Экологические последствия структурно-вещественных преобразований отвальных пород терриконов
Экологические последствия
структурно-вещественных преобразований отвальных пород терриконов
Силин А. А., Выборов С. Г.,
Проскурня Ю. А., Донецкий Национальный Технический Университет
Терриконы
являются неотъемлемой частью ландшафта больших и малых городов Донбасса. Только
в Донецке их количество по разным источникам составляет от 120 до 138. Около
100 породных отвалов являются недействующими, из них только 25 считаются
горящими. Из 32 действующих породных отвалов 28 - горящие. Высота породных
отвалов Донецка колеблется в пределах от 8 м до 126, 6 м.
Породы,
идущие в отвал, образуются за счет проходки выработок (52%) и их ремонта (48%).
Такие "пустые" породы складируются вблизи стволов шахт в виде
терриконов высотой до 60-80 м и отвалов хребтовой формы (в сумме 92%), реже -
плоских отвалов (8%). Средний литологический состав отвалов отражает состав
угленосной толщи. Это ар¬гиллиты (60-80%), алевролиты (10-30%), песчаники
(4-10%), изве¬стняки (редко до 6%, обычно меньше), а также значительные примеси
угля (6-20%). Кроме того, отвалы содержат существенную долю техно¬генных
материалов - деревянной крепи, металлических изделий, проводов и пр. При
отсыпке отвалов происходит гравитационная сегрегация породы, т.е. разделение
отсыпаемых пород по размерам обломков и удельному весу. При этом крупные и
тяжелые обломки концентрируются у подножья отвалов, а углистое вещество
распределяется неравномерно. Наименьшую зольность имеют породы в средней по
высоте части отвала, к вершине и основанию она повышается. Отвальная масса
изученных шахтных терриконов имеет зольность в пределах 57-99%, составляя в
среднем 88, 5%. Влажность изменяется от 0, 2% до 11, 7%, составляя в среднем 3,
4%. Содержание общей серы в отвалах колеблется от 0, 01% до 10, 9%. В составе
общей серы преобладает сера сульфидная (84%) [1].
Попадая в
терриконы, породы карбона испытывают значительные преобразования. Это связано с
процессами выветривания, когда скальные, прочные породы разрушаются и
превращаются в полурыхлые и рыхлые. Выветривание пород сопровождается
изменением их минерального и химического состава. Значительная часть
компонентов пород выщелачивается водными растворами и мигрирует в окружающую
среду, локализуясь на различных барьерах в почво-грунтах, растительном покрове,
в грунтах зоны аэрации и в водовмещающих породах.
Наряду с
выветриванием, которое распространено во внешней части терриконов, внутри них
создаются благоприятные условия для окисления и последующего возгорания.
Ведущая роль при этом принадлежит деятельности микроорганизмов. Окисление
сульфидной серы осуществляется тионовыми бактериями. Они представляют собой
обычно автотрофные микроорганизмы, использующие свободную СО2 на построении
своего тела и получающие энергию при окислении серы и ее восстановленных
продуктов. Изучение условий развития микроорганизмов в зонах окисления
сульфидных месторождений установило их устойчивость при температурах от 2 до
70о С, рН среды - от 1 до 8 [2]. При этом развитие бактерий протекает в
условиях высокой влажности породной массы. Эти данные показывают, что
микроорганизмы устойчивы в условиях кислой среды, так как при окислении
сульфидов образуется серная кислота, однако не переносят высокие температуры.
Поэтому микроорганизмы начинают процесс окисления, который сопровождается
выделением тепла, и разогревают определенную зону, а собственно горение может
протекать внутри террикона в благоприятных условиях при доступе достаточного
количества кислорода, когда происходит возгорание органической части угля.
В
подтверждение этих выводов говорит тот факт, что в пределах краевых частей
терриконов существуют локальные очаги окисления, где существенного повышения
температуры не отмечается, однако наблюдается выделение парообразной серной
кислоты и налеты новообразованной сульфатной минерализации.
Окисление и
горение пород сопровождается выбросами широкого спектра летучих компонентов,
которые выделяются из породной массы, обогащенной углистым веществом. Основным
компонентом выбросов является водяной пар, который образуется при испарении и
возгонке попадающих в зону горения атмосферных осадков, а также при
высвобождении поровой и связанной воды минералов и пород. Вода является
минералообразующей средой для большей части новообразованных минералов:
сульфатов, гидрокарбонатов, карбонатов, фосфатов, арсенатов и др. Горящие
терриконы выделяют пары, в которых кроме воды содержаться: серная кислота
(сульфат-ион), углекислота, двуокись азота (нитрат-ион). При недостатке
кислорода в очагах горения в парогазовых выбросах содержаться сероводород,
углеводороды, аммиак, оксид углерода. В верхних частях терриконов, куда
проникают обогащенные кислородом инфильтрогенные воды, горение протекает в
условиях избытка кислорода. В более глубоких зонах горения отмечается
недостаток кислорода, окислительные процессы протекают в анаэробных условиях.
