Длительное функционирование в Восточном Донбассе угледобывающего и углеперерабатывающего комплексов привело к многочисленным негативным последствиям в состоянии окружающей среды. Произошло интенсивное загрязнение поверхностных вод и атмосферы, изменение режима и баланса подземных вод, трансформация химического состава природных вод с образованием минерализованных шахтных вод. Реструктуризация угольной промышленности и массовое закрытие угольных шахт в регионе еще более интенсифицировали многие негативные процессы: оседание земной поверхности и деформацию горных пород, подтопление территорий и породных отвалов, формирование аномальных по составу шахтных вод, загрязнение подземных и поверхностных, выделение «мертвого воздуха» и многие другие отрицательные явления. Все эти негативные факторы вызвали многочисленные деформации и разрушение сооружений, производственных и жилых зданий. Возникла необходимость выявления и описания закономерностей и генезиса формирования химического состава шахтных вод.
Материалы и методы исследований
Для изучения закономерностей изменения химического состава шахтных вод в данной работе привлечены стандартные статистические методы корреляционного и регрессионного анализов [1–3, 6]. Обобщение выполнено по результатам анализа состава шахтных вод за столетний период, с использованием ранее проведённых исследований [2–5]. Выделение основных направлений изменения состава вод произведено с помощью G-метода классификации многомерных наблюдений по программе АГАТ-2 [1–5].
При анализе данных использованы названия типов по классификации О.А. Алекина. В название вод по химическому составу включаются компоненты с содержанием ≥ 25 %-моль, располагаются в порядке возрастания содержаний.
Результаты исследований и их обсуждение
Анализ закономерностей формирования химического состава шахтных вод Восточного Донбасса выполнен по результатам обобщения более 1500 анализов вод за столетний период (табл. 1). Изменение состава вод и минерализации (М) носит волнообразный характер, и образование этих изменений хорошо прослеживается по результатам анализа взаимосвязей между компонентами, что позволяет выявить генетические особенности формирования состава вод в различные периоды.
Таблица 1
Средний химический состав шахтных вод (мг/л и %-моли)
|
Период |
рН |
HCO3 |
SO4 |
Cl |
Ca |
Mg |
Na |
Fe |
M |
|
1920-е годы |
6,9 |
199 |
1443 |
397 |
233 |
184 |
405 |
– |
2860 |
|
7 |
68 |
25 |
26 |
35 |
39 |
||||
|
1940-е годы |
4,4 |
25 |
2590 |
257 |
304 |
219 |
642 |
– |
4040 |
|
1 |
88 |
11 |
25 |
30 |
45 |
||||
|
1950-е годы |
5,2 |
221 |
2795 |
443 |
330 |
191 |
964 |
– |
4947 |
|
5 |
78 |
17 |
23 |
20 |
57 |
||||
|
1966 год |
6,7 |
256 |
1741 |
448 |
98 |
217 |
710 |
1,1 |
3600 |
|
8 |
68 |
24 |
10 |
35 |
55 |
||||
|
1992 год |
7,5 |
580 |
1700 |
730 |
205 |
137 |
1035 |
3.6 |
4390 |
|
15 |
54 |
31 |
15 |
17 |
68 |
||||
|
1999 год |
7,6 |
676 |
1542 |
378 |
157 |
129 |
800 |
6.6 |
3546 |
|
20 |
60 |
20 |
15 |
20 |
65 |
||||
|
2002 год |
7,1 |
610 |
2372 |
445 |
223 |
250 |
886 |
47 |
4810 |
|
16 |
63 |
21 |
17 |
26 |
57 |
||||
|
2010 год |
7,2 |
581 |
2708 |
425 |
366 |
254 |
886 |
35 |
5275 |
|
12 |
73 |
15 |
36 |
23 |
41 |
На первом этапе исследований с помощью G-метода многомерного классификационного моделирования выделено четыре главных направления изменения химического состава шахтных вод [4], средний состав которых приведен в табл. 2.
