УДК   622.5:622.51

Трансформация химического состава шахтных вод в Восточном Донбассе

 

Гавришин А. И., профессор Борисова В. Е., студентка, Торопова Е. С., студентка

Южно-Российский Государственный Политехнический Университет (НПИ) имени М. И. Платова, Россия

 

Рассмотрены негативные последствия влияния угольной промышленности на состояние окружающей среды в Восточном Донбассе.

 

Формирование химического состава подземных вод происходит под влиянием множества природных и антропогенных факторов, таких как климат, геологическое строение и гидрогеологические условия территории, состав водовмещающих пород, горно­добывающая промышленность, мелиоративная деятельность и другие. Добыча полезных ископаемых сопровождается интенсивным изменением естественного энерго-массопереноса, когда из недр на поверхность земли извлекаются огромные массы горных пород, руд, угля, подземных вод и т.д.; это приводит к существен­ным изменениям строения, свойств и состава верхней части гид­ролитосферы, снижению экологического потенциала территории. В Донецком бассейне длительная отработка угольных месторож­дений и функционирование водопонизительных систем привели к значительному преобразованию гидрогеологических условий на больших территориях. Изменяется режим и баланс подземных вод, происходит трансформация химического состава природных вод с образованием минерализованных шахтных вод, загрязнение поверхностных водотоков, развитие процессов консолидации и уплотнения пород и многие другие явления и процессы.

В районе каждой действующей угольной шахты образуется мощная депрессионная воронка под влиянием интенсивной откач­ки шахтных вод, в формировании которой принимают участие подземные воды, поверхностные водотоки и атмосферные осадки, проникающие через зону техногенной трещиноватости. Каждая депрессионная воронка оказывает существенное негативное влия­ние на экологическое состояние территории с исчезновением род­ников и поверхностных водотоков, осушением массивов горных пород, прекращением функционирования водозаборов подземных вод и другими отрицательными последствиями. При близком рас­положении угольных шахт депрессионная воронка может распро­страняться на десятки километров. Сброс шахтных вод в речную сеть ещё более усугубляет экологическую ситуацию. Многие крупные и средние реки Восточного Донбасса (Кундрючья, Лихая,Кадамовка, Каменка и др.) практически утратили водохозяйствен­ное значение и рекреационную ценность. Сократились запасы, ухудшилось качество, возрос дефицит питьевых и технических под. Такая ситуация характерна для большинства угольных бас­сейнов: Кемеровского, Печёрского, Донецкого (Украина), Кара­гандинского, Силезского, Рурского, Вичитинского (США) и мно­гих десятков угольных бассейнов всего мира.

Реструктуризация угольной промышленности и массовое за­крытие угольных шахт в Восточном Донбассе интенсифицирова­ли процессы оседания земной поверхности и деформации горных пород, подтопления территорий и породных отвалов, формирова­ния аномальных по составу вод и интенсивное загрязнение поверхностных, выделение «мертвого воздуха» и многие другие от­рицательные явления.

Все эти негативные факторы вызвали многочисленные де­формации и разрушение сооружений, производственных и жилых зданий, что потребовало переселения части населения на без­опасные территории. Возникли проблемы в большинстве компо­нентов окружающей среды: воздушной, водной, биологической, геологической и социальной[1].

 

Методика исследований

Количественный характер современной гидрогеохимической информации создает широкие возможности использования математических методов и компьютерных технологий для обработки первичных данных и надежного обоснования выводов о закономерностях распределения содержаний химических элементов в водах. К настоящему времени имеется уже несколько тысяч ра­бот, в той или иной степени касающихся применения математи­ческих методов и ЭВМ в геологии и гидрогеологии. Среди гидрогеохимических исследований, посвященным вопросам развития и использования математической статистики, можно отметить ра­боты С.П. Абдула, С.А. Брусиловского, Г.А. Вострокнутова, А.И. Гавришина, Г.А. Голевой, В.И. Пелешенко, Н.П. Ромась, М.А. Садикова, С.И. Смирнова и др.

Внедрение математики в гидрогеохимию, по мнению боль­шинства исследователей, следует рассматривать, преимуще­ственно, как применение метода математического моделирова­ния. Любая модель должна обладать двумя главными свойства­ми: отражательным и гносеологическим. Это означает, что мо­дель, должна быть подобна по части признаков изучаемому объ­екту и одновременно модель позволяет изучать новые свойства объекта, иначе она перестает быть только моделью.

Для изучения закономерностей формирования химического состава шахтных вод Восточного Донбасса привлечено более 1500 анализов за период от 1920 до 2010 года. Около 1000 анали­зов относятся к действовавшим и действующим шахтам и более 500 анализов отобрано во время ликвидации угольных шахт и по­сле ликвидации. По грунтовым водам использовано более 1000 анализов за период с 1950 по 2010 годы.

Анализ информации выполнен с привлечением широкого комплекса математико-статистических методов: интервальная оценка параметров, проверка гипотез (статистические критерии), одномерная и многомерная корреляция, прямолинейная и криво­линейная регрессия. Как главный способ анализа гидрогеохимических закономерностей использован оригинальный G-метод классификации многомерных наблюдений (выделения однород­ных совокупностей - таксонов), основанный на критерии Z-квадрат (Гавришина), детальное описание которого можно найти в ряде публикаций автора [2, 3].

