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”.