Комплексна оцінка і прогнозування еколого-гідрогеологічного стану Червоноградського вугільного регіону в умовах експлуатації та закриття шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

УДК 504.06; 556.3

Комплексна оцінка і прогнозування еколого-гідрогеологічного стану Червоноградського вугільного регіону в умовах експлуатації та закриття шахт

Спеціальність 21.06.01 - Екологічна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Шевчук Наталія Анатоліївна

Київ 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі інженерної екології Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться “17” січня 2005 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 в Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. 21, ауд. 209.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано 13 грудня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 к.т.н., професор Круглицька В.Я.

Анотація

Шевчук Н.А. Комплексна оцінка і прогнозування еколого - гідрогеологічного стану Червоноградського вугільного регіону в умовах експлуатації та закриття шахт. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - Екологічна безпека. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2004.

Досліджено техногенні процеси формування гідрогеологічних змін в Червоноградському регіоні в результаті дії вуглевидобутку. Встановлені фактори та причини техногенного навантаження на еколого-гідрогеологічний стан регіону, враховуючи комплексну дію як діючих, так і закритих шахт. Доведено, що головним фактором техногенного впливу на еколого-гідрогеологічний стан регіону є відвальні масиви гірських порід та існуюча система вуглевидобутку. Визначено термін та масштаби можливої дії забруднюючих речовин, встановлені фактичні рівні забруднення довкілля регіону. Обґрунтована фізика явища техногенних процесів у відвальному масиві гірських порід та розроблена еколого-гідромеханічна модель динаміки цих процесів з врахуванням формування техногенного горизонту інфільтраційних потоків, що надає можливість прогнозу циклічних надходжень концентрованих забруднюючих речовин в поверхневі та підземні води, а також дозволяє спрогнозувати безпечний термін часу до початку рекультивації відвалів та впровадження інших запобіжних заходів по стабілізації екологічної ситуації довкілля. На основі експериментальних польових досліджень фактичного рівня забруднення підземних вод і їх зміни з глибиною встановлені граничні глибини розповсюдження якісних підземних вод для централізованого господарсько - питного забезпечення населених пунктів Червоноградського регіону.

Ключові слова: охорона навколишнього середовища, система вуглевидобутку, відвальний гірський масив, техногенні процеси, інфільтраційні потоки.

Аннотация

Шевчук Н.А. Комплексная оценка и прогнозирование эколого - гидрогеологического состояния Червоноградского угольного региона в условиях эксплуатации и закрытия шахт. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01. - Экологическая безопасность. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2004.

Диссертация посвящена установлению закономерностей, факторов и причин техногенного воздействия угледобычи в Червоноградском регионе на состояние окружающей среды и на их основе осуществлению прогноза основных тенденций изменения окружающей среды и разработке рекомендаций по предотвращению техногенного влияния угледобычи на экологическое состояние региона.

Исследованы техногенные процессы формирования гидрогеологических изменений в Червоноградском регионе в результате действия угледобычи. На основе мониторинговых исследований установлены факторы, характер и фактические уровни техногенной нагрузки на эколого-гидрогеологическое состояние региона, учитывая их комплексное воздействие как на действующих, так и на закрытых шахт. Обоснована значимость источников загрязнения окружающей среды и причины их возникновения, а также количественно определен срок и масштабы возможного действия загрязняющих веществ, установлены фактические уровни загрязнения окружающей среды региона. Доказано, что главным фактором техногенного влияния на эколого-гидрогеологическое состояние региона являются отвалы шахтных пород и существующая система угледобычи.

Выполнены аналитические исследования воздействия фильтрационно-деформационных процессов при угледобыче на загрязнение окружающей среды с целью расчетной оценки территории возможного техногенного влияния и необходимого времени для этого негативного влияния. Установлено, что к активным физико-химическим явлениям в отвальных массивах относиться процесс выщелачивания из отвальных пород водно - растворимой части инфильтрационных потоков концентрировано загрязненной воды.

Обоснован и практически подтвержден специфический характер формирования техногенного водоносного горизонта в породных отвалах и пульсирующий механизм загрязнения поверхностных и подземных вод концентрированными инфильтрационными потоками, которые базируются на концепции существенного изменения (в десятки и тысячи раз) коэффициента фильтрации сегрегированой части отвала в зависимости от степени ее водонасыщения.

Разработана эколого-гидрогеомеханическая модель техногенных процессов в массиве отвальных пород с учетом формирования техногенного горизонта инфильтрационных потоков, который предоставляет возможность прогнозирования циклических выбросов концентрированных загрязняющих веществ в поверхностные и подземные воды, а также разрешает спрогнозировать безопасное время до начала рекультивации отвалов и внедрение других предупредительных мер по стабилизации экологической ситуации. Доказано, что при выборе стратегии стабилизации и улучшении эколого-гидрогеологического состояния необходимо учитывать тип породного отвала (горелый или не горелый), время его формирования и особенности режима техногенного горизонта. Количественная оценка процесса формирования техногенного горизонта инфильтрационных потоков в массиве отвала выполнена с помощью разработанной модели и свидетельствует о том, что начало его формирования в отвалах высотой 30 и 40 м составляет 3,6 и 4,8 лет после прекращения работы шахты. Следовательно, если провести рекультивацию отвала на протяжении 3,5-4,5 лет после закрытия шахт, то это значительно уменьшит техногенное воздействие на поверхностные и подземные воды. Для горящих отвалов рекомендуется проводить рекультивационные работы через 25 - 30 лет после начала формирования отвала.

