Еколого-геохімічні особливості вугілля і шахтних вод
Донбасу (на прикладі Донецько-Макіївського вуглепромислового району)
Шевченко О.А., Проскурня Ю.А. Донецький державний
технічний університет, м. Донецьк
Проведення
геохімічної оцінки стану навколишнього середовища, забруднення якої робить
негативний вплив на умови існування організмів, що є однією з
найбільш актуальних завдань. Для Донецько-Макіївського району - як і для більшої
частині Донбасу - одним з основних забруднювачів природного середовища є
вугільна промисловість. У зв'язку з цим найбільш важливим є
геохімічне вивчення вугілля і шахтних вод району. Ця проблема має два
аспекту. По-перше, аналіз вмісту в компонентах геологічного середовища
елементів у концентраціях, що становлять загрозу для здоров'я людини. І,
по-друге, раціональне використання природних ресурсів, одним з напрямків
якого, на наш погляд, є попутне вилучення цінних компонентів. У
даній статті представлені нові результати геохімічного вивчення вугілля і
шахтних вод Донецько-Макіївського вуглепромислового району.
1. Опис району досліджень.
Донецько-Макіївський
вуглепромислового район, який має площу 3170 км2 і знаходиться в межах
Донецької області, розташований на південному крилі Кальміус-Торецька улоговини. Крім
плікатівних дислокацій в районі широко поширені розривні порушення, в
переважній числі представлені насуваючись: Мушкетівська, Французька,
Калінінський, Тимошенко, Ясиновський, Первомайський і ін
В
геологічну будову району беруть участь відклади середнього та верхнього
карбону, майже повсюдно перекриті четвертинними і частково палеогеновими
відкладеннями. У західній частині на розмитій поверхні карбону залягають породи
юрського і крейдяного віку.
Товща
карбону включає всі свити середнього та нижні свити верхнього відділу. Найбільш
вугленосних в районі є свити С23, С25, С26, і С27 [2].
Водоносні
горизонти укладені в відкладах кам'яновугільного, юрського, верхньокрейдяними і
палеогенового віку, в четвертинних відкладеннях вони приурочені до алювію і
прошарками пісків у суглинках.
2. Матеріал і методи досліджень.
Розподіл
хімічних елементів у вугіллі було вивчено за даними кернового і бороздового
випробування вугільних пластів діючих шахт Донецько-Макіївського району. Було
проаналізовано 277 проб з керна свердловин і гірничих виробок за основним
розроблюються пластів. Лабораторні роботи з визначення складу вугіль
спектральним напівкількісний аналізом виконувались лабораторіями ПГО
"Донбасгеологія" і "Луганскгеология".
Гідрогеохімічні
дослідження включали аналіз більше 500 проб шахтних вод. Лабораторні роботи,
що проводяться в лабораторії ПГО "Донбасгеологія", включали вивчення
фізичних, хімічних властивостей води і спектральний аналіз напівкількісний.
3.
Аналізи і результати.
3.1. Геохімія вугілля і шахтних вод Донецько-Макіївської
вуглепромислового району.
При
аналізі вмісту хімічних елементів у вугіллі району щодо Кларків
осадових порід [1] виявлені наступні закономірності.
Найбільші
перевищення Кларків осадових порід характерні для елементів I класу небезпеки:
ртуті - у 5-62,5 разів, миш'яку - у 15-106 разів, берилію - в 10 разів, свинцю - у
15 разів, цинку - 2-2,5 разів.
Середні
змісту більшості інших елементів близькі до кларковим значень,
утворюючи лише в окремих випадках підвищені концентрації. Максимальні
перевищення вмісту по відношенню до Кларка встановлені для Bi - до 90 разів, S
- До 25 разів, Ge - до 17 разів, Ba - до 12,5 разів, Sc, Ag і Mn - до 3 разів, Mo і Li
- До 2,5 разів, Sr - до 2 разів, Co і Cr - до 1,5 разів, V і Ti - до 1,2 разів.
Середні
утримання таких елементів як - Nb (11,0 г/т), Sc (11,0 г/т), Ti (900,0 г/т),
Cu (24,0 г/т), Sn (1,5 г/т), Y (16,0 г/т), La (14,0 г/т), Zr (80,0 г/т) -- вище
фонового для вугілля Донбасу, але нижче середнього вмісту в земній корі.
Таким
чином, за рівнем максимальних змістів можна виділити наступні групи
елементів:
перевищують
кларк по всіх пластів (Ge, As, Bi, S);
перевищують
кларк по окремих пластів (Hg, Be, Zn, Pb, Ba, Sr, Ga);
перевищують
Кларк в одиничних випадках (Sc, Co, Mn, V, Cr, Ti, Mo, Ag, Li, F);
на
рівні і нижче Кларком (Rb, Cs, Sn, Nb, Ni, Cu, Zr, Y, La);
в
вугіллі не виявлені Tl, Sb, Cd, Ta, Нf.
