Величко Елена Юрьевна
Факультет экологии и химической технологии
Специальность: Экологическая геология
Тема выпускной работы:
Эколого-геологическая характеристика особенностей площадного распределения «малых» и токсичных элементов у углях шахты «Нововолынская» (Львовско-Волынский бассейн)
Научный руководитель: Купенко Владимир Иванович
Материалы по теме выпускной работы: Об авторе | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Мои любимцы
Реферат по теме выпускной работы
Введение
Актуальность темы Рациональное использование угля и минимизация отрицательного влияния на ОС является возможным при условии изучения закономерностей распределения «малых» и токсичных элементов, а также их геологической истории. Такие исследования направлены на комплексное использование угля, включая сопутствующие полезные ископаемые (ПИ) и прогноза качества угля на прилегающих площадях. При таких условиях есть возможность оптимизации добычи, обогащения и рационального использования угля и его компонентов. Существующий уровень требований к изучению и эксплуатации угольных бассейнов определяет генеральное направление на комплексное и рациональное использование сопутствующих полезных ископаемых, которые могут быть связаны с углем, а также находиться во вмещающих породах. В связи с этим реальной является задача расширения сырьевой базы редких и ультраредких элементов, в том числе за счет нетрадиционного источника - угольных месторождений. В связи с негативным воздействием на окружающую среду отвалов и продуктов добычи и сжигания угля необходимо детальное изучение распределения токсичных элементов.
Связь работы с научными программамиПрограмма «Українське вугілля» (Постановление Кабинета Министров Украины №1205 от 19.09.01)
Цель и задачи
Цель – исследование состава и закономерностей распределения химических элементов в углях.
Задачи:
Анализ особенностей распределение элементов-примесей в углях Львовско-Волынского бассейна по литературным данным.
Изучение распределения «малых» и токсичных элементов в углях шахты «Нововолынская»;
Анализ геологических и экологических факторов их пространственного распределения;
Объект исследования: угленосная толща поля шахты «Нововолынская».
Предмет исследования: геохимические особенности и качественные характеристики углей.
Методы исследования:
Системный анализ структуры объекта для формирования однородных выборок;
Статистическая обработка данных;
Методы пространственного анализа данных;
Научная новизна
Предложена модель распределения геохимических показателей в углях Львовско-Волынского Бассейна.
Практическое значение полученных результатов
Разработка рекомендаций по минимизации негативного экологического влияния продуктов переработки угля и комплексного использования полезных ископаемых.
Апробация результатов исследования
VII Международная научно-практическая конференция «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» проходила с 26 по 28 мая 2010 года в городе Донецке, в седьмом корпусе Донецкого национального технического университета. Были опубликованы тезисы на тему: «Сравнительная характеристика элементного состава углей шахт «Нововолынская» (Львовско-Волынский бассейн) и «Соцдонбасс» (Донецкий бассейн)». Сделан доклад.
Всеукраїнська науково-практична конференція студентів і молодих учених «Географічна освіта і національна самосвідомість: актуальні проблеми їх формування», которая состоялась 31 марта 2010 года в городе Донецке, в Донецком институте социального образования. Были опубликованы тезисы и сделан доклад на пленарном заседании по теме «Зміна хімічного складу підземних вод при затопленні гірських виробок» (Сборник тезисов с.63-65).
Публикации.
Статья «Комплексная характеристика геохимических особенностей шахты №10 «Нововолынская» (Львовско-Волынский бассейн)» находится в печати.
