Основные факторы негативного влияния породных отвалов на экологическую обстановку

При выполнении исследований по оценке негативного влияния породных отвалов исходили из следующих предпосылок:

• породные отвалы шахт являются специфическими инженерны­ми сооружениями, не имеющими непосредственных аналогов в природе; отдельные вопросы особенностей взаимодействия от­валов с окружающей природной обстановкой могут быть реше­ны при использовании опыта сооружения и эксплуатации гидро­технических сооружений, дорожных насыпей и др.;

• воздействие породных отвалов на окружающую среду комплекс­но и не может быть сведено к одному фактору; при этом актив­ность и интенсивность развития тех или иных негативных про­цессов определяется, в первую очередь, характером инженерно-геологических и гидрогеологических условий оснований, физико-химическими свойствами отвальных пород, технологией отсып­ки отвалов и климатом района;

• массивы отвальных пород длительное время находятся в нерав­новесном состоянии с окружающей природной обстановкой, а влияние отдельных факторов, по своей сути, может быть только снижено, но не устранено полностью.

Проведенная комплексная оценка особенностей влияния пород­ных отвалов на экологическую обстановку в рассматриваемых ин­женерно-геологических и гидрогеологических условиях, с учетом физико-химических характеристик отвальных пород, позволила вы­делить в качестве основных негативных процессов воздействия на окружающую природную среду следующее:

• явления, обусловленные изменением исходного напряженного состояния основания отвала;

• явления, связанные с переходом пород отвальных массивов в состояние, термодинамически равновесное с окружающей об­становкой;

• физико-химическое загрязнение прилегающей территории непо­средственно породами отвалов и продуктами их выветривания, а также в результате осаждения на поверхности почвы и водо­емов химических компонентов.

Основными факторами негативного влияния породных отвалов на окружающую природную среду являются:

• нарушения природного ландшафта земной поверхности и рав­новесного инженерно-геологического состояния горных пород;

•  нарушения гидрогеологического режима прилегающих террито­рий;

•  химическая токсикация (засоление) грунтов и вод;

•  пылегазовое загрязнение атмосферы;

•  радиологическая токсикация грунтов и вод.

Отсыпка отвалов сопровождается заметной осадкой поверхности непосредственно под отвалом и на близлежащей к отвалу площади независимо от того, расположен отвал на целике или на подработан­ной территории. Величина осадки в каждом конкретном случае определяется инженерно-геологическими условиями основания и высотой отвала. Расположение отвалов в чашеобразных понижениях способствует накоплению в течение определённых промежутке и времени дренируемых четвертичных, поверхностных и инфильтрационных с отвала вод, которые в последующем начинают разгру­жаться как в подземные горизонты, так и в открытые водотоки.

Проведенные испытания пород различного литологического соста­ва и прочности позволили сделать вывод, что особенно активные изменения исходных свойств массивов начинают наблюдаться при превышении дополнительных нагрузок более 0,3 сопротивления од­ноосному сжатию. Если принять в качестве формируемой активной зоны приведенный выше критерий, то, при фактической прочности меловых мергелей и достигнутой в процессе отработки месторождений высоте отвалов, она охватывает практически всю толщу мезо-кайнозойских отложений, то есть захватывает массив пород мощностью до 200-250 м. В связи с неполностью горизонтальным залеганием меловых отложений, активная зона распространяется вниз по падению пород на расстояние до 0,25-0,35 ширины отвала по основанию, то есть влияние отвала не ограничивается чисто площадью его отсыпки.

Основным результатом, следующим из изменения исходного на­пряженного состояния основания, является снижение коэффициен­та фильтрации мергелей водоносного горизонта и формирование в его верхнем относительном водоупоре зоны избыточных напоров, время существования которых определяется интенсивностью на­грузки от отвала и мощность выветренной толщи мергелей сенонско­го возраста. Фактически наиболее ценный, с точки зрения водоснабжения, сенонский водоносный горизонт на достаточно длитель­ное время изолируется от прямой гидравлической связи с вышеле­жащим четвертичным водоносным горизонтом. Однако, снижение фильтрационных параметров сенонского водоносного горизонта I приводит к формированию по фронту отсыпки отвала вниз по пото­ку своеобразной противофильтрационной завесы, так как расчеты показали, что в верхней наиболее проницаемой зоне трещиноватых мергелей исходные коэффициенты фильтрации могут снижаться. За пределами отвала эти изменения в принципе не существенны. Од­нако вблизи существующих питьевых водозаборов и природных зон разгрузки сенонского водоносного горизонта результаты трансфор­мации природного напряженного состояния оснований отвалов мо­гут быть отрицательными.

Аналогичные изменения происходят и в четвертичном водоносном горизонте. Поскольку четвертичные отложения залегают непосредст­венно под отвалом, то дополнительная нагрузка от него передается, согласно расчетам, практически полностью. В основании отвала, в пределах всей его площади, формируется в таких случаях зона, час­тично близкая по характеристикам к противофильтрационной заве­се. В результате выше по потоку возникает зона местного подпора, а ниже по потоку происходит интенсивное загрязнение четвертичного горизонта за счет питания со стороны отвала без существенного раз­бавления менее минерализованными водами четвертичного горизон­та.

