Силин А. А., Выборов С. Г., Проскурня Ю. А., ДонецкийНациональный Технический Университет
Терриконыявляются неотъемлемой частью ландшафта больших и малых городов Донбасса. Тольков Донецке их количество по разным источникам составляет от 120 до 138. Около100 породных отвалов являются недействующими, из них только 25 считаютсягорящими. Из 32 действующих породных отвалов 28 – горящие. Высота породныхотвалов 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 видетерриконов высотой до 60—80 м и отвалов хребтовой формы (в сумме 92%), реже —плоских отвалов (8%). Средний литологический состав отвалов отражает составугленосной толщи. Это ар¬гиллиты (60—80%), алевролиты (10—30%), песчаники(4—10%), изве¬стняки (редко до 6%, обычно меньше), а также значительные примесиугля (6—20%). Кроме того, отвалы содержат существенную долю техно¬генныхматериалов — деревянной крепи, металлических изделий, проводов и пр. Приотсыпке отвалов происходит гравитационная сегрегация породы, т.е. разделениеотсыпаемых пород по размерам обломков и удельному весу. При этом крупные итяжелые обломки концентрируются у подножья отвалов, а углистое веществораспределяется неравномерно. Наименьшую зольность имеют породы в средней повысоте части отвала, к вершине и основанию она повышается. Отвальная массаизученных шахтных терриконов имеет зольность в пределах 57-99%, составляя всреднем 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 составеобщей серы преобладает сера сульфидная (84%) [1].
Попадаяв терриконы, породы карбона испытывают значительные преобразования. Это связанос процессами выветривания, когда скальные, прочные породы разрушаются ипревращаются в полурыхлые и рыхлые. Выветривание пород сопровождаетсяизменением их минерального и химического состава. Значительная частькомпонентов пород выщелачивается водными растворами и мигрирует в окружающуюсреду, локализуясь на различных барьерах в почво-грунтах, растительном покрове,в грунтах зоны аэрации и в водовмещающих породах.
Нарядус выветриванием, которое распространено во внешней части терриконов, внутри нихсоздаются благоприятные условия для окисления и последующего возгорания.Ведущая роль при этом принадлежит деятельности микроорганизмов. Окислениесульфидной серы осуществляется тионовыми бактериями. Они представляют собойобычно автотрофные микроорганизмы, использующие свободную СО2 на построениисвоего тела и получающие энергию при окислении серы и ее восстановленных продуктов.Изучение условий развития микроорганизмов в зонах окисления сульфидныхместорождений установило их устойчивость при температурах от 2 до 70о С, рНсреды – от 1 до 8 [2]. При этом развитие бактерий протекает в условиях высокойвлажности породной массы. Эти данные показывают, что микроорганизмы устойчивы вусловиях кислой среды, так как при окислении сульфидов образуется сернаякислота, однако не переносят высокие температуры. Поэтому микроорганизмыначинают процесс окисления, который сопровождается выделением тепла, иразогревают определенную зону, а собственно горение может протекать внутритеррикона в благоприятных условиях при доступе достаточного количествакислорода, когда происходит возгорание органической части угля.
Вподтверждение этих выводов говорит тот факт, что в пределах краевых частейтерриконов существуют локальные очаги окисления, где существенного повышениятемпературы не отмечается, однако наблюдается выделение парообразной сернойкислоты и налеты новообразованной сульфатной минерализации.
