Величко Олена Юріївна
Факультет: екології та хімічної технології
Спеціальність: корисних копалин та екологічної геології
Тема випускної роботи:
Еколого-геологічна характеристика особливостей площадного розподілу «малих» та токсичних єлементів у вугіллі шахти «Нововолинська» (Львівсько-Волинський басейн)
Науковий Керівник: Купенко Володимир Іванович
Матеріали до теми випускної роботи:
Актуальність теми
Раціональне використання вугілля і мінімізація негативного впливу на навколишнє середовищє є можливим за умови вивчення закономірностей розподілу "малих" і токсичних елементів, а також їх геологічної історії. Такі дослідження спрямовані на комплексне використання вугілля, включаючи супутні корисні копалини (КК) і прогнозу якості вугілля на прилеглих площах. За таких умов є можливість оптимізації здобичі, збагачення і раціонального використання вугілля і його компонентів. Існуючий рівень вимог до вивчення і експлуатації вугільних басейнів визначає генеральний напрям на комплексне і раціональне використання супутніх корисних копалини, які можуть бути пов'язані з вугіллям, а також знаходитися у вміщуючих породах. У зв'язку з цим реальним є завдання розширення сировинної бази рідкісних і ультрарідкісних елементів, у тому числі за рахунок нетрадиційного джерела - вугільних родовищ. У зв'язку з негативною дією на довкілля відвалів і продуктів здобичі і спалювання вугілля потрібне детальне вивчення розподілу токсичних елементів.
Зв'язок роботи з науковими програмами.
Програма "Українське вугілля" (Постанова Кабінету Міністрів України №1205 від 19.09.01)
Мета і завдання
Мета - дослідження складу і закономірностей розподілу хімічних елементів у вугіллі.
Завдання:
Аналіз особливостей розподілу елементів-домішок у вугіллі Львівсько-Волинського басейну за літературними даними.
Вивчення розподілу "малих" і токсичних елементів у вугіллі шахти "Нововолинська";
Аналіз геологічних і екологічних чинників, їх просторового розподілу;
Об'єкт дослідження : вугленосна товща поля шахти "Нововолинська".
Предмет дослідження : геохімічні особливості і якісні характеристики вугілля.
Методи дослідження :
Системний аналіз структури об'єкту для формування однорідних вибірок
Статистична обробка даних;
Методи просторового аналізу даних;
Наукова новизна
Запропонована модель розподілу геохімічних показників у вугіллі Львівсько-Волинського басейну.
Практичне значення отриманих результатів
Розробка рекомендацій по мінімізації негативного екологічного впливу продуктів переробки вугілля і комплексного використання корисних копалини.
Апробація результатів дослідження
VII Міжнародна науково-практична конференція "Екологічні проблеми індустріальних мегаполісів" проходила з 26 по 28 травня 2010 року в місті Донецьку, в сьомому корпусі Донецького національного технічного університету. Були опубліковані тези на тему: "Порівняльна характеристика елементного складу вугілля шахт "Нововолинська" (Львівсько-Волинський басейн) і "Соцдонбасс" (Донецький басейн)". Зроблена доповідь.(Збірка тез с.)
Всеукраїнська науково-практична конференція студентів і молодих учених "Географічна освіта і національна самосвідомість: актуальні проблеми їх формування", яка відбулася 31 березня 2010 року в місті Донецьку, в Донецькому інституті соціальної освіти. Були опубліковані тези і зроблена доповідь на пленарному засіданні по темі "Зміна хімічного складу підземних вод при затопленні гірських виробок" (Збірка тез с.63-65).
Стаття "Комплексна характеристика геохімічних особливостей шахти №10 "Нововолинська" (Львівсько-Волинський басейн)" знаходиться у печаті.
Публікації.
Зміст роботи
Стан вивчення проблеми.