Выполнены прогнозные оценки изменения во времени уровня загрязнения грунтов, состояния и тенденции изменения загрязнения подземных вод, уровневого режима поверхности земли в границах мульд просадки поверхности шахт. Данные наблюдений и расчеты констатируют, что в будущем изменение среднего уровня просадки не превысит 1,8-1,9 м. Эти прогнозные значения результирующей просадки поверхности земли предлагается принимать при проведении работ по реабилитации подработанных территорий и при выполнении мероприятий по улучшению экологического состояния в угледобывающих регионах. На основе экспериментальных полевых исследований фактического уровня загрязнения подземных вод и их изменения с глубиной установлены предельные глубины распространения качественных подземных вод для централизованного хозяйственно-питьевого обеспечения населенных пунктов Червоноградского региона. Результаты исследований использованы “УкрНИИпроект” в проектных работах по рекультивации отвалов, реконструкции и ликвидации шахт и лежат в основе разработанного комплексного метода оценки эколого-гидрогеологического состояния подработанных территорий, а также внедрены в практику деятельности ГП “Львовуголь”.

Ключевые слова: охрана окружающей среды, система угледобычи, отвальный горный массив, техногенные процессы, инфильтрационные потоки.

екологічний довкілля вуглевидобуток

The summary

Shevchuk N.A. Complex estimation and forecast of hydro-geological state in the Chervonograd mining region during service conditions and mines' shutdowns. - Manuscript.

The dissertation for taking Candidate Degree of Technical Sciences, specialty 21.06.01 - Ecological Safety - National Technical University of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2004.

The following items had been analyzed in this dissertation: there were investigated the man-caused processes of creation of hydro-geological changes in the Chervonograd region as result of coal mining activity. There were determined factors and reasons of the man-caused loads to ecological and hydro-geological state of the region, taking into consideration complex effect either active or inactive coal mines. It is proved that the spoils' mining areas and existing coal mining system are the main factors of the man-caused effect to hydro-geological state of the region.

There were determined period and scale of possible effect of contaminants, and determined actual contamination level of the region environment. It is substantiated a physical phenomenon of the man-caused processes in the spoils' mining areas, and developed a hydro-geological model of the dynamics of these processes, taking into consideration creation of the man-caused infiltration water planes.

These enable us to make forecast of cyclic concentric pollutant emissions into surface and subsurface waters and at the same time allow us to make forecast of safe period of time for beginning of mine reclamation of spoils and providing other protective measures for environment stabilization of the ecological situation.

On the basis of experimental field research of actual contamination level of subsurface waters and their concentration rated to depth, there were determined boundary depths of pure subsurface water circulation for central water supply of public and residential settlements in the Chervonograd region.

Keywords: environment ecology, coal mining system, spoils' mining area, man-caused processes, infiltration water flows.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Видобуток вугілля підземним способом в Червоноградському регіоні Львівсько-Волинського басейну є одним із важливих чинників в загальному техногенному навантаженні на довкілля. Так, до основних екологічних проблем цього регіону слід віднести: просадки територій, зміни гідрохімічних полів та забруднення грунтів, утворення техногенних ландшафтів, забруднення повітря, поверхневих і підземних вод. На особливу важливість реабілітації гірничовидобувних регіонів, у тому числі і вугільних басейнів, звертається увага в Постановах Кабінету Міністрів України від 12 січня 1999 року за №31 “Про заходи щодо розв'язання еколого-гідрогеологічних проблем, які виникають внаслідок закриття гірничовидобувних підприємств, шахт і розрізів” та від 31 серпня 1999 року за №1606 “Про концепцію поліпшення екологічного становища гірничовидобувних регіонів України”. Комплексний характер проблеми вимагає постановки і координації зусиль наукових закладів різних напрямів діяльності і в першу чергу актуальним є створення системи моніторингу геологічного середовища та стану забруднення навколишнього середовища.

Найбільшу тривогу викликає Червоноградський гірничо-промисловий регіон басейну, геоморфологічні умови якого більш вразливі, ніж на півночі басейну, і де ще довгий час буде діяти багато шахт з поетапним їх закриттям. Вже у даний час в зв'язку з значним забрудненням підземних вод і грунтів існує проблема безпечного питного водопостачання багатьох населених пунктів, а також проблема землекористування.

З урахуванням раніше виконаних досліджень по окремих аспектах екології навколишнього природного середовища (ДГП “Західукргеологія”, “Укрвуглегеологія”, АГН України та інститутом “УкрНДІпроект”, НТУУ “КПІ”) у даній роботі викладаються дослідження еколого-гідрогеологічного стану на підроблених шахтами площах в Червоноградському гірничо-промисловому регіоні, а також здійснено оцінку негативного впливу на довкілля окремих техногенних складових вуглевидобутку. Реалізація прогнозних розрахунків актуальна і з точки зору проектування та виконання заходів по запобіганню техногенного навантаження на території регіону, і створення системи моніторингових досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у межах державної тематики: “Розв'язання еколого-гідрогеологічних проблем, що виникають внаслідок закриття гірничодобувних підприємств, шахт і розрізів” (Виконати науково-технічне обґрунтування та розробити комплекс заходів, спрямованих на покращення еколого-гідрогеологічного стану у районах спільного впливу діючих шахт і тих, що закриваються у Львівсько-Волинському кам'яновугільному басейні) № державної реєстрації 0101U003810. Замовник - Кабінет Міністрів України (Постанова Кабінету Міністрів України №31 від 12.01.1999), Мінпаливенерго України.

Мета і задачі досліджень.

