Эколого-геохимические особенности углей и шахтных вод Донбасса (на примере Донецко-Макеевского углепромышленного района)

Эколого-геохимические особенности углей и шахтных вод Донбасса (на примере Донецко-Макеевского углепромышленного района)

Шевченко О.А., Проскурня Ю.А. Донецкий государственный технический университет, г.Донецк

Проведение геохимической оценки состояния окружающей среды, загрязнение которой оказывает негативное влияние на условия существования организмов, является одной из наиболее актуальных задач. Для Донецко-Макеевского района – как и для большей части Донбасса – одним из основных загрязнителей природной среды является угольная промышленность. В этой связи наиболее важным представляется геохимическое изучение угля и шахтных вод района. Эта проблема имеет два аспекта. Во-первых, анализ содержания в компонентах геологической среды элементов в концентрациях, представляющих угрозу для здоровья человека. И, во-вторых, рациональное использование природных ресурсов, одним из направлений которого, на наш взгляд, является попутное извлечение ценных компонентов. В данной статье представлены новые результаты геохимического изучения углей и шахтных вод Донецко-Макеевского углепромышленного района.

1. Описание района исследований.

Донецко-Макеевский углепромышленный район, имеющий площадь 3170 км2 и находящийся в пределах Донецкой области, расположен на южном крыле Кальмиус-Торецкой котловины. Кроме пликативных дислокаций в районе широко распространены разрывные нарушения, в подавляющем числе представленные надвигами: Мушкетовский, Французский, Калининский, Тимошенко, Ясиновский, Первомайский и др.

В геологическом строении района принимают участие отложения среднего и верхнего карбона, почти повсеместно перекрытые четвертичными и отчасти палеогеновыми отложениями. В западной части на размытой поверхности карбона залегают породы юрского и мелового возраста.

Толща карбона включает все свиты среднего и нижние свиты верхнего отдела. Наиболее угленосными в районе являются свиты С23, С25, С26, и С27 [2].

Водоносные горизонты заключены в отложениях каменноугольного, юрского, верхнемелового и палеогенового возраста, в четвертичных отложениях они приурочены к аллювию и прослоям песков в суглинках.

2. Материал и методы исследований.

Распределение химических элементов в углях было изучено по данным кернового и бороздового опробования угольных пластов действующих шахт Донецко-Макеевского района. Было проанализировано 277 проб из керна скважин и горных выработок по основным разрабатываемым пластам. Лабораторные работы по определению состава углей спектральным полуколичественным анализом выполнялись лабораториями ПГО “Донбассгеология” и “Луганскгеология”.

Гидрогеохимические исследования включали анализ более 500 проб шахтных вод. Лабораторные работы, проводимые в лаборатории ПГО "Донбассгеология", включали изучение физических, химических свойств воды и спектральный полуколичественный анализ.

3. Анализы и результаты.

3.1. Геохимия углей и шахтных вод Донецко-Макеевского углепромышленного района.

При анализе содержания химических элементов в углях района относительно кларков осадочных пород [1] выявлены следующие закономерности.

Наибольшие превышения кларков осадочных пород характерны для элементов I класса опасности: ртути – в 5-62,5 раз, мышьяка – в 15-106 раз, бериллия – в 10 раз, свинца – в 15 раз, цинка – 2-2,5 раз.

Средние содержания большинства остальных элементов близки к кларковым значениям, образуя лишь в отдельных случаях повышенные концентрации. Максимальные превышения содержаний по отношению к кларкам установлены для Bi – до 90 раз, S – до 25 раз, Ge - до 17 раз, Ba – до 12,5 раз, Sc, Ag и Mn – до 3 раз, Mo и Li – до 2,5 раз, Sr - до 2 раз, Co и Cr – до 1,5 раз, V и Ti – до 1,2 раз.

Средние содержания таких элементов как – 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) - выше фонового для углей Донбасса, но ниже среднего содержания в земной коре.

Таким образом, по уровню максимальных содержаний можно выделить следующие группы элементов:

превышающие кларк по всем пластам (Ge, As, Bi, S); 

превышающие кларк по отдельным пластам (Hg, Be, Zn, Pb, Ba, Sr, Ga); 

превышающие кларки в единичных случаях (Sc, Co, Mn, V, Cr, Ti, Mo, Ag, Li, F); 

на уровне и ниже кларков (Rb, Cs, Sn, Nb, Ni, Cu, Zr, Y, La); 

в углях не обнаружены Tl, Sb, Cd, Ta, Нf. 