Таблица 2
Средний состав шахтных вод по гидрогеохимическим направлениям (мг/л и %-моль)
|
Направления |
рН |
HCO3 |
SO4 |
CL |
Ca |
Mg |
Na |
M |
|
1 |
4,5 |
65 2 |
2900 90 |
195 8 |
149 11 |
286 35 |
830 54 |
4390 |
|
2 |
7,8 |
353 10 |
1893 67 |
483 23 |
76 6 |
212 30 |
876 64 |
3940 |
|
3 |
6,9 |
299 6 |
1700 42 |
1543 52 |
125 8 |
284 28 |
1246 64 |
5240 |
|
4 |
7,7 |
545 20 |
856 39 |
626 41 |
39 4 |
84 15 |
832 81 |
2920 |
Наиболее наглядно особенности выделенных гидрогеохимических направлений формирования состава шахтных вод видны по среднему составу, по коэффициентам корреляции и уравнениям регрессии по минерализации (табл. 3).
Таблица 3
Уравнения регрессии содержаний компонентов химического состава шахтных вод по минерализации
|
Компонент |
Направление |
N |
r |
Уравнение |
|
НСО3 |
1 |
46 |
–0,71 |
486–0,094 М |
|
2 |
39 |
0,27 |
240 + 0,026 М |
|
|
3 |
45 |
0,47 |
169 + 0,04 М |
|
|
4 |
35 |
0,62 |
–125 + 0,193 М |
|
|
SO4 |
1 |
46 |
0,97 |
–668 + 0,8 М |
|
2 |
39 |
0,94 |
–131 + 0,53 М |
|
|
3 |
45 |
0,85 |
550 + 0,23 М |
|
|
4 |
35 |
0,32 |
514 + 0,2 М |
|
|
Cl |
1 |
46 |
–0,20 |
235 + 0,0 М |
|
2 |
39 |
0,64 |
0,12 + 0,12 М |
|
|
3 |
45 |
0,92 |
–445 + 0,34 М |
|
|
4 |
35 |
0,54 |
–196 + 0,22 М |
|
|
Ca |
1 |
46 |
0,41 |
24 + 0,029 М |
|
2 |
39 |
–0,07 |
83–0,0 М |
|
|
3 |
45 |
0,19 |
104 + 0,0 М |
|
|
4 |
35 |
0,16 |
79 + 0,0 М |
|
|
Mg |
1 |
46 |
0,61 |
73 + 0,051 М |
|
2 |
39 |
0,45 |
108 + 0,031 М |
|
|
3 |
45 |
0,28 |
175 + 0,013 М |
|
|
4 |
35 |
–0,26 |
252–0,035 М |
|
|
Na |
1 |
46 |
0,94 |
123 + 0,11 М |
|
2 |
39 |
0,93 |
–297 + 0,29 М |
|
|
3 |
45 |
0,97 |
–398 + 0,32 М |
|
|
4 |
35 |
0,77 |
–467 + 0,38 М |
Примечание. N – количество определений, r – коэффициент корреляции, М – минерализация.
Обнаружены следующие закономерности в изменении силы связей содержаний компонентов с минерализацией (табл. 3): связь НСО3 изменяется от первого направления к четвертому с отрицательной (r = –0,71) до положительной (0,62); связь SO4 уменьшается от первого направления (0,94) к четвертому (0,32) и наклон линии регрессии соответственно снижается (угловой коэффициент от 0,8 до 0,2); связь Cl с минерализацией растет от первого (–0,2) направления к третьему (0,92) и соответственно увеличивается наклон линии регрессии (коэффициент от 0,0 до 0,34); для Са отмечается слабая связь в первом направлении (0,41); для Mg – связи с минерализацией в первом (0,61) и втором (0,45) направлениях; для Na характерна сильная корреляционная связь с минерализацией по всем направлениям (табл. 3).