Мета дисертаційної роботи полягає у встановленні закономірностей, факторів і причин техногенного впливу вуглевидобутку у регіоні на стан навколишнього середовища та здійснення на їх основі розробки рекомендацій щодо запобігання техногенної дії вуглевидобутку на еколого - гідрогеологічну ситуацію Червоноградського регіону.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі задачі:

дослідити фактичний еколого-гідрогеологічний стан в регіоні на основі натурних обстежень, лабораторних експериментів і аналітичних розрахунків; з'ясувати основні джерела забруднення довкілля регіону, причини їх виникнення, термін та масштаби дії;

з'ясувати особливості техногенного впливу на довкілля: окремих технологічних процесів вуглевидобутку, включаючи відвали шахтних порід і вуглезбагачення, ставки-освітлювачі шахтного водовідливу; зміни фільтраційно-деформаційних властивостей масивів підроблених територій;

встановити регіональні закономірності динаміки техногенних процесів у відвальних масивах порід та механізм їх впливу на забруднення поверхневих і підземних вод;

розробити еколого - гідрогеомеханічну модель розвитку техногенних процесів у масиві відвальних порід і рекомендації щодо запобігання техногенної дії вуглевидобутку на еколого - гідрогеологічну ситуацію довкілля;

встановити основні тенденції зміни гідрохімічних показників підземних і поверхневих вод та здійснити прогноз геоморфологічних трансформацій підроблених шахтами породних масивів.

Об'єкт дослідження: явища техногенного впливу вуглевидобутку на еколого - гідрогеологічну ситуацію територій.

Предмет дослідження: техногенні процеси формування еколого - гідрогеологічних змін Червоноградського гірничо - промислового регіону в результаті дії вуглевидобутку.

Методи дослідження. Методична основа дисертаційної роботи полягає в аналізах та узагальненнях моніторингових досліджень техногенного впливу вуглевидобутку в Червоноградському регіоні на екологічний стан навколишнього середовища. Дослідження виконувались на основі моделювання техногенних процесів у відвальному масиві, моніторингу гідрогеологічних ситуацій на підроблених шахтами площ регіону, методології експертної оцінки заходів по запобіганню техногенного впливу вуглевидобутку на довкілля.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше на основі моніторингових досліджень встановлені фактори, характер та фактичні рівні техногенного навантаження на еколого-гідрогеологічний стан регіону, враховуючи комплексний вплив як діючих, так і закритих шахт;

вперше обґрунтована значущість джерел забруднення довкілля регіону та причин їх виникнення, а також кількісно визначено термін та масштаби можливої дії забруднюючих речовин;

теоретично обґрунтовано і практично підтверджено специфічний характер формування техногенного водоносного горизонту у породних відвалах та пульсуючий механізм забруднення поверхневих та підземних вод концентровано забрудненими інфільтраційними потоками, що ґрунтуються на концепції суттєвої зміни у десятки і тисячі разів коефіцієнту фільтрації сегрегованої частини відвалу в залежності від ступеня її водонасичення;

вперше розроблено еколого - гідрогеомеханічну розрахункову модель техногенних процесів у масиві відвальних порід з врахуванням формування техногенного горизонту інфільтраційних потоків і прогнозом циклічних викидів забруднюючих речовин в поверхневі і підземні води.

Практичне значення одержаних результатів.

Встановлені закономірності, фактори та причини техногенного впливу вуглевидобутку у регіоні на екологічний стан довкілля дозволяють кількісно визначити термін та масштаби можливої дії забруднюючих речовин, здійснити прогноз основних тенденцій змін екологічного стану навколишнього середовища та розробити рекомендації по запобіганню техногенної дії вуглевидобутку на екологічну ситуацію регіону.

Розроблена еколого - гідрогеомеханічна модель техногенних процесів у масиві відвальних порід обґрунтовує формування техногенних горизонтів інфільтраційних потоків та дозволяє спрогнозувати безпечний термін часу до початку рекультивації відвалів.

На основі проведених досліджень розроблені рекомендації по запобіганню негативного впливу вуглевидобутку на екологічну ситуацію регіону, які впроваджені в практичну діяльність ДП “Львіввугілля” та в науково-технічне обґрунтування “УкрНДІпроект” по розробці заходів екологічної реабілітації підроблених територій.

Особистий внесок здобувача.

Основні наукові положення і результати теоретичних і експериментальних досліджень розроблені і сформульовані автором особисто. Запропонована концепція дослідження комплексного впливу діючих і закритих шахт Червоноградського регіону на еколого-гідрогеологічний стан підроблених територій. На основі моніторингового аналізу еколого-гідрогеологічного стану регіону встановлені джерела техногенного впливу на довкілля, причини їх виникнення, термін та масштаби дії. Розроблена еколого - гідрогеомеханічна модель техногенних процесів у масиві відвальних порід, обґрунтовано механізм формування техногенних горизонтів інфільтраційних потоків та прогнозовано безпечний термін часу до початку рекультивації відвалів.

Апробація результатів дисертації.

Основні наукові і практичні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: міжнародних науково-практичних конференціях студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство” (НТУУ “КПІ” м.Київ 1998, 2001рр.); 7 загальноукраїнській студентській науковій конференції “Розбудова держави: духовність, екологія, економіка” (м.Київ 2001р.); студентській науково-технічній конференції “Крок у ХХІ століття” (м. Дніпропетровськ 2002 р.); ІІ науково - практичній конференції студентів та молодих вчених вищих навчальних закладів України “Економічні науки як фактор трансформаційних процесів в економіці України” (м. Київ 2004 р.); третій і четвертій міжнародних промислових конференціях “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах” с. Славське, (Карпати, 2003, 2004рр.); засіданні науково-технічної ради ДП “Львіввугілля” (м.Сокаль, 2003р); розширених засіданнях кафедри Інженерної екології Інституту енергозбереження та енергоменеджменту Національного технічного університету України “КПІ” (2003, 2004 рр); на звітній науково-практичній конференції професорсько-викладацького складу Інституту енергозбереження та енергоменеджменту Національного технічного університету України “КПІ” (2004р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 6 друкованих статтях у фахових наукових виданнях, затверджених ВАК України, 5 - у матеріалах конференцій.

