RUS | UKR | ENG || ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ
alt=

Чабанная Марина Витальевна

Факультет экологии и химических технологий
Кафедра полезных ископаемых и экологической геологии
Специальность: Экологическая геология

Оценка влияния угледобывающих предприятий на гидросферу

Научный руководитель: к. г. н., доцент Проскурня Юлия Анатольевна


Биография | Резюме | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение
Обзор и анализ исследований по теме
Геологическая характеристика объекта исследований
Экологическая характеристика
Методика исследований
Текущие и предполагаемые результаты работы
Выводы
Перечень ссылок

Введение

Актуальность работы. Шахтные воды отрицательно влияют на природную среду. Имея разные показатели химического состава и агрессивные свойства, они усложняют условия разработки угольных месторождений, требуют применения более дорогих механизмов, крепи, конструкций, ускоряют их износ и вызывают необходимость использования дорогостоящего оборудования для и др. Неочищенные шахтные воды, поступая в поверхностные водотоки и водоемы, вызывают в них изменения солевого режима, обуславливая нежелательные экологические нарушения в гидросфере, ухудшают среду обитания животных и растений. Поэтому проблема оценки влияния предприятий угольной отрасли на гидросферу крупных промышленных городов является очень актуальной.

Связь работы с научными темами, планами. Магистерская работа соответствует государственной научной программе «Державна цільова екологічна програма проведення моніторингу навколишнього природного середовища» (постанова Кабінету Міністрів України від 05.12.2007 № 1376).

Цель исследований. Целью данной работы является оценка качества подземных, шахтных и поверхностных вод г. Макеевка в связи с работой предприятий угольной промвшленности.

Задачи исследований:

1. Исследование и изучение качества и минерального состава подземных и шахтных вод.

2. Оценка динамики изменений компонентов химического состава шахтных вод (на примере шх.им.Бажанова) за несколько лет и их прогноз на горизонты, которые шахта планирует отрабатывать в ближайшее время.

3. Оценка экологического состояния гидросферы г.Макеевка.

4. Разработка методов очистки и переработки шахтной воды.

Идея работы. Изучение состава поверхностных, подземных и шахтных вод г.Макеевка и их влияние на окружающую среду позволит выявить наиболее загрязненные участки изучаемых вод и разработать методы их очистки и переработки.

Объект исследований. Поверхностные, подземные и шахтных вод шахты имени В.М. Бажанова.

Предмет исследований. Химический состав и агрессивные признаки шахтной воды.

Методы исследований:

1. Анализ имеющихся геологических и экологических производственных отчётов и картографического материала (геологические, геоморфологические, тектонические, геолого-гидрологические, физико-географические карты, схемы, планы, разрезы исследуемого объекта).

2. Систематизация данных по химическому составу шахтных вод угольных шахт Донецко-Макеевского района;

3. Методы графического анализа (графические построения диаграмм, гистограмм, дендрограмм).

4. Методы статистической обработки (регрессионный, корреляционный анализ).

Научная новизна. Научная ценность работы заключается в исследовании химического состава подземных, шахтных и поверхностных вод в целом по Донецко-Макеевскому углепромышленному району, так как ранее исследования в пределах изучаемой территории проводились только отдельно по каждому предприятию и конкретно шахте имени В.М. Бажанова. Данные исследования позволят сделать прогноз качественного состава вод с глубиной.

Практическое значение работы. В результате проведения работы должны быть установлены участки с наиболее агрессивными шахтными водами, которые будут отрицательно влиять на окружающую среду г. Макеевка и разработан комплекс мероприятий, которые позволят значительно увеличить качество сбросной шахтной воды и улучшить в целом положение гидросферы города.

Личный вклад автора. Были обработаны, детализированы и систематизированы данные химического состава подземных, шахтных и поверхностных вод шахты имени В.М. Бажанова.

Построены графики зависимости содержания показателей подземных и шахтных вод в зависимости от глубины.

Построена пространственная модель прогноза качества шахтных вод с глубиной.

Апробация результатов работы. Автор принимал участие в IV Всеукраинской научно-практичной конференции студентов и молодых ученых с докладом «Оценка степени влияния шахтных вод на гидросферу г. Макеевки» и в ХХI Международной научной конференции аспирантов и студентов с докладом «Оценка качественного состава шахтных вод (на примере шахты им. В.М. Бажанова)».

Публикации. Тезисы на тему «Оценка степени влияния шахтных вод на гидросферу г. Макеевки» опубликованы в сборнике статей «Географическое образование и национальное самосознание: актуальные проблемы их формирования», Донецк: ДИСО — 2011 — с. 232.

