Элементы-примеси в углях и шахтных водах донбасса и их влияние на окружающую среду

Автор: Панов Б.С., Корчемагин В.А., Панов Ю.Б., Kolker A., Konko K.M.


Введение

За более чем 200 лет горнопромышленного освоения Донбасса из недр было извлечено около 10 миллиардов тонн угля, содержащего различные элементы-примеси, которые негативно влияют на окружающую среду. Использование каменного угля в коксовой промышленности, на металлургических заво¬дах, теплоэлектростанциях и других отраслях промышленности, а также в бытовых целях привело к широкому загрязнению окружающей среды ртутью, мышьяком, свинцом и другими токсичными веществами, что отрицательно влияет на здоровье 5 миллионов человек Донецкого региона и жителей самого большого города области - Донецка. Концентрации ртути в его почвах местами превышают уровни предельно допустимых концентраций на 1-2 порядка, и среднее содержание ртути в воздухе Донецка и Горловки превышает фоновый уровень примерно в 15-20 и более. Присутствие токсичных веществ в окру¬жающей среде непосредственно отражается на показателе смертности от сердечно-сосудистых заболеваний и инсультов, которые превышают аналогичные показатели в Западной Европе в 10-15 раз и существенно влияют на среднюю продолжительность жизни населения региона.

Чтобы оценить экологические аспекты воздействия на здоровье человека и окружающей среды в Донецкой и Луганской областях, были отобраны и получены пробы угля из угольных пластов в ряде действующих и ныне закрытых шахт. Кроме того, были опробованы угольные пласты, которые разрабатываются населением для бытового использования в пределах заброшенных ртутных карьеров Никитовского рудного поля. Этот уголь существенно обогащен pтутью и мышьяком, особенно по сравнению с американскими и западноевропей¬скими стандартами, и может оказывать крайне негативное влияние на здоровье человека.

Уголь Донбасса

Донбасский регион расположен в южной части Восточно-Украинской платформы, в пределах востока Украины и Ростовской области России, охватывает 60000 км2 и простирается в юго-восточном - северо-западном направлении. Каменноугольная толща Донбасса содержит более 330 угольных пластов, 130 из которых имеют мощность более 0,45 м; рабочая мощность угольных пластов - 1,2 м. Данные угольные пласты обозначаются буквами англий¬ского алфавита и порядке от основания до верха толщи. В пределах их свит карбона Донбасса пласты обозначаются номерами, которые также возрастают снизу вверх. Пробы углей, использованные в данной работе, покрывают большой стратиграфический диапазон нижнее-среднекарбоновых отложений и охватывают многие рабочие угольные пласты региона. Характерной особенностью углей Донбасса является их обогащение ме¬таллами, в частности, ртути и мышьяка, особенно в центральной части региона, что объясняется взаимодействием восходящих но зонам глубинных разло¬мов потоков флюидов с растворами, содержащимися в угленосной формации.

Методы

Образцы угля были отобраны и проанализированы в 2000-2002 гг. Опро¬бован ряд действующих шахт Донбасса, а также угольные пласты, обнажаю¬щиеся в заброшенных карьерах, оставшихся от добычи ртути в районе г.Никитовки. Эти сильно обогащенные ртутью и другими металлами угли периодиче¬ски добываются населением для бытового использования. Были опробованы дренажные шахтные воды в местах, соответствующих точкам отбора проб угля в близлежащих рабочих лавах. Такая работа была проведена в шах¬тах "Глубокая" и "Октябрьская" в Донецко-Макеевеком районе, шахте Артема в Луганском районе и других. В каждой из этих шахт были взяты полные бо¬роздовые пробы из отрабатываемых угольных пластов.

Угольные образцы были переданы представителям Американской геоло¬гической службы и подготовлены к исследованиям, заключавшимся в химиче¬ском анализе элементов и определении формы нахождения серы, которые были проведены лабораторией. Элементный анализ был сделан в Американской Геологической Службе (АГС) с использованием комбинации методов, которые были оптимизированы в АГС. Результаты анализов на Hg, As, Se, Со, Ni. Pb и Ti приводятся в этой статье.. Результаты для Со и Ni были определены мо¬голом ICP-AKS, тогда как для As, РЬ -. методом ICP-MS с использованием кислотной типовой процедуры выпаривания для обоих методов. Для определе¬ния элементного состава угля использовались гидратные вытяжки (Se) и атом¬ная абсорция холодного пара (Hg) Общее количество проанализированных об¬разцов 28, из них все, кроме образцов из Никитовки, были взяты из действую¬щих подземных забоев.

Концентрации паров ртути в атмосфере опробуемых подземных, вырабо¬ток были определены в течение 2-3-часовой экспозиции с использованием кон¬трольных датчиков из золотой фольги.