Для
шахтних вод Донецької-Макіївського району, що характеризуються переважно
сульфатно-хлоридно-натрієвих складом і високою мінералізацією, найбільш
типовими елементами є: Li, Ba, Mn, Ti, Pb, Sr, Ni, Mo, Cu, Cr, V, B,
Br, F, виявлені практично у всіх пробах. Меншою зустрічальність
характеризуються Zn, Bi, Zr, Co, La, Ag. В окремих пробах виявлені Cd, Sc,
Nb, Y, Yb, Sb, Hg, Be, As, Au, Ga. У шахтних водах району не виявлено Tl, Ta,
Hf, W.
3.2. Забруднення вугілля і шахтних вод району.
Оскільки
використання вугілля і скидання шахтних вод, що містять хімічні елементи в
концентраціях, що перевищують гранично допустимі, представляє потенційну
небезпеку для навколишнього середовища, необхідно вивчення розподілу хімічних
елементів усіх класів небезпеки.
Зважаючи
відсутність нормованого вмісту хімічних елементів у вугіллі, при аналізі
використовувалися гранично допустимі концентрації вмісту елементів у грунтах
(ПДКп).
В
вугіллі Донецько-Макіївського вуглепромислового району перевищення ПДКп характерно
практично для всіх елементів I класу небезпеки (табл. 1).
Таблиця
1. Максимальні вмісту елементів I класу небезпеки, що перевищують ГДК, в
вугіллі Донецько-Макіївського району.
Шахта
Зміст елементів у вугіллі, г/т (ГДК)
Hg (2,0)
As (2,0)
Pb (32,0)
F (500)
Zn (23,0)
Be (3,0)
Жовтневий рудник
2
500
30
1000
100
30
ім.Горького
1
700
15
300
100
10
Челюскінців
0,55
150
300
300
200
10
Лідіївку
0,2
300
20
100
50
10
Кіровська
5
300
50
600
200
5
ім.Засядька
-
300
15
200
100
15
ім.Абакумова
-
700
50
100
200
30
Заперевальна
25
3
200
100
150
1,5
Панфіловський
1
150
30
300
150
5
Куйбишевська
-
300
20
100
70
50
Примітка:
прочерк - немає даних.
Концентрації
миш'яку по окремих проб перевищують ПДКп до 350 раз (пласти l4, l7, m3, h10,
h8), у середньому складаючи 9-10 разів. Найбільш високий вміст ртуті,
перевищують ПДКп до 12 разів, відзначені у вугільному пласті g2, що розробляється
шахтами ш/у "Донбас" і "Заперевальна".
Перевищення
ПДКп по свинцю досягає 6,25-9,4 раз (максимальні перевищення встановлені по
пластів k8, l4, m3). Найбільш високий вміст фтору відзначено по пласту l4
(ш/у "Донбас" і "Заперевальна") - 2 ПДКп. Перевищення ПДКп по цинку становить
в середньому 1,5-2 рази, досягаючи по окремих пластів 8,7 разів (h10, h3, l4, l7,
l81, m3, m41).
Одним
з найбільш токсичних елементів є берилій. При використанні вугілля,
збагачених Be необхідно мати на увазі, що при спалюванні вугілля берилій утворює
пил оксиду, яка не вловлюється електрофільтру [3]. Оскільки для
берилію немає встановленого ПДКп, при аналізі використовувався кларк осадових
порід (3,0 г/т). Концентрація берилію у вугільних пластах досліджуваного району,
знаходиться в межах 0,4-50 г/т, у середньому складаючи 4,0 г/т, а по пластах h10,
h7, h8, k8, l1, l4, l6, l7, l81, m3, m5, m2, m41 перевищує кларк осадових
порід у 16,7 разів.
Зміст
елементів II і III класу небезпеки у вугіллі району, як правило, не перевищує
ПДКп. Поодинокі перевищення ПДКп зафіксовані для хрому, марганцю й ванадію.
В
шахтних водах досліджуваного району спостерігається інша картина. З елементів I
класу небезпеки зміст тільки свинцю майже повсюдно перевищує ГДК
(табл. 2). В окремих пробах у концентраціях, що перевищують ГДК, виявлено фтор
(ГДК 1,5 мг/л) (ім.Бажанова (1,8 мг/л), "Лідіївку" (1,9 мг/л)) і берилій.
Таблиця
2. Максимальні вмісту елементів, що перевищують ГДК, в шахтних водах
Донецько-Макіївського району.
