Аннотация
Выборов С. Г. – Особенности воздействия отходов улеобогащения на геологическую среду. Рассмотрены особенности воздействия породных отвалов и илонакопителей углеперерабатывающих предприятий на геологическую среду.
Содержание работы
В породных отвалах и различных накопителях на территории Донбасса сосредоточены огромные массы отходов. Воздействие данных объектов на окружающую среду изучено весьма поверхностно, что связано с отсутствием в большинстве случаев системы регулярного комплексного мониторинга зон влияния породных отвалов и илонакопителей.
Наиболее распространен мониторинг атмосферного воздуха под факелом горящих породных отвалов и температурная съемка их поверхности. При этом определяются концентрации весьма ограниченного круга компонентов: оксида углерода, пыли, диоксида азота, диоксида серы, сероводорода. Рассеивание вокруг накопителей отходов других компонентов, включая токсичные элементы, их миграция и дифференциация практически не исследуются, что затрудняет достоверную оценку степени экологической опасности исследуемых выбросов.
Опыт мониторинга свидетельствует о существенном влиянии горящих породных отвалов на степень и характер загрязнения токсичными элементами почв прилегающих территорий, т. е. об их экологической опасности [1,2]. Главные элементы в ореолах загрязнения – кадмий, ртуть, свинец, нередко мышьяк. Вокруг породных отвалов формируется ореол сульфатного засоления почв, грунтов зоны аэрации и водовмещающих пород.
Отходы углеобогащения размещаются на породных отвалах и в илонакопителях, их воздействие на геологическую среду различается, что обусловлено водным режимом данных объектов: отвалы сухие, а илонакопители обводненные.
Породная масса, изъятая из недр на земную поверхность, механически раздробленная и перемешанная, неизбежно подвергается преобразованию в соответствии с новыми неравновесными условиями. Для породных отвалов характерны процессы, связанные с выветриванием породной массы, с ветровой и водной эрозией поверхности. Однако наиболее разнообразны процессы, происходящие внутри отвальных пород. В крупных отвалах в нижней части под влиянием атмосферных осадков формируется временная зона водонасыщения. Выше преобладают окислительные аэробные процессы, ниже – анаэробные. Сочетание этих процессов в пределах одного породного отвала доказывается составом выбросов, а именно одновременным присутствием в них диоксида серы и сероводорода. Формирование очага окисления с высокой температурой и проникновение в него легко-воспламеняющихся газов – сероводорода и меркаптанов, приводят к самовозгоранию породной массы [3].
В породных отвалах устанавливается несколько стадий температурного преобразования пород: окисления, спекания и плавления. В процессе окисления породы приобретают кирпично-красный цвет (обусловлен пропиткой оксидами железа), местами отмечаются налеты сульфатной минерализации. Первичные структурно-вещественные признаки обломков пород не изменяются. Породная масса сохраняет слоистость отсыпки. Данной стадии преобразования подвергнута большая часть отвалов, в том числе горящих, в которых продукты окисления расположены во внешних зонах по периферии очагов горения.
Стадия спекания проявлена во внутренних частях горящих породных отвалов. Породы приобретают яркую кирпично-красную окраску, однако сохраняют свои первичные текстурно-структурные особенности, в частности сланцеватость, слоистость, обломочную структуру. Одновременно формируется субпослойная и субсланцеватая пористость, отмечается перекристаллизация минерального субстрата. По поверхности и порам развиваются налеты серого ангидрита, белых, местами желтоватых за счет серы, сульфатов натрия. Породная масса приобретает монолитность стадии вторичной техногенной литификации. Эти образования слагают внутренние части породных отвалов.
Стадия плавления проявлена локально и характерна для небольшого числа отвалов. Плавление пород сопровождается выделением значительных объемов газов, что отражается в пористой текстуре вновь образующихся шлакообразных пород темно-серого и черного цветов. В этих участках породы полностью преобразованы, первичные структурно-текстурные признаки не устанавливаются.
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, а в процессе водной миграции в зоне аэрации и в верхней части зоны водонасыщения – ореолы гидрогенного замещения.
