Сравнительная характеристика подземных и шахтных вод некоторых угольных бассейнов Украины и России

Угольная промышленность в современном мире сохранила роль важнейшей базисной отрасли экономики. На территории Украины залежи каменного угля сосредоточены в отложениях карбона (Львовско-Волынский (ЛВБ) и Донецкий (ДБ) бассейны), на территории России — в пермских отложениях (одно из самых крупных месторождений угля — Кузнецкий бассейн (КБ) и др.). Угольная промышленность является одним из основных загрязнителей окружающей среды.

В течение многих лет в Львовско-Волынском бассейне складывалась весьма напряженная экологическая обстановка, которую порождало все более растущее техногенное воздействие на окружающую среду. Для улучшения экологической обстановки необходим выбор рациональной технологии очистки шахтных вод Львовско-Волынского бассейна. Это возможно при оценке химического состава шахтных вод. Масштабы и длительная эксплуатация месторождений Донецкого и Кузнецкого угольных бассейнов способствовали появлению многих работ, которые направлены на решение вопросов по очистке шахтных вод этих бассейнов различными методами, тогда как подобных исследований по объектам Львовско-Волынского бассейна известно мало. Таким образом, 44

сравнения компонентного состава шахтных вод трех угольных бассейнов позволит в дальнейшем выбрать оптимальную технологическую схему их очистки на объектах Львовско-Волынского бассейна для снижения вредного воздействия на окружающую среду. Целью исследований, результаты которых изложены в данной статье, было обобщение сведений о компонентном составе и свойствах шахтных вод трех названных угольных бассейнов, проведение сравнительного анализа характеристик состава и свойств этих вод, на основе которых возможен выбор оптимального способа очистки шахтных вод Львовско-Волынского каменноугольного бассейна.

Материалы и методы исследований

Особенности геологического и тектонического строения, гидрогеологических условий и гидрогео-химических характеристик подземных вод Львовско-Волынского, Донецкого и Кузнецкого бассейнов были установлены с использованием сравнительноописательного метода. Автор собрал и обобщил имеющуюся информацию в опубликованных работах отечественных и зарубежных ученых в области изучения подземных и шахтных вод. Информационной основой гидрохимических исследований шахтных вод Львовско-Волынского каменноугольного бассейна были результаты, полученные автором за период 2001—2012 гг. В них использовано более 400 химических анализов проб шахтных вод, которые отбирались в центральных водосборниках на каждой шахте один раз в сезон. При лабораторном анализе проб определялись общие гидрохимические показатели воды (хлориды, сульфаты, карбонаты, натрий и калий, кальций, магний и минерализация). Химический состав шахтных вод определен стандартными методами химического анализа качества вод. Обработка данных осуществлялась с использованием стандартных методов статистического анализа и методов графического анализа. Данные обрабатывались с помощью программных комплексов Microsoft Excel, Statistica 10.0, Surfer и Corel Draw, Microsoft PowerPoint.

Результаты и обсуждение

Проблема шахтных вод актуальна с момента начала действия горного предприятия. Шахтная вода, имея различные показатели химического состава и агрессивных свойств, негативно влияет на технику, которую используют при добыче, и на окружающую среду [3]. По данным Е. Посохова, шахтные воды угольных месторождений — это подземные воды, которые проникли в горные выработки и затем прошли через водоотливное хозяйство. Основной источник шахтных вод — подземные воды, дренируемые горными выработками, а дополнительным источником может быть фильтрация в горные выработки атмосферных осадков и поверхностных вод из прилегающих водных объектов. Химический состав шахтных вод определяется исходным составом формирующих их подземных вод и может существенно изменяться во времени. Шахтные воды формируются путём смешения подземных вод разных горизонтов, взаимодействия их с рудничной атмосферой и породами, вскрытыми горными выработками. Химический состав и общая минерализация их отличаются от подземных вод, окружающих горные выработки, что связано с окислением шахтных вод, активизацией выщелачивания горных пород, изменением газового и бактериального состава, а также с их загрязнением нефтепродуктами, маслами. В соответствии с вышесказанным сначала рассмотрим основные водоносные комплексы угольных бассейнов, поскольку эти воды являются исходными при формировании шахтных вод (табл.1).