Одним з фахівців, що вивчають геохімію вугілля є Юдович Я.Э. Його перші нариси про 19 элементів-домішок у викопному вугіллі були написані ще в 1965 році. До 1985 року Юдович Я.Э. написав такі книги: "Геохімія вугільних включень в осадових породах" (1972г.), "Геохімія викопного вугілля" (1978г.), а в співавторстві з Кертіс М. П. і Мерц А.В. була написана книга "Елементи-домішки у викопному вугіллі" (1985г.). У цій монографії був уперше дан систематичний виклад 60 малих, рідкісних і ультрарідкісних елементів-домішок у вугіллі світу. Були розглянуті елементи, які вже добуваються з вугілля (германій, уран), так ті, які можуть набути економічного значення в майбутньому (берилій, молібден та ін.). Аналізуючи цю монографію, я особливу увагу приділила вивченню токсичних елементів, що представляють небезпеку для довкілля (миш'як, ртуть, берилій, фтор, хлор, селен та ін.)[1,2,6].
У монографії Клера, яка вийшла в 1979 році, були узагальнені матеріали по вивченню супутніх корисних копалин і цінних компонентів, що містяться у вугіллі і порід вугленосних товщ: рідкісних елементів, кольорових і благородних металів, будівельних матеріалів, глиноземного, керамічного, хімічного, скляного і інших видів сировини. Викладені генетичні передумови формування, закономірності розміщення і парагенетичні комплекси корисних копалин у вугленосних відкладеннях різних типів, методи пошуків, розвідки і оцінки супутніх вугіллю корисних копалин, вимоги до промисловості, до якості і програми випробування сировини[4].
В. А. Кушнирук, А.К. Іванов, В. П. Небольсин у збірці "Геологія і геохімія вугілля Львівсько-Волинського басейну" привели геологічні і геохімічні матеріали досліджень Львівсько-Волинського вугільного басейну і прилеглих до нього буровугільних родовищ, а також методику досліджень складу вугілля.
В. І. Карамзін, Е.Н. Савлук, Т. В. Барна у своїй статті відмітили, що оцінка попутних компонентів у вугіллі, у тому числі і рідкісних елементів, передбачена на всіх стадіях розвідки та освоєння вугільних родовищ в цілях раціонального комплексного використання і охорони довкілля.
Зупинимося детальніше на геолого-екологічній діяльності Львівсько-Волинського басейну - важливої енергетичної бази західного регіону України. Більше ніж за 50 років в двох геолого-промислових районах (Червоноградськім і Нововолинськім) були побудовані і діяли 21 шахта з максимальною здобиччю до 14 млн. т вугілля в рік. Зараз інтенсивність здобичі знизилася більш ніж в 2 рази. Окрім цього для збагачення вугілля була побудована ЦОФ "Червоноградська".
Дослідження елементів-домішок в промислових пластах ЛВБ виявили, по-перше, наявність ряду токсичних і потенційно токсичних елементів, по-друге, що концентрація їх порівняно низька, тому вугілля не погрожує довкіллю. Але при побудові геохімічних для пласта карт окремих елементів на площі поширення промислових пластів разом із загальною низькою концентрацією шкідливих домішок у вугіллі були виявлені геохімічні аномалії, що перевищують фонові значення. Це може складати певну небезпеку для довкілля при переробці і використанні вугілля з цих ділянок[8,9].
Геологічна характеристика .
Поле шахти № 10 "Нововолинська" розташоване в північно-західній частині Нововолинського геолого-промислового району Львівсько-Волинського кам'яновугільного басейну. По адміністративному діленню площа шахтного поля знаходиться в західній частині Іванічевського району Волинської області, України. Північна і південна межі шахтного поля проведені по умовних лініях, встановлених інститутом "УкрНДІпроект", західною межею є річка Західний Буг (державний кордон з республікою Польща), а на сході - граничить з полем шахти №1 " Нововолинська" і ділянкою Північне крило шахти №1 " Нововолинська ". Площа поля складає 29,1 км[7].
Стратиграфія.
