесів у грунтах зміна рН грунтів, акумуляція грунтами важких і токсичних металів та їх сполук; забруднення атмосфери газами, що виділяються при горінні териконів і продуктів вуглепереробкн, СО; N0, Н2S>, оксидів Нg, V, Сr, Рb та інших важких металів.

Усі ці факти вказують на те, що екологічний стан Південно-Східного Донбасу знаходиться на досить критичному рівні. Дія териконів, відвалів, хвостосховищ не тільки негативно впливає на земельні ресурси краю, але певною мірою забруднює підземні води (води, що йдуть для споживчих потреб населення) і повітряний басейн, завдаючи значної шкоди досить урбанізованій території України.