Характеристика подземных вод Львовско-Волынского (ЛВБ), Донецкого (ДБ) и Кузнецкого (КБ) угольных бассейнов. В Львовско-Волынском бассейне выделяется в вертикальном разрезе бассейна два гидрогеологических комплекса: 1) толща верхнемеловых и четвертичных пород перекрывает каменноугольные отложения, образуя верхний гидрогеологический комплекс; 2) нижний гидрогеологический комплекс образуют отложения юрской и каменноугольной систем [1, 3, 10]. В Донбассе (по данным В. Г. Суярка [11, 12]) образовалось более 500 водоносных горизонтов, в которых выделяются комплексы: четвертичный, нео-ген-палеогеновый, верхнемеловой, терригенный меловой и юрский, триасовый, нижнепермский галогенной формации, терригенных отложений нижней перми и терригенного карбона, карбонатной толщи ниж- него карбона и девонский. Г. М. Рогов и Л. А. Соломко [8] в пределах Кузбасса выделяют шесть водоносных комплексов: 1) морских отложений; 2) лагунно-континентальных отложений балахонской серии; 3) континентальных отложений кольчугинской серии; 4) мезозойских отложений; 5) магматических пород; 6) пород кайнозоя. В бассейне выделяются три гидродинамические зоны: активного (распространена в мезокай-нозойских отложениях), замедленного (охватывает весь разрез угленосных обложений) и затрудненного водообмена. В целом по бассейну подземные воды указанных комплексов гидравлически тесно связаны и образуют единую водонапорную систему [8].

Анализ химического состава подземных вод исследуемых бассейнов показывает их подобие. Вместе с тем необходимо учесть, что водоносные комплексы имеют разные глубины залегания. Для ДБ характерны большие глубины залегания водоносных горизонтов (до 800 м) [11, 12], в то время как для ЛВБ и КБ — меньшие (до 500 м) [8, 10, 15].

Кайнозойские водоносные комплексы имеют одинаковый тип вод — гидрокарбонатно-кальциевый, что связано с одинаковым источником их формирования — инфильтрационными водами [8, 10, 11]. В подземных водах мезозойских отложений среди анионов преобладает гидрокарбонат-ион. Подземные воды ДБ и КБ характеризуются присутствием в них сульфат-ионов. Формирование сульфатных вод происходит при окислении пирита и других сульфидных минералов. Что касается катионного состава, то в водах ЛВБ и КБ доминируют ионы кальция; в водах ДБ — ионы натрия и кальция [2, 12, 15]. Воды палеозойских водоносных комплексов в ЛВБ и ДБ в основном хлоридно-натриевые. В водах ЛВБ в катионном составе преобладают ионы натрия, в водах ДБ присутствуют ионы натрия и ионы кальция, а в КБ в палеозойских водоносных комплексах формируются содовые воды (ги-дрокарбонатно-натриевые) [10, 11, 15].

Гидрогеохимическая характеристика шахтных вод исследуемых районов. По составу и свойствам шахтные воды отличаются от подземных вод. Формирование шахтных вод начинается еще во время проведения подготовительных выработок. Особенно заметна в этом процессе роль очистных работ, при которых образуются трещины обрушения, которые распространяются на соседние водоносные горизонты и даже гидрогеологические комплексы. Воды, циркулирующие по ним, смешиваются с водами, которые содержатся в разрабатываемых угольных пластах и в боковых породах, подвергаются воздействию воздушной окислительной среды и в таком метаморфизованном виде поступают в горные выработки [10]. Более существенному воздействию подвергаются шахтные воды в горных выработках в условиях активного влияния шахтной среды. Накопление вод в подошве штреков и в отработанном пространстве лав, движение их в центральные водосборники с обогащением на пути продуктами разрушения горных пород и угля, которые содержат сульфиды, придают им новые свойства и изменяют их состав. В результате этого накапливаются сульфаты, увеличивается содержание щелочно-земельных элементов. Также шахтные воды, стекая по отработанному пространству, обогащаются растворами минерального происхождения и взвешенными веществами [11].

Т а б л и ц а 1

Геохимическая характеристика основных водоносных комплексов исследуемых угольных бассейнов