Шахта
Зміст елементів у шахтних водах, мг/л (ГДК)
Pb (0,03)
Li (0,03)
Ba (0,1)
Mn (0,1)
Ti (0,1)
Жовтневий рудник
0,037
0,183
3,7
3,7
3,7
ім.Горького
0,047
0,097
0,8
0,98
1,33
Челюскінців
0,049
0,13
4,32
4,32
3,12
Лідіївку
0,054
0,154
3,85
3,85
0,47
Орджонікідзе
0,059
0,127
4,22
2,53
1,69
Ганзовка
0,03
0,045
1,49
1,49
-
Батова
0,031
0,034
0,68
0,34
-
Бажанова
0,105
0,105
-
0,246
0,351
Иловайская
0,004
0,062
6,21
0,22
0,21
Примітка:
прочерк - немає даних.
Найбільш
часто в концентраціях, що перевищують ГДК, в шахтних водах району зустрічаються
елементи II класу небезпеки: літій, бор, нікель, молібден, сурма. Змісту
літію повсюдно перевищують ГДК (табл. 2). Часто перевищують ГДК вмісту в
водах нікелю (ГДК 0,1 мг/л): ім.Горького (0,17 мг/л), ім.Челюскінцев (0,12
мг/л), "Лідіївку" (0,12 мг/л), "Орджонікідзе" (0,13 мг/л); бору (ГДК 0,5 мг/л):
"Мушкетівська" (0,59 мг/л), ш/у "Донбас" (0,84 мг/л), № 9 "Капітальна" (0,59
мг/л), № 6 "Червона зірка" (0,59 мг/л), ім.газети "Правда" (0,71 мг/л). У
поодиноких пробах відмічені концентрації сурми, що перевищують ГДК, - "Лідіївку" --
0,116 мг/л (ГДК 0,05 мг/л), а також молібдену-ім.Горького - 0,56 мг/л (ГДК
0,25 мг/л).
З
елементів III класу небезпеки повсюдно перевищують ГДК вмісту барію і
марганцю, спорадично стронцію і ванадію. Слід також звернути увагу на
характерне для району перевищує ГДК вміст титану (табл. 2).
Таким
чином, найбільш небезпечними за вмістом токсичних елементів I класу небезпеки
є вугільні пласти h10, l4, m3, l81, h8, k8, що розробляються шахтами
"Кіровська", ім. Горького, "Заперевальна", "Трудовська", ш/у "Донбас", а
також води шахт "Лідіївку", "Жовтневий рудник", "Орджонікідзе".
3.3. Перспективи видобутку попутних компонентів з вугілля
і шахтних вод району.
В
вугіллі досліджуваного району високі концентрації, що досягають і перевищують промислові,
встановлені для германію, галію, барію, літію та інших елементів.
Концентрація
германію у вугіллі району коливається від 1,2 до 63,4 г/т, складаючи в середньому 4,7
г/т, що в окремих випадках до 21 разів перевищує середній вміст для вугілля
Донбасу та в десятки разів - кларк осадових порід. Практичний інтерес
представляє вміст германію в енергетичних вугіллі більше 10 г/т, в
коксівного - понад 3 г/т сухого вугілля. Максимальні змісту германію (до
7,86-33,75 г/т) відзначені на ділянках розповсюдження марок Д, Г, Ж, К по
пластів m5, l4, k8, h11, l81, m41, m3, l71, m2, l1, l6, l3 шахт "Трудовська",
ім.Засядька, "Панфіловський", ім.Абакумова, "Кіровська", "Лідіївку" (табл. 3).
Мінімальні змісту германію встановлені на полях шахт ім.Горького (1,5-3
г/т), "Жовтневий рудник" (2,5-5 г/т).
Таблиця
3. Вмісту хімічних елементів, що перевищують промислові, у вугіллі
Донецько-Макіївського району.
Елемент
Промислові змісту, г/т
Максимальні змісту, г/т
Пласт
Шахта
Ge
3,0
33,75
l71
ім.Засядька
26,1
m3
"Панфіловський"
Ga
20,0
28,1
l4
"Трудовська"
28,1
l7
ім.Челюскінцев
Sr
450,0
2000,0
k8
"Трудовська"
1000,0
k8
"Панфіловський"
Ba
1000,0
7000-10000
l4-l8
"Абакумова"
3000,0
l4
"Трудовська"
Mn
1000,0
2000,0
k8
"Трудовська"
V
100,0
150,0
m3
"Трудовська"
Cr
100,0
150,0
l1н
"Панфіловський"
150,0
m3
"Трудовська"
Li
100,0
150,0
l81
"Трудовська"
Ce
50,0
50,0
l1н
"Панфіловський"
Зміст
галію в межах досліджуваного району змінюється в межах від 0,0 до 60,0 г/т,
складаючи в середньому 9,1 г/т. Підвищений вміст Ga характерні для пластів
h10, h8, h6, g2, l4, l7, l1, l2, k8. Максимальні концентрації галію виявлені
по пластах l4, l7 шх. "Трудовська" і ім.Челюскінцев - до 28,1 г/т. Галій в
енергетичних вугіллі становить інтерес при вмісті його в сухому вугіллі НЕ
менше 20 г/т або при утриманні не менш 10 г/т при вмісті німеччина більше 5
г/т. Другому умові задовольняють також пласти l1, l2, k8, m3.