Для шахтных вод Донецкого-Макеевского района, характеризующихся преимущественно сульфатно-хлоридно-натриевым составом и высокой минерализацией, наиболее типичными элементами являются: Li, Ba, Mn, Ti, Pb, Sr, Ni, Mo, Cu, Cr, V, B, Br, F, выявленные практически во всех пробах. Меньшей встречаемостью характеризуются Zn, Bi, Zr, Co, La, Ag. В отдельных пробах обнаружены Cd, Sc, Nb, Y, Yb, Sb, Hg, Be, As, Au, Ga. В шахтных водах района не выявлены Tl, Ta, Hf, W.

3.2. Загрязнение углей и шахтных вод района.

Поскольку использование углей и сброс шахтных вод, содержащих химические элементы в концентрациях, превышающих предельно допустимые, представляет потенциальную опасность для окружающей среды, необходимо изучение распределения химических элементов всех классов опасности.

Ввиду отсутствия нормированного содержания химических элементов в углях, при анализе использовались предельно допустимые концентрации содержания элементов в почвах (ПДКп).

В углях Донецко-Макеевского углепромышленного района превышение ПДКп характерно практически для всех элементов I класса опасности (табл. 1).

Таблица 1. Максимальные содержания элементов I класса опасности, превышающие ПДК, в углях Донецко-Макеевского района.

Шахта

Содержание элементов в углях, г/т (ПДК)



Hg (2,0)

As (2,0)

Pb (32,0)

F (500)

Zn (23,0)

Be (3,0)

Октябрьский рудник

2

500

30

1000

100

30

им.Горького

1

700

15

300

100

10

Челюскинцев

0,55

150

300

300

200

10

Лидиевка

0,2

300

20

100

50

10

Кировская

5

300

50

600

200

5

им.Засядько 

-

300

15

200

100

15

им.Абакумова

-

700

50

100

200

30

Заперевальная

25

3

200

100

150

1,5

Панфиловская 

1

150

30

300

150

5

Куйбышевская

-

300

20

100

70

50

Примечание: прочерк – нет данных.

Концентрации мышьяка по отдельным пробам превышают ПДКп до 350 раз (пласты l4, l7, m3, h10, h8), в среднем составляя 9-10 раз. Наиболее высокие содержания ртути, превышающие ПДКп до 12 раз, отмечены в угольном пласте g2, разрабатываемом шахтами ш/у “Донбасс” и “Заперевальная”.

Превышение ПДКп по свинцу достигает 6,25-9,4 раз (максимальные превышения установлены по пластам k8, l4, m3). Наиболее высокое содержание фтора отмечено по пласту l4 (ш/у “Донбасс” и “Заперевальная”) – 2 ПДКп. Превышение ПДКп по цинку составляет в среднем 1,5-2 раза, достигая по отдельным пластам 8,7 раз (h10, h3, l4, l7, l81, m3, m41). 

Одним из наиболее токсичных элементов является бериллий. При использовании углей, обогащенных Be необходимо иметь в виду, что при сжигании угля бериллий образует пыль оксида, которая не улавливается электрофильтрами [3]. Поскольку для бериллия нет установленного ПДКп, при анализе использовался кларк осадочных пород (3,0 г/т). Концентрация бериллия в угольных пластах исследуемого района, находится в пределах 0,4-50 г/т, в среднем составляя 4,0 г/т, а по пластам h10, h7, h8, k8, l1, l4, l6, l7, l81, m3, m5, m2, m41 превышает кларк осадочных пород в 16,7 раз.

Содержание элементов II и III класса опасности в углях района, как правило, не превышает ПДКп. Единичные превышения ПДКп зафиксированы для хрома, марганца и ванадия.

В шахтных водах исследуемого района наблюдается иная картина. Из элементов I класса опасности содержание только свинца почти повсеместно превышает ПДК (табл. 2). В отдельных пробах в концентрациях, превышающих ПДК, выявлены фтор (ПДК 1,5 мг/л) (им.Бажанова (1,8 мг/л), “Лидиевка” (1,9 мг/л)) и бериллий.

