ДонНТУ   Портал магистров
Один факт - случайность. Два - преднамеренность. Три - тенденция (В. Солоухин)

Реферат по теме выпускной работы

Введение

Актуальность исследований

Угольная промышленность Украины и в частности Донбасса является жизненно важной составляющей национальной экономики и промышленного производства. Угольная индустрия вносит весомый вклад в работу металлургической промышленности страны посредством коксующихся углей, сектора производства тепловой энергии за счет энергетического угля, а также обеспечивает химическую промышленность сырьем и энергоносителями [1]. Однако характерной особенностью разработок угольных месторождений, которая одновременно является одной из актуальнейших проблем данной отрасли, является удаление больших масс покрывающих и вмещающих пород, годовые объемы которых в несколько раз превышают объемы добываемого угля. Основными отходами при добыче угля являются вскрышные и вмещающие породы, которые образуют многочисленные отвалы.

В настоящее время в пределах г. Донецка, расположено более 140 породных отвала, занимающих площадь около 10 млн. м2. Количество отходов, размещенных в отвалах, составляет 600 млн. т. Размеры зон влияния отвалов варьируют в пределах 500-1000 м. Исходя из этого, площадь их суммарного влияния составляет более 50% территории Донецка [2].

Таким образом, проблематика исследования породных отвалов обусловлена двойственным противоречивым характером, что определяет сложность в рационализации подходов обращения с углеотходами. С одной стороны, они относятся к объектам, представляющим экологическую опасность, так как в процессе горения, окисления и выветривания породной массы происходят вредные выбросы в атмосферу прилегающих территорий. Весь спектр компонентов в пределах ореола рассеяния локализуется в почвенном слое, что на последующем этапе гидрогенной миграции в значительной степени воздействует на геохимию подземных вод, ухудшает условия произрастания растительности и уменьшает популяцию животных. С другой стороны, породные отвалы могут рассматриваться в качестве вторичного сырья.

Поэтому систематические наблюдения за индикаторами загрязнения и рудными компонентами в зоне воздействия породных отвалов являются актуальными научно-практическими исследованиями.

Связь работы с научными программами, планами, темами

В основу работы заложены материалы, полученные автором в сотрудничестве с ПГП «Артемовская гидрогеологическая партия» при выполнении отдельных пунктов Программы природоохранных мероприятий местного значения г. Донецка на 2008, 2009, 2010 и 2011 годы. Магистерская работа связана с Программой обращения с отходами в Донецкой области на период 2011-2015 год. Данной тематике также соответствует Стратегия обращения с твердыми бытовыми, промышленными и опасными отходами на территории г. Донецка. Стратегия разработана на период 2005-2020 гг.

Цель и задачи исследований

Целью научно-исследовательской работы является определение роли и места породных отвалов в экосистеме города.

При этом первостепенными задачами являются:

Объект исследования

Объектом эколого-геохимического исследования являются породные отвалы и зоны их воздействия, находящиеся в пределах города Донецка.

Предмет исследования

Минералого-петрографические и эколого-геохимические особенности отвальных пород терриконов, почво-грунты, водовмещающие породы и атмосферный воздух.

Методы исследования

Научная новизна полученных результатов

Научная новизна работы определяется тем, что:

Практическое значение работы

Практическая значимость заключается в комплексной геолого-экологической оценке отвальных пород с позиции оценки экологической безопасности прилегающих к отвалам территорий и ресурсной ценности размещенных в них отходов, что позволяет научно обосновано определять степень экологической опасности прилегающих территорий. Результаты исследований позволяют рассматривать некоторые породные отвалы в качестве перспективных объектов для получения глинозема.

Личный вклад автора

Автор участвовал в полевых работах по обследованию отвалов и отбору проб отвальных пород, осуществлял обработку, анализ и систематизацию данных о минералого-геохимических особенностях отвальных пород, типизацию породных отвалов относительно процессов окисления и горения, а также оценку перспективности извлечения из углеотходов рудных компонентов.