Структура дисертації: Дисертація складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, переліку посилань і додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 191 сторінку, у тому числі: 158 сторінок основного тексту, 24 рисунка, 35 таблиць, список використаних літературних джерел із 116 найменувань, а також 3 додатки.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну, практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналіз еколого-гідрогеологічного стану Червоноградського регіону. Історія розвитку гідрогеологічних досліджень в регіоні розпочата у 1948 р. його першовідкривачем і дослідником М.І. Струєвим. З широким проведенням пошукових робіт на кам'яне вугілля гідрогеологічні дослідження проводились у 1948-1953 рр. Повстяним Н.М., Голодом Н.А., Шпаковим В.Б., Усиковим І.Д., Шестопавловим В.М. та ін.

На першому етапі інтенсивного розвитку Львівсько - Волинського басейну питанням техногенного впливу вуглевидобутку на стан довкілля практично не приділялось уваги. Перший відчутний вплив на екологію регіону відбувся на стадії геологорозвідувальних робіт у 50 - 60 роках.

У зоні впливу вугільних підприємств Чевоноградського регіону виділяють четвертинний, сенонський, юрський та карбоновий водоносні горизонти. Існуючі технології видобутку вугілля призводять до порушень земної поверхні і, як наслідок, виникає прямий гідравлічний вплив на забруднення всіх чотирьох ізольованих водоносних горизонтів та просідання і заболочення денної поверхні землі. Іншим суттєвим фактором техногенного впливу на гідрогеологію регіону є утворення породних відвалів - великого об'єму пустих порід на поверхні шахт, що сформований у період з 1960 р. по 2003 р. і досягає для різних шахт від 1 до 4 млн.м3. За 14-35 років в результаті складування гірських порід, їх взаємодії між собою та атмосферними опадами і киснем відбулися значні зміни хімічного складу відвальних порід з утворенням шкідливих хімічних сполук і їх техногенним впливом на ґрунти і підземні води.

З закриттям двох шахт екологічна ситуація регіону ще більше ускладнюється в зв'язку з підйомом ґрунтових вод та підтопленням і заболоченістю просівшої денної поверхні (мульди зрушення), а також з відсутністю “свіжої” підсипки териконів, їх значного зволоження атмосферними опадами і утворення техногенних водоносних горизонтів за рахунок інфільтраційних потоків концентровано забруднених вод. У зв'язку з цим виникла необхідність дослідження закономірностей розвитку процесу техногенного впливу на довкілля та розробки рекомендацій по запобіганню негативної дії вуглевидобутку на екологічний стан регіону.

У другому розділі експериментально досліджуються фактичні рівні забруднення поверхневих і підземних вод та міграція забруднюючих речовин в масивах порід. Встановлено, що одним із основних забруднювачів регіону є вугільна промисловість. З'ясовано, що при існуючих технологіях вуглевидобутку і одночасного існування як діючих, так і закритих шахт, факторами техногенного впливу на навколишнє середовище є просідання земної поверхні в зонах підробки (мульди осідання), формування відвалів шахтних порід, скиди шахтних вод в поверхневі водні системи (після освітлення в ставках-накопичувачах), захоронення відходів збагачення вугілля в шламосховищах, створення відвалів золи при спалюванні вугілля на шахтних котельнях.

Дослідження процесу формування відвалів, як суб'єкта техногенного впливу на довкілля регіону, свідчать, що в результаті міграції забруднюючих складових у масивах породних відвалів, їх взаємодії з атмосферними опадами та киснем в поверхневій зоні цих масивів пірит окислюється до лимоніту з утворенням значної кількості сірчано - кислих розчинів, які потрапляють у поверхневі та грунтові води. При цьому водневий показник грунтової води зміщується в кислотний бік.

Аналіз експериментальних даних по ряду опірних геолого - розвідувальних свердловин (рис.1) свідчить, що в природних умовах води четвертинного горизонту, які використовуються для питних цілей, мають відносно більшу мінералізацію (М) порівняно з сенонськими водами. На глибині 30-60 м мінералізація води і вміст хлор-іону (Cl-) збільшується до зони продуктивних карбонових відкладень. Вміст сульфат - іону (SO42-) досягає найбільших значень на глибині 40-100 м, а глибше спостерігається зменшення його концентрації, практично до нульових значень. Такий характер розподілу гідрохімічних параметрів підземних вод з глибиною свідчить, що зона відновлювальних умов розташована на глибині 150-200 м.

Рис. 1 Зміна основних гідрохімічних параметрів підземних вод з глибиною

Цій же меті слугує велика експериментально - лабораторна робота по створенню для регіону карт ізоліній мінералізації і вмісту сульфатів в ґрунтових водах та сенонському горизонті, які свідчать про підвищену в даний час концентрацію мінеральних речовин і сульфатів в підземних водах у порівнянні з періодом геолого - розвідувальних робіт 1950-1960 років. Результати дослідження динаміки стану забруднюючих речовин свідчать, що основними складовими відвальних порід Червоноградського регіону, які впливають на екологію навколишнього середовища, є: свинець (Pb), молібден (Mo), цинк (Zn). При цьому зона максимального вмісту свинцю перевищує межі санітарно захисних зон (СЗЗ) і розташована на захід від лінії шахт 10 “ВМ” (Степова) - 6 “ВМ” (Лісова).

