Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

THE FORMATION OF GROUNDWATER CHEMICAL COMPOSITION IN SHAKHTY COAL – BEARING AREA OF THE EASTERN DONBASS

Gavrishin A.I. 1 Borisova V.E. 1 Toropova E.S. 1
1 South-Russian State Polytechnic University named Platov
Длительное функционирование в Восточном Донбассе угледобывающего и углеперерабатывающего комплексов привело к многочисленным негативным последствиям в состоянии гидрогеологической среды региона. При закрытии шахт возникли проблемы охраны водных объектов от загрязнения и другие, связанные с негативным влиянием на природные водные ресурсы техногенного воздействия. Процесс загрязнения подземных вод значительно усилился в связи с формированием высокоминерализованных шахтных вод после ликвидации угольных шахт. Сравнение результатов анализов подземных вод в Шахтинском районе Восточного Донбасса за 50–60-е годы 20-го столетия и в 2007–2009 гг. показало увеличение минерализации и концентрации всех компонентов, что привело к изменению химического состава подземных вод и повышению процента загрязнения с 55 до 90 %.
Prolonged operation in East Donbas coal-mining and coal processing facilities led to numerous negative consequences in a state of hydrogeological environment of the region. At the closure of the mines having problems of water protection against pollution and other adverse effects on the natural water resources of technogenic influence. The process of groundwater pollution has been significantly increased in connection with the formation of the highly mineralized mine waters after the elimination of coal mines. Comparison of the results of analyzes of groundwater in the area of the Eastern Donbass Shakhtinsky 50–60s of the 20th century and in 2007–2009. It showed an increase in salinity and the concentrations of all the components, resulting in a change in chemical composition of groundwater pollution and increases the percentage from 55 to 90 %.
Eastern Donbass
chemical composition
groundwater
pollution

В последнее столетие окружающая среда Восточного Донбасса подвергалась интенсивному антропогенному влиянию, которое существенно нарушает природный энерго-массоперенос, что связано преимущественно с деятельностью угледобывающего и углеперерабатывающего комплексов. Интенсивные потоки загрязнения формируются в природных водах, например в 60-е годы из угольных шахт региона откачивалось 75 млн м3 /год вод, с которыми на поверхность поступало 270 тыс. т растворенных веществ (в том числе сульфат-иона 131 и железа 0,1 тыс. т). В 2010 г. объем шахтных вод, несмотря на закрытие большинства шахт, составил 78 млн м3 /год и вынос растворенных веществ составил 411 тыс. т (SO4 – 211 и Fe – 6,5).

Предыдущими исследованиями [4–6] установлены четыре главных направления в формировании химического состава шахтных вод. Первое направление связано с образованием кислых сульфатных вод (рН до 3.0) с высокими содержаниями Fe, MN, Al, Cu и других металлов и обусловлено интенсивным развитием процессов окисления серы, содержащейся в углях и вмещающих породах.

Второе геохимическое направление характеризуется формированием хлоридно-сульфатных нейтральных вод, в незначительной степени обогащенных Fe и MN. Теперь, наряду с процессами окисления серы, приблизительно равную роль начинают играть процессы увеличения концентраций хлор-иона при углублении угольных шахт.

Третье геохимическое направление изменения состава шахтных вод фиксирует преобразование гидрокарбонатно-сульфатных вод в сульфатно-хлоридные, так как на первое место выходит процесс роста концентрации Cl– за счет притока хлоридных подземных вод. По четвертому геохимическому направлению формирования химического состава шахтных вод образуются оригинальные содовые гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридные и хлоридные натриевые воды. Типоморфными компонентами четвертого направления являются содержания alimova02.wmf и Cl– (высокие содержания), а также Ca2+ и Mg2+ (низкие содержания).