Содержание работы
Состояние изучения проблемы
Одним из специалистов, изучающих геохимию углей является Юдович Я.Э. Его первые очерки о 19 элементах-примесей в ископаемых углях были написаны ещё в 1965 году. До 1985 года Юдович Я.Э. написал такие книги: «Геохимия угольных включений в осадочных породах» (1972г.), «Геохимия ископаемых углей» (1978г.), а в соавторстве с Кертис М.П. и Мерц А.В. была написана книга «Элементы-примеси в ископаемых углях» (1985г.). В данной монографии было впервые дано систематическое изложение более 60 малых, редких и ультраредких элементов-примесей в углях мира. Были рассмотрены элементы, как уже извлекающиеся из углей (германий, уран), так и те, которые могут приобрести экономическое значение в будущем (бериллий, молибден и др.). Анализируя данную монографию, я особое внимание уделила изучению токсичных элементов, представляющих опасность для окружающей среды (мышьяк, ртуть, бериллий, фтор, хлор, селен и др.) [1,2,6].
В монографии Клера, которая вышла в 1979 году, были обобщены материалы по изучению сопутствующих полезных ископаемых и ценных компонентов, содержащихся в угле и пород угленосных толщ: редких элементов, цветных и благородных металлов, строительных материалов, глиноземного, огнеупорного, керамического, химического, стекольного и других видов сырья. Изложены генетические предпосылки формирования, закономерности размещения и парагенетические комплексы полезных ископаемых в угленосных отложениях различных типов, методы попутных поисков, разведки и оценки сопутствующих углям полезных ископаемых, требования к промышленности к качеству и программы испытания сырья[4].
В.А. Кушнирук, А.К. Иванов, В.П. Небольсин в сборнике «Геология и геохимия углей Львовско-Волынского бассейна» привели геологические и геохимические материалы исследований Львовско-Волынского угольного бассейна и прилегающих к нему буроугольных месторождений, а также методику исследований состава углей.
В.И. Карамзин, Е.Н. Савлук, Т.В. Барна в своей статье отметили, что оценка попутных компонентов в углях, в том числе и редких элементов, предусмотрена на всех стадиях разведки и освоения угольных месторождений в целях рационального комплексного использования и охраны окружающей среды.
Остановимся детальнее на геолого-экологической деятельности Львовско-Волынского бассейна – важной энергетической базы западного региона Украины. Больше чем за 50 лет в двух геолого-промышленных районах (Червоноградском и Нововолынском) были построены и действовали 21 шахта с максимальной добычей до 14 млн. т угля в год. Сейчас интенсивность добычи снизилась более чем в 2 раза. Кроме этого для обогащения угля была построена ЦОФ «Червоноградская».
Исследования элементов-примесей в промышленных пластах ЛВБ выявили, во-первых, наличие ряда токсичных и потенциально токсичных элементов, во-вторых, что концентрация их сравнительно низкая, поэтому уголь не угрожает окружающей среде. Но при построении пластово-геохимических карт отдельных элементов на площади распространения промышленных пластов наряду с общей низкой концентрацией вредных примесей в угле были выявлены геохимические аномалии, превышающие фоновые значения. Это может составлять определенную опасность для окружающей среды при переработке и использовании угля с этих участков[8,9].
Геологическая характеристика
Поле шахты № 10 «Нововолынская» расположено в северо-западной части Нововолынского геолого-промышленного района Львовско-Волынского каменноугольного бассейна. По административному делению площадь шахтного поля на¬ходится в западной части Иваничевского района Волынской области, Украины[7].
Северная и южная границы шахтного поля проведены по условным линиям, установленным институтом «УкрНИИпроект», западной границей является река Западный Буг (государственная граница с республикой Польша), а на востоке - граничит с по¬лем шахты №1 « Нововолынская» и участком Северное крыло шахты №1 «Нововолынская». Площадь поля составляет 29,1 км
Стратиграфия. В геологическом строении поля шахты №10 «Нововолынская», во вскрытой ее части, принимают участие осадочные отложения девонской, каменноугольной, юрской, меловой и четвертичной систем. В процессе геолого - разведочных работ конечным целевым пластом был n7, поэтому детально изучался стратиграфический разрез Бужанской свиты Серпуховского яруса и Морозовичской, Паромовской и Кречевской свит Башкирского яруса.