Таблица 4
Значения парных коэффициентов корреляции между компонентами химического состава шахтных вод (1920-е годы)
|
Показатели |
рН |
НСО3 |
SO4 |
Cl |
Ca |
Mg |
Na |
М |
|
рН |
1,00 |
0,85 |
–0,57 |
0,28 |
–0,27 |
–0,35 |
–0,03 |
–0,26 |
|
НСО3 |
0,85 |
1,00 |
–0,41 |
0,12 |
–0,15 |
–0,20 |
–0,10 |
–0,19 |
|
SO4 |
–0,57 |
–0,41 |
1,00 |
0,13 |
0,68 |
0,79 |
0,54 |
0,87 |
|
Cl |
0,28 |
0,12 |
0,13 |
1,00 |
0,38 |
0,39 |
0,62 |
0,58 |
|
Ca |
–0,27 |
–0,15 |
0,68 |
0,38 |
1,00 |
0,83 |
0,17 |
0,72 |
|
Mg |
–0,35 |
–0,20 |
0,79 |
0,39 |
0,83 |
1,00 |
0,27 |
0,81 |
|
Na |
–0,03 |
–0,10 |
0,54 |
0,62 |
0,17 |
0,27 |
1,00 |
0,76 |
|
M |
–0,26 |
–0,19 |
0,87 |
0,58 |
0,72 |
0,81 |
0,76 |
1,00 |
По первому гидрогеохимическому направлению формируются кислые сульфатные шахтные воды, значение рН опускается до 2,2, содержание SO4 возрастает до 4,0–4,5, а минерализация – до 10–11 г/л; воды существенно обогащены Fe, Mn, Al, Cu и другими металлами. Происхождение данного направления связано с интенсивным развитием в горных выработках процессов окисления серы и сульфидов, заключенных в углях и вмещающих породах. Шахтные воды первого гидрогеохимического направления вносят наибольший вклад в загрязнение окружающей среды. Второе направление изменения состава шахтных вод приводит к формированию хлоридно-сульфатных шахтных вод, происхождение которых связано как с процессами окисления серы, так и с притоком хлоридных подземных вод при углублении горных выработок. В третьем гидрогеохимическом направлении еще больше усиливается роль хлоридных ионов, воды становятся сульфатно-хлоридными за счет притока хлоридных подземных вод на глубоких горизонтах отработки угольных пластов, минерализация вод повышается, но процесс окисления серы отходит на второй план.
По четвертому направлению формируются оригинальные содовые (первый тип по О.А. Алекину) шахтные воды с повышенным содержанием иона HCO3 и очень низкими – Ca и Mg. Происхождение этих вод связано с притоком в горные выработки подземных вод содового типа. Действительно, для Донецкого бассейна установлено два главных вида вертикальной гидрогеохимической зональности:
1) прямая гидрогеохимическая зональность характеризуется увеличением минерализации подземных вод с глубиной до 70–80 г/л и формированием хлоридных натриевых вод, которые сказываются на изменении химического состава шахтных вод по второму и третьему гидрогеохимическим направлениям;
2) обратная гидрогеохимическая зональность приводит к образованию на значительных глубинах маломинерализованных подземных вод содового состава, происхождение которых автор связывает с протеканием испарительно-конденсационных процессов и наличием нефте-газовых скоплений в Восточном Донбассе [6].
Эти содовые подземные воды, поступая в горные выработки, формируют четвертое гидрогеохимическое направление изменения состава шахтных вод.
На втором этапе исследований для изучения закономерностей формирования и генезиса химического состава шахтных вод в разные периоды опробования выполнен корреляционный анализ связей между компонентами состава этих вод.
В 1920-е годы шахтные воды имели в среднем состав хлоридно-сульфатный кальциево-магниево-натриевый второго типа по О.А. Алекину (табл. 1). С минерализацией (2,9 г/л) наиболее сильные корреляционные связи проявляют сульфат-ион, магний, натрий и кальций (табл. 3). Следует отметить также высокие связи между следующими компонентами: НСО3 – рН (r = 0,85), SO4 – Mg (0,79), Na – Cl (0,62), SO4 – pH (–0,57). Отсутствует связь между SO4 и Cl, что косвенно указывает на различные источники их происхождения в водах.
Таким образом, для данного периода генезис состава шахтных вод связан преимущественно с развитием процессов интенсивного окисления сульфидов и, частично, с притоком хлоридных подземных вод [3].