Очаги горения являются источниками горячих минерализованных,
химически-агрессивных, насыщенных микроэлементами водных флюидов. При выходе на
поверхность часть компонентов флюидов, попадая в условия низких температур и
обилия кислорода, выделяется в виде корочек, налетов, натечных,
кристаллических, сферолитовых агрегатов новых минералов, среди которых
преобладают сульфаты, сульфиды и окислы. Другая часть улетучивается в
атмосферу, пополняя ее вредными веществами. Сам процесс горения и порожденные им
химически агрессивные флюиды полностью преобразуют минеральный и химический
состав первичной породной массы, как в очагах горения, так и по его периферии.
Вокруг
очагов горения формируется своеобразная зональность, обусловленная
перераспределением исходного вещественного состава. В процессе изысканий были
выявлены в разных местах терриконов небольшие участки, где сохранились
первичные рыхлые отвальные породы - различной формы и размеров куски
аргиллитов, углистых аргиллитов, алевролитов и редко песчаников. Они выделяются
по черному цвету породной массы.
Вокруг этих
участков устанавливается пограничная зона замещения, проявленная в изменении
первичного цвета пород до бурых, вишневых оттенков, на фоне которых развиваются
сульфаты желтого цвета. Они пропитывают массу породы, образуют различные
налеты, корочки, прожилки и вкрапленники.
Далее по
направлению от участков первичных пород выделяется зона развития белой
сульфатной минерализации, которая пропитывает окисленные кирпично-красные
породы. За пределами этой зоны располагаются обширные участки окисленных пород
кирпично-красного цвета без видимых признаков развития сульфатов. Мощность
каждой из выделенных зон развития сульфатной минерализации зависит от размеров
очага окисления и колеблется от первых десятков сантиметров до нескольких
метров. Эти две зоны (желтая и белая) являются промежуточными между окисленными
породами и первичными, они характеризуются неравновесными переходными условиями
и контролируют процессы миграции и концентрации большей части макро- и
микроэлементов (результаты лабораторных исследований проб приведены в таблицах
1, 2).
Поведение
значительной части компонентов породной массы в процессе ее окисления имеет
закономерный и вполне объяснимый характер. Так рост концентрации в окисленной
породе по отношению к исходной устанавливается для следующих породообразующих
компонентов: кремнезема (от 50, 21% до 54, 36%); глинозема (от 17, 73% до 20,
86%); Fe2O3 (от 6, 31% до 9, 43%); CaO (от 0, 93% до 1, 3%); Na2O (от 0, 93% до
1, 05%); SO3 (от 1, 93% до 3, 27%). Увеличивается почти в два раза концентрация
водорастворимого (подвижного) сульфат-иона - SO42- (от 9796, 1 мг/кг до 17463,
7 мг/кг).
Табл. 1.
Результаты лабораторных исследований проб
№
зоны
|
№
пробы
|
Описание
минералого-петрографических особенностей отходов
|
H2O-
|
ППП
*
|
SiO2*
|
Fe2O3*
|
TiO2
*
|
Al2O3*
|
CaO*
|
MgO*
|
K2O*
|
Na2O*
|
SO3*
|
S*
|
сумма
*
|
1
|
15
|
Исходная
порода - уголь, углистые сланцы черного цвета
|
1,
91
|
16,
73
|
50,
21
|
6,
31
|
0,
92
|
17,
73
|
0,
93
|
1,
55
|
2,
62
|
0,
93
|
1,
93
|
0,
04
|
99,
88
|
2
|
17
|
Перегоревший
кирпично-красный аргиллит с налетами желтой сульфатной минерализации
|
1,
15
|
6,
34
|
53,
57
|
10,
66
|
1,
03
|
18,
43
|
1,
31
|
1,
26
|
2,
54
|
1,
1
|
3,
89
|
0,
14
|
100,
2
|
3
|
16
|
Перегоревший
кирпично-красный аргиллит с налетами белой сульфатной минерализации
|
3,
3
|
12,
81
|
44
|
7,
4
|
0,
94
|
17,
97
|
2,
7
|
2,
43
|
1,
5
|
9,
15
|
0,
16
|
100
|
4
|
14
|
Выветрелые
и перегоревшие аргиллиты кирпично-красного цвета
|
1,
06
|
4,
71
|
54,
36
|
9,
43
|
1,
06
|
20,
86
|
1,
3
|
1,
15
|
2,
38
|
1,
05
|
3,
27
|
0,
06
|
99,
6
|
Примечания:
* - Содержание в массовых долях на сухое вещество
Табл. 2.