В настоящей работе изучены основные закономерности и факторы формирования химического состава и загрязнения подземных вод каменноугольных отложений в Шахтинском (южном) угленосном районе Восточного Донбасса по результатам опробования источников и колодцев за 60-летний период. Оценка выполнена по результатам опробования в 50–60-е годы 20-го столетия, когда угледобывающая промышленность интенсивно развивалась (количество действующих шахт в отдельные годы доходило до 100) и по результатам анализов вод, выполненных в 2007–2009 гг., когда большинство угольных шахт было ликвидировано.

Анализ и количественное описание гидрогеохимических закономерностей выполнено с применением классических методов математической статистики и компьютерной технологии AGAT-2, реализующей G-метод многомерного классификационного моделирования (выделение однородных совокупностей), который основан на оригинальном критерии Z2 – Гавришина [1–3].

G-метод широко использован для построения классификаций и описания пространственно-временных закономерностей формирования объектов и систем на Земле, Луне, Марсе, Сатурне, астероидах и в дальнем космосе [2, 3]. G-метод характеризуется следующими важными свойствами: построение классификации многомерных наблюдений при отсутствии априорных сведений о таксономической структуре наблюдений (задача без учителя); использование зависимых признаков; выделение таксонов различного уровня детальности; оценка сходства-различия между однородными таксонами; определение информативности признаков.

В название вод ионы включаются при содержании более 25 % молей и компоненты располагаются в порядке возрастания содержаний. Типы вод приведены по классификации природных вод О.А. Алекина.

Изменение химического состава подземных вод каменноугольных отложений в Шахтинском районе

Шахтинский район является наиболее старой угледобывающей частью Восточного Донбасса, в которой в период опробования находилось значительное количество заброшенных шахт и отработанных угольных горизонтов. Большинство шахт района имеет незначительную глубину (до 400–500 м), и только отдельные шахты вели отработку глубоких угольных горизонтов на глубине более 600 м (например, шахты Глубокая, Артема, Степановская и др.). В геологическом отношении район приурочен к Несветаевской синклинальной структуре.

Параметры распределения содержаний компонентов химического состава подземных вод каменноугольных отложений Шахтинского района в рассматриваемые периоды приведены в табл. 1 и 2. В 50–60 гг. обобщение выполнено по результатам анализов вод 180 источников и колодцев и в 2007–2009 гг. по результатам 233 анализов вод. Изменения наглядно видны при сравнении средних значений: минерализация (М) увеличилась в 1,5 раза за счет роста содержаний большинства компонентов, что свидетельствует о существенном развитии процессов загрязнения грунтовых вод в Шахтинском угленосном районе.

Таблица 1

Химический состав подземных вод Шахтинского района (50–60-е годы)

Компонент

Хср

Ме

Xmin

Xmax

S

рН

7,2

7,0

5,0

8,2

0,45

HCO3

374

366

134

744

110

SO4

679

593

53

4200

501

Cl

118

61

18

1400

166

Ca

166

148

30

525

83

Mg

65

59

12

231

37

Na

231

203

2

1360

187

M

1566

1400

356

6520

935

Примечания: Хср – среднее значение; Ме – медиана; Xmin – минимальное значение; Хmax – максимальное значение; S – стандартное отклонение.

Таблица 2

Химический состав подземных вод Шахтинского района (2007–2009 гг.)

Компонент

Хср

Ме

Xmin

Xmax

S

рН

7,2

7,2

6,2

9,8

0,6

HCO3

345,1

337

61,0

943,0

111,7

SO4

868,6

703

118,0

2804,0

538,2

Cl

435,4

379

39,0

1679,0

327,9

Ca

209

220

16,0

473,0

103,3

Mg

87

73

10,0

292,0

53,8

Na

443,6

448

30,0

1253,0

246,2

M

2315,1

2016

558,0

5434,0

991,1

Но наиболее детальные и интересные результаты получены после выделения и анализа однородных гидрогеохимических видов с помощью многомерного классификационного G-метода по компьютерной программе AGAT-2 [2, 3] (табл. 3, 4).