Тезисы на тему «Оценка качественного состава шахтных вод (на примере шахты им. В.М. Бажанова)» опубликованы в сборнике докладов «Охрана окружающей природной среды и рациональное использование природных ресурсов» том 1, Донецк — 2011 — с. 221.

Обзор и анализ исследований по теме

Проблемы влияния шахтных вод на окружающую среду появилась со времён начала развития угольной промышленности. В трудах Архипова Н.А., Ельчанинова Е.А., Горбачёва Л.Д. рассмотрены вопросы развития добычи угля и его влияние на окружающую природную среду, в том числе на водотоки [1].

Проблема прогнозирования химического состава шахтных вод стала актуальной и начала изучаться с 80-х годов ХХ века. Исследованием данной проблемы занимались Макляк В.Ф., Калыгин П.В., Блинов П.В., Яковлев Е.А.. В их работах изложены сведения о подземных водах, причинах их истощения и загрязнения, а также меры борьбы с последними. Освещены возможности и условия захоронения промстоков. Обобщены методы прогнозирования химического состава сбрасываемых шахтных вод [2].

Шахтные воды отличаются большим разнообразием химического состава и свойств, поэтому нуждаются в детальном исследовании их состава. В статье Кононенко Н.И., Ощепкова А.П., Немковского Б.Б. было проведено исследованние некоторых особенностей химического состава шахтных . В результате исследования были сделаны следующие выводы: содержание редких и рассеянных элементов обычно намного ниже кларковых, происходит в основном их рассеивание.

Кандидат геологических наук Шевченко О.А. в своей работе «Эколого-гидрогеохимическое районирование Донецкой области» для изучения экологического состояния подземной гидросферы региона провела комплексное гидрогеохимическое исследование подземных вод Донецкой области, которое включало эколого-гидрогеохимическое и медико-гидрогеохимическое районирование территории. Она выделила следующие типы вод: 1) слабозагрязненные воды; 2) Загрязненные воды; 3) Сильно загрязненные воды.

Агруц Д.С. в своей научной работе «Статистическая оценка экологической обстановки Донецкой области» выявил, что одна из самых больших экологических проблем Донецкой области – это дефицит питьевой воды и опасный уровень загрязнения природных водных источников.

Опасный уровень загрязнения водных источников Донецкого региона связан с большими объёмами сточных вод. Ежегодно объёмы сточных вод в Донецкой области составляют около 2 млрд. куб. м, причём на угольную промышленность приходится более 50% всех стоков. Шахтные воды отличаются высоким содержанием взвешенных веществ (до 0,1 г/л), повышенной минерализацией (содержание солей до 3 г/литр приходится на 70% всех шахт, от 3 до 7 г/литр на 26% всех шахт), из-за чего в водоёмы и реки ежегодно сбрасывается более 3 млн. т минеральных солей и веществ [3].

В статье «Анализ воздействия ГП «Шахта им. М. Горького» на окружающую среду» Чудновец В., Артамонов В.Н. рассмотрели анализ негативного влияния ГП «Шахта им. М.Горького» на окружающую среду.

Проскурня Ю.А. и Тарасова Е.А. в своей работе «Химический состав шахтных вод Донецко-Макеевского района Донбасса и новые методы его прогнозирования» утверждают, что шахтные воды оказывают на природную среду крайне отрицательное воздействие. В результате взаимодействия в горных выработках с разрушенными пустыми породами, полезным ископаемым и др. на пути движения к водосборникам шахтные воды достигают высокой минерализации. В них накапливаются соли тяжелых металлов, зачастую токсичные элементы, бактерии, взвешенные вещества и много другое, что изменяет качественные показатели окружающей среды [4].

Обзор литературы показал, что исследуемая проблема еще недостаточно изучена, что дает автору возможность для дальнейших исследований относительно Донецко-Макеевского угленосного района.

Геологическая характеристика объекта исследований

Недра горного отвода шахты им.Бажанова сложены породами верхнего и среднего отделов карбона. Обнажаются породы карбона в виде высыпок и гривок наиболее устойчивых пород - известняков и песчаников по отдельным оврагам и долинам балок.

Практически повсеместно залегают четвертичные отложения. Они в пределах площади горного отвода представлены красно-бурыми, бурыми и пестрыми неслоистыми песчаными глинами переходящими в своей верхней части в тяжелые лессовидные светло-бурые суглинки. В верхней части разреза четвертичные отложения переходят в черноземные почвы.