Результаты лабораторных исследований проб
№
зоны
|
1
|
2
|
3
|
4
|
№
пробы
|
15
|
17
|
16
|
14
|
Описание
минералого-петрографических особенностей отходов
|
Исходная
порода - уголь, углистые сланцы черного цвета
|
Перегоревший
кирпично-красный аргиллит с налетами желтой сульфатной минерализации
|
Перегоревший
кирпично-красный аргиллит с налетами белой сульфатной минерализации
|
Выветрелые
и перегоревшие аргиллиты кирпично-красного цвета
|
Нитраты,
мг/кг
|
21,
6
|
16,
2
|
0,
05
|
7
|
Сульфаты,
мг/кг
|
9796,
1
|
16650,
2
|
91246,
5
|
17463,
7
|
Хлориды,
мг/кг
|
61,
3
|
40,
5
|
41,
4
|
20,
2
|
Pb,
мг/кг
|
25
|
34,
3
|
17,
1
|
97,
1
|
Cd,
мг/кг
|
1,
9
|
2,
9
|
2,
4
|
2,
9
|
As,
мг/кг
|
4,
2
|
3,
8
|
1,
9
|
5,
5
|
Hg,
мг/кг
|
0,
035
|
0,
03
|
0,
1
|
Cорг,
%
|
7,
71
|
0,
16
|
0,
67
|
0,
11
|
Fe2O3,
%
|
8,
97
|
10,
85
|
7,
54
|
9,
54
|
Al2O3,
%
|
19,
51
|
19,
36
|
18,
23
|
21,
1
|
Sобщ,
%
|
0,
49
|
1,
41
|
3,
04
|
1,
49
|
Cu,
мг/кг
|
50
|
33
|
71
|
48
|
Ni,
мг/кг
|
47
|
72
|
51
|
52
|
Cr,
мг/кг
|
102
|
104
|
97
|
85
|
Zn,
мг/кг
|
94
|
93
|
102
|
98
|
V,
мг/кг
|
94
|
94
|
105
|
86
|
Sn,
мг/кг
|
7,
2
|
4,
6
|
3,
2
|
6,
8
|
W,
мг/кг
|
2,
2
|
1,
8
|
1,
8
|
1,
8
|
Co,
мг/кг
|
18
|
15
|
24
|
22
|
Mo,
мг/кг
|
1,
5
|
1,
8
|
2,
2
|
2,
2
|
Mn,
мг/кг
|
715
|
986
|
724
|
Ag,
мг/кг
|
0,
03
|
0,
03
|
0,
03
|
0,
03
|
Ge,
мг/кг
|
1,
5
|
1,
5
|
1
|
3
|
Bi,
мг/кг
|
2
|
2
|
1,
5
|
2
|
Для ряда
микроэлементов также отмечается рост концентрации в окисленных породах: Pb (от
25 до 97, 1 мг/кг); Cd (от 1, 9 до 2, 9 мг/кг); Hg (от 0, 06 до 0, 1 мг/кг); As
(от 4, 2 до 5, 5 мг/кг).
Рост
концентрации кремнезема, глинозема и окислов железа обусловлен их практически
неподвижным состоянием в процессе окисления. Эти компоненты не могут переходить
в высокоминерализованный водный раствор, насыщенный сульфатами, поэтому их
концентрация увеличивается благодаря выносу подвижных компонентов из исходных
пород при окислении или горении последних. При этом монолитные породы становятся
пористыми. В переходных зонах эти поры заполняют легко растворимые водой
сульфаты, гидрокарбонаты, а на удалении от очагов окисления, где вымывание этих
минералов атмосферными водами опережает процессы их образования, видны пустоты
различной формы. Эти пустоты образовались на месте ранее существовавших
окисленных минеральных агрегатов и органического вещества. Поэтому для роста
концентрации неподвижных компонентов достаточным является вынос других -
подвижных компонентов. Увеличение концентрации окислов кальция и микроэлементов
может быть обусловлено их выносом из промежуточных зон окисления, где
отмечается падение их содержаний. Окислы натрия, серы и сульфат-ион являются
подвижными, их максимальные концентрации отмечаются в промежуточной зоне
развития белой сульфатной минерализации. Окисленные кирпично-красные породы уже
обеднены этими компонентами за счет их вымывания атмосферными осадками.