В качестве типичного примера рассмотрим горящий плоский породный отвал ООО «Моспинское углеперерабатывающее предприятие», расположенный на северо-западной окраине г. Моспино. В процессе регулярного мониторинга в зоне его влияния установлен ореол загрязнения атмосферного воздуха, проявленный ростом концентраций контролируемых компонентов: пыли, диоксидов серы и азота, оксида углерода и сероводорода, определены превышения максимально-разовых предельно допустимых концентраций (ПДК м. р. ).
Максимальное загрязнение зафиксировано на расстоянии L = 320…640 м от отвала (рис. 1). На удалении более 1 км превышения ПДК не отмечены. Динамика загрязнения определяется климатическими условиями. В летний период повышение температуры сопровождается усилением процессов горения внутри террикона и объемов выбросов. Наиболее масштабные загрязнения наблюдаются в июне, июле и августе. Снижение температуры и повышение влажности атмосферного воздуха в сентябре способствуют локализации очагов горения и уменьшению выбросов. Ореолы загрязнения значительно сокращаются, превышения ПДК м. р. отмечаются на расстоянии до 320 м.
Рис. 1. Динамика основных показателей загрязнения атмосферного воздуха в наиболее неблагоприятный период года (июль месяц) за период с 2006 г. по 2010 г.
В результате воздушной миграции компонентов выбросов в почвах прилегающей территории формируется ореол рассеивания, проявленный геохимическими аномалиями. Превышения ПДК отмечаются для свинца, мышьяка, кадмия, цинка, сульфатов. Спектр элементов, образующих геохимические аномалии, дополняется ртутью и в отдельных пробах – медью. Выделенные токсичные элементы типичны для отвальных пород, они образуют сульфиды или изоморфно входят в их состав. При окислении сульфидов, особенно в процессе горения, данные элементы переходят в подвижное состояние и способны мигрировать как воздушным, так и водным путем.
Водная миграция компонентов отходов начинается внутри тела отвала, чему способствуют процессы преобразования отвальных пород. Из техногенной зоны водонасыщения или со стороны участков локального увлажнения отвала компоненты отходов мигрируют в подстилающие отвал грунты зоны аэрации и водоносные горизонты. В результате по периметру отвала в соответствии с направлением подземного потока формируется ореол техногенного замещения, который наиболее проявлен в верхней части зоны водонасыщения в виде интенсивного развития желваков гипса размером до 20 см и прожилково-вкрапленных агрегатов. Данные ореолы контролируют аномальные концентрации широкого спектра токсичных элементов: кадмия, свинца, меди, цинка, молибдена, мышьяка, ртути, висмута, селена. Ореолы замещения водовмещающих пород контролируют сульфатно-натриевый состав подземных вод при уровне минерализации от 2,5 до 5 мг/дм³. В водах также устанавливаются аномальные концентрации микроэлементов, главные из которых – железо и марганец из водовмещающих пород в анаэробных условиях переходят в подвижное состояние. Ореол замещения динамически развивается во времени и пространстве.
Исследуемые илонакопитель и площадка просушки отходов углеобогащения ООО «Моспинское углеперерабатывающее предприятие» расположены на южной окраине города в пойме р. Грузская. С севера участок их размещения ограничен железной дорогой и промплощадкой предприятия, с южной – р. Грузская. К западу в 120 м от илонакопителя и в 220 м к востоку от площадки просушки находятся ближайшие жилые застройки (рис. 2).
Рис. 2. Карта ореолов воздействия илонакопителя Моспинского УПП на компоненты геологической среды
Основное воздействие илонакопитель оказывает на водную среду прилегающей территории. Почвы загрязняют лишь в процессе пыления со стороны илонакопителя и площадки просушки в засушливый и морозный периоды года.
В процессе осаждения компонентов выбросов на земную поверхность образуются вторичные ореолы рассеивания в почвах. Отходы углеобогащения характеризуются своеобразным геохимическим спектром, который отличается от геохимического спектра первичных почв. Это позволяет определить границы пылевого ореола, локализованного в почвенном слое. Вокруг илонакопителя формируется комплексный аномальный геохимический ореол, где устанавливаются повышенные концентрации кадмия, ртути, мышьяка, свинца, меди, цинка. Причем спектр элементов и интенсивность аномалий периодически меняются в зависимости от геохимической специализации перерабатываемого сырья, что прослеживается в рамках четырех этапов наблюдения с 2007 по 2010 годы. Так, в 2007 г. основные аномалии были установлены для кадмия и ртути, в 2008 и 2009 гг. – для кадмия, ртути, свинца и мышьяка, а в 2010 г. – для кадмия, меди, свинца, цинка и мышьяка. Ореол загрязнения почв распространяется на расстояние 100–150 м от илонакопителя и площадки просушки (см.рис. 2).
