ДонНТУ || RUS | ENG || Портал магістрів

Зінов'єва Ксенія Ернестівна

Гірничо-геологічний Факультет

Кафедра: "Корисні копалини та екологічна геологія"

Спеціальність: "Екологічна геологія"

Матеріали до теми випускної роботи: Про автора

        Вивчення "малих" елементів вугільних пластів Донецько-Макіївського углепромишленного району є дуже актуальним напрямком, оскільки проведення подібних досліджень можуть дозволити виявити закономірності розподілу хімічних елементів (токсичних, потенційно токсичних, потенційно цінних та ін) з вугільних пластів. Це, в свою чергу, допоможе крім концентрацій елементів, які вже мають сьогодні промислове значення Ge і U, виділити в якості перспективних для пошуків і вивчення цінних компонентів концентрацій у вугіллях W, Ga, Mo, Re, Ag та інших рідкісних, кольорових і благородних металів. Дані дослідження необхідні і з екологічної точки зору, тому що існують проблеми, пов'язані зі зберіганням та використанням продуктів переробки вугілля. Як відомо, ці продукти проникають у грунт, підземні та поверхневі води, атмосферу у вигляді мікроелементів, а, отже, попадають у рослини, організм тварин і людини. Тому, виявивши вугілля з високим вмістом токсичних елементів, можна уникнути негативних наслідків і додаткового забруднення навколишнього середовища, прийнявши певні заходи.

        Магістерська робота відповідає державної наукової програмі «Державна цільова екологічна програма проведення моніторингу навколишнього природного середовища» (постанова Кабінету Міністрів України від 05.12.2007 № 1376).

        Метою роботи є вивчення «малих» елементів у вугільних пластах Донецько-Макіївського вуглепромислового району для встановлення екологічних наслідків їх використання в народному господарстві, а також розробка рекомендацій для більш безпечної експлуатації вугілля з найменшими екологічними наслідками.

Поставлені наступні завдання:

1) вивчення розподілу хімічних елементів у вугільних пластах за окремими площами (шахтними полями) Донецько-Макіївського району:

- Засядька - Жовтневий рудник;

- Горького - Кіровська - Абакумова;

- Трудовська;

- Соц. Донбас;

- Бажанова - Ясинівська-Глибока - Калинівська-Східна - Нижньо-Кринська.

2) виявлення наявності зв'язків між елементами по шахтним полям;

3) вивчення залежностей змістів токсичних елементів від певних геологічних факторів;

4) встановлення закономірностей розподілу «малих» елементів для різних пластів у стратиграфічній послідовності і за площею Донецько-Макіївського вуглепромислового району залежно від тектоніки, морфології, генезису (епігенетичні, сінгенетичні), а також від деяких якісних характеристик (сірчистості, зольності);

5) побудова карт розподілу токсичних елементів, за різними пластами окремих ділянок розглянутого району з метою виявлення найбільш небезпечних ділянок;

6) екологічна оцінка наслідків використання такого вугілля у народному господарстві;

7) розробка рекомендацій для більш безпечної експлуатації вугілля з найменшими екологічними наслідками.

        Ідея роботи полягає в наступному: при встановленні закономірностей розподілу «малих» елементів у вугіллі, можливо забезпечити більш екологічно безпечне їх використання в межах Донецького басейну у промисловості та народному господарстві.

        Вугілля Донецко-Макіївського вуглепромислового району.

        Екологічні наслідки використання вугілля у народному господарстві.

У даних дослідженнях використовуються:

- систематизація даних з вмістом «малих» елементів у вугіллі Донецько - Макіївського району;

- статистичні методи аналізу даних і просторовий метод;

- методи графічного аналізу.

        Наукова цінність роботи полягає у вивченні «малих» (токсичних) елементів у цілому по Донецько-Макіївському углепромишленному району, так як раніше дослідження в межах вивчається території проводились тільки окремо по кожному підприємству, або в цілому по іншим углепромишленним районам Донбасу. Дані дослідження дозволять виявити закономірності розподілу хімічних елементів для всього Донецько-Макіївського району як єдиного цілого.

