Минералого-геохимическое преобразование породных отвалов и их влияние на окружающую среду

Автор: С. Г. Выборов, А. А. Силин, В. В. Разумова

Источник: Сборник докладов на XVII Международный научный симпозиум им. академика М.А.Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» - Томск, 2013

Аннотация: В данной работе были рассмотрены процессы горения и окисления пород, приводящие к их значительному преобразованию.. Полученные результаты позволили авторам классифицировать отвалы не просто по их состоянию, выделяя при этом горящие, не горящие и перегоревшие породные отвалы, а рассматривать их по отношению к более широко проявленным процессам окисления, частным случаем проявления которых является горение породной массы.

Содержание работы:

Развитие угольной промышленности Украины привело к образованию большого количества отходов добычи, которые складируются в виде породных отвалов. Ныне породные отвалы неотъемлемая часть ландшафтов Донбасса. Только в г. Донецке насчитывается 138 отвалов. При этом высота этих техногенных породных образований достигает 130 м. По форме выделяют плоские, конические, хребтовидные и усеченные конические отвалы. Авторами детально исследованы тридцать два отвала центральной части г. Донецка.

Породные отвалы, располагающиеся в пределах населенных пунктов, представляют значительную экологическую опасность независимо от их состояния. Общеизвестным и доказанным считается, что наибольшую опасность представляют горящие отвалы [1, 2, 3]. Однако в процессе проведенных авторами изысканий в течение 2009-2012 гг. на всех обследованных отвалах даже при отсутствии очевидных очагов горения отмечаются следы окислительных процессов, проявленные выделениями свежей фумарольной сульфатной минерализации. Эти наблюдения позволили сделать вывод о том, что аэробные окислительные процессы в той или иной степени проявлены на всех отвалах, на части из них они приводят к активному очаговому горению, которое сопровождается выгоранием и спеканием породной массы, а местами ее плавлением. Окислительные процессы не всегда сопровождаются горением пород, захватывают отвалы практически в полном объеме и протекают на протяжении длительного времени по сравнению с продолжительностью активной фазы горения. В этой связи медленные окислительные процессы также представляют значительную экологическую опасность для прилегающих территорий. Загрязнению подвергаются почво-грунты вокруг отвалов, грунты зоны аэрации, грунтовые воды и атмосферный воздух.

Полученные результаты позволили авторам классифицировать отвалы не просто по их состоянию, выделяя при этом горящие, не горящие и перегоревшие породные отвалы, а рассматривать их по отношению к более широко проявленным процессам окисления, частным случаем проявления которых является горение породной массы. Процессы горения и окисления пород приводят к их значительному преобразованию и перераспределению вещества. В ходе исследований было установлено, что преобразование первичных пород в теле породного отвала носит закономерный характер и имеет общие черты. Наиболее широко распространены окислительные изменения отвальных пород без значительного температурного воздействия. Первично черные, темно-серые породы при этом приобретают кирпично-красный цвет, однако обломочная масса сохраняет рыхлое сложение и достаточно легко поддается ручной разборке. Размеры зон окисления на обследованных отвалах колеблются в широких пределах и могут составлять как несколько десятков сантиметров, так и несколько десятков метров.

Визуально в очагах окисления отчетливо выделяются 4 зоны. Первая из них представлена исходными обломочными породами черного цвета, с включениями кусочков угля. Далее следует вторая – переходная зона, в которой породы приобретают серый, вишнево-бурый цвет. При этом отмечается пропитка пород мелко-тонкокристаллической серой желтого цвета и белой сульфатной минерализацией, образующей налеты, корочки, прожилки и различной формы вкрапления. Третья зона выделяется кирпично-красной окраской пород, пропитанных белой сульфатной минерализацией, которая заполняет межобломочное пространство и трещины. Эта зона постепенно переходит в четвертую, где породы имеют кирпично-красный цвет, однако минеральные новообразование визуально не обнаруживаются. Она сложена полностью окисленными породами.

Таким образом, становится очевидным, что процесс окисления является причиной перераспределения микро- и макрокомпонентов, приводит к переходу их в подвижное состояние и активной воздушной и водной миграции в окружающую среду. При этом основными факторами миграции выступают не только температура, но и кислотность среды. В таблице 1 приведены значения рН и некоторых наиболее важных компонентов по зонам очагов окисления для двух породных отвалов г. Донецка, на которых в ходе обследования наиболее явно были выявлены процессы преобразования пород.

Таблица 1. Характеристика зон окисления пород

Зоны очага окисления	Результаты анализа водной вытяжки							Валовая концентрация
Зоны очага окисления	рН, ед.	SO42-, мг/кг	Cl-, мг/кг	Fe3+, мг/кг	H+, мг/кг	Сухой остаток, мг/кг		Cd, мг/кг	Co, мг/кг	Hg, мг/кг	Pb, мг/кг	Zn, мг/кг
отвал ш. Заперевальная
Первая	6,12	603	108	н. о.	н. о.		1138	2	9,5	0,08	18,4	33,5
Вторая	1,53	23032,5	13115	656	5875,7		38887,5	2	4	0,02	8,2	37,6
Третья	6,2	5652	1292,5	н. о.	н. о.		10919,5	2	1,75	0,045	19,35	34,35
Четвертая	6,44	6137	96	н. о.	н. о.		8872	1,75	1,5	0,075	26,5	20,4
отвал ш. Владимир
Первая	6,89	5873	115	н. о.	н. о.		9846	1,7	8,4	0,015	25,8	39,6
Вторая	1,74	31687	212	3429	182		42866	2	6,3	0,025	22,2	43,8
Третья	3,79	37291	172	786	1,62		51161	2	3,8	0,06	28,2	37,4
Четвертая	2,98	33669	173	875	10,5		46952	1,2	2,5	0,045	24,4	26,7

