Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Магістерська робота відповідає державній науковій програмі «Державна цільова екологічна програма проведення моніторингу навколишнього природного середовища» (постанова Кабінету Міністрів України від 05.12.2007 № 1376).
Мета досліджень. Метою даної роботи є оцінка якості підземних, шахтних і поверхневих вод м. Макіївка у зв'язку з роботою підприємств вугільної галузі.
Завдання дослідженьй:
1. Дослідження і вивчення якості і мінерального складу підземних і шахтних вод.
2. Оцінка динаміки змін компонентів хімічного складу шахтних вод (на прикладі шх. ім. Бажанова) за кілька років і їх прогноз на горизонти, які шахта планує відпрацьовувати найближчим часом.
3. Оцінка екологічного стану гідросфери м. Макіївка.
4. Розробка методів очищення і переробки шахтної води.
Ідея роботи. Вивчення складу поверхневих, підземних і шахтних вод м. Макіївка та їх вплив на навколишнє середовище дозволить виявити найбільш забруднені ділянки досліджуваних вод та розробити методи їх очищення і переробки.
Об'єкт досліджень. Поверхневі, підземні і шахтних вод шахти імені В.М. Бажанова.
Предмет досліджень. Хімічний склад і агресивні ознаки шахтної води.
Методи досліджень:
1. Аналіз наявних геологічних та екологічних виробничих звітів та картографічного матеріалу (геологічні, геоморфологічні, тектонічні, геолого-гідрологічні, фізико-географічні карти, схеми, плани, розрізи досліджуваного об'єкта).
2. Систематизація даних по хімічному складу шахтних вод вугільних шахт Донецько - Макіївського району.
3. Методи графічного аналізу (графічні побудови діаграм, гістограм, дендрограмм).
4. Методи статистичної обробки (регресійний, кореляційний аналіз).
Наукова новизна. Наукова цінність роботи полягає в дослідженні хімічного складу підземних, шахтних і поверхневих вод в цілому по Донецько-Макіївському вуглепромислового району, так як раніше дослідження в межах досліджуваної території проводилися тільки окремо по кожному підприємству і конкретно шахті імені В.М. Бажанова. Дані дослідження дозволять зробити прогноз якісного складу вод з глибиною.
Практичне значення роботи. У результаті проведення роботи повинні бути встановлені ділянки з найбільш агресивними шахтними водами, які будуть негативно впливати на навколишнє середовище м. Макіївка та розроблено комплекс заходів, які дозволять значно збільшити якість скидної шахтної води і поліпшити в цілому положення гідросфери міста.
Особистий внесок автора. Були оброблені, деталізовані та систематизовано дані хімічного складу підземних, шахтних і поверхневих вод шахти імені В.М. Бажанова.
Побудовано графіки залежності змісту показників підземних і шахтних вод в залежності від глибини.
Побудована просторова модель прогнозу якості шахтних вод з глибиною.
Апробація результатів роботи. Автор брав участь у IV Всеукраїнськiй науково-практичнiй конференції студентів та молодих вчених з доповіддю «Оцінка ступеня впливу шахтних вод на гідросферу м. Макіївки» і в ХХI Міжнароднiй науковiй конференції аспірантів і студентів з доповіддю «Оцінка якісного складу шахтних вод (на прикладі шахти ім . В. М. Бажанова)».
Публікації. Тези на тему «Оцінка ступеня впливу шахтних вод на гідросферу м. Макіївки» опубліковані в збірнику статей «Географічне освіта і національна самосвідомість: актуальні проблеми їх формування», Донецьк: ДІСО — 2011 — с. 232.
Тези на тему «Оцінка якісного складу шахтних вод (на прикладі шахти ім. В. М. Бажанова)» опубліковані в збірнику доповідей «Охорона навколишнього природного середовища та раціональне використання природних ресурсів» том 1, Донецьк &mdash 2011 &mdash с. 221.
Проблеми впливу шахтних вод на навколишнє середовище з'явилася з часів початку розвитку вугільної промисловості. У працях Архипова Н.А., Єльчанінова Е.А., Горбачова Л.Д. розглянуті питання розвитку видобутку вугілля та його вплив на навколишнє природне середовище, в тому числі на водотоки [1].