        Результати роботи можуть бути використані у навчальному процесі, а також на вугільних підприємствах для оцінки промислової цінності вугілля та екологічних наслідків їх використання. Розробленні рекомендації щодо поліпшення використання вугілля можуть скласти основу роботи таких підприємств у напрямку «екологія».

        Були оброблені, деталізовані і систематизовані дані з одинадцяти шахтних підприємств (шахта ім. В. М. Бажанова, Ясинівська-Глибока, Калинівська-Східна, Нижньо-Кринська, Засядько, Жовтневий рудник, Горького, Кіровська, Абакумова, Трудовська, Соц. Донбас) .

1) VIII Міжнародна наукова конференція аспірантів і студентів. Доповідь на тему «Малі» елементи у вугіллях Донецько-Макіївського вуглепромислового району (на прикладі шахти ім. В. М. Бажанова); <

2) Всеукраїнська студентська наукова конференція - «Геологія XXI століття. Міжнародний рік планети Земля ». Доповідь на тему «Малі» елементи у вугіллі і шахтних водах Донецько-Макіївського вуглепромислового району (на прикладі шахти Бажанова).

Підготовлені до публікації стаття та тези:

- Проблеми вивчення токсичних елементів у вугіллі (стаття). Міжвідомча наукова сесія «Сучасні проблеми теорії і практики наук про Землю і перспективи їх розвитку» - 12-13 травня 2009, Київ.

- «Малі» елементи в вугіллях Донецько-Макіївського вуглепромислового району (на прикладі шахти ім. В. М. Бажанова) (тези). Джерело: Проблеми екологічної безпеки - 2009 / Матеріали VIII Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів - Донецьк, ДонНТУ - 2009, с ..

- «Малі» елементи у вугіллі і шахтних водах Донецько-Макіївського вуглепромислового району (на прикладі шахти Бажанова) (тези). Джерело: "Геологія XXI століття. Міжнародний рік планети Земля" - 2009 / Матеріали Всеукраїнської студентської наукової конференції - Дніпропетровськ - Кривій Ріг - 2009, с. 42-44.

        Проблемою вивчення вмісту токсичних елементів у вугіллі займаються вже дуже давно. Найбільш цікаві роботи В.Р. Клера, Я.Е. Юдовіча, а також А.Ф. Горового.

        У монографіях В.Р. Клера розглянуто, по-перше, загальні питання геохімії 59 хімічних елементів, їх вмісту у торфу, вугіллі і горючих сланцях, форми знаходження елементів, закономірності освіти підвищених їх концентрацій, завдання і методи вивчення, критерії оцінки корисних і шкідливих компонентів, поведінка їх при переробці твердих палив та можливості попутного або спеціального витягу. Вивчені геохімія головних елементів органічної та мінеральної частин вугілля, а також германію та урану, по-друге, геолого-геохімічні особливості міграції та концентрації «малих» елементів у відкладах різних фаціальних і формаціонних типів, що містять вугілля та горючі сланці, умови формування високих концентрацій на геохімічних бар'єрах різних типів, закономірності концентрації елементів у торфу, вугіллі, горючих сланцях і шахтних водах, парагенетичні комплекси елементів, промислово-генетичні типи концентрацій, методи їх вивчення і оцінки як цінних, шкідливих і токсичних компонентів при розвідці родовищ вугілля та горючих сланців. Було проведено вивчення супутніх корисних копалин (КК) та цінних компонентів, що містяться у вугіллі і породах вугленосних товщ: рідкісних елементів, кольорових і благородних металів, будівельних матеріалів, глиноземного, вогнетривкого, керамічного, хімічного, склоробного та інших видів сировини. Викладені генетичні передумови формування, закономірності розміщення та парагенетичні комплекси КК у вугленосних відкладах різних типів, методи попутних пошуків, розвідки та оцінки супутніх вугіллям КК, вимоги промисловості до якості та програми випробування сировини [1, 2, 3, 6].