Тектоника. Поле шахты №10 "Нововолынская" находится в пределах Волынской моноклинали - составной части Львовского палео¬зойского прогиба - передового прогиба Русской платформы. Оцениваемое шахтное поде характеризуется небольшими углами падения пород, имеющими определенную закономерность. В восточной частит углы падения пород составляют 6-8 , к центру поля шахты они выполаживаются до 2-4 а на юге и юго-западе залегание каменноугольных отложений практически горизонтальное и не превышает 1-1,5°. Направление падения пород юго-западное, простирание с юго-востока на северо-запад[5].
Все угольные пласты относятся к тонким (в7,в4,n12,n7) и средним (n8) с преобладающими мощностями 0,65-1,10 м, в отдельных случаях достигающими 1,80-2,40 м. Вмещающие породы оцениваемых угольных пластов представлены алевролитами (50%), аргиллитами (40%)и песчаниками (10%). Угли оцениваемых пластов в7, в4, в1, n12, n8 и n7 - гумусовые. По степени метаморфизма, восстановленности угли оцениваемых пластов относятся к малометаморфизованным, маловосстановленным. По марочному составу и в соответствии с ГОСТ 25543-88 угли всех оцениваемых пластов относятся к газовым (Г), первой группы (1Г), подгруппы -первый газовый витренитовый (1ГВ). Элементный состав углей является стабильным и характерным для углей данной степени метаморфизма.
Геохимическая характеристика угля
Объектом исследования является угольный пласт n7 поля шахты №10 «Нововолынская». Угольный пласт n7 относится к тонким, характеризуется как невыдержанный, имеет двухпачечное строение, маломощный.
Угли оцениваемого пласта гумусовые, средней крепости, малометаморфизованные, маловосстановленные. Угли пласта n7 – повышеннозольные, по содержанию серы относятся к среднесернистым, а также среднефосфоритистые. Рекомендуемое направление использования углей - энергетика.
Уголь пласта n7 может использоваться и для слоевого коксования, производства синтетического жидкого топлива, полукоксования, для сжигания в котельных установках, отражательных печах, топках судов, энергопоездов и т.д., для производства извести, цемента, кирпича, углеродных адсорбентов.
Еще одной особенностью исследуемого шахтного поля является нахождение в углях такого ценного компонента как германий. Среднее содержание германия выше минимально - промышленного, рассчитанного с учетом зольности углей на площади оценки. Следовательно, были произведены подсчеты запасов этого компонента. Балансовые запасы углей пластов в4, n8, n7 подсчитаны по категориям В+С1, запасы германия в них оценены по категории С1.
Таким образом, количество подсчитанных запасов германия в энергетических углях оцениваемых пластов составляет 218,3 тонн.
Методика
В 1986-1992гг. проводилась доразведка пластов n7, n8, b4 с целью повышения степени разведанности и получения требуемого соотношения запасов высоких категорий на площади первоочередной отработки, уточнения размывов пластов, тектонического строения шахтного поля, качества угля и горно-геологических условий разработки угольных пластов. Геологические задачи решались путем бурения скважин и сопутствующих им геофизических, гидрогеологических, опробовательских и аналитических работ.
Таким образом, к настоящему времени пробурено 412 скважин на шахтном поле. При этом на поле шахты, отнесенном ко II группе месторождений по сложности тектонического строения и выдержанности угольных пластов применена наиболее оптимальная разведочная сеть 500х250 м со сгущением до 250-150 м в местах утонения угольных пластов и тектонической нарушенности.
При изучении фондовых материалов ПО «Укруглегеология» было выяснено, что отбор проб германия проводился дифференциально по угольным пачкам, а по пластопересечению рассчитывался средневзвешенным способом. В отдельных точках определение германия производилось не на полную мощность, а по основной угольной пачке. Учитывая идентичность полученных результатов, эти значения при расчете средних величин по пласту принимались как достоверные данные.
Всего на оцениваемой площади на германий было проанализировано химическим методом 203 пробы по 190 пластопересечениям, в том числе 130 проб (120 пластопересечений) – в контуре балансовых запасов.