Научные публикации и апробация результатов работы

По материалам проведенных исследований опубликованы:

1. Анализ, систематизация и обобщение материалов предыдущих исследований

По породным отвалам накоплен значительный объем разнообразных материалов. В научно-исследовательских трудах Алехина В.И., Мигули П.С., Проскурни Ю.А., Выборова С.Г., Панова Б.С., Зборщика М.П., Осокина В.В. [3-8] отражены экологические, геохимические, минералого-петрографические особенности породных отвалов угольных шахт. Все исследователи сходятся во мнении, что породные отвалы представляют экологическую опасность, занимают значительную территорию города и могут служить в качестве вторичного сырья.

Считается, что экологическая опасность породных отвалов обусловлена процессами горения породной массы. В настоящее время достаточно детально исследован механизм самовозгорания породной массы, разработаны мероприятия по тушению и профилактике очагов горения. Веселовский В.С., Алексеева Н.Д., Виноградова Л.П., Саранчук В.И., Скочинский А.А., Огиевский В.М. [9-11] считают, что единственной причиной самовозгорания угля является взаимодействие его с кислородом атмосферного воздуха. Однако в работе Стадникова Л.Г. [12] приводится высказывание одного из специалистов Либиха, касающееся того, что самовозгорание каменных углей обуславливается содержанием в них сернистого железа в тонкораспыленном виде, а присутствие воды и воздуха является ближайшим условием самовозгорания.

Веселовским В.С., Алексеевой Н.Д., Виноградовой Л.П. установлено [9], что процесс самонагревания инициируется биохимическим окислением, в котором участвуют микроорганизмы [6].

В породных отвалах г. Донецка преобладают обогащенные органикой осадочные породы каменноугольного возраста, имеющие вполне определенную геохимическую специализацию. Считается, что в этих отложениях в повышенных концентрациях могут находится германий, уран, редкие металлы, халькофильные элементы [13].

Определение перспектив отвальных пород в качестве сырья для извлечения полезных компонентов рассматривалось в работах Панова Б.С., Алехина В.И., Мигули П.С., Арбатова А.А., Астахова А.С., Лаверова Н.П., Толкачева М.В., Тумановой Е.С, Цибизова А.Н. и др. Существует большое число данных о перспективах породных отвалов для получения глинозема (Al2О3), Ge, Sc, Ga, Y, V, Ni и пр. [3-5, 14, 15].

Кафедрой «Полезные ископаемые и экологическая геология» ДонНТУ в последние годы были проведены всесторонние исследования некоторых терриконов города Донецка с целью выявления возможных направлений использования пород этих отвалов. Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что породы терриконов пригодны для изготовления керамзита, насыпных грунтов и в качестве удобрений.

2. Природные условия исследуемой территории

Климат

Основными климатическими факторами миграции и локализации загрязняющих веществ являются температурный режим территории, количество и состав атмосферных осадков, направление и скорость ветров.

В климатическом отношении исследуемая территория относится к местностям с умеренно-континентальным климатом.

Общие климатообразующие факторы представлены солнечной радиацией, циркуляцией атмосферы и подстилающей поверхностью.

Температура воздуха является косвенным фактором миграции и локализации компонентов загрязнителей. Вследствие повышения температуры воздуха усиливаются процессы горения терриконов и увеличиваются объемы выбросов. Наблюдается активная миграция и дифференциация загрязняющих веществ вокруг источников. В засушливый период преобладают процессы дефляции, во время паводков – линейная и плоскостная водная эрозия. В холодный период года миграционная активность загрязняющих веществ источников углеотходов уменьшается, резко снижается роль биологического и микробиологического факторов.

Атмосферные осадки определяют гидродинамический и гидрохимический режим территории. Затяжные, неинтенсивные дожди способствуют питанию подземных водоносных горизонтов, которые питают затем поверхностные водотоки. Подъем уровня грунтовых вод приводит к подтоплению и заболачиванию территорий. В связи с этим, меняются условия почвообразования, проявляются глеевые анаэробные процессы, испарительный барьер и застойный характер водного режима способствует засолению и загрязнению почв.

Ветровой режим является основным фактором миграции выбросов в атмосферный воздух. Направление миграции, закономерности дифференциации компонентов выбросов вокруг источников, масштабы ореолов рассеивания напрямую зависят от направления и скорости ветра.

Стратиграфия и литология

В геологическом строении района принимают участие отложения среднего и верхнего карбона, перекрытые четвертичными и палеогеновыми отложениями. В западной части района на размытой поверхности карбона залегают породы триасового и мелового возраста.