Окислениеи горение пород сопровождается выбросами широкого спектра летучих компонентов, которыевыделяются из породной массы, обогащенной углистым веществом. Основнымкомпонентом выбросов является водяной пар, который образуется при испарении ивозгонке попадающих в зону горения атмосферных осадков, а также привысвобождении поровой и связанной воды минералов и пород. Вода являетсяминералообразующей средой для большей части новообразованных минералов:сульфатов, гидрокарбонатов, карбонатов, фосфатов, арсенатов и др. Горящиетерриконы выделяют пары, в которых кроме воды содержаться: серная кислота(сульфат-ион), углекислота, двуокись азота (нитрат-ион). При недостаткекислорода в очагах горения в парогазовых выбросах содержаться сероводород, углеводороды,аммиак, оксид углерода. В верхних частях терриконов, куда проникают обогащенныекислородом инфильтрогенные воды, горение протекает в условиях избыткакислорода. В более глубоких зонах горения отмечается недостаток кислорода, окислительныепроцессы протекают в анаэробных условиях. Очаги горения являются источникамигорячих минерализованных, химически-агрессивных, насыщенных микроэлементамиводных флюидов. При выходе на поверхность часть компонентов флюидов, попадая вусловия низких температур и обилия кислорода, выделяется в виде корочек, налетов,натечных, кристаллических, сферолитовых агрегатов новых минералов, средикоторых преобладают сульфаты, сульфиды и окислы. Другая часть улетучивается ватмосферу, пополняя ее вредными веществами. Сам процесс горения и порожденныеим химически агрессивные флюиды полностью преобразуют минеральный и химическийсостав первичной породной массы, как в очагах горения, так и по его периферии.
Вокругочагов горения формируется своеобразная зональность, обусловленная перераспределениемисходного вещественного состава. В процессе изысканий были выявлены в разныхместах терриконов небольшие участки, где сохранились первичные рыхлые отвальныепороды – различной формы и размеров куски аргиллитов, углистых аргиллитов, алевролитови редко песчаников. Они выделяются по черному цвету породной массы.
Вокругэтих участков устанавливается пограничная зона замещения, проявленная визменении первичного цвета пород до бурых, вишневых оттенков, на фоне которыхразвиваются сульфаты желтого цвета. Они пропитывают массу породы, образуютразличные налеты, корочки, прожилки и вкрапленники.
Далеепо направлению от участков первичных пород выделяется зона развития белойсульфатной минерализации, которая пропитывает окисленные кирпично-красные породы.За пределами этой зоны располагаются обширные участки окисленных породкирпично-красного цвета без видимых признаков развития сульфатов. Мощностькаждой из выделенных зон развития сульфатной минерализации зависит от размеровочага окисления и колеблется от первых десятков сантиметров до несколькихметров. Эти две зоны (желтая и белая) являются промежуточными между окисленнымипородами и первичными, они характеризуются неравновесными переходными условиямии контролируют процессы миграции и концентрации большей части макро- имикроэлементов (результаты лабораторных исследований проб приведены в таблицах1, 2).
Поведениезначительной части компонентов породной массы в процессе ее окисления имеетзакономерный и вполне объяснимый характер. Так рост концентрации в окисленнойпороде по отношению к исходной устанавливается для следующих породообразующихкомпонентов: 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 концентрацияводорастворимого (подвижного) сульфат-иона – SO42- (от 9796, 1 мг/кг до 17463, 7мг/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 1, 02 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, 06 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 715 724 986 724 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
Дляряда 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, 1мг/кг); As (от 4, 2 до 5, 5 мг/кг).
Ростконцентрации кремнезема, глинозема и окислов железа обусловлен их практическинеподвижным состоянием в процессе окисления. Эти компоненты не могут переходитьв высокоминерализованный водный раствор, насыщенный сульфатами, поэтому ихконцентрация увеличивается благодаря выносу подвижных компонентов из исходныхпород при окислении или горении последних. При этом монолитные породыстановятся пористыми. В переходных зонах эти поры заполняют легко растворимыеводой сульфаты, гидрокарбонаты, а на удалении от очагов окисления, гдевымывание этих минералов атмосферными водами опережает процессы их образования,видны пустоты различной формы. Эти пустоты образовались на месте ранеесуществовавших окисленных минеральных агрегатов и органического вещества.Поэтому для роста концентрации неподвижных компонентов достаточным являетсявынос других – подвижных компонентов. Увеличение концентрации окислов кальция имикроэлементов может быть обусловлено их выносом из промежуточных зон окисления,где отмечается падение их содержаний. Окислы натрия, серы и сульфат-ионявляются подвижными, их максимальные концентрации отмечаются в промежуточнойзоне развития белой сульфатной минерализации. Окисленные кирпично-красныепороды уже обеднены этими компонентами за счет их вымывания атмосфернымиосадками.
