Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

ТРАНСФОРМАЦИЯ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА ШАХТНЫХ ВОД В ВОСТОЧНОМ ДОНБАССЕ ЗА ПОЛВЕКА

Гавришин А.И. 1 Быкова А.Д. 1 Суховий В.М. 1
1 Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова
Приведён анализ основных направлений изменений химического состава шахтных вод на территории Восточного Донбасса в период с 1967 по 2015 гг. Общий анализ показал, что со временем происходит усиление процессов окисления и рост минерализации шахтных вод за счет сульфатов. Детальное изучение процесса трансформации состава шахтных вод выполнено с помощью оригинальной технологии классифицирования многомерных наблюдений АГАТ-2. Обнаружено четыре направления изменения состава вод. По первому направлению формируются кислые сульфатные воды за счет процессов интенсивного окисления сульфидов и серы, заключенных в углях и горных породах. По второму направлению образуются хлоридно-сульфатные воды и процессы окисления переходят на второй план. По третьему направлению обнаружены сульфатно-хлоридные воды, образованные за счет притока в шахты (особенно глубокие) минерализованных хлоридных подземных вод. По четвертому направлению формируются оригинальные содовые воды, которые могут свидетельствовать о наличии в регионе нефтегазовых месторождений. Во время и после завершения ликвидации угольных шахт (к 2015 г.) резко усилились процессы окисления и образования сульфатных вод первого направления, снизилось образование вод второго направления, полностью отсутствуют воды третьего направления, ослаблено четвертое направление. Эти преобразования связаны с тем, что кардинально изменилось направление движения вод, теперь поток вод направлен через выработанное пространство шахт в окружающую среду, что приводит к формированию мощных «айсбергов» загрязнения и необходимости мероприятий по реабилитации окружающей среды в Восточном Донбассе.
Восточный Донбасс
шахтные воды
химический состав
трансформация
1. Гавришин А.И. Анализ информации о природных и антропогенных объектах, явлениях и процессах: учебное пособие / А.И. Гавришин. – Новочеркасск: Изд. ЮРГПУ (НПИ), 2016. – 139 с.
2. Крайнов С.Р. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты / С.Р. Крайнов, Б.Н. Рыженко, В.М. Швец. – 2-е изд., доп. – М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2012. – 672 с.
3. Mokhov A.V. The Hydrogeochemical Structure of Water Bodies in Flooded Openings of Coal Mines. Doklady Earth Sciences. 2012. Vol. 445, Part 1, pp. 903–905.
4. Гавришин А.И. Состояние окружающей среды в районе угольных шахт Восточного Донбасса / А.И. Гавришин // Горный журнал. – 2018. – № 1. – С. 92–96. DOI: 10.17580/gzh.2018.01.17.
5. Borisova V.E., Serbinovskaya A.M. Alternative methods of mine waters purification in Eastern Donbass // III Международная научная конференция преподавателей, молодых ученых и студентов. – Новочеркасск: Изд. ЮРГПУ (НПИ), 2016. – С. 153–156.
6. Помеляйко И.С., Помеляйко В.И. Диагностика экологического состояния ряда промышленных и курортных городов РФ // Нарзан-2015: материалы 3-го Национального научного форума. – Пятигорск: Изд. Рекламно-информационное агентство на КМВ, 2015. – С. 197–221.
7. Zakrutkin V.E., Sklyarenko G.Y. The influence of coal mining on groundwater pollution (Eastern Donbass) // International multidisciplinary Scientific Geo Conference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM 15th. 2015. P. 927–932.
8. Бобух В.А. Региональное надвигообразование северных окраин Восточного Донбасса в связи с формированиями залежей УВ / В.А. Бобух, А.А. Чихирин, В.Н. Тюльдин // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – 2004. – № 7. – С. 22–28.
9. Редина М.М., Хаустов А.П. Нормирование качества геологической среды: анализ зарубежного опыта, проблемы и тенденции // Нарзан-2015: материалы Национального научного форума. – Пятигорск: Изд. Рекламно-информационное агентство на КМВ, 2015. – С. 247–269.