Результаты

Результаты изучения проб углей указывают на значительные вариации содержаний золы и серы. Другие параметры (влажность, летучие ве¬щества, углерод) в образцах, имеющих зольность, сопоставимую с американскими углями, соответствую битуминозным углям. Углепроизводители в Украине среди ряда качественных показателей угля обычно определяют золу и содержание серы. Это позволяет смешивать высокозольные и малозольные угли. Почти полное отсутствие информации относительно содержания в углях ртути и других токсичных металлов делает полученные результаты (даже учетом их ограниченности) весьма интересными для производителей.

Данные о содержаниях элементов-примесей вместе с расчетными результатами для сульфидной серы отнесены к однородному сухому остатку.

Самые высокие концентрации ртути обнаружены в пробах из месторождений Никитовки, они колеблются в пределах от 12,8 г/т в образце N-5 25,5 г/т - в образце N-1. Исключая никитовские пробы 13 из 24 образцов превышают среднее содержание ртути (0,17 г/т) в горючей массе американских битумных углей. По содержанию мышьяка (исключая никитовские образцы) только 5 из 24 образцов демонстрируют концентрации, превышающие средние американские (24 г/т). Однако три из них (D-4 и D-7 из шахты "Глубокая" и DZ-2 из шахты "Дзержинского") содержат более 100 г/т мышьяка. Образцы углей, отобранные в пределах Никитовского рудного поля, показываю чрезвычайное их обогащение ртутью и мышьяком. Здесь концентрации в 7 – 15 раз превышают американские средние значения по ртути и в 5-11 раз мышьяка [4]. Из 28 изученных проб угля только пять (А-1 и А-2 из шахты "Ар тема" G-3 из шахты Горького, DZ-4 из шахты Дзержинского и VB-2 - из шахты В.М. Бажанова) не превышают средние для американских углей. По зольности эти пробы, кроме образца А-2 (зола 22,7 %), имеют необычно низкое содержание золы (около 4 %) и на наш взгляд, не отражают в полной мере уровень их зольности при добыче.

Вариации содержания элементов-примесей во многом зависят от места от¬бора пробы. Например, в пробах из угольных пластов "Глубо¬кая" наблюдается обогащение серой и примесями металлов в верхних частях пластов в сравнении с образцами из средних или припочвенных частей пласта без заметного различия в содержаний золы. В то время как обогащение металлами-примесями в региональном масштабе является ре¬зультатом близости крупных разломов, возможно, что вариации в пределах шахтных полей объясняются также наличием зон менее значительных дезьюктивов, которые также могли являться путями миграции гидротерм.

Электронная микроскопия образцов углей из шахт Донбасса по¬казывает наличие нескольких генераций пирита со структурами, подобными отмеченными в штате Алабама. Основываясь на структуре пирита и очевидной корреляции обогащения металлами-примесями с серой пиритов, веро¬ятно, что металлы в угольных образцах из шахт Донбасса связаны с последни¬ми стадиями пиритообразования.

Опробование угольных пластов Донбасса в действующих угольных шах¬тах проводилось с целью оценки степени обогащения металлами углей и по¬тенциального воздействия их утилизации на окружающую среду. Некоторые пробы угля существенно обогащены токсичными металлами относительно дей¬ствующих стандартов для углей. Это обогащение в значительной степени имеет избирательный характер и широко варьирует как в пределах одного шахтного поля, так и среди различных шахт. Для контроля обогащения углей металлами необходимы более детальные исследования. Угольные пласты в ртутных карье¬рах Никитовки имеют чрезвычайное обогащение ртутью и представляют по¬тенциальную опасность при использовании для бытовых и иных целей. Большую опасность "окружающей среде представляют обширные шахтные отвалы и оставленный ртутный завод в Никитовке, а также многочисленные угольные терриконы Донбасского региона.

Ссылки:

  1. Дворников А.Г. Некоторые закономерности распространения кинова¬ри в угленосных отложениях Донбасса // Докл. АН СССР. 1990. Т. 312. № 5. С. 1218-1222
  2. Bragg L.J., Oman J.K., Tewalt S.J. et al. Coal Quality (COALQUAL) Datebase. US Geological Survey, Open-File Report 97-134. 1997. P. 101
  3. Panov B.S. New global paleorift of east Europiari platform// Abstracts of the Yalta (Gurzuf)'96 Workshop. Europrobe, 1NTAS-1997. T. 19. № 1. 1997. P. 127
  4. Quick J.C-, Brill T.C., Tabet D.E.//Mercury in US coal: observations using the COALQUAL and ICR date. Environmental Geology, 2003. № 43. P. 247-259