Выходы нижнекаменноугольных отложений прослеживаются на южной окраине Донецко-Макеевского района.

Среднекаменноугольные отложения согласно залегают на поверхности нижнего карбона. Суммарная мощность отдела возрастает от 1800-1900 м на юго-западе района до 3400-3450 м на северо-востоке. В литологическом составе толщи среднего карбона преобладают глинистые и алевритовые сланцы 54-59%, на долю песчаников приходится 20-41%, содержание известняков меняется от 0,5-4%, содержание угольных пластов и пропластков колеблется в пределах 0,05-2,5%.

Основными угленосными свитами района являются свиты С23, С25, С26, С27.

Для верхнекаменноугольных отложений характерным является согласное залегание на породах свиты С27 и резкое уменьшение степени угленосности.

Мезозойские отложения залегают на размытой поверхности карбона с явным угловым несогласием. Эти отложения представлены осадками верхнего триаса и верхнего мела, развиты в виде узкой полосы под палеогеновыми породами в осевой части Волчанской синклинали.

На севере и западе района с резким угловым несогласием на размытой поверхности мезозоя и палеозоя залегают отложения палеогена и неогена. В этой толще выделяются отложения харьковского яруса и полтавской свиты, а также осадки бучакского яруса.

Четвертичные отложения почти повсеместно покрывают площадь района. Отложения водоразделов представлены красными гипсоносными глинами мощностью 20 м, покрытыми желто-бурыми лессовидными суглинками мощностью 10 м. Отложения склонов рек и балок представлены переотложенными красными глинами и суглинками с примесью обломков коренных пород. Аллювиальные осадки состоят из гравия, галечника, песков и илов [16].

3. Классификация породных отвалов и определение факторов и процессов воздействия на геологическую среду

В настоящее время в пределах г. Донецка, расположено более 140 породных отвала, занимающих площадь около 10 млн. м2. Высота породных отвалов угольных шахт изменяется в пределах 8–124 м.

В данной работе была проведена типизация отвалов по ряду признаков.

По тепловому состоянию породные отвалы делятся на горящие, потухшие и не горевшие. Значительная доля действующих породных отвалов являются горящими (№1 ш. Горького, №1 ш. им. Челюскинцев, №3 ш. Абакумово) – 28 из 32. Среди терриконов, выведенных из эксплуатации, 25 горящих (№12 Ф. Кона, №1-7 Ветка) и 81 не горящих или потухших (№2 Ф. Кона, №2 Паровичная, №1-2 ш. Горького).

По морфологии шахтные отвалы подразделяются на:

По наличию рекультивации на:

Породная масса как компонент геологической среды представляет собой техногенные осадки, находится в неравновесном состоянии и под действием внутренних и внешних факторов претерпевает закономерные преобразования, которые определяются понятием диагенеза. При этом ведущая преобразующая роль принадлежит аэробным и анаэробным микроорганизмам при активном участии метеорных вод.

В теле породных отвалов формируется временная или постоянная зона водонасыщения. При этом залегающие в основании отвала суглинки, аллювиальные глины или глинистые коры выветривания, служат водоупором для формируемого техногенного водоносного горизонта. Верхняя часть зоны водонасыщения обогащена кислородом, что в присутствии высокой концентрации сульфидной серы и органического вещества благоприятствует развитию окислительных процессов с выделением тепла.

Температурное воздействие на отвальные породы сопровождается преимущественно их выгоранием и спеканием. Гораздо реже процесс горения породной массы приводит к плавлению.

Наиболее широко распространены окислительные изменения отвальных пород без значительного температурного воздействия.

Наибольшую экологическую опасность представляют активно горящие породные отвалы. В процессе проведенных исследований на всех обследованных отвалах даже при отсутствии очевидных очагов горения отмечаются следы окислительных процессов, проявленные выделениями свежей фумарольной сульфатной минерализации.

Анаэробные процессы преобразования породной массы терриконов, проявлены в нижней части зоны водонасыщения.