Вынос в
процессе окисления испытывают Cорг. (от 7, 71% до 0, 11%); MgO (от 1, 55% до 1,
15%); K2O (от 2, 62% до 2, 38%); H2O (от 1, 91% до 1, 06%); NO- ; Cl-. Углерод,
составляющий основу органической части исходных отвальных пород, окисляется
(выгорает), частично улетучивается в атмосферу в виде углекислого и угарного
газов, отчасти участвует в образовании новых минералов - карбонатов и
гидрокарбонатов натрия, кальция, магния, железа. Магний и калий переходят из
гидрослюдистых минералов пород в подвижное состояние и мигрируют водными
растворами. Вода, определяющая влажность пород и играющая главную роль в
процессе окисления, по мере роста температуры испаряется и мигрирует в
промежуточные зоны, где достигает максимальной концентрации в связи с белой
сульфатной минерализацией, что подтверждает формирование последней из
пересыщенных водных растворов. Хлориды и нитраты, образующиеся в процессе
окисления, выносятся, частично с компонентами выбросов в атмосферу, и отчасти,
мигрируя водными растворами, сохраняя в них свою устойчивость при пересыщении
сульфат-ионом.
Главным
элементом зоны окисления является сера и ее производные. Окисление серы
сопровождается образованием сульфат-иона в условиях достаточного количества
кислорода. Часть сульфат-иона мигрирует в атмосферный воздух с парами воды, а
значительная его часть при выходе на дневную поверхность в условия низких
температур конденсируется на контакте с породами. Охлажденные водные растворы
становятся пересыщенными в отношении сульфат-иона, что благоприятствует
выделению новых минералов. Именно в этой части ореола окисления отмечается
максимальная влажность и концентрация сульфатов. Новообразованные минералы
заполняют все существующие поры и трещины, породы приобретают массивность.
Поэтому в этой зоне фиксируется пониженные концентрации ряда макро-и
микрокомпонентов.
Терриконы
являются экологически опасными объектами. Их можно сравнивать с небольшими
«спящими» вулканами, выбрасывающими в атмосферу примерно тот же спектр веществ
- серную кислоту, сероводород, аммиак, метан, двуокись азота, углекислоту и
угарный газ. Основным компонентом выбросов является водяной пар. Вместе с паро-газовыми
выбросами в атмосферу со стороны терриконов могут попадать летучие соединения
токсичных элементов - ртути, мышьяка, кадмия и др.
Разогрев
органической части угля в очагах окисления сопровождается ее термическим
разложением, аналогичным процессу пиролиза. При этом образуются вредные летучие
органические компоненты. В повышенных концентрациях в породах терриконов
установлены:
1.
Нефтепродукты в концентрациях до 548, 0 г/т. Максимальные концентрации
нефтепродуктов наблюдаются в породе терриконов шахты "Паравичная" №5
и 1-7 "Ветка".
2. Фенолы в
концентрациях до 0, 22 г/т. Минимальные концентрации фенола отмечаются в
породах терриконов №2 шахты №4 «Ливенка» и №2 шахты «Центрально Заводская» -
меньше 0, 01 г/т, максимальные - в породах террикона шахты №11 - до 0, 081 г/т.
3.
Формальдегид установлен примерно в одинаковых концентрациях (до 0, 22 г/т) во
всех изученных терриконах.
4.
Моноэтаноламин зафиксирован в пробах с максимальной концентрацией 6, 25 г/т в
породах террикона шахты «Центрально - Заводская». В отвальных массах террикона
шахты №4 «Ливенка» обнаружена одна проба с концентрацией моноэтаноламина - 3,
65 г/т.
5.
Максимальная концентрация дифенилопропана (2, 36 г/т) фиксируется в породе
террикона шахты "Центрально-Заводская" №1.
В тех же пробах
выполнялись определения содержаний таких токсичных и вредных химических
веществ, как: толуол, метапараксилол, бутил ацетат, хлорбензол, стирол,
ацентон, бензол, этилбензол, метапараксилол, ортоксилол, этил ацетат, изопропил
бензол, метанол, пиридин, ацетофенон. Из этих компонентов в пробах установлены
толуол, метапараксилол, бутил ацетат, хлорбензол, ацентон, бензол, толуол,
этилацетат, преимущественно в концентрациях ниже ПДК [2].
