Отходы угледобычи. Общий объем переработки пород составляет свыше 2 млрд.т в год, из которых на уголь приходится около 30%. В бывшем СССР суммарный объем породы в 2039 отвалах составлял 3.5 млрд. т.
Породы, идущие в отвал, образуются за счет проходки выработок (52%), их ремонта и восстановления (48%), они складируются вблизи стволов шахт в виде терриконов высотой до 60-80 м, и отвалов хребтовидной формы (92%), а также плоских отвалов (8%). Отвалы состоят из аргиллитов 60-80%, алевролитов 10-30%, песчаников 4-10%, известняков до 6%, пирита до 10%, угля 6-20%, содержат древесину, металлические предметы (трубы, провода и др.) [1, 25]. Породы неоднородны по гранулометрическому составу, имеют размер от глинистых частиц до глыб.
Миграция вещества продолжается после складирования пород в отвалы. Можно выделить механическую, водную, воздушную и биологическую миграцию. К механической миграции относится оползание склонов отвалов, развевание пород, перенос частиц временными и постоянными потоками (при отсыпке на по пойму и русло). Часть компонентов отвала переносится водными агентами. При фильтрации через отвалы атмосферные, поверхностные и подземные воды обогащаются ионами и коллоидами, которые переносятся на значительные расстояния. Часть их, например, гидроокислы железа, могут осаждаться и мигрировать механически. К воздушным мигрантам относятся газы, выделяющиеся из отвалов, главным образом при горении [3].
Средний горящий отвал в течении года выделяет от 620 до 1280 т SO2, 3000-5000 т СО, 230-290 т H2S, 11-30 т NOх, 14400 т CO2(7200 негорящий) [1]. Окислы серы, взаимодействуя с атмосферной влагой, образуют серную кислоту, которая выпадает с осадками на земную поверхность.
Компоненты отвалов участвуют в биологическом круговороте химических элементов. Существенную роль играют микробиологические процессы при выветривании пород отвалов. Можно говорить об активной биологической миграции элементов при рекультивации отвалов.
Технологическая миграция вещества происходит при использовании пород отвалов. Можно выделить два типа миграции: 1) вещество перераспределяется в пределах геологической среды; 2) вещество изымается из нее и непосредственного участия в геохимических процессах не принимает (рис. 1). При использовании пород без изъятия из геологической среды для них присущи те же виды миграции, как и для отвалов [21, 39].
Отходы обогащения угля. Угли добываемые в шахтах поступают на обогатительные фабрики (ОФ). Такие фабрики в районах угледобычи и являются источником компонентов, формирующих техногенно-геохимическую обстановку. По местоположению различают ОФ на промплощадке шахты, групповые — для нескольких, расположенных рядом шахт, и центральные — на самостоятельной площадке для шахт определенного района. Существуют ОФ при коксохимических заводах. Для обогащения углей используют гравитационный, флотационный, магнитный, электрический, комбинированные и специальные методы. Основными являются “мокрые” методы обогащения (94%) [4, 34]. В обороте ОФ находится 850 млн. м3 воды.
В результате деятельности ОФ накапливаются отходы обогащения углей, загрязняются поверхностные и подземные воды, воздушный бассейн.
Ежегодный выход отходов обогащения углей составляет более 150 млн. т [5]. По литологическому и минеральному составу они близки к отходам угледобычи, но отличаются от них более стабильными свойствами. В них могут входить флотреагенты и другие химические вещества, используемые при обогащении. Миграция компонентов на участках складирования угледобычи схожа с миграцией вещества пород отвалов.
Технологические воды фабрик имеют минерализацию — 1.5 г/л, значительное количество взвешенных частиц, представляющих собой тонкие шламы, отходы флотации — 50-80 г/л (по нормативу), в них содержатся флотреагенты, флокулянты, коагулянты. Эти воды в ряде случаев сбрасываются в поверхностные водотоки без глубокой очистки. Сушильные установки ОФ выбрасывают в атмосферу даже при трехступенчатой схеме очистки до 200-300 мг/м3 пыли и продуктов сжигания топлива [4].
При энергетическом использовании углей в окружающую среду поступают золошлаковые отходы, газообразные продукты горения, загрязненные технологические воды. Золы, выносимые дымовыми газами, осаждаются в золоуловителях и частично выбрасываются в атмосферу, и затем осаждаются на поверхность земли. Золы и шлаки совместно или раздельно гидравлическим методом направляются в золоотвалы. Ежегодно в отвалы поступает 94 млн. т угольной золы [1, 16]. Различают внутреннюю золу, образующуюся за счет химически связанных с органическим веществом тонкодисперсных золообразующих компонентов угля, и внешнюю за счет вмещающих пород и минеральных прослоев в угле. Внешняя зола соответствует по составу вмещающим породам и в большинстве случаев имеет алюмосиликатный состав. Состав внутренней золы связан со стадией углефикации. Зола бурых углей часто известковая, каменных — алюмосиликатная или железистая [12, 34].