Таблица 2. Максимальные содержания элементов, превышающие ПДК, в шахтных водах Донецко-Макеевского района.

Шахта

Содержание элементов в шахтных водах, мг/л (ПДК)



Pb (0,03)

Li (0,03)

Ba (0,1)

Mn (0,1)

Ti (0,1)

Октябрьский рудник

0,037

0,183

3,7

3,7

3,7

им.Горького

0,047

0,097

0,8

0,98

1,33

Челюскинцев

0,049

0,13

4,32

4,32

3,12

Лидиевка

0,054

0,154

3,85

3,85

0,47

Орджоникидзе

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

Примечание: прочерк – нет данных.

Наиболее часто в концентрациях, превышающих ПДК, в шахтных водах района встречаются элементы II класса опасности: литий, бор, никель, молибден, сурьма. Содержания лития повсеместно превышают ПДК (табл. 2). Часто превышают ПДК содержания в водах никеля (ПДК 0,1 мг/л): им.Горького (0,17 мг/л), им.Челюскинцев (0,12 мг/л), “Лидиевка” (0,12 мг/л), “Орджоникидзе” (0,13 мг/л); бора (ПДК 0,5 мг/л): “Мушкетовская” (0,59 мг/л), ш/у “Донбасс” (0,84 мг/л), № 9 “Капитальная” (0,59 мг/л), № 6 “Красная звезда” (0,59 мг/л), им.газеты “Правда” (0,71 мг/л). В одиночных пробах отмечены концентрации сурьмы, превышающие ПДК, - “Лидиевка” - 0,116 мг/л (ПДК 0,05 мг/л); а также молибдена– им.Горького - 0,56 мг/л (ПДК 0,25 мг/л).

Из элементов III класса опасности повсеместно превышают ПДК содержания бария и марганца, спорадически стронция и ванадия. Следует также обратить внимание на характерное для района превышающее ПДК содержание титана (табл. 2).

Таким образом, наиболее опасными по содержанию токсичных элементов I класса опасности являются угольные пласты h10, l4, m3, l81, h8, k8, разрабатываемые шахтами “Кировская”, им. Горького, “Заперевальная”, “Трудовская”, ш/у “Донбасс”, а также воды шахт “Лидиевка”, “Октябрьский рудник”, “Орджоникидзе”.

3.3. Перспективы добычи попутных компонентов из углей и шахтных вод района.

В углях исследуемого района высокие концентрации, достигающие и превышающие промышленные, установлены для германия, галлия, бария, лития и других элементов.

Концентрация германия в углях района колеблется от 1,2 до 63,4 г/т, составляя в среднем 4,7 г/т, что в отдельных случаях до 21 раз превышает среднее содержание для углей Донбасса и в десятки раз – кларк осадочных пород. Практический интерес представляет содержание германия в энергетических углях более 10 г/т, в коксующихся – более 3 г/т сухого угля. Максимальные содержания германия (до 7,86-33,75 г/т) отмечены на участках распространения марок Д, Г, Ж, К по пластам m5, l4, k8, h11, l81, m41, m3, l71, m2, l1, l6, l3 шахт “Трудовская”, им.Засядько, “Панфиловская”, им.Абакумова, “Кировская”, “Лидиевка” (табл. 3). Минимальные содержания германия установлены на полях шахт им.Горького (1,5-3 г/т), “Октябрьский рудник” (2,5-5 г/т). 

Таблица 3. Содержания химических элементов, превышающие промышленные, в углях Донецко-Макеевского района.

