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
|
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
|
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. |