Расположение однородных гидрогеохимических видов по мере возрастания минерализации и анализ графиков в координатах: «минерализация – содержание компонентов» позволили выделить три основных варианта закономерных изменений содержаний ионов, которые довольно существенно отличаются по своим параметрам и происхождению (к четвертому варианту отнесена одна проба А.4 содового состава).

Таблица 3

Состав однородных гидрогеохимических видов подземных вод каменноугольных отложений Шахтинского района (50–60-е годы)

Вариант

Вид

рН

Компонент (мг/л и % – моль)

НСО3

SO4

Cl

Ca

Mg

Na

М

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

1.12

7,2

242

59

86

27

33

14

75

55

18

21

39

24

398

1.14

7,6

219

29

349

59

51

12

72

32

47

35

91

33

776

1.10

7,0

232

41

217

48

37

11

83

42

24

20

89

38

613

1.02

7,1

335

42

298

48

45

10

103

39

37

23

121

38

829

1.04

7,5

359

45

270

43

54

12

150

55

51

32

42

13

865

1.05

8,0

337

32

504

61

42

7

145

40

46

22

164

38

1080

1.03

7,0

323

29

483

55

103

16

135

37

47

21

188

42

1180

1.08

7,1

439

40

456

52

53

8

87

24

52

23

233

53

1210

1.17

7,3

393

30

580

57

94

12

216

50

61

24

134

26

1390

1.01

7,3

368

27

700

66

47

6

141

32

63

23

238

45

1470

1.11

7,0

541

36

613

52

107

12

125

24

58

19

349

57

1550

2

1.13

7,3

236

17

819

74

78

9

283

56

76

25

116

19

1710

1.16

6,1

370

23

820

65

107

12

160

30

70

21

317

49

1810

1.06

7,2

378

20

1050

71

92

8

177

28

86

23

362

49

2070

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2

3.01

7,0

404

16

1460

74

140

10

303

37

115

23

391

40

2810

А.3

6,0

134

2

4200

95

70

2

445

25

122

11

1370

64

6520

3

1.15

7,1

392

47

187

28

123

25

100

35

26

25

169

50

855

1.07

7,0

350

32

348

40

177

28

158

43

58

26

140

31

1100

1.09

7,1

365

24

678

56

174

20

207

40

73

24

226

36

1720

2.01

7,1

583

24

989

52

343

24

203

25

87

18

556

57

2590

А.1

7,2

457

16

1230

56

460

28

295

32

125

22

506

46

3082

А.2

7,0

744

16

1390

37

1300

47

206

13

231

25

1156

62

5588

4

А.4

6,8

733

77

144

19

21

4

160

51

29

15

120

34

870

По первому гидрогеохимическому варианту под влиянием природных факторов наиболее существенный вклад в минерализацию вод вносят сульфат-ион, натрий и магний. На фоне общих природных закономерностей формирования среднеминерализованных вод в зоне аридного климата за счет нарастания содержаний SO4 незначительную роль в составе подземных вод начинают играть сульфатные шахтные воды. Во второй гидрогеохимический вариант вошли виды 1.13, 1.16, 1.06, 3.01 и А.3 (табл. 3), которые представляют собой по составу шахтные воды с пониженным значением рН (у вида А.3 – слабокислая среда) и очень высокими концентрациями SO4 (до 4,2 г/л).

В третьем гидрогеохимическом варианте отмечается влияние не только сульфатных шахтных вод, но также и хлоридных; содержания Cl достигают нескольких сотен миллиграмм на литр. Гидрогеохимические виды 1.09, 2.01, А.1, А.2 по составу приближаются к шахтным водам второго и третьего направлений изменения состава шахтных вод (подробное описание направлений во введении). Среди грунтовых вод района обнаружена только одна проба содового состава, которая классифицирована как аномальное наблюдение А.4 (табл. 3) и выделена в четвертый вариант.