Выносв процессе окисления испытывают Cорг. (от 7, 71% до 0, 11%); MgO (от 1, 55% до1, 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 угарногогазов, отчасти участвует в образовании новых минералов – карбонатов игидрокарбонатов натрия, кальция, магния, железа. Магний и калий переходят изгидрослюдистых минералов пород в подвижное состояние и мигрируют воднымирастворами. Вода, определяющая влажность пород и играющая главную роль впроцессе окисления, по мере роста температуры испаряется и мигрирует впромежуточные зоны, где достигает максимальной концентрации в связи с белойсульфатной минерализацией, что подтверждает формирование последней изпересыщенных водных растворов. Хлориды и нитраты, образующиеся в процессеокисления, выносятся, частично с компонентами выбросов в атмосферу, и отчасти, мигрируяводными растворами, сохраняя в них свою устойчивость при пересыщениисульфат-ионом.
Главнымэлементом зоны окисления является сера и ее производные. Окисление серысопровождается образованием сульфат-иона в условиях достаточного количествакислорода. Часть сульфат-иона мигрирует в атмосферный воздух с парами воды, азначительная его часть при выходе на дневную поверхность в условия низкихтемператур конденсируется на контакте с породами. Охлажденные водные растворыстановятся пересыщенными в отношении сульфат-иона, что благоприятствуетвыделению новых минералов. Именно в этой части ореола окисления отмечаетсямаксимальная влажность и концентрация сульфатов. Новообразованные минералызаполняют все существующие поры и трещины, породы приобретают массивность.Поэтому в этой зоне фиксируется пониженные концентрации ряда макро-имикрокомпонентов.
Терриконыявляются 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 иугарный газ. Основным компонентом выбросов является водяной пар. Вместе спаро-газовыми выбросами в атмосферу со стороны терриконов могут попадатьлетучие соединения токсичных элементов – ртути, мышьяка, кадмия и др.
Разогреворганической части угля в очагах окисления сопровождается ее термическимразложением, аналогичным процессу пиролиза. При этом образуются вредные летучиеорганические компоненты. В повышенных концентрациях в породах терриконовустановлены:
1.Нефтепродукты в концентрациях до 548, 0 г/т. Максимальные концентрациинефтепродуктов наблюдаются в породе терриконов шахты «Паравичная» №5и 1-7 «Ветка».
2.Фенолы в концентрациях до 0, 22 г/т. Минимальные концентрации фенола отмечаютсяв породах терриконов №2 шахты №4 «Ливенка» и №2 шахты «Центрально Заводская» — меньше0, 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) вовсех изученных терриконах.
4.Моноэтаноламин зафиксирован в пробах с максимальной концентрацией 6, 25 г/т впородах террикона шахты «Центрально – Заводская». В отвальных массах терриконашахты №4 «Ливенка» обнаружена одна проба с концентрацией моноэтаноламина — 3, 65г/т.
5.Максимальная концентрация дифенилопропана (2, 36 г/т) фиксируется в породетеррикона шахты «Центрально-Заводская» №1.
Втех же пробах выполнялись определения содержаний таких токсичных и вредныххимических веществ, как: толуол, метапараксилол, бутил ацетат, хлорбензол, стирол,ацентон, бензол, этилбензол, метапараксилол, ортоксилол, этил ацетат, изопропилбензол, метанол, пиридин, ацетофенон. Из этих компонентов в пробах установленытолуол, метапараксилол, бутил ацетат, хлорбензол, ацентон, бензол, толуол, этилацетат,преимущественно в концентрациях ниже ПДК [2].
Выбросысо стороны терриконов могут распространяться на сотни метров, захватываябольшие площади, включая селитебные территории. Компоненты выбросов, осаждаясьна земную поверхность, загрязняют почво-грунты. При этом формируются ореолырассеивания. Наиболее загрязненными являются заболоченные участки долин рек иднищ балок. Опыт проведения периодического экологического мониторинга почв впределах г. Донецка показывает, что почво-грунты города имеют повышенныйобщегородской фон, зачастую превышающий ПДК, для кадмия, мышьяка, ртути, свинцаи сульфат-иона. Источниками загрязнения почв данными компонентами являются втом числе выбросы со стороны отвалов.