Вся совокупность процессов преобразования отвальных пород представляет экологическую опасность. Окислительные процессы сопровождаются выбросами различных окислов, паров серной кислоты, летучих соединений металлов и токсичных элементов. Анаэробные процессы сопровождаются выбросами аммиака, сероводорода. При этом аэробные и анаэробные процессы с разной степенью активности могут одновременно происходить в одном отвале.

Обследование поверхности отвалов позволяет разделить их по температурному режиму, прошедших ранее процессов окисления и горения. Наиболее высокие температуры (более 800оС), вызвавшее плавление пород, установлены на отвале ш. Путиловская и №1 ш. Панфиловская (рис. 1).

Отвал ш. Путиловская. В образце аргиллита отчетливо проявлено послойное плавление. Продукты плавления в виде пористого шлакообразного материала

Рисунок 1 – Отвал ш. Путиловская. В образце аргиллита отчетливо проявлено послойное плавление. Продукты плавления в виде пористого шлакообразного материала

На значительной части отвалов установлено очаговое горение породной массы, сопровождавшееся спеканием и литификацией обломков. Признаки такого уровня температур (200-800оС) установлены на отвалах: ш. им. Ф. Кона, №1 шх. Мария, ш. им. Калинина №7-8 и др.

Около половины обследованных отвалов с поверхности, даже при наличии глубоких срезов вершины и склонов, не обнаруживают признаков активного горения породной массы. Подобными признаками отличаются отвалы: ш. Владимир, №4 ш. им. Горького.

Отвалы ш. Центрально-Заводская и №1 ш. Шверинка, могут быть выделены в связи с незначительными процессами окисления породной массы.

4. Методика выполнения эколого-геохимических работ

В настоящее время методики отбора проб породной массы не существует, поэтому при проведении опробования была использована методика отбора литохимических проб [17]. Данной методикой предусмотрен отбор проб с учетом структурно-вещественных признаков пород. При этом отбор проб осуществляется по определенной сети с определенной площадки при отборе площадных проб. Площадные пробы отбираются при изучении площадных изометричных структур или рыхлых перемешенных природных или техногенных образований. Площадные пробы составляются из нескольких точечных проб. Вес конечной пробы должен превышать 1 кг. Площадные пробы отбирались с разных частей терриконов.

Наиболее разнообразны по составу участки окисления и горения терриконов. Здесь отмечается разнообразие техногенных минералов, среди которых преобладают сульфаты фумарольного происхождения. Вокруг очагов горения выделяются зональное распределение новообразованных минералов. Поэтому при опробовании были учтены все разнообразие первичных и техногенных вторичных пород.

Наиболее перспективными на предмет обнаружения полезных компонентов являются аргиллиты – тонкодисперсные породы, изначально формировавшиеся в качестве донных отложений каменноугольных бассейнов осадконакопления. Площадные пробы отбирались с поверхности склона, верхушки, вдоль эрозионных врезов, характеризуют всю его поверхность или ее часть. Всего в соответствии с программой было отобрано 100 литохимических проб с поверхности 29 отвалов.

5. Оценка влияния породных отвалов на компоненты окружающей природной среды

В процессе проведенных исследований было изучено распределение 42 химических элементов в отвальных породах по данным 100 проб, отобранных из 29 отвалов. Для определения закономерностей распределения химических элементов в выделенных лито- и петротипах пород были составлены соответствующие разным типам пород выборки проб. Вся совокупность проб была разделена на группы: условно первичные аргиллиты темно-серого черного цвета (35 проб); аргиллиты из действующих зон окисления с высыпками, пропиткой и налетами фумарольной минерализации (16 проб); окисленные и горелые кирпично-красные породы (36 проб); пестро окрашенные комковатые аргиллиты – тонштейны (13 проб).

В результате обработки в выделенных петротипах установлен однотипный геохимический спектр и численно близкий уровень концентрирования элементов (табл. 1).

