Header Image

В данной статье представлен результат анализа действующих нормативных документов на проектирование железобетонных конструкций с определением современных требований к металлической арматуре.

Подробнее ...
4.2. Экологические проблемы добычи и использования угля Печать E-mail
14.12.2014 03:31

Рассмотренные особенности образования угленосных толщ и их состав определяют основные экологические проблемы угольных бассейнов, поскольку извлекаемые из недр вещества и продукты их переработки, нередко, химически неустойчивы в условиях земной поверхности. Контрастность природных и техногенных геохимических условий приводит к интенсивной миграции вещества и развитию различных химических и физико-химических процессов, которые существенным образом могут повлиять на свойства пород, изменить состав подземных вод, воздействовать на инженерные сооружения (Воронкевич 1980, 1984; Горбунова и др., 1992; Максимович, Горбунова, 1990; Тютюнова и др., 1988; Matess. et al., 1988; Maximovich et al., 1994).

Рассмотрим основные источники загрязнения окружающей среды, образующиеся при добыче, обогащении и использовании угля.
Твердые отходы. Одним из основных источников загрязнения окружающей среды являются твердые отходы – отвалы, образующиеся при добыче и переработке угля. Породы, идущие в отвал, формируются 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 нна 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.) (Айруни, 1979; Миронов, 1982). Породы неоднородны по гранулометрическому составу, имеют размер от глинистых частиц до глыб.
Извлечение горных пород на поверхность из зоны горного давления и кислородного дефицита сопровождается активизацией таких процессов, как физическое выветривание, окисление, растворение, гидролиз, гидратация и др. Это обусловливает возникновение растворимых и нерастворимых продуктов, негативно влияющих на окружающую среду и инженерные сооружения.
Выветривание. Перемещение горных пород из зоны кислородного дефицита, разгрузка их от горного давления создают условия, при которых осуществляется техногенное выветривание. В зоне выветривания техногенные грунты следует рассматривать как сложные системы, в которых образуются растворимые и нерастворимые продукты, влияющие на окружающую среду и инженерные сооружения.
Интенсивность выветривания техногенных грунтов значительно выше естественных. Кроме геохимического контраста это связано с неоднородным гранулометрическим составом, невысокой плотностью грунтов и, как следствие, высокой проницаемостью для воды и газа. Рассмотрим основные процессы, сопровождающие выветривание.
Механическое выветривание. Разрушение обломков пород происходит под влиянием нагрузки, вышележащих пород, замораживания, кристаллизации солей, горении. Высыхание − увлажнение также сопровождаются разрушением пород за счет давления, возникающего при набухании и усадке слоистых силикатов. В результате механического выветривания увеличивается удельная поверхность обломков, повышается плотность, снижается проницаемость.
Химическое выветривание. В грунтах, под влиянием кислорода воздуха, атмосферных осадков и грунтовых вод осуществляются первичные геохимические процессы: окисление, растворение, выщелачивание, метасоматоз, гидролиз, гидратация. К вторичным процессам можно отнести горение, кислотное растворение.
Окисление. Общая направленность процессов преобразования пород отвалов определяется существенным изменением окислительно-восстановительного потенциала среды — сменой восстановительной обстановки, характерной для большей части угленосных отложений уже на небольшой глубине, окислительной при извлечении их на поверхность. Воздействие кислорода и воды приводит к интенсивному выветриванию пород. Продукты этого процесса транспортируются подземными и поверхностными водами на значительные расстояния (Баньковская, Максимович, 1989).
Окислению подвергаются сульфиды и другие минералы с закисными формами атомов.
Физико-химическая модель сернокислотного выветривания может быть представлена в следующем виде:
(1) 2FeS2 + 2H2O + 7O2 2FeSO4 + 2H2SO4
(2) 4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 2Fe2(SO4)3 + 2H2O
(3) FeS2 + 7Fe2(SO4)3 + 8H2O 15FeSO4 + 8H2SO4
Скорость окисления пирита определяется второй стадией, которая зависит от скорости поступления в реакционную зону кислорода.
Реакция (1) осуществляется в основном чисто химическим путем. Реакция (2) протекает при участии микроорганизмов Thiobacillus terrooxidans. Основная роль в микробиологическом окислении соединений серы до сульфатов принадлежит тионовым бактериям. Обладая мощным ферментативным аппаратом, они по своей окислительной активности могут превалировать над процессами химического окисления сульфидов металлов, элементной серы, сульфата закиси железа (Головачева, 1984; Заварзин, 1972; Крамаренко, 1983; Максимович, Горбунова, 1990). Образующийся сульфат окиси железа действует на пирит (FeS2) как сильный окислитель. В процессе окисления образуется значительное количество серной кислоты, формируются сернокислые обстановки. Схема сернокислого внутрипородного выветривания представлена на рис. 4.1.
Окисление сульфидов железа сопровождается гидролизом с образованием нерастворимого гетита и серной кислоты. Выделяющаяся теплота повышает температуру по некоторым данным до уровня самовозгорания.
Серосодержащие органические соединения в процессе биохимического окисления дают серную кислоту (Тютюнова, 1987). Биохимическое окисление элементарной серы происходит при участии Thiobacillus terrooxidans по схеме
S0 + 3/2 O2 + H2O 2H+ + SO42-
В результате указанных процессов среда подкисляется серной кислотой до рН 1,5-3,5. Наличие в грунтах СаСО3 снижает скорость окисления пирита.
Гидролиз. Основным источником ионов водорода, участвующих в этом процессе, служит серная кислота. Меньшая часть ионов Н+ и ОН- образуется при диссоциации воды.
Техногенный гидролиз, как и естественный, протекает стадийно. Преобладающими являются экзотермические реакции с небольшим тепловым эффектом. В первую очередь, гидролизу подвергаются хлорит, альбит, анортит и иллит, в меньшей степени микроклин (Тютюнова, 1987). Например, гидролиз альбита идет по схеме
NaAlSi3O8 + 6H+ + 2H2O 3K0.33Al2.33Si3.67O10OH + 10H4SiO40 + 6K+ + 113.15 кДж/моль
В процессе гидролиза образуются нерастворимые продукты и происходит экстрагирование растворимых соединений. Нерастворимые продукты реакции образуют на поверхности минерала буферный слой. От скорости диффузии H  или OH  через данный слой зависит скорость гидролиза, растворимые соединения мигрируют за пределы техногенных грунтов.