Проблема прогнозування хімічного складу шахтних вод стала актуальною і почала вивчатися з 80-х років ХХ століття. Дослідженням даної проблеми займалися Макляк В.Ф., Калигін П.В., Блінов П.В., Яковлєв Е.А.. В їхніх роботах викладені відомості про підземні води, причини їх виснаження та забруднення, а також заходи боротьби з останніми. Висвітлено можливості та умови поховання промстоків. Узагальнені методи прогнозування хімічного складу скидаються шахтних вод [2].
Шахтні води відрізняються великою різноманітністю хімічного складу і властивостей, тому потребують детального дослідження їх складу. У статті Кононенко Н.І., Ощепкова А.П., Немковского Б.Б. було проведено досліджені деякі особливостей хімічного складу шахтних. В результаті дослідження були зроблені наступні висновки: вміст рідкісних і розсіяних елементів зазвичай набагато нижче кларкових, відбувається в основному їх розсіювання.
Кандидат геологічних наук Шевченко О.А. у своїй роботі «Еколого-гідрогеохімічні районування Донецької області» для вивчення екологічного стану підземної гідросфери регіону провела комплексне гідрогеохімічні дослідження підземних вод Донецької області, яке включало еколого-гідрогеохімічних та медико-гідрогеохімічні районування території. Вона виділила такі типи вод: 1) слабозабруднених води, 2) Забруднені води, 3) Сильно забруднені води.
Агруц Д.С. у своїй науковій роботі «Статистична оцінка екологічної обстановки Донецької області» виявив, що одна з найбільших екологічних проблем Донецької області - це дефіцит питної води та небезпечний рівень забруднення природних водних джерел.
Небезпечний рівень забруднення водних джерел Донецького регіону пов'язаний з великими обсягами стічних вод. Щорічно обсяги стічних вод в Донецькій області складають близько 2 млрд. куб. м, причому на вугільну промисловість припадає понад 50% усіх стоків. Шахтні води відрізняються високим вмістом завислих речовин (до 0,1 г / л), підвищеною мінералізацією (вміст солей до 3 г / літр доводиться на 70% всіх шахт, від 3 до 7 г / літр на 26% всіх шахт), через через що у водойми та річки щорічно скидається більше 3 млн. т мінеральних солей і речовин [3].
У статті «Аналіз впливу ДП« Шахта ім. М. Горького »на навколишнє середовище» Чудновець В., Артамонов В.М. розглянули аналіз негативного впливу ДП «Шахта ім. М. Горького »на навколишнє середовище.
Проскурня Ю.А. і Тарасова Е.А. у своїй праці «Хімічний склад шахтних вод Донецько-Макіївського району Донбасу і нові методи його прогнозування» стверджують, що шахтні води надають на природне середовище вкрай негативний вплив. В результаті взаємодії в гірських виробках із зруйнованими порожніми породами, корисних копалин та ін на шляху руху до водозбірників шахтні води досягають високої мінералізації. У них накопичуються солі важких металів, часто токсичні елементи, бактерії, зважені речовини і багато іншого, що змінює якісні показники навколишнього середовища [4].
Огляд літератури показав, що досліджувана проблема ще недостатньо вивчена, що дає автору можливість для подальших досліджень щодо Донецько-Макіївської вугленосної району.
Надра гірничого відводу шахти ім. Бажанова складені породами верхнього і середнього відділів карбону. Оголюються породи карбону у вигляді висипок і гривок найбільш стійких порід — вапняків та пісковиків за окремими ярах і долинах балок.
Практично повсюдно залягають четвертинні відкладення. Вони в межах площі гірничого відводу представлені червоно-бурими, бурими і строкатими неслоістимі піщаними глинами переходять у своїй верхній частині у важкі лесовидні світло-бурі суглинки. У верхній частині розрізу четвертинні відкладення переходять в чорноземні грунти.
Палеогенові відкладення зустрічаються реліктами на вододілах, відзначені одиничними свердловинами. Опади палеогенового віку представлені кварцовими пісками світло-сірого, жовтувато-сірого до охристого кольору потужністю 5 — 10 м.
Пісковики представлені переважно дрібно і середньозернисті різницями, рідше грубозернистими. Колір їх звичайно від світло-сірого до темно-сірого, в зоні вивітрювання жовто-сірий.
Поділяються вапняки на уламкові, мулисті, глинисті, кристалічні, зазвичай вони неоднорідні від покрівлі до грунту. Порівняльна рідкість і виняткова витриманість вапняків роблять їх основними керівними горизонтами при зіставленні розрізів кам'яновугільної товщі.