Таблица 1. Средние кларки концентрации (Кс) элементов, рассчитанные по выборкам проб разных типов породных образований и по породным отвалам в целом

Петротипы пород Аргиллиты черные Зоны окисления Аргиллиты красные Аргиллиты пестрые Средние Кс по отвалам
Pb 1,49 1,76 1,41 1,48 1,5
V 0,81 0,79 0,81 0,79 0,81
Ga 0,59 0,63 0,64 0,6 0,62
Ni 0,97 1,01 0,96 1 0,98
Cr 1,32 1,27 1,28 1,32 1,3
Ge 0,69 0,7 0,68 0,75 0,7
Co 0,97 0,97 0,99 0,97 0,98
Bi 4,89 4,93 5,19 4,86 5
Be 0,71 0,71 0,71 0,71 0,71
Nb 1,64 1,73 1,72 1,71 1,69
Mo 0,87 0,9 0,95 0,89 0,91
Sn 1,39 1,36 1,39 1,34 1,38
Li 0,57 0,63 0,59 0,57 0,58
Cu 1,01 1,18 1,08 1 1,06
Zr 1,01 0,99 1,05 1,01 1,02
Yb 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2
Y 0,62 0,6 0,62 0,62 0,62
La 0,4 0,39 0,4 0,41 0,4
Ti 0,92 0,91 0,91 0,98 0,92
Mg 0,63 0,66 0,66 0,7 0,65
Mn 0,82 0,82 0,84 0,82 0,83
Ca 2,2 2,32 2,3 2,4 2,28
Zn 1,5 1,5 1,67 1,67 1,58
Sc 0,6 0,6 0,59 0,62 0,6
Ag 0,27 0,28 0,26 0,47 0,29
B 0,46 0,41 0,41 0,41 0,43
Hg 0,74 0,8 0,86 0,67 0,79

Основными факторами воздействия на геологическую среду прилегающих к породным отвалам территорий являются воздушная и водная миграция компонентов отходов. В процессе воздушной миграции вокруг терриконов в почвах формируются ореолы рассеивания. В процессе водной миграции в зоне аэрации и в верхней части зоны водонасыщения формируются ореолы гидрогенного замещения.

В зонах влияния отвалов с очагами горения и окисления устанавливается ореол загрязнения атмосферного воздуха, проявленный ростом концентраций пыли, двуокиси серы, двуокиси азота, окиси углерода и сероводорода. Максимальное загрязнение устанавливается на расстоянии до 300-600 м. Динамика загрязнения определяется климатическими условиями.

В результате воздушной миграции компонентов выбросов в почвах прилегающих территории формируется ореол загрязнения. Превышения ПДК отмечаются для Pb, As, Cd, Zn, Mo, Hg, Cu, SO42-.

Водная миграция компонентов отходов начинается внутри тела отвала, этому способствуют процессы преобразования отвальных пород. Данные ореолы контролируют аномальные концентрации широкого спектра токсичных элементов: Cd, Pb, Cu, Zn, Mo, As, Hg, Bi.

Экологическая опасность породных отвалов (рис. 2) определяется тем, что даже при фоновых концентрациях токсичных компонентов в породной массе процессами окисления и горения они переводятся в подвижное состояние, мигрируют воздушным и водным путем в окружающую среду прилегающей территории. При этом токсичные элементы могут образовывать ореолы загрязнения в почвах, водоносных горизонтах, концентрироваться на различных барьерах, накапливаться в донных отложениях.

Схема негативного влияния породных отвалов на окружающую среду

Рисунок 2 – Схема негативного влияния породных отвалов на окружающую среду

6. Оценка перспектив отвальных пород в качестве вторичного сырья

Традиционно при изучении породных отвалов проводятся исследования на возможность их использования в качестве вторичного сырья для извлечения полезных компонентов.

Для изучения распределения глинозема в отвальных породах были выбраны 50 проб. Из отобранных проб на определение содержания глинозема 37 проб представлены окисленными аргиллитами и 13 проб – тонштейнами.

Полученные результаты позволили разделить породные отвалы по концентрации глинозема в слагающих их аргиллитах. Наименьшие концентрации глинозема (11,7%) установлены в аргиллитах отвала ш. №3 Трампарковая. В основной части отвалов содержание глинозема находится на уровне 20-25%. Лишь в нескольких пробах концентрация глинозема превысили 25%: пр. 28 (25,22%, отвал №2 ш. им. Горького); пр. 37 (26,26%, отвал №1 ш. Панфиловская); пр. 83 (25,22%, отвал №1 ш. Заперевальная); пр. 33 и 35 (25,48% и 29,90%, соответственно, отвал №1 ш. Мария); пр. 94 (29,40%, отвал №2 ш. №4 Ливинка). На диаграмме изображено соотношение породной массы отвалов с определенной концентрацией глинозема (рис. 3).