Рис. 4.1. Схема сернокислотного выветривания (по Воронкевичу, 2005)

Метасоматоз. Метасоматические замещения минералов осуществляются в процессе образования нерастворимых продуктов окисления, гидролиза, гидратации, например, пирит замещается гетитом, ортоклаз - каолинитом. Метасоматоз возможен при воздействии растворимых продуктов выветривания на минералы грунтов. По Ф.И.Тютюновой (1987) в техногенных грунтах преобладают анионное замещение:
CaCO3 + SO42- + H+ + 2H2O CaSO4·2H2O + HCO3- + CaMg(CO3)2 + SO42- + 2H+ + 2H2O CaSO4·2H2O + 2HCO3- + Mg2+
Растворение. На первом этапе выветривания под влиянием атмосферных осадков растворяются хлориды и некоторые сульфаты. При рН 5−6 растворяются и карбонаты по схеме:
CaCO3  Ca2+ + HCO3-
CaMg(CO3)2 Ca2+ + Mg2+ + 2CO32-
Кислотное растворение. Появление кислых продуктов выветривания и снижение водородного показателя до 3 является причиной растворения не только карбонатов, но и силикатов:
Al(Si4O10)(OH)8 + 6H+ 4Al3+ + H4SiO4 + 8H2O
Выщелачивание. Извлечение из кристаллической решетки атомов без ее разрушения приводит к изменению свойств минералов. Например, при выщелачивании калия иллит приобретает способность к набуханию. Из хлоритов при рН 5−6 выщелачивается Mg2+, и они превращаются в смектиты.
Породы шахтных отвалов в результате процессов выветривания приобретают зональное строение. Виггеринг (Wiggering, 1986) установил зональность в распределении продуктов механического выветривания в отвалах Рура. Продукты замерзания-оттаивания через 3 года образуют горизонт мощностью 20 см, высыхания-увлажнения − до нескольких сантиметров.
Грюнер Д.Б. и Худ В.С. (Gruner, Hood, 1981) для угольных отвалов в шахте Иллинойс (США) выделил три зоны грунтов по характерным реакциям: верхняя − зона преобладания реакций окисления и гидролиза сульфатов, силикатов; средняя − зона вторичных реакций, таких как кислотное растворение глинистых минералов; нижняя - зона реакций нейтрализации серной кислоты карбонатом кальция подстилающих пород.
Реакции окисления идут с выделением тепла и сопровождаются самовозгоранием отвалов, обжигом, переплавлением пород, фумарольными процессами.
При горении выделяются сернистый газ, окислы азота, оксид углерода, сероводород и др. Концентрация диоксида углерода и оксидов серы на расстоянии 300 м от горящего отвала могут достигать 125 мг/м3 и 1,65 мг/м3 соответственно. Максимальный уровень загрязнения отмечен в радиусе до 500 м. Твердая фаза газового дыма представлена сажей, коксом, силикатными шариками, кристаллами гипса и органическими остатками, осаждающимися на поверхность.
Можно выделить механическую, водную, воздушную и биологическую миграцию вещества отвалов. К механической миграции относится оползание склонов отвалов, развеивание пород, перенос частиц временными и постоянными потоками (при отсыпке на пойму и в русло), перенос вещества осуществляется в виде твердых частиц. 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, особенно при их горении. Причиной горения отвалов во многих случаях являются реакции окисления органической серы и пирита в сульфаты и с образованием серной кислоты. Дальнейшее окисление сопровождается выделением тепла и самовозгоранием отвалов. Терриконы и хребтовидные отвалы, в которых обеспечивается необходимый для горения приток воздуха, более подвержены самовозгоранию, чем плоские отвалы. На участках горения температура может достигать 1000 Сo.
Средний горящий отвал в течение года выделяет от 620 до 1280 т SO2, 3000-5000 т СО, 230-290 т H2S, 11-30 т NOх, 14400 т CO2 (Айруни, 1979). Окислы серы, взаимодействуя с атмосферной влагой, образуют серную кислоту, которая выпадает с осадками на земную поверхность. Горение отвалов может продолжаться годами, а иногда и десятилетиями.
При горении отвалов происходит вторичное минералообразование. При изучении минералогии горелых угольных отвалов Челябинского угольного бассейна Б. В. Чесноков с соавторами (1991) выделял следующие процессы минералообразования:
 переплавление пород и образование минералов классов силикатов, сульфидов и карбонатов, характерных для магматических пород;
 интенсивное абиогенное окисление и формирование минералов класса оксидов;
 дегидратация водных минералов и образование пневматолитов, гидротерм и минералов из класса сульфатов, хлоридов и фторидов;
 обжиг и перекристаллизация минералов;
 возгонка угольного (органического) вещества.
При дефиците кислорода происходит восстановление оксидов и кристаллизация безводных силикатов, сульфидов и других минералов. Образуются базальтоподобные породы, состоящие из основного плагиоклаза, моноклинного пироксена, оливина с примесью пирротина, троилита, магнетита Fe3O4 , самородного железа и других.
Тугоплавкие породы в очаге горения и низкоплавкие в прилегающей к нему зоне подвергаются обжигу (термальному метаморфизму); в процессе обжига происходит дегидратация, перекристаллизация, выделение летучих компонентов.
Аргиллиты, состоящие из каолинита, иллита, хлорита, карбонатов, кварца и углеродистого вещества вблизи очага преобразуются в кирпично-красную породу, состоящую из андалузита, шпинели, гематита, магнетита и кварца; при более низкой температуре они становятся вишнево-красными и представлены кордиеритом, муллитом, гематитом и магнетитом.
Сульфиды железа химически окисляются и превращаются в магнетит, гематит с выделением сернистого газа (пневматолита). Уголь и углистые породы в этой зоне превращаются в «черные блоки», состоящие из шунгита, графита и сульфидов. Термальный метаморфизм известняков заканчивается образованием портландита, вторичного кальцита; при метаморфизме доломита образуются периклаз, портландит, брусит, вторичный кальцит.
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 самопроизвольном зарастании и рекультивации отвалов.
Сточные воды
В бывшем СССР на долю шахтных вод, откачиваемых на поверхность (около 1400 млн. м3/год) приходилось примерно половина общего сброса промышленных вод. Около 90% приходилось на воды, дренируемые шахтами, 10% - технологические воды, используемые в процессе добычи угля – при бурении шпуров, пылеподавлении, гидротранспорте (Айруни, 1979).
Для сточных вод основными загрязняющими веществами являются органические соединения, взвешенные вещества, нефтепродукты, минеральные соли, в том числе, тяжелых металлов. При очистке в прудах-отстойниках, 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.
Сточные воды могут оказывать негативное влияние на окружающую среду и после прекращения разработок угля. Исследования на территории угольных бассейнов показывают, что закрытие шахт в ряде случаев вызывает ухудшение экологической обстановки в результате неконтролируемого поступления загрязненных подземных вод на поверхность. В Великобритании, например, на территории Йоркшерского месторождения угля за 300 лет откачки подземных вод из шахт был обезвожен пласт на глубине от 150 до 600 м (Younger, 1993). После прекращения добычи угля, в настоящее время, с самоизливами поступает на поверхность свыше 100 л/с шахтных вод, которые содержат до 100 мг/л общего железа и органические вещества (Burrell, Whitworth, 2000).
В Японии на о. Кюсю после закрытия угольного бассейна 60 лет назад изливы шахтных вод на поверхность существенно ухудшают качество поверхностных водотоков. Содержание общего железа в них достигает 119 мг/л, а SO42- - 1430 мг/л (Okamoto M. et al., 2006).
Рассмотрим особенности формирования экологической обстановки и путей ее улучшения на примере Кизеловского угольного бассейна – наиболее неблагоприятного в России с точки зрения состояния окружающей среды.

 
Free template "Frozen New Year" by [ Anch ] Gorsk.net Studio. Please, don't remove this hidden copyleft! You have got this template gratis, so don't become a freak.