Вход    
Логин 
Пароль 
Регистрация  
 
Блоги   
Демотиваторы 
Картинки, приколы 
Книги   
Проза и поэзия 
Старинные 
Приключения 
Фантастика 
История 
Детективы 
Культура 
Научные 
Анекдоты   
Лучшие 
Новые 
Самые короткие 
Рубрикатор 
Персонажи
Новые русские
Студенты
Компьютерные
Вовочка, про школу
Семейные
Армия, милиция, ГАИ
Остальные
Истории   
Лучшие 
Новые 
Самые короткие 
Рубрикатор 
Авто
Армия
Врачи и больные
Дети
Женщины
Животные
Национальности
Отношения
Притчи
Работа
Разное
Семья
Студенты
Стихи   
Лучшие 
Новые 
Самые короткие 
Рубрикатор 
Иронические
Непристойные
Афоризмы   
Лучшие 
Новые 
Самые короткие 
Рефераты   
Безопасность жизнедеятельности 
Биографии 
Биология и химия 
География 
Иностранный язык 
Информатика и программирование 
История 
История техники 
Краткое содержание произведений 
Культура и искусство 
Литература  
Математика 
Медицина и здоровье 
Менеджмент и маркетинг 
Москвоведение 
Музыка 
Наука и техника 
Новейшая история 
Промышленность 
Психология и педагогика 
Реклама 
Религия и мифология 
Сексология 
СМИ 
Физкультура и спорт 
Философия 
Экология 
Экономика 
Юриспруденция 
Языкознание 
Другое 
Новости   
Новости культуры 
 
Рассылка   
e-mail 
Рассылка 'Лучшие анекдоты и афоризмы от IPages'
Главная Поиск Форум
Выбрать писателя: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
 
книги
Рефераты >> Экология >> Экологические последствия структурно-вещественных преобразований отвальных пород терриконов

Экологические последствия структурно-вещественных преобразований отвальных пород терриконов

Скачать в архиве Скачать

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.


 

Анекдот 
Смотрел по телевизору заседание Правительства, на вид все умные люди, но потом они - заговорили...
показать все
    Профессиональная разработка и поддержка сайтов Rambler's Top100