G-метод реализован в виде компьютерной технологии AGAT-2, позволяющий автоматически строить классификации многомерных наблюдений различного уровня детальности, и успешно применён для изучения природных и природно- антропогенных систем на Земле, Луне, Марсе, кометах, астерои­дах и в дальнем космосе по астрофизическим, космохимическим, дистанционным, гидрогеологическим, гидрогеохимическим, эко- геологическим, геологическим и другим видам данных [4].

Сопоставлением, выделенных автоматически на компьютере однородных таксонов, обнаружены и количественно описаны закономерности формирования химического состава шахтных вод региона, частично охарактеризованные в настоящей работе.

При анализе данных использованы названия типов по клас­сификации О.А. Алекина. В название вод по химическому соста­ву включаются компоненты с содержанием > 25 % -моль, распо­лагаются в порядке возрастания содержаний.

 

Изменение химического состава шахтных вод за столетний период

Химический состав шахтных вод зависит от многих факторов и, прежде всего, от состава дренируемых подземных и поверх­ностных вод, результатов их взаимодействия с углями и вмеща­ющими породами, способов разработки угольных пластов, мето­дов ликвидации угольных шахт. В табл. 1 приведён средний хи­мический состав шахтных вод по результатам опробования за столетний период.

 

Таблица 1 - Средний химический состав шахтных вод в различные периоды опробования

(мг/л и % - моль, в скобках указаны содержания по ограниченному числу наблюдений)

 

Период	рН	НСO3	SO4	Сl	Са	Mg	Na	Fe	М
20е годы	6.9	183	1443	397	233	184	405	(0-1)	2840
		7	68	25	26	35	39
40e годы	4.4	25	2590	257	304	219	642	(32)	4040
		1	88	11	25	30	45
50егоды	5.2	221	2795	443	330	191	964	(52)	4947
		5	78	17	23	20	57
1966 год	6.7	264	1741	448	98	217	710	1.1	3500
		8	68	24	10	35	55
1992 год	7.5	580	1700	730	205	137	1035	3.6	4390
		15	54	31	15	17	68
1999 год	7.6	676	1542	378	157	129	800	6.6	3546
		20	60	20	15	20	65
2002 год	7.1	610	2372	445	223	250	886	47	4810
		16	63	21	17	26	57
2006 год	6.9	505	2800	322	296	260	923	83	5290
		11	77	12	19	29	52
2010 год	7.1	626	2805	443	386	267	912	39	5466
		13	72	15	24	27	49

 

В 1994 году началась ликвидация угольных шахт в Восточ­ном Донбассе путём полного затопления шахт, затопления с пе­ретоком вод в соседние ликвидированные шахты, с поддержани­ем уровней вод на безопасной глубине, способом «сухой консер­вации». Ликвидация осуществлялась более чем на 30 шахтах.

По сравнению с водами всех шахт Восточного Донбасса до начала ликвидации (1994г.) воды действующих (1999г.) шахт имели меньшую минерализацию и содержания большинства компонентов. Но содержание железа увеличилось почти в два ра­за (табл. 1). В среднем по составу воды сульфатные натриевые второго типа по О.А. Алекину.

К 2002 году практически завершилась ликвидация угольных шахт региона. С 2002 до 2010 года систематически увеличивалась минерали­зация вод и содержания всех компонентов. Всё это свидетельству­ет о том, что ликвидация шахт привела к усилению процессов окисления и растворения и негативное воздействие на все компо­ненты окружающей среды растёт. Это требует эффективных мер по реабилитации состояний окружающей среды региона.

Большинство рек в Восточном Донбассе под влиянием сбро­са шахтных вод практически утратили водохозяйственное значе­ние и рекреационную ценность. Сократились запасы, ухудшилось качество, вырос дефицит питьевых и технических природных вод.

Во всех случаях снижается величина рН, минерализация уве­личивается в 2 раза, содержание SO₄^2-- в 3 раза, железа - в де­сятки раз. Кроме того, обнаруживается повышенное содержание Mn, Al, Cu и других компонентов. На воды р. Кадамовка, напри­мер, основное влияние оказывает сброс шахты Глубокая, воды которой имеют минерализацию 12700, содержание сульфат- иона - 8200 и железа - 110 мг/л.

 

Основные направления трансформациии генезис химического состава шахтных вод

Для определения основных направлений и генезиса измене­ний химического состава шахтных вод в Восточном Донбассе ис­пользованы 46 результатов анализа вод за 1992 год перед перио­дом массовой ликвидации шахт региона. Отме­тим, что состав вод в этот период характеризуется относительно высокой изменчивостью, и в среднем это воды хлоридно- сульфатные натриевые второго типа (отдельные пробы - первого и четвёртого типов). Анализ зависимостей между компонентами состава вод показывает, что эффективно может быть использова­на простая линейная модель и парный коэффициент корреляции. С величиной минерализации сильная корреляционная связь обнаружена для Na, далее по мере убывания тесноты связи компонен­ты располагаются в следующий ряд: Сl, SO₄, НСО₃, Mg.