В 1940-е годы в период восстановления после затопления (во время оккупации территории) минерализация шахтных вод возросла в среднем почти в 1,5 раза (от 2,8 до 4), а сульфатов – в 1,9 (от 1,4 до 2,8 г/л), доля кислых вод увеличилась с 15 до 71 %. шахтные воды имели сульфатный кальциево-магниево-натриевый состав (табл. 1). Анализ корреляционных связей (табл. 5) показывает, что наиболее сильно с минерализацией связаны содержания SO4, Na, Mg, Ca (положительная зависимость), с НСО3 и рН (отрицательная), отсутствует значимая связь с Cl. Между отдельными компонентами наиболее высоки связи: НСО3 – рН (r = 0,88), SO4 – pH (–0,84), SO4 – Na (0,88), Ca – Mg (0,86).
Таким образом, анализ корреляционных связей между компонентами по результатам опробования шахтных вод Восточного Донбасса в 1940-е годы свидетельствует о том, что четко проявилось только первое направление изменения химического состава шахтных вод, второе, третье и четвёртое направления практически отсутствуют. Следовательно, генезис состава вод связан со значительным усилением процессов окисления сульфидов и растворения сульфатов.
Характеристика шахтных вод в 1950-е годы проводится по выборке, в которой представлены преимущественно старые восстановленные шахты, на которых возникли проблемы формирования высокоминерализованных вод. В среднем по составу указанные воды являются сульфатными натриевыми, второго типа по О.А. Алекину, все имеют минерализацию более 2 г/л и 40 % – минерализацию более 5 г/л. По сравнению с данными 1920-х годов (табл. 1) в среднем увеличились приблизительно в два раза минерализация вод и содержание SO4 и Na. Эта ситуация с шахтными водами угольных месторождений Донбасса (увеличение кислотности и сульфатности в послевоенные годы) стимулировала постановку исследований причин такого положения и поисков путей борьбы с кислыми водами.
Таблица 5
Значения парных коэффициентов корреляции между компонентами химического состава шахтных вод (1940-е годы)
|
Показатели |
рН |
НСО3 |
SO4 |
Cl |
Ca |
Mg |
Na |
М |
|
рН |
1,00 |
0,88 |
–0,84 |
0,27 |
–0,38 |
–0,56 |
–0,66 |
–0,71 |
|
НСО3 |
0,88 |
1,00 |
–0,79 |
0,07 |
–0,49 |
–0,55 |
–0,58 |
–0,68 |
|
SO4 |
–0,84 |
–0,79 |
1,00 |
0,15 |
0,63 |
0,78 |
0,88 |
0,97 |
|
Cl |
0,27 |
0,07 |
0,15 |
1,00 |
0,66 |
0,56 |
0,7 |
0,37 |
|
Ca |
–0,38 |
–0,49 |
0,63 |
0,66 |
1,00 |
0,86 |
0,30 |
0,72 |
|
Mg |
–0,56 |
–0,55 |
0,78 |
0,56 |
0,86 |
1,00 |
0,48 |
0,84 |
|
Na |
–0,66 |
–0,58 |
0,88 |
0,07 |
0,30 |
0,48 |
1,00 |
0,86 |
|
M |
–0,71 |
–0,68 |
0,97 |
0,37 |
0,72 |
0,84 |
0,86 |
1,00 |
Таблица 6
Значения парных коэффициентов корреляции между компонентами химического состава шахтных вод (1950-е годы)
|
Показатели |
рН |
НСО3 |
SO4 |
Cl |
Ca |
Mg |
Na |
М |
|
рН |
1,00 |
0,82 |
–0,70 |
–0,07 |
0,20 |
0,09 |
–0,49 |
–0,49 |
|
НСО3 |
0,82 |
1,00 |
–0,48 |
0,24 |
0,18 |
–0,09 |
–0,09 |
–0,07 |
|
SO4 |
–0,70 |
–0,48 |
1,00 |
0,01 |
–0,10 |
0,02 |
0,66 |
0,78 |
|
Cl |
–0,07 |
0,24 |
0,01 |
1,00 |
0,08 |
–0,31 |
0,62 |
0,60 |
|
Ca |
0,20 |
0,18 |
–0,10 |
0,08 |
1,00 |
0,37 |
–0,36 |
–0,03 |
|
Mg |
0,09 |
–0,09 |
0,02 |
–0,31 |
0,37 |
1,00 |
–0,51 |
–0,22 |
|
Na |
–0,49 |
–0,09 |
0,66 |
0,62 |
–0,36 |
–0,51 |
1,00 |
0,92 |
|
M |
–0,49 |
–0,07 |
0,78 |
0,60 |
–0,03 |
–0,22 |
0,92 |
1,00 |
Анализ корреляционных связей показывает (табл. 6), что с минерализацией тесно связаны только три компонента – Na, SO4, Cl; практически не обнаруживают связи с минерализацией Ca и Mg. Сульфат-ион достаточно тесно коррелируется с М и Na, для хлор-иона характерна связь с Na и М, хотя между SO4 и Cl связи по парному коэффициенту корреляции не обнаружено.