Дослідження хімічного складу води р.Західний Буг на виході з Червоноградського регіону порівняно зі станом на вході свідчить не на користь висновків деяких авторів про сприятливе становище довкілля. Навпаки, це свідчить про можливі акумулюючі властивості накопичення шкідливих речовин в руслах річок. Аналізом хімічного складу води, геометричних розмірів русел річок та заболоченості регіону встановлено, що дійсний техногенний вплив на довкілля здійснюється через мульди деформацій та підтоплюючу дію закритих шахт. Цим пояснюється збільшення заболочення територій, зміна балансу поверхневого і підземного стоків атмосферних опадів. В результаті середні ухили течії річок регіону в межах підроблених територій зменшились. Це призвело до зниження швидкості їх течії і створення сприятливих умов для депонування забруднюючих речовин і особливо важких металів донними відкладами річок. При цьому регіон не тільки втратив природну очисну дію річок на довкілля, а ще й накопичує, як власне забруднення, так і забруднення з річок інших регіонів. Таким чином створюється загрозливий техногенний вплив на екологічне становище Червоноградського регіону.

У третьому розділі виконані аналітичні дослідження впливу фільтраційно-деформаційних процесів при вуглевидобутку на забруднення довкілля з метою розрахункової оцінки можливої території техногенного впливу і терміну часу дії цього негативного впливу.

Процес формування шахтних відвалів з постійним збільшенням висоти супроводжується сегрегацією, в результаті чого фракції великого діаметра скочуються вниз, до підошви. Середня і верхня частина відвалу за рахунок цього більш-менш однорідна з точки зору наявності в масиві фракцій мінімального та максимального діаметрів. Тому в структурній моделі породного відвалу чітко виділяється три зони за розмірами фракцій (сегреговані фракції порід великих розмірів; сегреговані (частково) фракції середніх розмірів; дрібнозернистий матеріал), межі зон мають перехідні ділянки, де може бути змішаний склад грунтів, в залежності від висоти відвалу і інженерно-геологічних властивостей грунтів, на який відсипаються породи. В межах всієї площі, що зайнята спорудою, фіксується просідання поверхні землі.

Встановлено, що до активних фізико - хімічних явищ в відвальних масивах відноситься процес вилуговування із відвальних порід водно - розчинної частини інфільтраційними потоками. Швидкість вилуговування визначається складним характером дифузійно - осмотичних процесів на межі - тверда складова (порода) і рідка водна складова. Інтенсивність вилуговування залежить від ступеню вивітреності породи (горілі, негорілі), від розміру фракцій породи і їх стисненості (верхня, нижня частина відвалу), а також від достатньої кількості атмосферних опадів (пори року) і водонасиченості порід відвалу (закрита або діюча шахта). З врахуванням сумарного ефекту швидкість фільтрації:

,м/добу, (2)

де k - коефіцієнт фільтрації, м/добу; I - градієнт фільтрації.

Час проникнення техногенних вод вниз відвалу до ґрунтових вод:

, діб, (3)

де n - пористість порід; h - потужність шару грунтів, що розділяють водоносні горизонти, м; H0 - висота (потужність) техногенного водоносного горизонту у відвал, м.

При відсутності у нижній частині відвалу техногенного горизонту:

, діб. (4)

Враховуючи, що грунти нижче підошви відвалу мають різні коефіцієнти фільтрації, а висота техногенного горизонту невідома, були проведені розрахунки часу фільтрації води в залежності від потужності техногенного горизонту і коефіцієнту фільтрації грунтів, що розділяють горизонти.

Розрахунки свідчать, що час початку забруднення ґрунтових вод визначається фільтраційними параметрами порід відвалу, особливо його основи, але цей термін часу переважно менший від періоду формування відвалу, тобто забруднення ґрунтових вод у тій чи іншій мірі завжди має місце. Після досягнення горизонту грунтових вод інфільтраційними потоками забруднення в подальшому буде розповсюджуватися в основному вниз по течії четвертинного горизонту. В залежності від швидкості потоку ґрунтових вод за рахунок дифузії може створюватися той чи інший ореол забруднення при збереженні основного напрямку. Дальність розповсюдження забруднення L по горизонту ґрунтових вод визначається:

, м, (5)

де Q - сумарні витрати води, що інфільтрується з площі відвалу, м3/добу;

t - час, рік; R - умовний радіус відвала, м.

Згідно з (5) для декількох комбінацій потужності водоносного горизонту і коефіцієнтів фільтрації для різних проміжків часу з початку забруднення виконані розрахунки, які показали, що забруднення ґрунтових вод з часом може охоплювати значні території, про що вже свідчить наявність забруднених зон на півночі с.Селець (шахта “Заріччя”), с.Межиріччя (шахта “Межирічанська”) та сіл Вільшани і Селець (шахта “Візейська” та відвал ЦЗФ).

Висновки проведених досліджень забруднення ґрунтових вод від шламосховищ та ставків-освітлювачів, свідчить про їх незначний негативний вплив на довкілля. Це пов'язано з активними процесами кольматації та зниженням дренуючого ефекту. Із даних, наведених в роботі видно, що загальна мінералізація грунтових вод у 2002 р. (колодязь на відстані перших сотень метрів від шламосховища) порівняно з 1996 р. зменшилась утричі, а вміст сульфатів - удвічі. Це також однозначно свідчить, що в нижній зоні шламосховища вже сформувався відносно слабопроникний шар шламів, який не дозволяє високо мінералізованим водам у великих обсягах інфільтруватися в грунтові води. Звичайно, певна їх кількість буде забруднювати горизонт грунтових вод, але основний напрямок на “самоізоляцію” всього комплексу токсичних елементів у межах хвостосховища спостерігається вже зараз.