Элемент

Промышленные содержания, г/т

Максимальные содержания, г/т

Пласт

Шахта

Ge

3,0

33,75

l71

им.Засядько





26,1

m3

“Панфиловская”

Ga

20,0

28,1

l4

“Трудовская”





28,1

l7

им.Челюскинцев

Sr

450,0

2000,0

k8

“Трудовская”





1000,0

k8

“Панфиловская”

Ba

1000,0

7000-10000

l4-l8

“Абакумова”





3000,0

l4

“Трудовская”

Mn

1000,0

2000,0

k8

“Трудовская”

V

100,0

150,0

m3

“Трудовская”

Cr

100,0

150,0

l1н

“Панфиловская”





150,0

m3

“Трудовская”

Li

100,0

150,0

l81

“Трудовская”

Ce

50,0

50,0

l1н

“Панфиловская”

Содержание галлия в пределах исследуемого района изменяется в пределах от 0,0 до 60,0 г/т, составляя в среднем 9,1 г/т. Повышенное содержание Ga характерны для пластов h10, h8, h6, g2, l4, l7, l1, l2, k8. Максимальные концентрации галлия выявлены по пластам l4, l7 шх. “Трудовская” и им.Челюскинцев - до 28,1 г/т. Галлий в энергетических углях представляет интерес при содержании его в сухом угле не менее 20 г/т или при содержании не менее 10 г/т при содержании германия более 5 г/т. Второму условию удовлетворяют также пласты l1, l2, k8, m3.

В углях Донецко-Макеевского района выявлены также высокие концентрации бария. При промышленных содержаниях 1000 г/т, концентрации в углях района достигают: по шахте им.Абакумова – 10000 г/т (l8), 7000 г/т (l4), 2000 г/т (m2); по шахте “Трудовская” – 3000 г/т (l4), 1000 г/т (k8), а также по пластам l81 шх. “Лидиевка” – 2000 г/т и k6 шх. “Кировская” - 2000 г/т.

Максимальные концентрации лития выявлены по пластам l81 шх.“Трудовская” - до 150 г/т; h21, h3 ш/у “Донбасс”, h7 шх. “Кировская” и h7 им.Горького - до 100 г/т (при промышленных 100 г/т).

Кроме указанных элементов в содержаниях, подлежащих промышленной оценке обнаружены стронций, хром, марганец, ванадий, церий (табл. 3).

По отдельным пробам в концентрациях, близких к промышленным, встречены цирконий, скандий, иттрий, лантан и серебро.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что наиболее перспективными в плане добычи попутных компонентов в районе являются пласты l4, k8, m3 шахты “Трудовская”, l1н, k8, m3 шахты “Панфиловская”.

В шахтных водах района отмечены лишь единичные достигающие промышленных содержания химических элементов, не представляющие существенного интереса. Однако, на наш взгляд, необходимым является проведение дальнейших исследований с целью изучения возможности добычи ценных компонентов попутно с очисткой шахтных вод района, что может иметь не только экологический, но и экономический эффект.

4. Дискуссия и обсуждение.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы. 

Концентрации химических элементов I класса опасности (ртуть, мышьяк, бериллий, свинец, цинк) в углях и I, II, III классов опасности (свинец, литий, бор, никель, барий, марганец, стронций и другие) в шахтных водах Донецко-Макеевского района превышают предельно допустимые концентрации в десятки и даже сотни раз.

Использование углей, обогащенных As, Hg, Be и т.п. как в промышленных, так и бытовых целях, а также шахтных вод в сельском хозяйстве и т.д. ведет к загрязнению всех компонентов природной среды. Некоторые элементы, не обладая способностью к летучести, накапливаются в золе и концентратах, что также может иметь негативные экологические последствия при использовании этих углей в коксохимии.

Некоторые элементы в углях района могут рассматриваться как ценные и извлекаться попутно с углями. Содержание таких элементов как германий, галлий, стронций, барий, марганец, ванадий, хром, литий, церий достигают промышленных концентраций, что требует более детального изучения распределения этих элементов в углях. Дальнейшие исследования должны быть направлены на выделение перспективных участков, содержащих в повышенных концентрациях ценные компоненты, разработку технологии их извлечения и обоснования соответствующих кондиций.

В завершении хотелось бы обратить внимание на необходимость более детального изучения факторов накопления и миграции элементов в углях и шахтных водах района, что повысит эффективность решения задач охраны и рационального использования природных ресурсов.

Список литературы

Виноградов А.П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры// Геохимия. – 1962. - № 7. – С. 555-571. 

Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР: в 12 т. - М.: Госгеотехиздат, 1963. - Т.1: Донбасс. - 1210 с. 

Клер В.Р., Перциков И.З. Неорганические компоненты твердых топлив. – М.: Химия, 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.