Обнаруженные корреляционные связи показали, что в формировании химического состава вод в Восточном Донбассе в 1950-е годы доминирует первое гидрогеохимическое направление (67 %), ко второму направлению относятся 28 % и к третьему – всего 4 %. Все это свидетельствует о преобладании процессов окисления сульфидов и растворения сульфатов, при постепенном развитии процессов привноса Cl с дренируемыми подземными водами. Таким образом, резкое увеличение минерализации и содержаний SO4 (при снижении рН), которое было спровоцировано затоплением шахт во время оккупации Донбасса, сохраняется на долгие годы.
В 1960-е годы зафиксирована высокая неоднородность содержаний основных компонентов, минерализации и рН вод. В среднем по составу это хлоридно-сульфатные магниево-натриевые воды второго типа. По сравнению с предыдущим периодом 1950-х годов несколько снизились минерализация и концентрация SO4 и повысилась рН (табл. 1). Концентрации большинства компонентов изменяются в 20–30 раз, для М и SO4 – в 10–12 раз. Характеристика корреляционных связей приведена в табл. 7.
С минерализацией шахтных вод (3,6 г/л) наиболее сильные связи обнаружены для содержаний Na (r = 0.91), SO4 (0,75) и Cl (0,55). Среди компонентов необходимо отметить следующие связи: pH – SO4 (r = –0,68), pH – HCO3 (0,66) и Na – Cl (0,63). Особую информацию о наличии четвёртого направления несёт отрицательный коэффициент корреляции HCO3 – Mg (–0,62). Таким образом, анализ корреляционных связей свидетельствует о том, что теперь в формировании химического состава вод участвуют все четыре направления изменения их состава. Четвёртое направление, приводящее к образованию содовых по составу вод, особенно характерно для шахт Гуково-Зверевского угленосного района [4].
В 1994 году началась ликвидация угольных шахт в Восточном Донбассе путём полного затопления шахт, затопления с перетоком вод в соседние ликвидированные шахты, с поддержанием уровней вод на безопасной глубине, способом «сухой консервации». Ликвидация осуществлялась более чем на 30 шахтах. Поток вод был направлен из недр в отработанное пространство шахт и отобрать пробы вод не было возможности.
К 2010 году процесс ликвидации угольных шахт в Восточном Донбассе в основном был реализован. В среднем по составу шахтные воды были сульфатными кальциево-натриевыми второго типа. Характерно дальнейшее повышение минерализации вод, преимущественно за счет увеличения содержаний SO4 и Na. Воды имеют нейтральную реакцию среды. Характеристика взаимосвязей между компонентами приведена в табл. 8.