Із результатів проведених досліджень можна зробити висновок, що основним забруднювачем довкілля у Червоноградському регіоні слід вважати шахті відвали. Термін дії забруднюючих факторів відвалів складає 8-15 років і діятиме на відстань 100-1000 м, тому запобігти подальшому забрудненню довкілля можливо тільки активними заходами безпосередньо в зоні відвалів.

У четвертому розділі розроблена еколого - гідрогеомеханічна модель розвитку техногенних фільтраційно - деформаційних процесів у відвальному масиві, яка дозволяє розкрити фізику процесу формування інфільтраційних техногенних водоносних горизонтів в нижній частині відвалу з періодичним розвантаженням в ґрунтові води концентровано забруднених інфільтраційних потоків. Головний результат, що надає модель - це розрахункове визначення терміну часу упередження першого розвантаження найбільш концентрованого потоку з моменту закриття шахти і відсутності факту нарощування терикону, коли можливий найбільший техногенний вплив на довкілля.

Загальна концепція розвитку техногенних процесів у відвальному масиві передбачає, що при щорічному нарощуванні териконів природній стан верхньої частини масиву (вологість, пористість) такий, що під дією атмосферних опадів не виникає суттєвого зволоження масиву. При горінні териконів можуть виникати зворотні процеси зниження його водонасичення. І тільки при закритті шахт, коли відсутня підсипка “свіжої” породи, під дією атмосферних опадів, консолідації та ущільнення масиву виникає техногенний водоносний горизонт інфільтраційних потоків. Це призводить до 100% водонасичення консолідованих слабопроникнених порід під водоносним горизонтом, в результаті чого коефіцієнт фільтрації порід у декілька разів збільшується, і відбувається розвантаження концентровано забруднених вод в грунти і підземні води.

Винесені на денну поверхню вуглевміщуючі карбонові відклади з самого початку знаходяться в різко неврівноваженому стані з навколишніми умовами. Для відвальних складових перш за все характерним є практично повне зняття природних гравітаційних напружень. До того ж розмір фракцій порід, з яких формується відвал, за рахунок подрібнення структурних блоків у процесі видобутку та транспортування з шахти в десятки та сотні разів менше ніж на глибині.

Експериментальні дослідження щільності відвального масиву у Червоноградському регіоні показали, що в приповерхневій зоні вона близька до 1,17 т/м3, а на глибині 5,0 м збільшується до 1,30 - 1,32 т/м3. Для відвалів висотою 30 - 35 м в їх нижній частині щільність масиву досягає 1,50 - 1,55т/м3. Для відвалу з висотою 50 м прогнозована щільність в нижній зоні може досягати 1,70 т/м3.

Виходячи з того, що відвальні породні фракції мають свою невелику пористість, а відвальні масиви, крім того, характеризуються міжфракційною пористістю, то їх можна віднести до масивів з подвійною пористістю. При цьому пористість безпосередньо фракцій, як високолітифікованих порід, має постійну схильність до збільшення за рахунок розущільнення. Стосовно масиву відвалу, то у процесі формування його початкова пористість постійно зменшується за рахунок ущільнення.

З урахуванням того, що фракційний склад відвальних порід у процесі вивітрювання і збільшення нових гравітаційних навантажень при формуванні постійно змінюється, коректним буде враховувати лише можливу зміну гранулометрії. В якості розрахункового діаметру пропонується діючий діаметр d17, що дорівнює 17% складу по сумації з мінімального розміру.

В табл. 1 наведені результати розрахунку залежності коефіцієнта фільтрації від фракційного складу масиву (зміни його гранулометрії по діючому діаметру d17).

Таблиця 1 Залежність коефіцієнта фільтрації від d17

Діючий діаметр d17 , мм	Коефіцієнт фільтрації, м/добу
0,006	0,0086
0,02	0,086
0,06	0,86
0,2	8,64
0,6	86,4
2,0	864,0

Розрахунки показали, що при зміні фракційної пористості у процесі формування відвалу коефіцієнт фільтрації масиву може змінюватись у сотні тисяч раз (від 0,0086 м/добу до 864 м/добу).

Крім того, коефіцієнт фільтрації породного відвалу залежить від ступеня його водонасичення:

, (6)

де k і k0 - відповідно коефіцієнт фільтрації при неповній і повній водонасиченості, м/доб; q - ступінь водонасиченості, долі одиниці; е - емпіричний показник, що дорівнює 3,0 - 3,5.

Польові визначення гранулометричного складу невивітрилих порід показали, що для більшості породних відвалів шахт Львівсько-Волинського басейну типовою є кумулятивна крива з d17=3,47 мм. В процесі вивітрювання спочатку знижується вміст фракцій великих розмірів, а пізніше - і менших. Поступово в відвалі d17 стає все меншим. Відповідно з цим коефіцієнт фільтрації відвального масиву знижується. Проведені розрахунки показали, що досягнувши невеликих значеннях d17 та забезпечивши у масиві не повну водонасиченість можна значно знизити інтенсивність забруднення підземних вод.

Встановлені закономірності впливу на коефіцієнт фільтрації напруженості і деформованості гірських порід відвалу та їх водонасиченості науково обґрунтовують достовірність концепції формування техногенного горизонту інфільтраційних атмосферних потоків і залпового забруднення грунтів та підземних вод довкілля.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Алгоритм розрахункової еколого - гідрогеомеханічної моделі розвитку фільтраційно-деформаційних процесів відвального масив

Розроблена еколого - гідрогеомеханічна модель розвитку вище описаних фільтраційно - деформаційних процесів у відвальному масиві гірських порід представлена у вигляді розрахункового алгоритму на рис. 2.