Восточный Донбасс является высокоиндустриальным регионом, в котором промышленные предприятия оказывают существенное влияние на состояние окружающей среды. Прежде всего это предприятия угледобывающего и углеперерабатывающего комплексов. При разработке угольных месторождений возникают такие отрицательные явления, как формирование техногенной трещиноватости горных пород, осушение массивов, появление высокоминерализованных шахтных вод, оседание земной поверхности, образование породных отвалов (терриконов). Массовая ликвидация угольных шахт в регионе способствовала усилению многих указанных явлений: началось подтопление территорий, деформация горных пород, загрязнение природных вод, выделение «мертвого воздуха» и многие другие [1–3]. Это потребовало выполнить детальный анализ основных направлений трансформации химического состава шахтных вод при эксплуатации и после закрытия угольных шахт. Для этого выбраны два периода: 1967 г. – период расцвета угольной промышленности Восточного Донбасса и, практически через пол века – 2015 г., когда процесс ликвидации угольных шахт региона был завершён.

Материалы и методы исследования

Накопление больших объемов количественной гидрогеохимической информации особенно остро поставило вопрос о развитии и применении методов классификационного моделирования многомерных наблюдений для эффективного анализа пространственно-временных закономерностей. Использование математики в геологии и гидрогеохимии, по мнению большинства исследователей, следует рассматривать преимущественно как применение метода математического моделирования.

Под математическим моделированием в геологии понимается такой способ познавания свойств, строения и состава литосферы, когда по определенным правилам создается математическое описание некоторых геологических свойств объекта или процесса. Далее:

1) на основе изучения этого описания совершенствуются и расширяются (часто прогнозируются) геологические знания о том же объекте или процессе;

2) на базе установления подобия нового объекта известному объекту по математическому описанию части геологических свойств производится прогнозирование других свойств нового объекта.

Задачу многомерного классификационного моделирования можно сформулировать следующим образом. Множество наблюдений N, каждое из которых охарактеризовано M признаками, необходимо разделить на систему однородных подмножеств (таксонов). В каждом из однородных подмножеств наблюдения должны быть наиболее близки друг другу по всем признакам, а подмножества должны максимально различаться между собой.

Для анализа первичной гидрогеохимической информации в данной работе широко использованы обычные математико-статистические методы (оценка параметров, корреляционный и регрессионный анализы и т.п.) и G-метод классификации многомерных наблюдений, основанный на критерии Z-квадрат [1, 4]. G-метод реализован в виде инновационной компьютерной технологии АГАТ-2 и дает возможность выделять однородные таксоны наблюдений при отсутствии априорных сведений (задача без учителя), использовать зависимые признаки, оценивать сходство между таксонами, определять информативность признаков [1].

Классификационные методы играют ведущую роль в процессе познания человека и окружающего мира. Общеизвестно значение таких гениальных классификаций в науке и повседневной жизни, как, например, периодическая система химических элементов, стратиграфическая шкала, классификации биологических видов, горных пород, природных вод по химическому составу и многих других. Каждый исследователь, получая новую информацию о природно-антропогенных системах, обязательно сталкивается с проблемой их классификации.

Анализ закономерностей формирования направлений изменения химического состава шахтных вод выполнен путем общего сопоставления параметров распределений макрокомпонентов и сравнения однородных таксонов наблюдений, выделенных автоматически по компьютерной технологии АГАТ-2. При этом в название вод включаются компоненты в основном с содержаниями более 20–25 %-молей и располагаются в порядке возрастания содержаний.

Результаты исследования и их обсуждение

Для оценки состояния окружающей среды Восточного Донбасса важное значение имеют изменения химического состава шахтных вод, которые многие годы оказывают негативное влияние на состав питьевых вод, на интенсивное загрязнение поверхностных и подземных вод, на общее состояние окружающей среды региона. В районах угольных шахт формируются мощные потоки загрязнения. По этой причине выполнен анализ главных направлений изменения состава шахтных вод в период максимального развития угольной промышленности в 1960-е гг. и после завершения массовой ликвидации шахт (2015 г.).

Таблица 1

Химический состав шахтных вод в 1967 г.