С помощью G-метода последовательного классификационно­го анализа по компьютерной программе АГАТ-2 удалось уверенно обнаружить четыре главных гео­химических направления изменения химического состава шахт­ных вод.

Особенности химического состава вод различных геохимиче­ских направлений отчетливо фиксируются по среднему со­ставу (табл. 2): первое направление - это слабокислые сульфат­ные магниево-кальциево-натриевые воды, второе - нейтральные хлоридно-сульфатные натриевые, третье - слабощелочные сульфатно-хлоридные натриевые, четвертое - нейтральные гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридные натриевые (содовые). Хорошо видно, как от первого к третьему направлению снижается сульфатность и нарастает хлоридность вод, а для четвертого направ­ления характерны высокие содержания гидрокарбонатов (анало­гичные закономерности обнаруживаются и в другие периоды опробования шахтных вод [5]).

 

Таблица 2 - Средний химический состав шахтных вод по гидрогеохимическим направлениям (мг и %-моль)

 

Направление	рН	НСO3	SO4	Cl	Ca	Mg	Na	Fe	М
1	6.0	360	2515	266	349	205	730	11.1	4450
		9	80	11	26	26	48
2	7.6	516	1577	730	290	138	873	3.4	4235
		14	53	33	23	18	59
3	7.8	487	1489	1396	179	124	1370	1.6	5055
		10	40	50	11	13	76
4	7.6	1217	1105	885	107	84	1350	1.1	4566
		29	34	37	8	10	82

 

Все изложенное позволяет сделать надежные выводы о генезисе химического состава шахтных вод четырех выделенных гидрогеохимических направлений. Первое направление связано с преобразованием исходных слабоминерализованных гидрокарбонатно-сульфидных вод в кислые (рН до 2.0) сульфатные воды свысокими содержаниями Fe, Mn, Аl, Cu и других металлов и обусловлено интенсивным развитием процессов окисления серы. Типоморфными компонентами этих вод являются SO₄(высокие содержания) и НСО₃ (низкие содержания).

При разработке угольных месторождений с расширением фронта эксплуатационных работ обеспечивается доступ агрессив­ных грунтовых, атмосферных и поверхностных вод, обогащенных кислородом, на значительные глубины и к большим объемам из­мельченных углей и горных пород. В этих условиях при больших площадях соприкосновения в системе вода-порода интенсивно протекают процессы окисления, растворения и выщелачивания.

Второе геохимическое направление характеризуется перехо­дом гидрокарбонатно-сульфатных вод в хлоридно-сульфатные нейтральные воды, в незначительной степени обогащенные Feи Mn. Теперь, наряду с процессами окисления серы, приблизительно равную роль начинают играть процессы увеличения концентраций хлор-иона за счет притока хлоридных подземных вод при углублении угольных шахт. Типоморфными компонентами второго Направления являетсяSO₄иCl(повышенные содержания).

Третье геохимическое направление изменения состава шахтных вод фиксирует преобразования гидрокарбонатно-сульфатных вод в сульфатно-хлоридные. На первое место вы­ходит процесс роста концентрации Сl за счет притока хлоридных подземных вод при отработке глубоких шахтных горизонтов. Рост концентрации SO₄и процесс окисления сульфидов переходит на второе место (кислые воды при этом не образуют­ся). Типоморфным компонентом направления является Сl (вы­сокие содержания).

По четвертому геохимическому направлению изменения хи­мического состава шахтных вод образуются оригинальные содовые гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридные и хлоридные натриевые воды с высокими содержаниями НСО₃и очень низкими Са и Mg. Типоморфными компонентами четвертого направления являются содержания НСO₃ и Сl(высокие содержания), а также Са и Mg(низкие содержания). Теперь ведущую роль начинает играть при­ток содовых подземных вод, которые формируются в результате испарительно-конденсационных процессов в водоуглеродной газовой фазе (обратная геохимической зональности подземных вод ре­гиона). В районе угольных шахт, где образуются содовые воды четвертого направления, наиболее высоки перспективы обнаруже­ния нефтегазовых скоплений, например, в структурах Гуково-Зверевского угленосного района. Важно отметить, что в пределах Восточного Донбасса в северной зоне мелкой складчатости уже обнаружены перспективные нефтегазопроявления[6].

Таким образом, анализ закономерностей изменений химиче­ского состава шахтных вод в Восточном Донбассе за столетний период показал, что этот процесс носит волнообразный характер. Наряду с периодами относительной стабилизации, установлены периоды интенсификации процессов окисления выщелачивания и растворения. Эти процессы приводят к резкому увеличению ми­нерализации вод и особенно содержаний сульфатов и железа.

Следует также отметить, что началось интенсивное загрязне­ние подземных вод из-за формирования подземных потоков минерализованных шахтных вод, но этот эффект «айсберга» тре­бует особого отдельного рассмотрения.