Модель враховує сегрегації фракційного складу порід по висоті та збільшення гравітаційних навантажень, змінність по висоті відвалу щільності, пористості та коефіцієнту фільтрації, явище формування техногенного горизонту інфільтраційних потоків та залежність коефіцієнта фільтрації порід від ступеня їх водонасичення.

Результатами розрахунків за вказаною моделлю встановлено:

незалежно від потужності слабопроникного шару при середньорічній кількості інфільтраційного потоку в 0,2м3/м2 площі у відвалі формується техногенний горизонт;

збільшення коефіцієнта фільтрації з 0,0365 м/рік до 0,365 м/рік зменшує потужність техногенному горизонту у 2,5-8,0 разів в залежності від пористості розташованих вище шарів порід;

в умовах невисоких коефіцієнтів фільтрації техногенний водоносний горизонт може існувати (відповідно, формуватись) 1,34-5,1 року, що підтверджується результатами спостережень;

при більш високих коефіцієнтах фільтрації, - незалежно від потужності слабопроникного шару, - техногенний горизонт розвантажується у четвертинний водоносний горизонт за час, що не перевищує одного року.

Що стосується відвалів, які горіли, то вологість у них не тільки не збільшується, але й навіть випаровується природно. Після закінчення формування відвалу на його зволоження атмосферними опадами потрібен значний час. Якщо прийняти вологість порід за 13%, а капілярну за 5%, то 1м3 буде зволожений лише через 1,85 року. Розрахунковий час зволоження горілих відвалів висотою 30 і 40м складе 25,5 і 34 роки після зупинки робіт.

Польові спостереження на відвалах показали, що у горілих відвалах техногенний водоносний горизонт дійсно формується через 25-30 років.

Таким чином, при виборі стратегії стабілізації та поліпшення еколого-гідрогеологічного стану у регіоні необхідно враховувати тип породного відвалу (горілий чи не горілий), час його формування та особливості режиму техногенного водоносного горизонту. Для таких оцінок у всіх випадках необхідні моніторингові спостереження. З урахуванням реальних технічних можливостей основним варіантом впливу відвалів на еколого-гідрогеологічний стан залишається їх рекультивація. Кількісна оцінка процесу формування техногенного горизонту інфільтраційних потоків в масиві відвалу, виконана з допомогою розробленої моделі, свідчить, що початок його створення у відвалах висотою 30 і 40 м відповідно становить 3,6 та 4,8 років після зупинки робіт при попередньому щорічному нарощуванні відвалу на 1 м висоти. Тобто, якщо протягом 3,5-4,5 років після закриття шахти здійснити рекультивацію породного відвалу, то техногенний вплив на поверхневі і підземні води буде мінімізовано.

У п'ятому розділі виконані прогнозні оцінки тенденцій зміни в часі рівня забруднення грунтів, сучасного стану і забруднення підземних вод, рівневого режиму поверхні землі в межах мульд осідання поверхні шахт.

На основі аналізу раніше виконаних робіт (1996 р.) і додаткових досліджень у 1999 - 2002 рр. автором встановлено, що в плані забруднення грунтів токсичними елементами (важкими металами) існує чітка тенденція зниження рівня забруднення до значень, які не перевищують ГДК. Виключення складають лише фосфор Р та молібден Мо. Таким чином можна прогнозувати, що через 5-6 років території мульд зрушення будуть незабрудненими.

За рахунок міграційних процесів важких металів в грунтові води рівень їх забруднення поступово збільшується. У багатьох випадках горизонт ґрунтових вод не можна використовувати в якості джерела місцевого водопостачання у зв'язку з перевищенням ГДК як по макро -, так і по мікрокомпонентам. Крім суто міграційного інфільтраційного забруднення горизонта ґрунтових вод атмосферними опадами значну негативну роль відіграють техногенні води породних відвалів як діючих, так і закритих шахт. Відсутність активних робіт по рекультивації відвалів в умовах стійкої тенденції подальшого забруднення ґрунтових вод вимагає невідкладного вирішення питань екологічно безпечного водопостачання багатьох населених пунктів.

Згідно з запропонованим у роботі варіантом трансформації хімічного складу карбонового горизонту підземних вод в умовах наявності великої депресійної лійки на території Червоноградського гірничо - промислового регіону ще довгий час немає підстав чекати його негативного впливу на сенонський водоносний горизонт. Тому сенонський водоносний горизонт необхідно віднести до основного джерела питного водопостачання в регіоні.

Відносно трансформації рівневого режиму земної поверхні у межах мульд зрушення встановлено:

осідання поверхні землі в середньому дорівнює 0,45 - 0,50 від потужності відробленого вугільного шару і складає в абсолютних величинах 2,4 - 2,8 м, що нижче від пропонованих нормативними документами;

зони максимальних осідань розташовуються у районах найбільших концентрацій тектонічних порушень;

в процесі осідання підроблених територій виділяють варіанти сповільнених темпів та прискорених темпів в зонах тектонічних порушень (рис.3);

за межами тектонічних порушень інколи спостерігається зміна осідання поверхні землі на локальне підняття.



Рис. 3 Зміна в часі осідання поверхні землі на підроблених шахтами територіях

На рис. 3 наведені дані динаміки осідання поверхні землі на підроблених шахтами територіях в часі, що дозволяє класифікувати характер осідань на три групи, як сповільнені темпи просідання (1), прискорені темпи просідання за межами тектонічних порушень (2), прискорені темпи просідання в зонах впливу тектонічних порушень (3).