T a b l e 1

Geochemical characteristics of main aquifer systems of studied coal basins

Водоносные êомплеêсы (индеêсы) Aquifer systems (indexes)	Львовсêо-Волынсêий óãольный бассейн Lvov-Volyn coal basin		Донецêий óãольный бассейн Donetsk coal basin		Êóзнецêий óãольный бассейн Kuznetsk coal basin
	Ãеохимичесêий тип подземных вод Geochemical type of ground waters	М, ã/дм3 g/dm3	Ãеохимичесêий тип подземных вод Geochemical type of ground waters	М, ã/дм3 g/dm3	Ãеохимичесêий тип подземных вод Geochemical type of ground waters	М, ã/дм3 g/dm3
Q	HCO 3 -Ca	0,2—1,0	HCO 3 -Ca HCO 3 -SO 4 -Ca	0,5—1,5 1,0—2,0	HCO 3 -Ca	0,4—0,8
N — P			HCO 3 -SO 4- (Ca, Mg, Na) SO 4 -HCO 3 -(Ca, Mg, Na)	0,5—2,5 1,0—5,0
K 2	HCO 3 -Ca HCO 3 -Ca-Mg HCO 3 -Na	0,25—0,5 0,45—0,9	HCO 3 -Ca HCO 3 -SO 4 -Ca	0,5—2,5
K 2cm			HCO 3 -SO 4 -Ca SO 4 -HCO 3 -(Cl)-Na	1,0—3,0 1,5—6,0
K 1
J	Cl-HCO 3 -Na Cl-Na	0,92—4,0			HCO 3 -Ca HCO 3 -Ca- Mg Cl-SO 4 -Mg-Ca Cl-Mg	0,6—1 5—8
T			HCO 3 -SO 4 -Ca SO 4 -HCO 3 -(Cl)-Na Cl-HCO 3 -Na Cl-Na	1,0—2,0 1,5—5,0 До 10,0—16,0
Р 2					HCO 3 -Са-Na	0,5—5,0
qP 1			SO 4 -Ca SO 4 -Cl-Na-Ca Cl-Na	0,4—7,8 10,0—40,0
P 1			HCO 3 -Ca HCO 3 -SO 4 -Ca SO 4 -(Ca, Na, Mg) SO 4 -Cl-Na HCO 3 -(Cl)-Na Cl-Na	0,5—1 1,0—2,5 2,5—6,0 3,0—8,0 0,5—1,5 10,0—340,0	HCO 3 -Na	До 19,6
С 2
C 1 2	Cl-HCO 3 -Na Cl-Na	3,0—4,0 очень высоêие М			Cl-Na Cl-HCO 3 -Na Cl-Ca-Na	10—35,7
C1 1			От HCO 3 -Ca до Cl-Na	0,5—10,0
D 2—3			SO 4 -Cl-Na	4,0—340,0

Ниже представлен анализ химического состава шахтных вод исследуемых районов.

Шахтные воды имеют разный химический состав. Содержание минеральных примесей составляет от 0,5 до 50 г/дм³. Авторы [11] предлагают так классифицировать шахтные воды по степени минерализации: 1 — пресная (до 1 г/дм³), 2 — слабосолоноватая (1—3 г/дм³), 3 — солоноватая (3—5 г/дм³), 4 — сильно солоноватая (5—10 г/дм³), 5 — соленая (10—25 г/дм³), 6 — сильносоленая (25—50 г/дм³), 7 — рассолы более (50 г/дм³). В ЛВБ- и ДБ-бассейнах встречаются воды от слабосолоноватых до соленых, а в КБ — от пресных до солоноватых. Шахтные воды характеризуются различными значениями кислотно-щелочного потенциала (pH). По величине pH шахтные воды разделяют на 3 класса: кислые (меньше 6,5); нейтральные (6,5—8,5); щелочные (более 8,5) [11]. В ДБ встречаются шахт- 46

ные воды от кислых до щелочных [4], а в ЛВБ и КБ все шахтные воды являются нейтральными. Рассмотрим нейтральные шахтные воды подробнее (табл. 2).

Шахтные воды ЛВБ с нейтральной реакцией pH характеризуются изменением минерализации от 3 до 10 г/дм3. Минерализация шахтных вод ДБ и КБ невысока и варьирует от 0,3 до 3,5 г/дм3 [4]. Глубины залегания этих вод — до 500 м, в ДБ иногда до 800—1000 м.

Шахтные воды ДБ относятся к сульфатно-гидро-карбонатным и гидрокарбонатно-сульфатным с различным катионным составом [4, 14]. Шахтные воды ЛВБ определены как сульфатно-хлоридные натриевые, КБ — сульфатно-гидрокарбонатные натриевые.

Таким образом, главными анионами в шахтных водах Донбасса является сульфат-ион, в ЛВБ — ионы хлора, а в КБ — гидрокарбонат-ионы, однако среди катионов во всех бассейнах доминируют ионы натрия.