Таблица 7
Значения парных коэффициентов корреляции между компонентами химического состава шахтных вод (1960-е годы)
|
Показатели |
рН |
НСО3 |
SO4 |
Cl |
Ca |
Mg |
Na |
М |
|
рН |
1,00 |
0,66 |
–0,68 |
0,24 |
–0,18 |
–0,45 |
–0,15 |
–0,33 |
|
НСО3 |
0,66 |
1,00 |
–0,48 |
0,31 |
–0,23 |
–0,62 |
0,24 |
–0,02 |
|
SO4 |
–0,68 |
–0,48 |
1,00 |
–0,09 |
0,32 |
0,56 |
0,53 |
0,75 |
|
Cl |
0,24 |
0,31 |
–0,09 |
1,00 |
–0,04 |
0,09 |
0,63 |
0,55 |
|
Ca |
–0,18 |
–0,23 |
0,32 |
–0,04 |
1,00 |
0,24 |
–0,06 |
0,21 |
|
Mg |
–0,45 |
–0,62 |
0,56 |
0,09 |
0,24 |
1,00 |
0,04 |
0,38 |
|
Na |
–0,15 |
0,24 |
0,53 |
0,63 |
–0,06 |
0,04 |
1,00 |
0,91 |
|
M |
–0,33 |
–0,02 |
0,75 |
0,55 |
0,21 |
0,38 |
0,91 |
1,00 |
Таблица 8
Значения парных коэффициентов корреляции между компонентами химического состава шахтных вод в 2010 году
|
Показатели |
pH |
HCO3 |
SO4 |
Cl |
Ca |
Mg |
Na |
Fe |
М |
|
pH |
1,00 |
–0,03 |
–0,55 |
0,13 |
–0,35 |
–0,59 |
–0,12 |
–0,55 |
–0,46 |
|
HCO3 |
–0,03 |
1,00 |
–0,16 |
0,09 |
–0,09 |
–0,14 |
0,19 |
–0,32 |
–0,05 |
|
SO4 |
–0,55 |
–0,16 |
1,00 |
0,04 |
0,42 |
0,84 |
0,65 |
0,78 |
0,95 |
|
CL |
0,13 |
0,09 |
0,04 |
1,00 |
0,23 |
0,21 |
0,49 |
–0,01 |
0,34 |
|
Ca |
–0,35 |
–0,09 |
0,42 |
0,23 |
1,00 |
0,45 |
0,08 |
0,16 |
0,44 |
|
Mg |
–0,59 |
–0,14 |
0,84 |
0,21 |
0,45 |
1,00 |
0,38 |
0,78 |
0,84 |
|
Na |
–0,12 |
0,19 |
0,65 |
0,49 |
0,08 |
0,38 |
1,00 |
0,34 |
0,79 |
|
Fe |
–0,55 |
–0,32 |
0,78 |
–0,01 |
0,16 |
0,78 |
0,34 |
1,00 |
0,71 |
|
М |
–0,46 |
–0,05 |
0,95 |
0,34 |
0,44 |
0,84 |
0,79 |
0,71 |
1,00 |
С минерализацией наиболее сильные связи обнаружены для SO4, Mg, Na, Fe, следует отметить связь содержаний SO4 с Mg и Fe, а pH отрицательно связан с Fe и SO4. Все это убедительно свидетельствует, что после ликвидации угольных шахт в Восточном Донбассе генезис химического состава шахтных вод связан преимущественно с развитием процессов растворения сульфатов, однако начинают интенсифицироваться процессы окисления сульфидов, что может привести в дальнейшем к снижению pH вод.
Заключение
Таким образом, изучение корреляционных зависимостей между компонентами химического состава шахтных вод Восточного Донбасса позволило уверенно выделить основные направления изменения их состава. В 1920–1928 годах генезис состава шахтных вод связан преимущественно с развитием процессов интенсивного окисления сульфидов и, частично, с притоком хлоридных подземных вод. В 1943–1945 годах четко проявилось только первое направление изменения химического состава шахтных вод, второе, третье и четвёртое направления практически отсутствуют. Следовательно, генезис состава вод обусловлен значительным усилением процессов окисления сульфидов и растворения сульфатов.
В формировании химического состава вод в Восточном Донбассе в 1950-е годы преобладали процессы окисления сульфидов и растворения сульфатов, при постепенном развитии процессов привноса Cl с дренируемыми подземными водами. Анализ корреляционных связей свидетельствует о том, что в 1960-е годы в формировании химического состава вод участвуют все четыре направления изменения их состава. Четвёртое направление, приводящее к образованию содовых по составу вод, особенно характерно для шахт Гуково-Зверевского угленосного района [4].
В 2010 году после ликвидации угольных шахт в Восточном Донбассе генезис химического состава шахтных вод обусловлен преимущественно развитием процессов растворения сульфатов, однако начинают интенсифицироваться процессы окисления сульфидов. Всё это ведёт в дальнейшем к значительному увеличению минерализации, снижению pH шахтных вод и резкому росту загрязнения подземных и поверхностных вод, что требует планирования и реализации действенных реабилитационных мер.