Палеогеновые отложения встречаются реликтами на водоразделах, отмечены единичными скважинами. Осадки палеогенового возраста представлены кварцевыми песками светло-серого, желтовато-серого до охристого цвета мощностью 5 — 10 м.

Песчаники представлены преимущественно мелко и среднезернистыми разностями, реже крупнозернистыми. Цвет их обычно от светло-серого до темно-серого, в зоне выветривания желто-серый.

Подразделяются известняки на обломочные, илистые, глинистые, кристаллические, обычно они неоднородны от кровли до почвы. Сравнительная редкость и исключительная выдержанность известняков делают их основными руководящими горизонтами при сопоставлении разрезов ка¬менноугольной толщи.

Угли залегают пластами и прослоями различной мощности. Основные угольные пласты выдерживаются достаточно хорошо на большом простирании, но мощность их изменчива. В большинстве случаев угольные пласты залегают среди сланцев, реже под песчаниками и еще реже под известняками.

Кроме описанных выше литологических разностей, в каменноугольных отложениях встречаются сланцы углистые. Однако самостоятельное рас¬пространение их ограничено [5]. Таким образом, толща карбоновых отложений характеризуется чередованием в вертикальном разрезе слагающих ее слоев различной мощности песчано-глинистых сланцев, песчаников, углей и известняков. Чередование слоев, как правило, происходят в определенной закономерности, отражая закономерность формирования угленосной толщи

Поле шахты им. В.М. Бажанова и резервный блок в структурном отношении расположено в северо-восточной части южного крыла Кальмиус-Торецкой котловины. Субширотное простирание каменноугольных отложении осложнено у границ шахтного поля пликативными структурами Чайкинской и Бурозовской флексурными складками. На западе и северо-западе оцениваемая площадь ограничена Чайкинской флексурной складкой; на востоке, юго-востоке - Бурозовской флексурой. Углы падения пород карбона преимущественно пологие 3-15°, и лишь в зонах флексурнкх перегибов они достигают 25-70°.

Экологическая характеристика

Загрязнение атмосферы

Добыча углей на Шахе им. В.М.Бажанова ведется с 1957 года.

Средняя мощность пласта 1,5 — 1,65 м. Отнесение пород непосредственной кровли к малоустойчивым и устойчивой почве добычные участки оборудованы высокомеханизированными комплексами.

В настоящее время очистные работы ведутся в уклонном ноле 2-ой очереди по пласту М3. Лавы уклонного поля отрабатываются по комбинированной системе разработки на конвейерные и вентиляционные штреки. Количество одновременно работающих лав — три.

Шахта проветривается двумя вентиляционными установками расположенными на скиповом стволе №1 и вентиляционном стволе №5.

Атмосферный воздух, прошедший через подземные горизонты, насыщается угольной пылью, метаном и через диффузоры вентстволов выбрасывается в атмосферу без очистки.

Нормативный выброс загрязняющих веществ в атмосферу определен проектом ПДВ (предельно-допустимых выбросов) для шахты [6].

Контроль нормативов ПДВ выполняется лабораторией управления по тушению терриконов и рекультивации земель ГП «Макеевуголь».

Фактические выбросы по шахте не превышают установленные нормы ПДВ.

Загрязнение почв

При добыче угля на 1 т приходится 0.255 — 0,35 м «пустой породы». Ее складируют в отвалы, 75% из которых имеют коническую форму и называются терриконами.

В результате изменения температуры воздуха, воды и влияния ветра происходит физическое и химическое (по сульфатному типу) выветривание отвальной породы. Длительность химического выветривания в наибольшей степени зависит от содержания общей серы (в том числе и пиритной).

     Наряду с процессами химического выветривания терриконов установлен и биохимический процесс выщелачивания пирита в терриконах. Так, в шахтных водах установлено наличие палочковидных бактерий, которые с влагой проникают в породы по микротрещинам и микропорам в прослои и линзы пирита и инициируют окислительное выщелачивание с выделением элементной серы, серной кислоты и соединений железа. Биологические процессы выщелачивания пирита из пород отвалов и терриконов являются экзотермическими.

Для анализа влияния терриконов на почвы, поверхностные и подземные воды было проведено опробование посредством бурения скважин на первый водоносный горизонт с отбором проб воды на полный химанализ, определение вредных веществ, микрокомпонентного состава. Оценка качества подземных и поверхностных вод проводилась в соответствии с требованиями ГОСТ 2874-82.

Загрязнение гидросферы

При производстве горных работ и добыче угля вскрываются водоносные горизонты в результате чего возникает необходимость в организации системы водоотлива с целью откачки шахтной воды на поверхность и их очистки перед сбросом в поверхностные водоемы [7].