T а б л и ц a 2

Характеристика и классы шахтных вод исследуемых угольных бассейнов

T a b l e 2

Characteristics and classes of mining waters of studied coal basins

		Львовсêо- Волынсêий óãольный бассейн Lvov-Volyn coal basin	Донецêий óãольный бассейн Donetsk coal basin			Êóзнецêий óãольный бассейн Kuznetsk coal basin
pH		нейтральные pH 6,5—8,5	нейтральные pH 6,5—8,5	êислые pH ‹ 6,5	щелочные pH › 8,5	нейтральные pH 6,5—8,5
Минерализация Mineralization		3—10 ã/дм3	0,5—3,5 ã/дм3	1—10 ã/дм3	2—7 ã/дм3	0,3—3 ã/дм3
Ãлóбина отбора проб, м Sampling depth, m		–410/–550	до –500	–67/–1200	–500/–1300	–200/–500
Êласс шахтных вод [7] Class of mine waters	анионы anions	Cl–› SO 4 2–› HCO 3 –	SO 4 2–› HCO 3 –›Cl– SO 4 2–› Cl–› HCO 3 –	SO 4 2–›Cl–	SO 4 2-›HCO 3 -›Cl-	HCO 3 –› SO 4 2–› Cl–
	êатионы cations	Na+› Ca2+› Mg2+	Na+›Ca2+›Mg2+	Na+› Mg2+› Ca2+ Na+› Ca2+› Mg2+	Na+› Ca2+	Na+› Ca2+

Шахтные воды кроме повышенной минерализации характеризуются содержанием в них различных микроэлементов. В целом содержание микроэлементов на 1—2 порядка выше, чем в подземных водах, за счет которых они формируются. В шахтных водах Донбасса наиболее характерными микроэлементами являются алюминий, рубидий, барий, никель, а также бром, бор, стронций, литий, цезий, германий [13]. Подземные воды Львовско-Волынского бассейна значительно беднее микроэлементами: в этих водах нет цинка, циркония, олова, германия, бериллия, и в незначительных количествах обнаружены молибден, свинец, ванадий, бром, никель [5]. Шахтные воды Кузнецкого бассейна содержат кадмий, сурьму, стронций, железо, цинк, ртуть, медь, хром, барий, марганец, кобальт и свинец [16].

В Львовско-Волынском и Донецком бассейнах преимущественно из горных выработок шахтные воды через систему шахтного водоотлива собираются в прудах-накопителях, которые играют роль отстойников, и во время паводков шахтные воды частично попадают в водоемы, ухудшая экологическую ситуацию [10]. Для Донбасса разработаны различные технологии очистки и деминерализации шахтных вод, но они в настоящее время не внедряются из-за отсутствия финансирования. На некоторых шахтах Донбасса перед сбросом шахтная вода проходит обеззараживание (хлорирование), снижающее микробиологическое загрязнение [9]. В Кузбассе для очистки шахтных вод используют модульные установки. Для каждой шахты в зависимости от состава шахтных вод разработана своя схема модульной очистки: отстаивание для удаления взвешенных веществ и нефтепродуктов, фильтрация, деминерализация, аэрация, обеззараживание. Для выбора наиболее оптимальных схем очистки шахтных вод Львовско-Волынского бассейна необходим анализ эффективности разработанных и действующих технологий на шахтах Донбасса и Кузбасса.

Выводы

Таким образом, учитывая приведенные выше данные, можно утверждать, что химический состав подземных вод является основой формирования состава шахтных вод. Состав и свойства подземных вод, в свою очередь, определяются минеральным составом водовмещающих пород, источниками поступления которых являются природные геологические образования (минералы, горные породы), а также стадией их взаимодействия с водой.

В Донбассе формируются кислые, щелочные и нейтральные, а во Львовско-Волынском бассейне и Кузбассе — только нейтральные шахтные воды. Нейтральные шахтные воды Львовско-Волынского бассейна характеризуются небольшими и средними глубинами залегания и величинами минерализации от 3 до 10 г/дм3, Донбасса и Кузбасса — от 0,3 до 3,5 г/дм3. Установлено, что доминирующими анионами в шахтных водах Львовско-Волынского бассейна являются ионы хлора, в Донбассе — сульфат-ио-ны, а в Кузбассе — гидрокарбонат-ионы. Среди катионов в исследуемых бассейнах преобладают ионы натрия.

Полученные результаты изучения компонентного состава шахтных вод исследуемых угольных бассейнов позволят в дальнейшем выбрать оптимальную технологическую схему очистки шахтных вод Львовско-Волынского бассейна на основе анализа действующих и предлагаемых схем очистки этих вод в Донецком и Кузнецком угольных бассейнах. Необходимая очистка позволит использовать шахтные воды на объектах добывающих предприятий, обеспечить нормативы сброса этих вод в водные объекты, что в целом приведет к улучшению экологической ситуации в угольных районах.