        У монографії Юдовіча Я.Е. наведені основні відомості про вміст у копалин вугіллях токсичних і потенційно токсичних хімічних елементів, що представляють небезпеку для навколишнього середовища і здоров'я людей при промисловому спалюванні вугілля. Представлені дані про особливості геохімії зазначених елементів у навколишньому середовищі, про середній (кларковий) вміст таких елементів у вугіллі, про вугіллях, аномально збагачених токсичними елементами, про поведінку таких елементів у процесах спалювання вугілля - їх розподіл між золошлаками, леткою золою-уносом і димовими газами. Також порушені деякі екологічні аспекти, породжувані складуванням золошлаковых відходів (отруєння поверхневих і грунтових вод, вплив на рослинність) [4].

        А.Ф. Горовой у своїй роботі «Основи геології твердих горючих корисних копалин» коротко виклав історію вивчення вугільних родовищ, привів загальні відомості про вугілля, охарактеризував якість вугілля, закономірності вугленакопичення, промислову класифікацію вугіль. Розглянув питання використання вугілля, твердих, рідких і газоподібних відходів видобутку і переробки вугілля, гірничо-геологічні (стійкість і поведінку порід, динамічні явища, газоносність тощо) особливості вугільних родовищ [5].

        Також дуже глибоко і детально проблема вивчення «малих» елементів досліджувалась співробітниками ПО «Укруглегеологія»: О.А. Кущ, Г.А. Волкова ( «Оцінка малих елементів у кам'яних вугіллях Донецького регіону»; «Пошуково-ревізійні роботи по вивченню токсичних і супутніх елементів у вугіллі Південно-Західного та Західного Донбасу») та ін. Крім цього інформація про зміст «малих» елементів у різних пластах вугільних шахт Донбасу наведена в численних виробничих звітах ПО «Укруглегеологія», дослідження яких проводилися в період доразведок вугільних пластів.

        Донецько-Макіївський вуглепромисловий район, який має площу 3170 км2, розташовується на південному крилі Кальміус-Торецької улоговини в межах Донецької області [11].

        В геологічній будові району беруть участь відклади середнього та верхнього карбону, майже повсюдно перекриті четвертинними і частково палеогеновими відкладеннями. У західній частині на розмитій поверхні карбону залягають породи юрського і крейдового віку.

        Товща карбону включає всі світи середнього та нижні світи верхнього відділу. Найбільш вугленосними в районі є світи С23, С25, С26, і С27.

        У тектонічному відношенні південно-західна частина району від річки Вовча і до західній околиці м. Донецька характеризується спокійним моноклінальним заляганням шарів, падаючих на північ під кутом 5-10 °, незначним розвитком розривних порушень. Найбільш великий Мушкетовский надвіг має амплітуду 15-50 м.

        У центральній частині району виділяються структури: Бутовська, Чайкінська, Радянська, Ясинівська-Жданівська флексури, Бутовський купол і Макіївська мульда. Флексури розташовані діагонально до загального північно-західного напрямку основної складчастості Донбасу і характеризуються крутими (60-80 °) західними крилами, ускладненими згідно падаючими надвігами.

        У крайній південній частині району моноклінальне, пологе (3-12) залягання порід ускладнене пересічними надвігамі: Калинівським, Будьоновским, Мушкетовским, Першотравневим, Діагональним, найбільші з яких - Калинівський та Першотравневий - майже мерідіанального простирання, з амплітудою зміщення 300-400 м виходять на південь далеко за межі району.

        У східній частині району первинне залягання ускладнене плікативними і диз'юнктивними порушеннями другого порядку.

        З плікативних структур у районі виділено дві групи. Субширотні структури другого порядку розвинені у східній частині району. До них відноситься Макіївська мульда та Ряснянська сінкліналь. Макіївська мульда являє собою брахісінкліналь. Ряснянська сінкліналь з південно-сходу примикає до Макіївської мульди. Вона асиметрична [10].