В золошлаках находится до 3-5% щелочей. В отличие от большинства горных пород здесь калий преобладает над натрием. В состав золошлаков входит до 12% несгоревшего органического вещества и угля (недожога), кварц, гематит (шарики), магнетит (шарики и кристаллы), обожженное глинистое вещество, муллит (игольчатые кристаллы), стеклянные шарики. Породы находятся в рыхлом состоянии — плотность 0.6-1.2 г/см3, что способствует их развеванию.
Воды, поступающие в шламохранилище (технологические, атмосферные, поверхностные) переносят растворимые компоненты золошлаков в поверхностные и подземные воды. Состав вод зависит от состава золошлаков и изменяется в широких пределах, имея реакцию среды от кислой до щелочной. Разнообразие кислотно-щелочных условий определяет различную подвижность элементов золошлаков.
Золошлаки используются при возведении сооружений, на дорожном и других видах строительства, в сельском хозяйстве в качестве удобрений, что приводит к рассеиванию элементов в геологической среде.
При сжигании топлива в атмосферу выбрасывается CO, CO2, SO3, SO4, H2O. Количество выделяемого сернистого ангидрита в мире достигает 60 млн. т/год [6], который как отмечалось выше, является активным геохимическим агентом.
Интенсивная миграция вещества при разработке угольных месторождений связана с откачкой воды из шахт. Объем таких вод в бывшем СССР составлял около 1400 млн.м3 в год. Из них около 90% приходилось на воды, дренируемые шахтами, 10% — технологические воды, используемые в процессе добычи угля — при бурении шпуров, пылеподавлении, гидротранспорте [1].
В 1976 г. доля очищенных вод составляла 88% общего сброса. При очистке в прудах-отстойниках, в прудах-осветителях скапливаются взвешенные частицы и компоненты, осаждающиеся из раствора. Неочищенные и частично очищенные воды сбрасываются в гидросеть, фильтруются в подземные воды и , таким образом, являются важным фактором миграции вещества в угледобывающих районах.
Основные техногенно-геохимические обстановки
Перемещение вещества, сопровождающее разработку угольных месторождений, приводит к формированию в приповерхностной части разреза участков с геохимически контрастными по отношению к естественным условиям. Основные пути миграции вещества показаны на рисунке 2. Можно выделить два основных типа миграции — в результате технологических операций (транспортировка сырья и продуктов, откачка вод, газов) и за счет естественных факторов. Технологическая миграция определяет состав вещества и размеры функционирующих аномалий. Естественные факторы и состав среды миграции определяет типы, направленность и интенсивность процессов в техногенно-геохимических обстановках.
По расположению в пространстве геохимические аномалии могут иметь различный характер: мозаичный — скопление твердых отходов, линейный — сток загрязненных вод и площадной — осаждение пыли, кислотные дожди. Контрастность определяет интенсивность миграции и физико-химических процессов в создавшихся техногенно-геохимических обстановках.
Основные геохимические аномалии образуют следующие технологические продукты.
Искусственные грунты, к которым относятся отходы угледобычи и углеобогащения, золошлаки складируемые в отвалы, а также используемые в строительстве и в сельском хозяйстве. Эти грунты являются источником формирования химического состава подземных и поверхностных вод, которые в свою очередь, могут влиять на физико-механические и фильтрационные свойства грунтов, обладать агрессивностью по отношению к инженерным конструкциям. Выброс сернистого ангидрита при горении пород шахтных отвалов и выпадении кислых дождей может также оказывать влияние на состав вод.
Шахтные воды, сбрасываемые в гидрографическую сеть, перемещаются на значительные расстояния. Они могут фильтроваться в подземные воды, влиять на свойства грунтов, воздействовать на инженерные сооружения. При фильтрации в массивы известняков, которые характерны для угленосной формации, могут развиваться или активизироваться карстовые процессы.
Обзор литературы и опыт исследований в Кизеловском угольном бассейне [3, 10, 19, 21] показывает, что при оценке состояния окружающей среды в пределах угольных месторождений и поисков путей ее реабилитации в первую очередь (на наш взгляд) должны решаться следующие задачи:
Изучение закономерностей формирования химического состава компонентов угольных толщ и выделение элементов, играющих ведущую роль в техногенно-геохимических обстановках.
Изучение основных путей технологической миграции вещества угленосной толщи, химико-минералогического состава техногенных грунтов, состава подземных и поверхностных вод для выделения основных техногенно-геохимических процессов.
Разработка геохимических основ и схем снижения интенсивности техногенной миграции.
Экологические проблемы газовой промышленности.
В процессе освоения нефтяных и газовых месторождений наиболее активное