Выбросы со
стороны терриконов могут распространяться на сотни метров, захватывая большие
площади, включая селитебные территории. Компоненты выбросов, осаждаясь на
земную поверхность, загрязняют почво-грунты. При этом формируются ореолы
рассеивания. Наиболее загрязненными являются заболоченные участки долин рек и
днищ балок. Опыт проведения периодического экологического мониторинга почв в
пределах г. Донецка показывает, что почво-грунты города имеют повышенный
общегородской фон, зачастую превышающий ПДК, для кадмия, мышьяка, ртути, свинца
и сульфат-иона. Источниками загрязнения почв данными компонентами являются в
том числе выбросы со стороны отвалов.
Сами
терриконы и ореолы рассеивания загрязняющих веществ в почвах служат источниками
загрязнения водной среды сульфатами и токсичными компонентами. При этом
загрязняется поверхностный сток, выщелачивающий растворимые сульфаты с
поверхности терриконов и почв, и подземные воды в процессе инфильтрации
загрязненных атмосферных осадков. Известно, что поверхностные и подземные воды
городской черты имеют высокую минерализацию (более 2 г/л), жесткость (более 15
мг-экв/л), сульфатно-натриевый состав.
Негативные
геологические процессы, связанные с терриконами, проявлены в разных аспектах.
Водная эрозия их бортов приводит к расширению площади отвалов. Породная масса
оказывает дополнительное давление на грунты основания, что может повлиять на
изменение их фильтрационных свойств и оказывать локальное воздействие на
уровенный режим первого от поверхности водоносного горизонта. Однако самое
существенное негативное воздействие терриконы оказывают благодаря формированию
зон замещения в грунтах зоны аэрации и в водовмещающих породах. Они проявлены
развитием вторичной минерализации. В природных условиях эта минерализация
представлена в виде обилия прожилково-вкрапленных карбонатов, развивающихся в зоне
аэрации и в водовмещающих породах. В пределах городской территории, где
осуществляются выбросы углекислоты, сернистого ангидрида и т.д., карбонатная
минерализация замещается гипсом и содовыми минералами. В пределах зон разломов
увеличивается не только количество гипса, но и размеры выделений, достигающие
15-20 см в диаметре. Проявляется вертикальная зональность, когда в верхней
части зоны аэрации выделяются конкреции и прожилки землистых агрегатов содовых
минералов, ниже по разрезу появляется гипс, который далее становится основным
техногенным минералом. Эта зональность обусловлена различной растворимостью
содовых минералов и гипса в воде. Зоны замещения сопровождаются
перераспределением большей части макро- и микрокомпонентов как в грунтах зоны
аэрации, так и в водовмещающих породах и в подземных водах. В качестве
проводников данных процессов служат разломы или геодинамические активные зоны.
Эта проблема
имеет очевидный инженерно-геологический аспект. Опасность процессов
антропогенного замещения грунтов основания зданий и сооружений заключается в
том, что первичные природные грунты с конкрециями карбонатов обладают
достаточно высокими прочностными характеристиками как в сухом, так и во влажном
(обводненном) состоянии. В отличие от них загипсованные грунты сохраняют
устойчивость лишь в сухом состоянии. Длительное замачивание сопровождается
растворением гипса и, соответственно, потерей несущих способностей грунтов.
Опасность состоит в том, что гипс слаборастворим водой, имеющей повышенную
минерализацию. Изменения прочностных свойств при замачивании проб грунтов в
лабораторных условиях могут быть также не установлены. Поэтому построенный,
например, жилой дом на таких грунтах может со временем разрушится, что в
последнее время не редкость. Пока грунты сухие - дом стоит. Прохудившиеся
водопроводные и канализационные сети приводят сначала к затоплению подвалов.
Постоянная фильтрация через зону аэрации вод с пониженной минерализацией
приводит к растворению гипса и грунты основания теряют свои прочностные свойства.
Роль
терриконов в экологии города является исключительно негативной. Для ее оценки в
каждом конкретном случае требуются специальные геолого-экологические
исследования для разработки природоохранных мероприятий по минимизации
негативных воздействий. Это, прежде всего, предотвращение выбросов, организация
поверхностного стока, предотвращение фильтрации атмосферных осадков в горизонты
подземных вод, рекультивация и озеленение. Самым оптимальным является разборка
отвалов и утилизация породной массы с учетом ее физико-химических,
физико-механических, минералого-геохимических и др. свойств.
Список литературы
Проскурня
Ю.А. Диссертационная работа на соискание степени кандидата геологических наук
на тему: «Минералогия породных отвалов угольных шахт Донбасса (на примере
Донецко-Макеевского промышленного района). ДонГТУ, Донецк, 2000. 165 с.
Экология и
геохимическая деятельность микроорганизмов / Под ред. М. В. Иванова. Пущино,
1976. 179 с.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта <http://www.bibliofond.ru>