        Субмерідіанальні флексурні складки складають специфічну особливість Донецько-Макіївського району.

        Крім плікативних структур, у районі широко розвинуті диз'юнктивні порушення, в основному надвігового характеру, з амплітудою зміщення від кількох метрів до кількох сотень метрів. Диз'юнктивні порушення району об'єднані в 4 характерні групи по морфологічним і генетичним ознакам.

        Перша група - надвиги з північно-західним падінням. Найбільш великі з них - Французький і Калинінський. Простирання цих надвигів - південно-західне.

        Друга група - надвігі з південно-східним падінням. До них відносяться надвиги, які розташовані східніше Французького.

        Третя група - надвігі з північно-східним падінням, північно-західним простиранням. Найбільший з цієї групи - Мушкетовський надвиг.

        Четверта група - нормальні скиди зустрічаються в районі досить рідко. Простіраніе скидань різний.

        Водоносні горизонти укладені у відкладах кам'яновугільного, юрського, верхньокрейдового і палеогенового віку, в четвертинних відкладах вони приурочені до аллювія і прошаркам пісків у суглінках [9].

Основу роботи становить наступний фактичний матеріал:

- результати півкількісних спектральних аналізів вугілля на 30 хімічних елементів по керновим пробам одинадцяти шахт Донецько-Макіївського вуглепромислового району;

- геологічна карта і розріз ділянки поля шахти ім. В.М. Бажанова;

- гіпсометричні плани пласта m3 шахт Бажанова, Ясинівська-Глибока і Калинівська-Східна.

        Методика досліджень заснована на вивченні залежності розподілу «малих» елементів у вугленосній товщі Донецько-Макіївського углепромишленного району від геологічних факторів. З цією метою фактичний матеріал обробляли на декількох рівнях:

- за шахтним полях;

- по різних пластах.

Використовувалися такі методи.

        Аналіз графічних даних.

        Була вивчена геологічна, геоморфологічна, тектонічна будова території, розміщення свердловин щодо тектонічних структур з метою встановлення залежності розподілу «малих» елементів від певних геологічних факторів (тектоніки, морфології, генезису).

        Статистичний метод.

        Були сформовані вибірки для 25 хімічних елементів для різних шахтних полів по 13 вугільних пластах Донецько-Макіївського району. Досліджувались закономірності розподілу «малих» елементів по площі і за різними пласта у стратиграфічній розрызі у межах території, яка вивчається. Для найбільш небезпечних (токсичних) елементів були розраховані такі статистики як середнє значення, мінімальне та максимальне значення, коефіцієнт варіації. Розраховані середні значення порівнювалися з нормативними.

        За допомогою кореляційного аналізу встановлювалася наявність зв'язку між усіма хімічними елементами з різних шахтних полів, а також між хімічними елементами та якісними характеристиками у межах шахти ім. В.М. Бажанова.

        Були побудовані графіки зміни змістів досліджуваних елементів у вугіллі по свердловинах. По-перше, для визначення ступеня перевищення фонових значень по Донецько-Макіївському району, і гранично допустимих концентрацій в грунтах (ГДК). По-друге, для встановлення закономірності розподілу «малих» елементів у залежності від тектонічної будови території. Простежені тенденції збільшення та зменшення концентрацій цих елементів в кожній свердловині за окремими пластами в межах досліджуваного району.

        Також був задіяний метод просторового аналізу даних. Побудовано карти по окремим шахтним полям для токсичних хімічних елементів. Встановлювалися просторовий розподіл цих елементів, і їх зв'язок з геоморфологічною і тектонічною будовою території.

        При вивченні генезису концентрацій «малих» елементів були розглянуті джерела їх надходження, форми перенесення, шляхи міграції та накопичення. Генезис високих концентрацій металів у вугіллі вугленосних відкладень і горючих сланцях добре вкладається у рамки відомих типів концентрацій на біогенних, механічних, сорбційних, відновлювальних, сірководневих, окисних, вуглекислих і термодинамічних геохімічних бар'єрах. Найбільш типовими для вугленосних формацій є сорбційні, відновлювальні і сірководневі бар'єри. Також хімічні елементи були диференційовані на дві групи:

- сингенетичні (первинні);

- эпигенетичні (вторинні).