Приведенные выше факторы отрицательного влияния породного отвала в результате изменения напряженного состояния практиче­ски необратимы при понижении высоты отвала при рекультивации и только частично могут быть ликвидированы при полной уборке от­вального массива.

Одним из важных процессов в общем отрицательном влиянии от­валов на окружающую природную среду является наличие в породах водно-растворимой составляющей. Независимо от наличия или отсутствия в нижней приподошвенной части отвального массива тех­ногенного водоносного горизонта, своеобразно демпфирующего (ус­редняющего) процесс, инфильтрационные потоки постепенно рас­творяют соли и транспортируют их вниз. Как показали прямые оп­ределения, степень минерализации воды в техногенном водоносном горизонте в Волынском районе достигает 4,0-6,0 г/дм³, а в районе г. Червонограда - 7,0-13,5 г/дм³.   Следует подчеркнуть,  что  стан­дартные методы определения содержания водно-растворимых солей дают, как правило, несколько заниженные значения. Проведенные дополнительные исследования по выщелачиванию фильтрационным потоком показали, что фактическое содержание водно-растворимой части в 2,0-2,5 раза выше и может достигать 4   и более процентов. Из вышеизложенного следует, что суммарное содержание в отваль­ных массивах погашаемых шахт загрязняющей водно-растворимой части близко к 1,0-1,5 млн. т.

Одновременно, как показывают расчеты и эксперименты, даже в условиях избыточного увлажнения залповый выброс такого количе­ства загрязняющих веществ в подземные и поверхностные воды ис­ключен. Так как полное растворение солей достигается при практи­чески полном поверхностном и глубинном выветривании всего от­вального массива, то в естественных условиях для этого требуется несколько десятков и сотен лет. С другой сторону, имеются опреде­ленные возможности минимизировать негативное влияние отвалов рекультивацией и организацией поверхностного стока.

Проведенные расчеты показали, что основному загрязнению будет подвергаться четвертичный водоносный горизонт и поверхностные водотоки в зонах его разгрузки и в местах дренирования техноген­ного водоносного горизонта откосами отвалов. Напорный характер сенонского водоносного горизонта и его определенная изоляция по площади отвала в результате дополнительного уплотнения верхнего квази-водоупора предопределяют возможность только локального загрязнения в зонах сниженных напоров.

Более вероятными, с точки зрения загрязнения четвертичного и сенонского горизонтов, являются водная и ветровая эрозии отваль­ных пород и отложения их на прилегающей территории. Гравитационные процессы, в виде оползней и оплывин, отмечаются на ряде отвалов, отсыпанных как перегоревшими, так и неперегоревшими породами. В частности, эти явления зафиксированы на отвалах шахт и №5, №7 и №8 "Нововолынских" и шахте №8 "Великомос-товская".

В рассматриваемых климатических условиях ветровая эрозия отдельных пород, в общем, незначительна, что подтверждается прове­денными на ряде отвалов исследованиями, которые показали:

• химические составы отвальных пород и почва вблизи отвалов существенно различны, что может свидетельствовать об отсутст­вии непосредственного загрязнения последних отвальными по­родами;

• в то же время, в отвальных породах содержится ряд токсичных макро- и микроэлементов, которые следует отнести к потенци­ально опасным при наличии длительной, хотя и незначительной, ветровой эрозии.

Особенно опасны зафиксированные в отвальных породах берил­лий, свинец, цинк, кадмий, фосфор, ртуть, мышьяк, (I класс опасно­сти по токсичности ), а также селен, стронций, барий, бор, никель, марганец, железо, молибден, хром, которые в условиях региона яв­ляются высокорастворимыми, в значительной мере переходят в подвижные формы и образуют основную часть в суммарном загрязне­нии грунтов, подземных и поверхностных вод, биологической среды. Непосредственно возле ряда шахтных отвалов зафиксированы максимальные валовые концентрации кобальта, никеля, молибдена, ванадия, бария и свинца. Максимальные валовые концентрации мышьяка, цинка, кадмия, ртути, фосфора, хрома и сурьмы распро­странены на расстоянии 1-3 км от отвалов. При этом местами мак­симальные валовые концентрации ванадия и никеля превышают предельно-допустимые концентрации (ЦДК) в 2 раза; меди, хрома и марганца - в 3,2-3,5 раза; мышьяка, свинца и цинка - в 7 раз; а ко­бальта и молибдена - в 10 раз.

Исследования основных факторов деструкции природной среды в районах расположения породных отвалов, изучение динамики свойств отвальных пород в процессах естественного окисления, их микроэлементного состава и фитотоксичных соединений показали, что породы отвалов шахт Львовско-Волынского бассейна относятся к категории непригодных для непосредственного выращивания на их поверхности лесных культур.

Локализация процесса дальнейшего загрязнения территорий, при­легающих к породным отвалам, может быть обеспечена корректной рекультивацией с применением насыпных почво-грунтов, озелене­нием отвалов с посевом трав и посадкой древесно-кустарниковой растительности, а также организацией поверхностного водоотвода и мониторинга окружающей природной среды для оценки и прогноза ее состояния с целью выявления негативных изменений и выработки рекомендаций по их устранению.