Самитерриконы и ореолы рассеивания загрязняющих веществ в почвах служат источникамизагрязнения водной среды сульфатами и токсичными компонентами. При этомзагрязняется поверхностный сток, выщелачивающий растворимые сульфаты споверхности терриконов и почв, и подземные воды в процессе инфильтрациизагрязненных атмосферных осадков. Известно, что поверхностные и подземные водыгородской черты имеют высокую минерализацию (более 2 г/л), жесткость (более 15мг-экв/л), сульфатно-натриевый состав.
Негативныегеологические процессы, связанные с терриконами, проявлены в разных аспектах.Водная эрозия их бортов приводит к расширению площади отвалов. Породная масса оказываетдополнительное давление на грунты основания, что может повлиять на изменение ихфильтрационных свойств и оказывать локальное воздействие на уровенный режимпервого от поверхности водоносного горизонта. Однако самое существенноенегативное воздействие терриконы оказывают благодаря формированию зон замещенияв грунтах зоны аэрации и в водовмещающих породах. Они проявлены развитиемвторичной минерализации. В природных условиях эта минерализация представлена ввиде обилия прожилково-вкрапленных карбонатов, развивающихся в зоне аэрации и вводовмещающих породах. В пределах городской территории, где осуществляютсявыбросы углекислоты, сернистого ангидрида и т.д., карбонатная минерализациязамещается гипсом и содовыми минералами. В пределах зон разломов увеличиваетсяне только количество гипса, но и размеры выделений, достигающие 15-20 см в диаметре. Проявляется вертикальная зональность, когда в верхней части зоны аэрации выделяютсяконкреции и прожилки землистых агрегатов содовых минералов, ниже по разрезупоявляется гипс, который далее становится основным техногенным минералом. Этазональность обусловлена различной растворимостью содовых минералов и гипса вводе. Зоны замещения сопровождаются перераспределением большей части макро- имикрокомпонентов как в грунтах зоны аэрации, так и в водовмещающих породах и вподземных водах. В качестве проводников данных процессов служат разломы илигеодинамические активные зоны.
Этапроблема имеет очевидный инженерно-геологический аспект. Опасность процессовантропогенного замещения грунтов основания зданий и сооружений заключается втом, что первичные природные грунты с конкрециями карбонатов обладаютдостаточно высокими прочностными характеристиками как в сухом, так и во влажном(обводненном) состоянии. В отличие от них загипсованные грунты сохраняютустойчивость лишь в сухом состоянии. Длительное замачивание сопровождаетсярастворением гипса и, соответственно, потерей несущих способностей грунтов.Опасность состоит в том, что гипс слаборастворим водой, имеющей повышеннуюминерализацию. Изменения прочностных свойств при замачивании проб грунтов влабораторных условиях могут быть также не установлены. Поэтому построенный, например,жилой дом на таких грунтах может со временем разрушится, что в последнее времяне редкость. Пока грунты сухие – дом стоит. Прохудившиеся водопроводные иканализационные сети приводят сначала к затоплению подвалов. Постояннаяфильтрация через зону аэрации вод с пониженной минерализацией приводит крастворению гипса и грунты основания теряют свои прочностные свойства.
Рольтерриконов в экологии города является исключительно негативной. Для ее оценки вкаждом конкретном случае требуются специальные геолого-экологическиеисследования для разработки природоохранных мероприятий по минимизациинегативных воздействий. Это, прежде всего, предотвращение выбросов, организацияповерхностного стока, предотвращение фильтрации атмосферных осадков в горизонтыподземных вод, рекультивация и озеленение. Самым оптимальным является разборкаотвалов и утилизация породной массы с учетом ее физико-химических, физико-механических,минералого-геохимических и др. свойств.
Список литературы
ПроскурняЮ.А. Диссертационная работа на соискание степени кандидата геологических наукна тему: «Минералогия породных отвалов угольных шахт Донбасса (на примереДонецко-Макеевского промышленного района). ДонГТУ, Донецк, 2000. 165 с.
Экологияи геохимическая деятельность микроорганизмов / Под ред. М. В. Иванова. Пущино, 1976.179 с.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта masters.donntu.edu.ua