У геологічній будові поля шахти №10 " Нововолинська ", в розкритій її частині, беруть участь осадові відкладення девонської, кам'яновугільної, юрської, крейдової і четвертинної систем. В процесі геолого - розвідувальних робіт кінцевим цільовим пластом був n7, тому детально вивчався стратиграфічний розріз Бужанської і Морозовичської свити Серпуховського ярусу, Паромовської і Кречевської свит Башкирського ярусу.
Тектоніка.
Поле шахти №10 " Нововолинська " знаходиться в межах Волинської монокліналі - складовій частині Львівського палеозойського прогину - передового прогину Російської платформи. Оцінюване шахтне поле характеризується невеликими кутами падіння порід, що мають певну закономірність. У східній частині кути падіння порід складають 6-8, до центру поля шахти вони вирівнюються до 2-4 а на півдні і південному заході залягання кам'яновугільних відкладень практично горизонтальне і не перевищує 1-1,5°. Напрям падіння порід південно-західне, простирання з південного сходу на північний захід[5].
Усі вугільні пласти відносяться до тонких (в7, в4, n12, n7) і середніх (n8) з переважаючими потужностями 0,65-1,10 м, що в окремих випадках досягають 1,80-2,40 м Вміщуючі породи оцінюваних вугільних пластів представлені алевролитами (50%), аргиллитами (40%) і піщаниками (10%). Вугілля оцінюваних пластів в7, в4, в1, n12, n8 і n7 - гумусові. По мірі метаморфізму, відновленності вугілля оцінюваних пластів відноситься до малометаморфізованим, маловідновленим. За марочним складом і в відповідності з ГОСТ 25543-88 вугілля усіх оцінюваних пластів відноситься до газового (Г), першої групи (1Г), підгрупи - перший газовий вітренітовий (1ГВ). Елементний склад вугілля є стабільним і характерним для вугілля цієї міри метаморфізму.
Геохімічна характеристика вугілля.
Об'єктом дослідження є вугільний пласт n7 поля шахти №10 " Нововолинська ". Вугільний пласт n7 відноситься до тонких, характеризується як невитриманий, має складну будову, малопотужний. Вугілля оцінюваного пласта гумусове, середній міцності, малометаморфізоване, маловідновлене. Вугілля пласта n7 - високозольне, за змістом сірки відносяться до середньосірчастих, а також середньофосфоритістих. Рекомендований напрям використання вугілля - енергетика. Вугілля пласта n7 може використовуватися і для шарового коксування, виробництва синтетичного рідкого палива, напівкоксування, для спалювання в котельних установках, відбивних печах, топках судів, енергопотягів і так далі, для виробництва вапна, цементу, цеглини, вуглецевих адсорбентів.
Ще однією особливістю досліджуваного шахтного поля є знаходження у вугіллі такого цінного компонента як германій. Середній вміст германію вище мінімально - промислового, розрахованого з урахуванням зольності вугілля на площі оцінки. Отже, були зроблені підрахунки запасів цього компонента. Балансові запаси вугілля пластів в4, n8, n7 підраховані по категоріях В, С1, запаси германію в них оцінені по категорії С1. Таким чином, кількість підрахованих запасів германію в енергетичному вугіллі оцінюваних пластів складає 218,3 тонн.
Методика.
У 1986-1992гг. проводилася детально розвідка пластів n7, n8, b4 з метою підвищення міри розвіданності і отримання необхідного співвідношення запасів високих категорій на площі першочергового відробітку, уточнення розмивів пластів, тектонічної будови шахтного поля, якості вугілля і горно-геологічних умов розробки вугільних пластів. Геологічні завдання вирішувалися шляхом буріння свердловин і супутніх їм геофізичних, гідрогеологічних, опробовательських і аналітичних робіт.
