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.
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.
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°.
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].
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.
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.