;Вугілля залягають пластами і прошарками різної потужності. Основні вугільні пласти витримуються досить добре на великому простягання, але потужність їх мінлива. У більшості випадків вугільні пласти залягають серед сланців, рідше під пісковиками і ще рідше під вапняками.
Крім описаних вище літологічних різниць, в кам'яновугільних відкладах зустрічаються сланці вуглисті. Однак самостійне поширення їх обмежена [5]. Таким чином, товща карбонових відкладень характеризується чергуванням у вертикальному розрізі становлять її шарів різної потужності піщано-глинистих сланців, пісковиків, вугілля і вапняків. Чергування шарів, як правило, відбуваються в певній закономірності, відображаючи закономірність формування вугленосної товщі.
Поле шахти ім. В.М. Бажанова і резервний блок в структурному відношенні розташоване у північно-східній частині південного крила Кальміус-Торецьке улоговини. Субширотне простягання кам'яновугільних відкладення ускладнено біля кордонів шахтного поля плікатівних структурами Чайкінські і Бурозовской флексурно складками. На заході і північному заході оцінювана площа обмежена Чайкінські флексурно складкою; на сході, південному сході — Бурозовской флексур. Кути падіння порід карбону переважно пологі 3 — 15°, і лише в зонах флексурнкх перегинів вони досягають 25 — 70°.
Забруднення атмосфери
Видобуток вугілля на шахтi ім. В. М. Бажанова ведеться з 1957 року.
Середня потужність пласта 1,5 — 1,65 м. Віднесення порід безпосередньої покрівлі до малостійкі і стійкою грунті видобувні дільниці обладнані високомеханізованими комплексами.
В даний час очисні роботи ведуться в ухилом нулі 2-ої черги по пласту М3. Лави уклонного поля відпрацьовуються по комбінованій системі розробки на конвеєрні та вентиляційні штреки. Кількість одночасно працюючих лав — три.
Шахта провітрюється двома вентиляційними установками розташованими на скіповому стволі №1 і вентиляційному стволі №5.
Атмосферне повітря, що пройшло через підземні горизонти, насичується вугільним пилом, метаном і через дифузори вентстволов викидається в атмосферу без очистки.
Нормативний викид забруднюючих речовин в атмосферу визначений проектом ПДВ (гранично-допустимих викидів) для шахти [6].
Контроль нормативів ПДВ виконується лабораторією управління з гасіння териконів і рекультивації земель ДП «Макіїввугілля».
Фактичні викиди по шахті не перевищують встановлені норми ПДВ.
Забруднення грунтів
При видобутку вугілля на 1 т припадає 0,25 — 0,35 м «порожньої породи». Її складують у відвали, 75% з яких мають конічну форму і називаються териконами.
В результаті зміни температури повітря, води та впливу вітру відбувається фізичне та хімічне (за сульфатному типу) вивітрювання відвальної породи. Тривалість хімічного вивітрювання найбільшою мірою залежить від змісту загальної сірки (у тому числі і піритних).
Поряд з процесами хімічного вивітрювання териконів встановлений і біохімічний процес вилуговування піриту в териконах. Так, в шахтних водах встановлено наявність паличкоподібних бактерій, які з вологою проникають в породи по мікротріщинам і мікропори в прошаруй і лінзи піриту і ініціюють окисне вилуговування з виділенням елементної сірки, сірчаної кислоти і сполук заліза. Біологічні процеси вилуговування піриту з порід відвалів і териконів є екзотермічні.
Для аналізу впливу териконів на грунти, поверхневі і підземні води було проведено випробування допомогою буріння свердловин на перший водоносний горизонт з відбором проб води на повний хіманаліз, визначення шкідливих речовин, мікрокомпонентного складу. Оцінка якості підземних і поверхневих вод проводилася відповідно до вимог ГОСТ 2874-82.
ЗЗабруднення гідросфери
При виробництві гірських робіт і видобутку вугілля розкриваються водоносні горизонти в результаті чого виникає необхідність в організації системи водовідливу з метою відкачки шахтної води на поверхню і їх очищення перед скиданням у поверхневі водойми [7].
Система водовідливу шахти включає в себе: відкачування шахтних вод на поверхню, горизонтальний трисекційний горизонтальний відстійник, знезараження рідким хлором в хлораторної і далі доосветленіе у трьох ставках-відстійниках потім скидання через балку Суху Калиновську в річку Грузьку.