Таким чином, до теперішнього часу пробурено 412 свердловин на шахтному полі. При цьому на полі шахти, віднесеному до II групі родовищ по складності тектонічної будови і витриманості вугільних пластів застосована найбільш оптимальна розвідувальна мережа 500х250 м із згущенням до 250-150 м в місцях стоншування вугільних пластів і тектонічної порушенності. При вивченні фондових матеріалів ВО "Укрвуглегеологія" було з'ясовано, що відбір проб германію проводився диференційно по вугільних пачках, а по пластопересіченню розраховувався середнєзважувальным способом. У окремих точках, визначення германію робилося не на повну потужність, а по основній вугільній пачці. Враховуючи ідентичність отриманих результатів, цих значень при розрахунку середніх величин по пласту набували як достовірні дані.
Всього на оцінюваній площі на германій було проаналізовано хімічним методом 203 проби по 190 пластопересіченням, у тому числі 130 проб (120 пластопересічень) - в контурі балансових запасів. Щільність випробування на германій по пластах низька, оскільки велика кількість свердловин пробурена в попередні періоди розвідки, коли вивчення вмісту германію не проводилося, а також у зв'язку з мінливістю потужності вугільних пластів (випробування на германій робилося по точках з робочою потужністю пластів). Таким чином, по пласту n7 германій в значній кількості був виявлений в 55 свердловинах.
Паралельно з германієм проби аналізувалися на знаходження інших елементів, таких як: Ba, Be, Co, Cu, Cr, Ga, Mn, Mo, Ni, Pb, Sc, Sr, V, Zr, Ti та інші. Токсичні і потенційно-токсичні елементи в межах оцінюваної площі вивчалися по 37 пробам емісійним спектральним кількісним аналізом. Прийнята методика розвідувальних робіт і густина розвідувальної мережі свердловин дозволили підвищити якість розвідки оцінюваної площі, вивчити якість вугілля і горно-геологічні умови експлуатації промислових вугільних пластів.
За допомогою програми SPSS була виконана статистична обробка отриманих даних - усіх виявлених елементів:
- середнє - значення, отримане діленням суми усіх даних на їх кількість, відображує середнє кількісне значення вибірки;
- мода - найбільш вірогідне, часто таке, що зустрічається значення показника, якому відповідає найбільша частота;
- мінімальне (максимальне) значення показника - найменше (велике) значення показника;
- дисперсію - міра мінливості ознаки в квадратних значеннях;
- стандартне відхилення - міра мінливості ознаки в істинних значеннях;
- коефіцієнт варіації - дозволяє зіставляти мінливість різнойменних і різномасштабних ознак;
- кореляція.
Порівняння з середнім змістом у вугіллі колишнього СНД і ЛВБ показує, що марганець, хром і свинець мають середні значення менше, ніж у вугіллі країни і більше за регіональних. Зміст більше фонових характерний для берилію, ванадію, нікелю і ртуті, середній зміст миш'яку, кобальту, хрому в одних пластах менше за фонових, в інших перевищують їх.
Особливо слід сказати про ртуть і фтор. За спектральним аналізом їх не виявлено, проте він не дає кількісної оцінки цього елементу, а точніша атомна абсорбція і хімічний методи не застосовувалися. Тому надалі необхідно вивчити і дати його кількісний зміст вказаними методами.
Аналіз значень "малих" елементів виявив, що, не усі вони мають повсюдне поширення. Такі компоненти як олово, сурма, кадмій, талій, тантал, гафній, золото, індій мають зміст нижче чутливості аналізу і не виявлені. Срібло, барій, галій, германій, цинк в окремих пробах відсутні. Особливо це характерно для срібла і цинку. Інші з досліджуваних елементів - титан, мідь, цирконій, скандій, галій, молібден, лантан – зустрічаються усюди.
Якщо порівняти середній зміст виявлених "малих" елементів з їх середнім змістом у вугіллі колишнього СНД і ЛВБ, то ці елементи можна розділити на декілька груп.
До першої можна віднести такі елементи, як мідь, барій, скандій, стронцій, лантан, які мають зміст, перевищуючий як регіональний фон, так і усереднений показник у вугіллі к. СНД.
До другої групи можна віднести елементи, що мають нижчі значення, ніж їх середній зміст у вугіллі ЛВБ і у вугіллі України, до них відносяться галій і цинк.