Диаграмма соотношения количества породной массы отвалов в соответствии с уровнями концентрации Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>

Рисунок 3 – Диаграмма соотношения количества породной массы отвалов в соответствии с уровнями концентрации Al2O3

Количество отходов с концентрацией глинозема более 20% в пределах обследованных отвалов достигает 87 млн. т. В них сосредоточено около 20 млн. т глинозема.

Одним из перспективных направлений использования отвальных пород в качестве сырья для производства строительных материалов. Простым способом утилизации является переработка отвальных пород в щебень и использование его в качестве дорожного покрытия.

Физико-механические свойства горелых пород позволяют использовать их в строительстве, для устройства тротуаров, автодорог, при устройстве нижнего слоя двухслойных оснований под асфальтобетонные покрытия.

Все вышесказанное свидетельствует о необходимости продолжения работ по изучению вещественного состава терриконов г. Донецка с целью выработки рациональной схемы переработки накопленных экологически опасных отходов, что позволит решить две важнейшие задачи – улучшение экологической обстановки в городе и вовлечение в производство легкодоступного и дешевого минерального сырья.

Список источников

  1. Ф. Пек. Оценка рисков в Донецком бассейне. Закрытие шахт и породные отвалы, UNEP Grid Arendal, 2009, с. 171.
  2. Горбачева Е.Ю., Выборов С.Г. Сборник докладов на ХXIІ Всеукраинскую научную конференцию аспирантов и студентов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» — Донецк, ДонНТУ.
  3. Алехин В.И., Мигуля П.С., Проскурня Ю.А. Минералого-петрографические и эколого-геохимические особенности пород терриконов Донбасса (на примере Донецко-Макеевского промышленного района) // Сб. научн. тр. НГА Украины. – Днепропетровск. – 1998. – Т. 5, №3. – с. 35-39.
  4. Алехин В.И., Проскурня Ю.А. Экологические аспекты геохимии породных отвалов шахт// Сб. мат. конф. ”Актуальные проблемы геологии Украины”. – Киев. – 1998. – 53 с.
  5. Изучение шахтных терриконов Донецко-Макеевского района как новых видов минерального сырья / Панов Б.С., Алехин В.И., Мигуля П.С. и др. // Отчет по НИР. – Донецк: Фонды ДонГТУ. – 1993. – 70 с.
  6. Зборщик М.П., Осокин В.В. Предотвращение самовозгорания горных пород. – К.: Техніка, 1990. – 176 с.
  7. Зборщик М.П., Осокин В.В. Предотвращение экологически вредных проявлений в породах угольных месторождений. – Донецк: ДонГТУ, 1996. – 178 с.
  8. Панов Б.С. Некоторые вопросы экологической минералогии Донецкого бассейна // Минералогический журнал. – 1993. – Т. 15, №6. – с. 43-50.
  9. Веселовский В.С., Алексеева Н.Д., Виноградова Л.П. Самовозгорание промышленных материалов. – М.: Наука, 1964. – с. 242.
  10. Саранчук В.И. Окисление и самонагревание угля. – К.: Наук. Думка, 1982. – 168 с.
  11. Скочинский А.А., Огиевский В.М. Рудничные пожары. – М.: Углетехиздат, 1954. – 387 с.
  12. Стадников Л.Г. Самовозгорающие угли и породы, их геологическая характеристика и методы опознавания. – М.: Углетехиздат, 1956. – 478 с.
  13. Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Токсичные элементы-примеси в ископаемых углях. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. – 602 с.
  14. Нетрадиционные ресурсы минерального сырья / А.А. Арбатов, А.С. Астахов, Н.П. Лаверов, М.В. Толкачев. – М.: Недра, 1988. – 253 с.
  15. Техногенные ресурсы минерального строительного сырья / Туманова Е.С, Цибизов А.Н., Блоха Н.Т. и др. – М.: Недра, 1991. – 208 с.
  16. Аммосов И.И. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. – М.: Гостехиздат, 1963. – Т. 1: Донбасс. – 1210 с.
  17. Дубровский Е.М. Организация породного хозяйства угольных шахт. – М.: Недра, 1979. – 112 с.