В
вугіллі Донецько-Макіївського району виявлено також високі концентрації барію. При
промисловим змістом 1000 г/т, концентрації у вугіллі району сягають: за
шахті ім.Абакумова - 10000 р/т (l8), 7000 г/т (l4), 2000 г/т (m2); по шахті
"Трудовська" - 3000 г/т (l4), 1000 г/т (k8), а також по пластах l81 шх.
"Лідіївку" - 2000 г/т і k6 шх. "Кіровська" - 2000 г/т.
Максимальні
концентрації літію виявлені за пластів l81 шх. "Трудовська" - до 150 г/т; h21,
h3 ш/у "Донбас", h7 шх. "Кіровська" і h7 ім.Горького - до 100 г/т (при
промислових 100 г/т).
Крім
зазначених елементів у змісті, що підлягають промислової оцінці виявлені
стронцій, хром, марганець, ванадій, церій (табл. 3).
За
окремим проб у концентраціях, близьких до промислових, зустрінуті цирконій,
скандій, ітрій, лантан і срібло.
З
вищевикладеного можна зробити висновок, що найбільш перспективними в плані видобутку
попутних компонентів у районі є пласти l4, k8, m3 шахти "Трудовська",
l1н, k8, m3 шахти "Панфіловський".
В
шахтних водах району відзначені лише поодинокі досягають промислових
вмісту хімічних елементів, які не мають істотного інтересу.
Однак, на наш погляд, необхідним є проведення подальших досліджень
з метою вивчення можливості видобутку цінних компонентів попутно з очищенням
шахтних вод району, що може мати не лише екологічний, а й економічний
ефект.
4. Дискусія та обговорення.
За
результатами досліджень можна зробити наступні висновки.
Концентрації
хімічних елементів I класу небезпеки (ртуть, миш'як, берилій, свинець, цинк)
у вугіллі та I, II, III класів небезпеки (свинець, літій, бор, нікель, барій,
марганець, стронцій та інші) у шахтних водах Донецько-Макіївського району
перевищують гранично допустимі концентрації в десятки і навіть сотні разів.
Використання
вугілля, збагачених As, Hg, Be і т.п. як в промислових, так і побутових цілях, а
також шахтних вод у сільському господарстві і т.д. веде до забруднення всіх
компонентів природного середовища. Деякі елементи, не володіючи здатністю до
летючості, накопичуються в золі і концентратах, що також може мати
негативні екологічні наслідки при використанні цих вугілля в коксохімії.
Деякі
елементи у вугіллі району можуть розглядатися як цінні та здобуватимуться попутно
з вугіллям. Зміст таких елементів як германій, галій, стронцій, барій,
марганець, ванадій, хром, літій, церій досягають промислових концентрацій, що
вимагає більш детального вивчення розподілу цих елементів в вугіллі.
Подальші дослідження мають бути спрямовані на виділення перспективних
ділянок, що містять у підвищених концентраціях цінні компоненти, розробку
технології їх вилучення і обгрунтування відповідних кондицій.
В
завершення хотелось б звернути увагу на необхідність більш детального
вивчення факторів накопичення і міграції елементів у вугіллі і шахтних водах
району, що підвищить ефективність вирішення завдань охорони та раціонального
використання природних ресурсів.
Список літератури
Виноградов
А.П. Середні вмісту хімічних елементів у головних типах вивержених гірських
порід земної кори// Геохімія. - 1962. - № 7. - С. 555-571.
Геологія
родовищ вугілля та горючих сланців СРСР: в 12 т. - М.: Госгеотехіздат, 1963.
- Т.1: Донбас. - 1210 с.
Клер
В.Р., Перціков І.З. Неорганічні компоненти твердих палив. - М.: Хімія,
1991. - 221с.
Panov
B.S., Dudik A.M., Shevchenko O.A., Matlak E.S. On pollution of the biosphere in
industrial areas: the example of the Donets coal Basin// International Journal
of coal geology - 1999, № 40. - Р. 199-210.
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://masters.donntu.edu.ua