Плотность опробования на германий по пластам низкая, так как большое количество скважин пробурено в предыдущие периоды разведки, когда изучение германиеносности не проводилось, а также в связи с изменчивостью мощности угольных пластов (опробование на германий производилось по точкам с рабочей мощностью пластов). Таким образом, по пласту n7 германий в значительном количестве был обнаружен в 55 скважинах.
Параллельно с германием пробы анализировались на нахождение других элементов, таких как: Ba, Be, Co, Cu, Cr, Ga, Mn, Mo, Ni, Pb, Sc, Sr, V, Zr, Ti и другие. Токсичные и потенциально-токсичные элементы в пределах оцениваемой площади изучались по 37 пробам эмиссионным спектральным количественным анализом.
Принятая методика разведочных работ и густота разведочной сети скважин позволили повысить разведанность оцениваемой площади, изучить качество углей и горно-геологические условия эксплуатации промышленных угольных пластов.
С помощью программы SPSS была выполнена статистическая обработка полученных данных – всех обнаруженных элементов:
- среднее – значение, полученное делением суммы всех данных на их количество, отображает среднее количественное значение выборки;
- мода - наиболее вероятное, часто встречающееся значение показателя, которому соответствует наибольшая частота;
- минимальное (максимальное) значение показателя - самое маленькое (большое) значение показателя;
- дисперсию - мера изменчивости признака в квадратных значениях;
- стандартное отклонение - мера изменчивости признака в истинных значениях;
- коэффициент вариации - позволяет сопоставлять изменчивость разноимённых и разномасштабных признаков;
- корреляция.
Сравнение со средним содержанием в углях бывшего СНГ и ЛВБ показывает, что марганец, хром и свинец имеют средние значения меньше, чем в углях страны и больше региональных. Содержания больше фоновых характерны для бериллия, ванадия, никеля и ртути, средние содержания мышьяка, кобальта, хрома в одних пластах меньше фоновых, в остальных превышают их.
Особо следует сказать о ртути и фторе. По спектраль¬ному анализу его не обнаружено, однако он не дает количественной оценки этого элемента, а более точный атомно-абсорбционный и химический методы не применялись. Поэтому в дальнейшем необходимо изучить и дать его количественное содержание указанными методами.
Анализ значений «малых» элементов выявил, что, не все они имеют повсеместное распространение. Такие компоненты как олово, сурьма, кадмий, таллий, тантал, гафний, золото, индий имеют содержание ниже чувствительности анализа и не обнаружены. Серебро, барий, галлий, германий, цинк в отдель¬ных пробах отсутствуют. Особенно это характерно для серебра и цинка. Остальные из исследуемых элементов - титан, медь, цирконий, скандий, галлий, молибден, лантан - имеют повсе¬местную встречаемость.
Если сравнить среднее содержание выявленных "малых" элементов с их средним содержанием в углях бывшего СНГ и ЛВБ, то данные элементы можно разделить на несколько групп.
К первой можно отнести такие элементы, как медь, барий, скандий, стронций, лантан, которые имеют содержания, превы¬шающие как региональный фон, так и усредненный показатель в углях б. СНГ.
Ко второй группе можно отнести элементы, имеющие более низкие значения, чем их средние содержания в углях ЛВБ и в углях Украины, к ним относятся галлий и цинк.
К третьей группе можно отнести титан, цирконий, молибден, серебро, так как они характеризуются средними содержания¬ми, близкими к региональному фону и среднему значению в углях б. СНГ или превышают один из них, но меньше другого.[2,6]
С помощью пакета Surfer были выполнены исследования пространственных закономерностей распределения элементов с построением карт и их интерпретацией.