Компоненты

Xср

Ме

S

Xmax

рН

6,7

7,3

1,8

8,6

НСО3

272

285

211

991

SO4

1765

1558

952

4327

Cl

500

329

507

2798

Ca

100

72

80

363

Mg

217

220

105

510

Na

757

689

476

3558

M

3600

3200

1900

11600

Примечания: Хср – среднее значение; Ме – медиана; S – стандартное отклонение; Xmax – максимальное значение; М – минерализация.

Таблица 2

Химический состав шахтных вод в 2015 г.

Компоненты

Xср

Me

S

Xmin

pH

6,9

7,1

0,86

3,7

HCO3

521

506

261

6

SO4

2527

1968

1617

606

CL

354

221

329

63

Ca

284

281

127

10

Mg

228

210

156

6

Na

589

479

466

62

M

4508

4025

2193

1380

Самые общие различия в составе шахтных вод видны уже при сравнении статистических параметров распределений макрокомпонентов (табл. 1 и 2). Минерализация увеличилась в основном за счет роста содержаний сульфат-иона (в 1,43 раза), что свидетельствует об интенсификации процессов окисления серы и сульфидов, заключенных в углях и горных породах [5–7].

Более детальный анализ главных направлений трансформации химического состава шахтных вод выполнен при классификации гидрогеохимической информации по компьютерной технологии АГАТ-2 [1, 4] с выделением однородных видов наблюдений (табл. 3), которые систематизированы по главным направлениям. По данным 1967 г. выделено 13 однородных видов, которые объединены в четыре главных направления изменения состава (обнаружены воды всех четырех направлений). По данным 2015 г. было выделено 9 однородных видов, но они объединены в три главных направления (табл. 4). Третье направление, когда образуются сульфатно-хлоридные воды, отсутствует.

Таблица 3

Главные направления изменения химического состава шахтных вод в 1967 г. (мг/л и %-моль)

Направление

Вид

Компоненты

HCO3

SO4

Cl

Ca

Mg

Na

M

1

1.1

279

1130

260

89

191

363

2400

14

65

21

12

44

44

2.3

151

2470

247

232

287

575

4000

4

84

12

19

40

41

2.1

1

2350

152

81

260

621

3500

0

92

8

8

41

51

2.2

0

3660

129

167

327

1030

5500

0

95

5

10

34

56

2.4

0

3660

334

87

311

1270

5600

0

89

11

5

30

65

2

1.3

364

1700

423

65

186

809

3600

12

66

22

6

29

65

А.1

336

2380

433

104

218

1030

4500

8

74

18

8

27

65

А.2

308

2880

735

37

295

1360

5700

6

70

24

2

29

69

3

4.1

114

1660

1400

117

371

883

4400

2

46

52

8

41

51

А.3

540

2200

2400

140

240

2250

8100

7

38

55

6

16

78

4

1.4

431

763

576

44

177

522

2600

18

41

41

6

37

57

1.2

417

1070

486

36

54

855

2600

16

52

32

4

10

86

3.1

827

666

863

38

30

1110

3600

26

27

47

4

5

91

Таблица 4

Главные направления изменения среднего химического состава шахтных вод в 1967 г. (мг/л и %-моль)

Направления

HCO3

SO4

Cl

Ca

Mg

Na

M

1

65

2900

195

149

286

830

4425

2

90

8

11

35

54

2

353

1893

483

76

212

876

3893

10

67

23

6

30

64

3

299

1700

1543

125

284

1246

5197

6

42

52

8

28

64

4

545

856

626

39

84

832

2982

20

39

41

4

15

81

Таблица 5

Главные направлениям изменения среднего химического состава шахтных вод в 2015 г. (мг/л и %-моль)

Направления

НСO3

SO4

Cl

Ca

Mg

Na

М

1

292

4010

270

366

400

1402

6740

7

85

8

19

32

49

2

535

4056

359

322

306

1719

7297

9

76

16

14

23

63

3

4

425

1149

211

40

32

809

2666

18

67

15

7

9

84

Далее рассмотрено, как у шахтных вод формируются изменения химического состава (табл. 5). В 1967 г. кислые сульфатные шахтные воды формируются по первому гидрогеохимическому направлению. Их происхождение связано с развитием в горных выработках интенсивных процессов окисления серы и сульфидов. Эти воды вносят наибольший вклад в загрязнение окружающей среды региона. Формирование хлоридно-сульфатных шахтных вод по второму направлению связано с процессами окисления серы и с притоком хлоридных подземных вод при углублении горных выработок. В третьем направлении воды становятся сульфатно-хлоридными за счет притока хлоридных подземных вод на глубоких горизонтах отработки угольных пластов, процессы окисления серы значительно ослабевают.