Как видно из таблицы наиболее кислая среда характерна промежуточным зонам окисления. Это обусловлено концентрированием тут сульфатов. Для зоны окисления характерно наличие растворимого в воде железа в высокой степени окисления (Fe3+). Благодаря чему, окисленные породы приобретают кирпично-красный цвет. На отвалах шахт Заперевальная и Владимир именно в зоне проявления желтой сульфатной минерализации отмечаются высокие концентрации Fe3+ – 656 и 3429 мг/кг соответственно. Далее, по мере дальнейшего преобразования пород, происходит вымывание легкорастворимых солей, образовавшихся в сильнокислой и кислой средах, и их миграция в окружающую природную среду. Большинство металлов образуют растворимые соли в соединении с сульфатами, которые активно выносятся из зоны окисления при её промывке атмосферными осадками. Так наиболее активной мобилизации и выносу подвергаются Cd, Zn, Co, Pb и Hg, максимум их концентраций в основном приходится на третью зону. Для этих элементов характерно неравномерное распределения, подтверждающие их дифференциацию в процессе преобразования отвальных пород. По мере промывки атмосферными осадками и завершения процесса окисления, концентрация сульфатов падает, и кислотность среды нормализуется. Компоненты отвальных пород переходят обратно в нерастворимое состояние и их вынос из зоны окисления практически полностью прекращается.
Из вышесказанного следует, что наибольшая экологическая опасность породных отвалов предопределена наличием очагов окисления и горения пород. В ходе преобразования отвальной массы значительная часть компонентов переходит в подвижную форму и подвергается выносу в прилегающие к породным отвалам компоненты окружающей среды. При этом интенсивность влияния породного отвала на окружающую природную среду прямо пропорционально активности процессов окисления, происходящих в теле отвала.
При изучении состояния почво-грунтов прилегающих к отвалам территорий было установлено, что основными компонентами загрязнения являются кадмий, ртуть, цинк, мышьяк, свинец. Местами коэффициент концентрации кадмия превышает 20 ед.
В процессе активного горения и медленного окисления породной массы происходит формирование значительного объема парогазовых выбросов, которые попадают на поверхность по подводящим каналам. Наибольшую опасность представляются выбросы паров серной и соляной кислот. С выбросами пыли, паров и газов в окружающую среду воздушным путем мигрируют токсичные микроэлементы.
Водная миграция компонентов отходов начинается внутри тела отвала, этому также способствуют процессы преобразования отвальных пород. Из тела отвала происходит миграция компонентов отходов в подстилающие его грунты зоны аэрации и водоносные горизонты. В результате по периметру отвала в соответствии с направлением подземного потока формируется ореол техногенного замещения грунтов, который наиболее проявлен в верхней части зоны водонасыщения в виде интенсивного развития прожилково-вкрапленных агрегатов и желваков гипса размером до 20 см. В пределах ореола замещения существенно меняются геохимические показатели и физико-механические характеристики грунтов, их агрессивность. Данные ореолы контролируют техногенные аномалии широкого спектра токсичных элементов: кадмия, свинца, меди, цинка, молибдена, мышьяка, ртути, висмута, селена. Ореолы замещения динамически развиваются в пределах зоны гипергенеза, характеризуются горизонтальной и вертикальной зональностью, обусловленной закономерным изменением показателей рН и Еh грунтовых вод. Ореолы замещения оказывают влияние на состав грунтовых вод и их физико-химические показатели.
Таким образом, проблематика негативного экологического воздействия породных отвалов, размещенных в пределах населенных пунктов Донбасса, является современной и актуальной. Однозначных решений в сфере обращения с породными отвалами не найдено. Отвалы однозначно являются экологически опасными объектами. Их разборка и вывоз за пределы города сопровождается вскрытием очагов окисления и горения и интенсивными выбросами серной кислоты.
Мероприятия по рекультивации и озеленению отвалов снижают негативное воздействие отвалов незначительно. Количественные показатели, подтверждающие эффективность рекультивационных мероприятий, отсутствуют. Срезанная поверхность отвалов, формируемая при рекультивации, способствует активизации процессов окисления и горения. Неровная с буграми и впадинами «плоская» поверхность способствует проникновению атмосферных осадков в тело отвалов и активизации аэробных, а иногда и анаэробных микробиологических процессов.
Породные отвалы можно использовать в народном хозяйстве, однако каждый конкретный случай требует дополнительного изучения, для оценки всех факторов риска. Перспективным является использование отвальной массы в строительстве. В первую очередь использование ее после дробления в качестве подсыпки для дорог либо фундаментов сооружений.

Список литературы:

Выборов С. Г. К оценке влияния породных отвалов на окружающую среду городских территорий/ С. Г. Выборов, Р. В. Кишкань, А. А. Силин // Форум горняков – 2010: междунар. научн.-техн. конф. – Днепропетровск, 2010. – С. 238–246.
Выборов С.Г. Экологические последствия структурно-вещественных преобразований отвальных пород терриконов/ С. Г. Выборов, Ю. А. Проскурня, А. А. Силин // Наук. праці ДонНТУ. Сер. Гірничо-геолог. – 2010. – Вип. 11 (161). – С. 155-160.
Зборщик М.П., Осокин В.В. Предотвращение экологически вредных проявлений в породах угольных месторождений/М.П. Зборщик, В. В. Осокин// – Донецк: ДонГТУ, 1996. – 178 с.