        За допомогою програми Excel були складені вибірки по окремих ділянках (іноді включають у себе кілька шахтних полів) Донецько-Макіївського вуглепромислового району, які використовувалися для подальших досліджень. Також були побудовані схематичні графіки варіювання змістів даних хімічних елементів з різноманітних вугільних пластів в межах різних шахтних полів (або їх сукупності), щодо середніх значень (фону) цих елементів у вугіллі району, який вивчається, і гранично допустимих концентрацій грунту (ГДК).

        За допомогою пакету програм SPSS була виконана статистична обробка даних. Зроблен розрахунок деяких статистик (максимум, мінімум, середнє значення, коефіцієнт варіації); виявлені зв'язки між елементами (кореляційний аналіз); вивчені залежності змістів токсичних елементів від певних геологічних факторів (тектоніки, морфології, генезису) та деяких якісних характеристик (сірчистості, зольності) та ін.

        Для побудови карт розподілу токсичних елементів був використаний пакет програм Surfer, який дозволив наочно відобразити цифрову інформацію (зміни змістів елементів по площі шахтних полів Донецько-Макіївського району). Були виявлені шари, а також ділянки шарів з підвищеним вмістом токсичних елементів у межах району, який вивчається.

        Все це дозволило зробити порівняння розрахованих значень з нормативними, а також у результаті встановити закономірності розподілу «малих» елементів по площі Донецько-Макіївського вуглепромислового району і у стратиграфічному розрізі.

У вугіллях Донецько-Макіївського углепромишленного району присутні наступні елементи:

- токсичні - сірка, ртуть, миш'як, Берилій, фтор;

- потенційно токсичні - свинець, ванадій, нікель, хром, марганець;

- технологічно шкідливі - миш'як;

- технологічно корисні - молібден, нікель, кобальт, олово, цинк;

- мікрокомпоненти - молібден, цинк, марганець та ін;

- супутні - рубідій, цезій, літій, стронцій, скандій, іттрій, Лантау, іттербій, титан, цирконій, ніобію, мідь, срібло, церій, вольфрам.

Високої зустрічальності в вугіллях характеризується більшість елементів: сірка, ртуть, миш'як, Берилій, марганець, свинець, нікель, ванадій, хром, кобальт, скандій, іттрій, Лантау, іттербій, титан, цирконій, ніобію, молібден, мідь, олово, цинк, срібло.

Одночасно досліджувалися кілька шахтних полів, якщо вони примикають одне до одного:

- Засядька - Жовтневий рудник;

- Горького - Кіровська - Абакумова;

- Трудовська;

- Соц. Донбас;

- Бажанова - Ясинівська-Глибока - Калинівська-Східна - Нижньо-Кринська.

Вивчались наступні хімічні елементи: As, Hg, Be, F, Mn, Ni, V, Cr, Co, Pb, Li, Sr, Ba, Sc, Y, La, Yb, Ce, Ti, Zr, Nb, Mo, Cu , Zn, Sn, Bi.

Рисунок - 4.1 Токсичні елементи

        На данній анімації зображени найбільш небезпечні (токсичні) елементи, які відносяться, переважно, до першого та другого класу небезпеки, та їх фонові значення у вугіллі Донецко-Макіївського району.

        Красні лінії відображають фонові значення елементів Zn (14 мг/кг) та Be (3 мг/кг)- перший клас небезпеки;

        Жовті лінії - для Li (13 мг/кг) та Co (7 мг/кг) - другий клас небезпеки;

        Зелена лінія - фон Мо (1,5 мг/кг).

        Для усіх елементів розраховані такі статистики, як середнє значення, максимальне і мінімальне значення, коефіцієнт варіації. Приклад обчислених статистик - таблиця 4.1.