До третьої групи можна віднести титан, цирконій, молібден, срібло, оскільки вони характеризуються середніми змістами, близькими до регіонального фону і середнього значення у вугіллі к. СНД або перевищують один з них, але менше іншого.[2,6]
За допомогою пакету Surfer були виконані дослідження просторових закономірностей розподілу елементів з побудовою карт і їх інтерпретацією.
Просторове розподіл германію .
Промислове значення у вугіллі нині мають германій і уран. Германій єдиний рідкісний елемент, для якого вугілля є основним джерелом отримання. Підвищений вміст германію у вугіллі і вуглистих породах має переважно сингенетичне для вугілля походження. Германій в основному пов'язаний з органічною речовиною гумусового вугілля. Формування германієносного вугілля і вуглистих порід пов'язане з роллю продуктів розкладання органічної речовини рослинного походження як сорбційних агентів. Германій у вугіллі в основному пов'язаний з їх органічною частиною і знаходиться у вигляді германійорганічних з'єднань. Форма знаходження германію залежить від міри метаморфізму вугілля. Розподіл германію у вугільних пластах нерівномірний як по площі, так і в розрізі вугільного пласта. Підвищена концентрація германію досить часто спостерігається у подошві та кровлі вугільного пласта і в периферичних частинах родовищ. Відзначаються підвищені концентрації германію в малопотужних вугільних пластах в порівнянні з потужними. Встановлена чітка залежність германієносності вугілля від міри його метаморфізму.
За інших рівних умов найбільш германієносними є вугілля низьких стадій метаморфізму. Накопичення германію у вугільних пластах, мабуть, відбувається на стадії торфонакопичення і раннього діагенезу і обумовлюється поглинанням германію органікою з вод, що поступають в торфовище або пласт. Основним чинником, що визначає підвищені концентрації германію, є шляхи і тип привноса германію, залежно від якого виділяються два типи оруденіння: локальне украй високе оруденіння, обумовлене привносом германію гідротермами, і відносно низьке, розвинене на великих площах, обумовлене вступом германію за рахунок поверхневого вилуговування в областях зносу[4,8].
Нижче приведена карта розподілу германію по шахтному полю
Побудувавши карту, бачимо, що германій концентрується в субмерідіанальному напрямі в центральній частині карти. Відомі нині матеріали по германієносності вугілля дозволяють виділити чинники, що обумовлюють цей розподіл германію. До них відносяться: 1) фаціальні умови накопичення вугленосних товщ; 2) міра метаморфізму вугілля; 3) потужність вугільних пластів. Проаналізувавши усі чинники, а також характеристику вугільних пластів, можемо зробити висновок про те, що наше родовище по германієносності відноситься до групи змішаних вугленосних формацій, до типу - із слабометаморфізованними вугіллям і пластами малої потужності, що відповідає 3-4 міри германієносності (Ge > 5-20 г/т) по матеріалах А.З. Широкова і С. М. Седенко[3].
Очікувані результати.
Побудова нової моделі формування геохімічних особливостей вугілля поля шахти "Нововолинська", що включає взаємозв'язок генетичних і пост генетичних особливостей цієї площі.
Література
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.: [Електронний ресурс]. - Режим доступу:
http://book-vl.ru/book/nauka_ucheba/13676-toksichnye-jelementy-primesi-v.htmКраткая характеристика каменноугольных и буроугольных бассейнов Украины: [Електронний ресурс]. - Режим доступу:
http://www.photoukraine.com/russian/articles?id=85Перспективы утилизации германийсодержащих отходов.: [Електронний ресурс]. - Режим доступу:
http://www.eco-mir.net/show/110/Эколого – гигиенические аспекты промышленных отходов угледобывающих предприятий.: [Електронний ресурс]. - Режим доступу:
http://www.ecologylife.ru/utilizatsiya-2004/ekologo-gigienicheskie-aspektyi-promyishlennyih-othodov-ugledobyivayuschih-predpriyatiy.html