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. Для Донецкого бассейна установлено два главных вида вертикальной гидрогеохимической зональности:

1) прямая гидрогеохимическая зональность характеризуется увеличением минерализации подземных вод с глубиной до 70–90 г/л и формированием хлоридных натриевых вод, которые сказываются на изменении состава шахтных вод по второму и третьему гидрогеохимическим направлениям;

2) по обратной вертикальной гидрогеохимической зональности происходит образование на значительных глубинах маломинерализованных подземных вод содового состава, происхождение которых авторы связывают с протеканием испарительно-конденсационных процессов и наличием нефтегазовых скоплений в Восточном Донбассе [1, 8]. Эти содовые подземные воды, поступая в горные выработки, формируют четвертое гидрогеохимическое направление изменения состава шахтных вод.

После ликвидации угольных шахт к 2015 г. произошло коренное изменение направлений трансформации состава шахтных вод (табл. 5). Существенно усилились процессы окисления серы по первому направлению, что привело к увеличению содержаний SO4 с 2,9 до 4,0, а минерализации вод с 4,4 до 6,7 г/л. Во втором направлении так же происходит резкий рост содержаний SO4 с 1,8 до 4,1, минерализации с 4,4 до 7,3 г/л; снижается содержание Cl. Третье направление изменения состава вод, когда формировались сульфатно-хлоридные воды, отсутствует. Это свидетельствует о том, что резко снизился приток подземных хлоридных вод, формирующихся по прямой вертикальной геохимической зональности. Четвертое направление образования содовых вод претерпело некоторые изменения: уменьшились содержания НСO3 и Cl; воды стали сульфатными.

Эти преобразования связаны с изменением направлений движения вод, теперь поток направлен через водовмещающее пространство шахт в окружающую среду, что приводит к формированию обширных потоков загрязнения природных вод [1, 4, 9].

Заключение

Приведён анализ направлений изменения химического состава шахтных вод на территории Восточного Донбасса в период с 1967 по 2015 г. Детальное изучение процесса трансформации состава шахтных вод выполнено с помощью оригинальной технологии классифицирования многомерных наблюдений АГАТ-2. Обнаружено четыре направления изменения состава вод. По первому направлению формируются кислые сульфатные воды в результате процессов интенсивного окисления сульфидов и серы, заключенных в углях и горных породах. Хлоридно-сульфатные воды образуются по второму направлению и процессы окисления переходят на второй план. По третьему направлению обнаружены сульфатно-хлоридные воды, образованные за счет притока в шахты (особенно глубокие) минерализованных хлоридных по составу подземных вод. По четвертому направлению формируются оригинальные содовые воды, которые могут свидетельствовать о наличии в регионе нефтегазовых месторождений. Во время и после завершения ликвидации угольных шахт к 2015 г. резко усилились процессы окисления и образования сульфатных вод первого направления, снизилось образование вод второго направления, полностью отсутствуют воды третьего направления, слабо выражено четвертое направление. Эти преобразования связаны с тем, что кардинально изменилось направление движения вод, теперь поток вод направлен через выработанное пространство шахт в окружающую среду, что приводит к формированию мощных «айсбергов» загрязнения и необходимости мероприятий по реабилитации окружающей среды в Восточном Донбассе.


Библиографическая ссылка

Гавришин А.И., Быкова А.Д., Суховий В.М. ТРАНСФОРМАЦИЯ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА ШАХТНЫХ ВОД В ВОСТОЧНОМ ДОНБАССЕ ЗА ПОЛВЕКА // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 8. – С. 106-111;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36844 (дата обращения: 22.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074