Для Шахтинского угленосного района четко фиксируется роль сульфатных и частично хлоридных шахтных вод в формировании химического состава подземных вод каменноугольных отложений и распространении потоков загрязнения на обширные территории. К потокам загрязнения подземных вод шахтными водами в Шахтинском районе в 50–60 гг. отнесено 55 % проб из источников и колодцев.

Анализ данных опробования 2007–2009 гг. (табл. 4) показал, что по первому гидрогеохимическому варианту наиболее существенный вклад в минерализацию вносят сульфат-ион, гидрокарбонат-ион и натрий. Следовательно, гидрогеохимические виды 1.04, А1, 3.01 соответствуют общей природной закономерности формирования среднеминерализованных вод в зоне аридного климата. Во втором гидрогеохимическом варианте существенную роль начинает играть хлор-ион, за счет притока в шахты со значительных глубин подземных вод хлоридного состава. Эти шахтные воды в свою очередь оказывают влияние на состав подземных вод и повышают содержание Cl до 1,6 г/л.

В третьем варианте существенную роль в составе подземных вод играют сульфатные шахтные воды. Теперь по составу это практически шахтные воды с очень высокими концентрациями SО4, которые сформировались после массовой ликвидации угольных шахт (табл. 4). Анализ данных убедительно свидетельствует, что образуются интенсивные потоки загрязнения, к которым отнесено 90 % наблюдений.

Таблица 4

Состав однородных гидрогеохимических видов подземных вод каменноугольных отложений Шахтинского района (2007–2009 гг.)

Вариант

Вид

рН

Компонент (мг/л и % – моль)

НСО3

SO4

Cl

Ca

Mg

Na

М

1

1.04

7,5

348

52

162

31

66

21

69

32

37

29

69

39

632

А.1

7,8

306

42

207

37

88

21

144

62

29

21

45

17

742

3.01

7,1

422

31

483

45

188

24

180

42

44

17

197

40

1380

2

1.05

8,6

136

9

524

43

445

49

63

12

22

7

496

81

1560

5.01

9,0

206

12

419

31

564

57

38

7

32

9

561

84

1680

1.07

8,1

291

16

473

33

551

51

62

10

34

9

578

81

1880

1.06

6,9

357

22

609

47

306

32

260

48

67

21

195

31

1710

А.2

6,9

406

15

948

43

675

42

305

33

102

18

518

49

1848

1.01

7,1

346

18

701

46

397

36

196

30

74

19

377

51

2030

4.01

7,4

238

5

1360

37

1600

58

323

20

173

18

1150

62

4730

3

1.03

7,1

276

9

1880

79

205

12

382

38

142

23

449

39

3360

1.08

7,2

415

12

1590

59

565

29

221

19

188

27

709

54

3670

1.02

7,4

449

14

1940

74

239

12

367

33

142

21

590

46

3720

2.01

7,2

473

12

2270

76

251

11

395

31

170

22

679

47

4130

6.01

7,2

496

13

1990

64

496

23

307

24

179

24

745

52

4170

Заключение

Анализ формирования химического состава подземных вод каменноугольных отложений в Шахтинском районе Восточного Донбасса с помощью G-метода классификационного моделирования позволил выявить важные пространственно-временные закономерности. В связи с ликвидацией шахт процесс загрязнения подземных водоносных горизонтов значительно усилился. За период с 1950 по 2009 год минерализация вод в среднем увеличилась с 1,6 до 2,3 г/л, прежде всего за счет роста содержаний SО4 (до 2,8), Cl (до 1,7) и Na (до 1,3 г/л).

Массовая ликвидация угольных шахт привела в 2007–2009 гг. к тому, что доля вод, отнесенных к потокам загрязнения, повысилась с 55 до 90 %. Стала очевидной неотложность решения проблем охраны водных объектов от загрязнения, необходимость проведения широких реабилитационных мероприятий и строительства очистных сооружений в регионе [5, 6].