Пространственное распределение германия
Промышленное значение в углях в настоящее время имеют германий и уран. Германий единственный редкий элемент, для которого угли являются основным источником получения. Повышенные содержания германия в углях и углистых породах имеют преимущественно сингенетичное углю происхождение. Германий в основном связан с органическим веществом гумусового угля. Формирование германиеносных углей и углистых пород связано с ролью продуктов разложения органического вещества растительного происхождения как сорбционных агентов. Германий в углях в основном связан с их органической частью и находится в виде германийорганических соединений. Форма нахождения германия зависит от степени метаморфизма угля. Распределение германия в угольных пластах неравномерное как по площади, так и в разрезе угольного пласта. Повышенная концентрация германия довольно часто наблюдается в припочвенных и прикровельных частях угольного пласта и в периферических частях месторождений. Отмечаются повышенные концентрации германия в маломощных угольных пластах по сравнению с мощными. Установлена четкая зависимость германиеносности угля от степени его метаморфизма.
При прочих равных условиях наиболее германиеносными являются угли низких стадий метаморфизма. Накопление германия в угольных пластах, по-видимому, происходит на стадии торфонакопления и раннего диагенеза и обусловливается поглощением германия органикой из вод, поступающих в торфяник или пласт. Основным фактором, определяющим повышенные концентрации германия, являются пути и тип привноса германия, в зависимости от которого выделяются два типа оруденения: локальное крайне высокое оруденение, обусловленное привносом германия гидротермами, и относительно низкое, развитое на больших площадях, обусловленное поступлением германия за счет поверхностного выщелачивания в областях сноса[4,8].
Ниже приведена карта распределения германия по шахтному полю.
Построив карту, видим, что германий концентрируется в субмеридианальном направлении в центральной части карты. Известные в настоящее время материалы по германиеномности углей позволяют выделить факторы, обуславливающие данное распределение германия. К ним относятся: 1) фациальные условия накопления угленосных толщ; 2) степень метаморфизма углей; 3) мощность угольных пластов. Проанализировав все факторы, а также характеристику угольных пластов, можем сделать вывод о том, что наше месторождение по германиеносности относится к группе смешанных угленосных формаций, к типу – со слабометаморфизованными углями и пластами малой мощности, что соответствует 3-4 степени германиеносности (Ge > 5-20 г/т) по материалам А.З. Широкова и С.М. Седенко[3].
Ожидаемые результаты
Построение новой модели формирования геохимических особенностей углей поля шахты «Нововолынская», включающей в себя взаимосвязь генетических и пост генетических особенностей данной площади.
Литература
Юдович Я.Э. Элементы-примеси в ископаемых углях//Я.Э.Юдович, М.П.Кертис, А.В.Мерц. – Л.: Наука, 1985. – 239 с.
Юдович Я.Э. Геохимия ископаемых углей (неорганические компоненты)//Я.Э.Юдович, М.П.Кертис, А.В.Мерц. – Л.: Наука, 1978. – 256 с.
Широков А.З. Геология и геохимия твердых горючих ископаемых//А.З.Широков, С.М.Седенко.– М.: Недра, 1965.- 147 c.
Клер В.Р. Изучение сопутствующих полезных ископаемых при разведке угольных месторождений//В.Р.Клер.- М.: Недра, 1979.- 272 с.
Майданович И.А. Особенности тектоники угольных бассейнов Украины//И.А.Майданович, А.Я. Радзивилл.- Киев: Наукова думка, 1984.- 120 с.
Ссылка на книгу «Токсичные элементы-примеси в ископаемых углях» Юдович Я.Э., Кертис М.П.: [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://book-vl.ru/book/nauka_ucheba/13676-toksichnye-jelementy-primesi-v.htmКраткая характеристика каменноугольных и буроугольных бассейнов Украины: [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.photoukraine.com/russian/articles?id=85Перспективы утилизации германийсодержащих отходов.: [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.eco-mir.net/show/110/Эколого – гигиенические аспекты промышленных отходов угледобывающих предприятий.: [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.ecologylife.ru/utilizatsiya-2004/ekologo-gigienicheskie-aspektyi-promyishlennyih-othodov-ugledobyivayuschih-predpriyatiy.html
ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ || Об авторе | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Мои любимцы