Система водоотлива шахты включает в себя: откачку шахтных вод на поверхность, горизонтальный трехсекционный горизонтальный отстойник, обеззараживание жидким хлором в хлораторной и далее доосветление в трех прудах-отстойниках затем сброс через балку Сухая Калиновская в реку Грузскую.

Приток воды с бремсбергового поля пластов Н аккумулируется в бетонных емкостях «Голубые озера» горизонта 195 м, отстаивается, затем часть этой воды попадает на технологические нужды 2-ой очереди, а часть выдается на поверхность и используется на производственные и хозяйственно-бытовые нужды (бани, прачечные, полив газонов и другие) [8]. Для использования шахтной воды на хозбытовые нужды шахты на поверхности была построена насосная и хлораторная для обеззараживания этой воды.

Главные водоотливные установки размещаются на горизонте 195 м и на горизонте 1012 м. Промежуточные водоотливные установки расположены па горизонтах 260 м, 317 м, 505 м. Водоотливные установки включают в себя водосборники и насосные установки. В водосборниках осуществляется аккумулирование воды и первичное отстаивание шахтных вод.

Поверхностный горизонтальный трехсекционный отстойник: длина секции 19 м ширина каждой секции 6м, объём отстойника 1100 м. куб.

Пруд №1 объем 54000 м³, площадь 17880 м².

Пруд №2 объем 79000 м³, площадь 15520 м².

Пруд №3 объем 20200 м³, площадь 14200 м².

Очистные сооружения шахты служат для механической очистки сбрасываемых шахтных вод от взвешенных веществ. Образовавшийся в результате отстоя шлам шахтных отстойников после чистки очистных сооружений транспортируется па угольный склад [9].

Методика исследований

Прогнозирование химического состава шахтных вод проводится на отдельные периоды освоения и эксплуатации месторождения, и производится различными методами: метод гидрогеохимических аналогий, вероятностный, графоаналитический и метод экспертных оценок. В настоящее время прогнозированию подлежат: величина общей минерализации, содержание катионов калия и натрия, кальция, магния, анионов гидрокарбонатов, сульфатов, хлора, а также другие компоненты и свойства шахтных вод, способные оказать отрицательное воздействие на условия работы горняков, сохранность окружающей среды, оборудования и др.

В данной работе автором были использованы данные общего химического состава воды, спектрального и хромотографического анализов шахтных и поверхностных вод по следующим показателям: катионы кальция, натрия, калия, магния; анионы хлора, гидрокарбонат-ионы, сульфат-ионы, органические соединения, химические элементы на разных глубинах. Общее количество проб: 162 по скважинам и 108 поверхностных проб. Пробы отбирались в период доразведки шахтных полей, в работе также были использованы квартальные пробы воды, которые отбирались инженером экологической службой шахты и обрабатывались санитарно-профилактической лабораторией.

Задачей наших исследований является составление прогнозной модели химического состава шахтных вод шахты им. В.М. Бажанова с глубиной, исходя из данных химических анализов шахтных вод шахт Донецко-Макеевского района. По этому, автором в ходе исследования был выбран вероятностный метод оценки из-за неоднородности данных по химическому составу шахт Донецко-Макеевского района.

Прогнозирование химического состава шахтных вод данным методом выполняется в несколько этапов:

1. Проводится изучение условия формирования химического состава и агрессивных свойств шахтных вод ближайших шахт угленосного района.

2. Производится количественная и качественная сравнительная оценка перечисленных выше факторов на полях шахт района и на разведываемом участке.

3. Вычисляются значения обобщенных параметров и другие исходные данные.

4. Производится подсчет содержаний прогнозируемых компонентов в шахтных водах.

5. Оцениваются агрессивные свойства шахтной воды по прогнозному содержанию компонентов.

При обработке данных были использованы такие программы, как Microsoft Office Excel и SPSS.

Вероятностный метод прогнозирования химического состава и свойств шахтных вод основан на нахождении корреляции между содержаниями химических компонентов шахтных вод, с одной стороны, и глубиной разработки, площадью выработок, длительностью работы предприятия и т.д. — с другой.

Текущие и предполагаемые результаты работы

Чтобы установить и изучить тенденцию изменений значений изучаемых показателей с глубиной отработки угольных пластов были рассчитаны зависимости и построены графики показателей химического состава подземных, шахтных и поверхностных вод с глубиной.

В полученных графиках прослеживается скачкообразное поведение концентраций показателей, а так же значительное увеличение значений Ca и SO4 и снижение Cl, HCO3, K+Na и минерализации.