Приплив води з бремсбергових поля пластів Н і Н акумулюється в бетонних ємностях «Блакитні озера» горизонту 195 м, відстоюється, потім частина цієї води потрапляє на технологічні потреби 2-ої черги, а частина видається на поверхню і використовується на виробничі та господарсько-побутові потреби (лазні, пральні, полив газонів та інші) [8]. Для використання шахтної води на хозбитових потреби шахти на поверхні була побудована насосна і хлораторна для знезараження цієї води.
Головні водовідливні установки розміщуються на горизонті 195 м і на горизонті 1012 м. Проміжні водовідливні установки розташовані па горизонтах 260 м, 317 м, 505 м. Водовідливні установки включають в себе водозбірники і насосні установки. У водозбірниках здійснюється акумулювання води і первинне відстоювання шахтних вод.
Поверхневий горизонтальний трисекційний відстійник: довжина секції 19 м ширина кожної секції 6м, обсяг відстійника 1100 м. куб.
Ставок № 1 обсяг 54000 м³, площа 17880 м².
Ставок № 2 обсяг 79000 м³, площа 15520 м².
Ставок № 3 обсяг 20200 м³, площа 14200 м².
Очисні споруди шахти служать для механічного очищення скидаються шахтних вод від зважених речовин. Утворився в результаті відстою шлам шахтних відстійників після чищення очисних споруд транспортується па вугільний склад [9].
Прогнозування хімічного складу шахтних вод проводиться на окремі періоди освоєння та експлуатації родовища, і проводиться різними методами: метод гідрогеохімічних аналогій, імовірнісний, графоаналітичний та метод експертних оцінок. В даний час прогнозування підлягають: величина загальної мінералізації, вміст катіонів калію і натрію, кальцію, магнію, аніонів гідрокарбонатів, сульфатів, хлору, а також інші компоненти і властивості шахтних вод, здатні негативно вплинути на умови праці гірників, збереження навколишнього середовища, устаткування та ін.
У даній роботі автором були використані дані загального хімічного складу води, спектрального та хромотографічного аналізів шахтних і поверхневих вод за такими показниками: катіони кальцію, натрію, калію, магнію; аніони хлору, гідрокарбонат-іони, сульфат-іони, органічні сполуки, хімічні елементи на різних глибинах. Загальна кількість проб: 162 по свердловинах і 108 поверхневих проб. Проби відбиралися у період дорозвідки шахтних полів, в роботі також були використані квартальні проби води, які відбиралися інженером екологічною службою шахти і оброблялися санітарно-профілактичної лабораторією.
Завданням наших досліджень є складання прогнозної моделі хімічного складу шахтних вод шахти ім. В.М. Бажанова з глибиною, виходячи з даних хімічних аналізів шахтних вод шахт Донецько-Макіївського району. За цим, автором в ході дослідження було обрано імовірнісний метод оцінки через неоднорідність даних по хімічному складу шахт Донецько-Макіївського району.
Прогнозування хімічного складу шахтних вод даним методом виконується в кілька етапів:
1. Проводиться вивчення умови формування хімічного складу і агресивних властивостей шахтних вод найближчих шахт вугленосної району.
2. Проводиться кількісна та якісна порівняльна оцінка перерахованих вище факторів на полях шахт району та на розвідує ділянці.
3. Обчислюються значення узагальнених параметрів і інші вихідні дані.
4. Проводиться підрахунок змістів прогнозованих компонентів у шахтних водах.
5. Оцінюються агресивні властивості шахтної води за прогнозним змісту компонентів.
При обробці даних було використано такі програми, як Microsoft Office Excel і SPSS.
Імовірнісний метод прогнозування хімічного складу та властивостей шахтних вод заснований на знаходженні кореляції між вмістом хімічних компонентів шахтних вод, з одного боку, і глибиною розробки, площею виробок, тривалістю роботи підприємства і т.д. — з іншого.
Щоб встановити і вивчити тенденцію змін значень досліджуваних показників з глибиною відпрацювання вугільних пластів були розраховані залежності і побудовані графіки показників хімічного складу підземних, шахтних і поверхневих вод з глибиною.
В отриманих графіках простежується стрибкоподібне поведінка концентрацій показників, а так само значне збільшення значень Ca і SO4 і зниження Cl, HCO3, K + Na і мінералізації.