Воздействие илонакопителя на подземные воды определяют существованием по его периферии купола растекания. Подземные воды на участке размещения илонакопителя залегают на глубине от 0,1 до 5 м. Водовмещающие здесь – делювиальные суглинки, аллювиальные глины и илоподобные образования. Кроме этого, на участках заболачивания грунтовые воды выходят на поверхность, и водовмещающим является почвенный горизонт. Уровенная поверхность комплекса в сглаженном виде повторяет рельеф местности. В плане подземный поток-плоскорадиальный расходящийся, уровенная поверхность от илонакопителя снижается на юг, юго-восток и юго-запад к р. Грузская – естественной гидродинамической границы для илонакопителя и прилегающей территории.
Вокруг илонакопителя формируется незначительное куполообразное повышение уровня залегания вод. Это обусловлено фильтрацией техногенных вод из чаш илонакопителя в нижележащие горизонты и проявлено существованием по его периметру подтопленных участков. К востоку и к западу от него уровенная поверхность выравнивается в соответствии с рельефом и с уклоном к р. Грузская. Влияние илонакопителя и площадки просушки на уровенный режим территории незначительно, проявляется преимущественно в западном и южном направлениях на расстояние до 100 м.
Под действием региональных факторов (деятельности промышленных предприятий городов Донецка и Макеевки) в пределах исследуемой территории подземные воды приобрели сульфатный натриевый состав при уровне минерализации 3–4 мг/дм³. Воды р. Грузская, откуда подпитывается система гидроудаления отходов углеобогащения рассматриваемого предприятия, имеют преимущественно сульфатный натриевый состав и минерализацию на уровне 2 г/дм³. Технологические воды илонакопителя характеризуются хлоридно-сульфатным, сульфатно-хлоридным натриевым составом и уровнем минерализации около 4,5 г/дм³, т. е. в процессе углеобогащения в технологические оборотные воды дополнительно привносятся хлориды и сульфаты, отмечается рост уровня минерализации.
По периферии илонакопителя в пределах купола растекания воды имеют хлоридно-сульфатный натриевый состав, который далее по направлению подземного потока сменяется сульфатным натриевым. С южной стороны илонакопителя выделяется оторочка сульфатно-натриевых вод с уровнем минерализации выше 5 г/дм³. Отмечается максимальное загрязнение вод железом, марганцем и токсичными элементами. Сульфатно-натриевые воды контролируются зоной интенсивного замещения водовмещающих пород, развивающейся со стороны илонакопителя.
Выводы
Вокруг накопителей отходов углеобогащения в процессе воздушной и водной миграции и дифференциации вещества отходов формируются ореолы замещения геологической среды, проявленные во всех ее компонентах. Характер воздействия и его интенсивность зависят от условий эксплуатации данных объектов и могут представлять экологическую опасность для населения. Чтобы достоверно оценить состояние окружающей среды в зонах влияния накопителей отходов, необходима организация системы регулярного мониторинга, учитывающая все установленные факторы и процессы негативного воздействия.
Список использованной литературы
1. Выборов С. Г. К оценке влияния породных отвалов на окружающую среду городских территорий / С. Г. Выборов, А. А. Силин, Р. В. Кишкань // Форум горняков–2010: материалы междунар. науч.– практ. конф. – Днепропетровск, 2010. – С. 238–246.
2. Выборов С. Г. Экологические последствия структурно – вещественных преобразований отвальных пород терриконов / С. Г. Выборов, Ю. А. Проскурня, А. А. Силин // Наукові праці ДонНТУ: сер. гірн. –геол. – 2010. – Вип. 11 (161). – С. 155–160.
3. Зборщик М. П. Горение пород угольных месторождений и их тушение / М. П. Зборщик, В. В. Осокин. – Донецк: ДонГТУ, 2000. – 180 с.