Рисунок 1 — Изменение концентраций элементов с глубиной

Следующим этапом данной работы является расчет корреляционных отношений и выведение регрессионных уравнений химического состава шахтных вод относительно глубины разработки на шахте имени В.М. Бажанова.

Расчет корреляционных отношений проводился с помощью статистического пакета SPSS 16.0. Матрица корреляционных связей приведена в таблице 1.


Таблица 1 — Матрица корреляционных связей
Матрица корреляционных связей

Проанализировав получившуюся матрицу корреляции, для дальнейшего исследования были отобраны показатели, которые имеют значимую связь, а именно: глубина отработки (Н), показатель минерализации (М), ионы K+Na, Ca, Mg, SO4 и Cl. Корреляционный анализ позволил объединить эти показатели в группу.

Но одного корреляционного анализа недостаточно для проверки наличия значимых связей между показателями, поэтому на данном этапе следует использовать еще один метод. Это методом построения дендрограмм, основанный на проверке степени значимости. Данный метод поможет выделить элементы, связанный наиболее тесной связью и создать более точную ассоциацию.

Горизонтальная дендрограмма
Рисунок 2 — Горизонтальная дендрограмма

Данная дендрограмма подтверждает, выявленную при корреляционном анализе, значимую связь между глубиной отработки (Н), показателем минерализации (М), ионами K+Na, Ca, Mg, SO4 и Cl.

Чтобы определить модель изменение качества вод с глубиной необходимо составить уравнение регрессии исследуемых показателей со значимой связью (Н — М — K+Na — C — Mg — SO4 — Cl).

Линейное уравнение регрессии выглядит следующим образом:


Y = B1Х1 + B2Х2 +…+ BnXn + B0 (1)

где: Y — мультипликативный (суммарный) показатель;

       Bn — коэффициенты при каждом показателе;

       Xn — изучаемые показатели;

       B0 — свободный член.

Уравнение регрессии рассматриваемой ассоциации показателей в зависимости от глубины имеет вид:


Н = 0,036М - 0,071(К+Na) + 0,098Cl + 369,88

Данное уравнение можно применить для прогнозирования химического состава шахтных вод шахты имени В.М. Бажанова.

Выводы

Таким образом, в ходе начального этапа проведения данных исследований были рассчитаны и проиллюстрированы зависимости показателей химического состава шахтных вод шахты имени В.М. Бажанова с глубиной, установлена тенденция увеличения значений этих показателей относительно глубины отработки угольных пластов и рассчитаны уравнения регрессии.

По такой же методике будут проанализированы данные других шахт Донецко-Макеевского района таких, как: шахта им. Калинина, шахта им. Скочинского и шахта «Трудовская».

Результаты проведенных исследований будут использованы в дальнейшем для расчета оценки точности выведенных регрессионных уравнений и прогноза изменения значений вышеперечисленных показателей подземных вод Донецко-Макеевского района. А так же позволят определить методы для очистки шахтных вод. Окончание исследовательской работы предполагается в декабре 2011 года.

Перечень ссылок

  1. Архипов Н.А., Ельчанинов Е.АК., Горбачев Д.Т., Добыча угля и рациональное природопользование. — М.: Недра, 1987. — C. 177—236.
  2. Справочник по охране геологической среды. Т.2./В.ф. Макляк и др./Под ред. Г.В. Войткевича. Ростов н/Д: Феникс, 1996. — 512 с.
  3. Агруц Д.С., Статистическая оценка экологической обстановки Донецкой области [Электронный ресурс]. — Режим доступа: www.rusnauka.com
  4. Тарасова Е.А., Проскурня Ю.А., Химический состав шахтных вод Донецко-Макеевского района Донбасса и новые методы его прогнозирования [Электронный ресурс]. — Режим доступа: masters.donntu.ru
  5. Крапчин И.П., Уголь сегодня, завтра/ — М.: 2001. — 677 с.
  6. Николин В.И., Матлак Е.С., Охрана окружающей среды в горной промышленности/ — К.: Донецк: Вища шк. Головное вид-во, 1987. – 460 с.
  7. Матлак Е.С., Малеев В.Б., Снижение загрязненности шахтных вод в подземных условиях/ — К.:Тэхника,1991.- 345 с.
  8. Яковлев С.В., Ласков Ю.М. и др., Очистка производственных сточных вод/ — П.: 1988.— 435 с.
  9. Долина Л.Ф., Сточные воды предприятий угольной промышленности и методы очистки/ — Д.: 2000. — 190 с.


Биография | Резюме | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальный раздел