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

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. 

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.