Дані спостережень і розрахунків дозволяють зробити висновки, що у найближчі роки значення середнього рівня осідання не перевищить 1,8 - 1,9 м. Ці прогнозні значення результуючого осідання поверхні землі пропонується приймати при проведенні робіт по реабілітації підроблених територій і виконанні заходів по покращенню екологічного стану у техногенно навантажених районах в межах мульд зрушення.

Розроблені рекомендації по запобіганню негативного впливу вуглевидобутку на екологічну ситуацію регіону закладені в основу науково-технічних розробок “УкрНДІпроект” по рекультивації відвалів, реконструкції та ліквідації шахт та впроваджені в практику діяльності ДП “Львіввугілля”.

Висновки

Уперше для Червоноградського вугільного регіону Львівсько-Волинського басейну розв'язана актуальна науково-практична задача встановлення закономірностей та причин техногенного впливу на екологічний стан довкілля і здійснення на цій основі прогнозу змін стану навколишнього середовища. Розроблені рекомендації по запобіганню негативної дії вуглевидобутку на екологічний стан регіону, що має суттєве значення для гірничовидобувної галузі в регіоні і надає практичну можливість покращенню екологічної безпеки вуглевидобувного регіону в цілому.

Встановлено, що у результаті складування порід та завдячуючи внутрішнім фізико-хімічним змінам в породних відвалах, взаємодії їх з атмосферою, утворюються шкідливі хімічні сполуки, що негативно вплинуло на стан ґрунтів, режим та якість підземних та поверхневих вод. Результати дослідження процесу утворення відвалів свідчать, що в результаті міграції забруднюючих речовин у масивах породних відвалів, взаємодії з атмосферними опадами та киснем в поверхневій зоні відвалів пірит окислюється до лимоніту з утворенням значної кількості сірчано - кислих розчинів, які потрапляють в поверхневі та ґрунтові води.

Уперше еколого - геохімічним моніторингом встановлено парадоксальне явище наявності більш очищених вод р. Західний Буг на виході з Червоноградського регіону порівняно з хімічним складом вод на вході в регіон. Встановлене явище свідчить, що в межах регіону мають місце акумулюючі властивості накопичення шкідливих речовин в руслах річок. Таким чином, регіон не тільки втратив природну очисну дію річок, а накопичує регіональне забруднення, що привноситься річками прилеглих територій. В результаті створюється і посилюється загрозливий техногенний вплив на довкілля.

Уперше розроблена еколого - гідрогеомеханічна розрахункова модель техногенних процесів у масиві відвалу. Модель враховує сегрегації фракційного складу порід по висоті та збільшення гравітаційних навантажень, змінність по висоті відвалу щільності, пористості та коефіцієнта фільтрації, явище формування техногенного горизонта інфільтраційних потоків та залежність коефіцієнта фільтрації порід від ступеня їх водонасичення.

Доведено, що при виборі стратегії стабілізації та поліпшення еколого-гідрогеологічного стану в регіоні необхідно враховувати тип породного відвалу (горілий чи не горілий), час його формування та особливості режиму техногенного водоносного горизонту. Для таких оцінок у всіх випадках необхідні моніторингові спостереження. З урахуванням реальних технічних можливостей основним варіантом впливу на еколого-гідрогеологічний стан в зонах відвалів залишається їх рекультивація. Кількісна оцінка процесу формування техногенного горизонту інфільтраційних потоків в масиві відвалу виконана з допомогою розробленої моделі. Результати розрахунків свідчать, що початок його створення у відвалах висотою 30 і 40 м відповідно становить 3,6 та 4,8 років після зупинки робіт при попередньому щорічному нарощуванні відвалу на 1 м висоти. Тобто, рекультивація породного відвалу, протягом 3,5-4,5 років після закриття шахти дозволяє значно зменшити техногенний вплив на поверхневі і підземні води.

Встановлено, що у найближчі роки значення середнього рівня осідання не перевищить 1,8 - 1,9 м. Ці прогнозні значення результуючого осідання поверхні землі пропонується приймати при проведенні робіт по реабілітації підроблених територій і виконанні заходів по покращенню екологічного стану у техногенно навантажених районах в межах мульд зрушення.

На основі встановлених закономірностей, чинників техногенного впливу вуглевидобутку на екологічний стан довкілля регіону визначені тенденції, періоди та масштаби розвитку змін екологічного стану. Розроблені рекомендації по запобіганню негативного впливу вуглевидобутку на екологічну ситуацію регіону, які впроваджені в практику діяльності ДП “Львіввугілля”, в проектні розробки “УкрНДІпроект” по рекультивації відвалів, реконструкції та ліквідації шахт, та закладені в основу розробленого комплексного методу оцінки еколого-гідрогеологічного стану підроблених територій.

Основний зміст дисертаційної роботи відображено у публікаціях

1. Сидоренко Н.А. (Шевчук Н.А.) Прогноз стану поверхневих вод в зоні дії гірничого підприємства // Вісник ЖІТІ. - 2001. - №18 / Технічні науки. - с. 181-182.

2. Рижов Г.М., Сидоренко Н.А. (Шевчук Н.А.) Прогноз міграції забруднюючих речовин у підземні води з хвосто- та шламосховищ гірничих підприємств // Вісник Національного технічного університету України (КПІ). Серія: Гірництво.-К.: НТУУ "КПІ" - Випуск 6.- 2002. - с.- 111-114.

3. Здобувачем визначена концепція максимального використання даних натурних спостережень для прогнозу міграції забруднюючих речовин, запропонована модель прогнозу розповсюдження забруднюючих речовин в зоні впливу хвосто- та шламосховищ.

4. Демут М.І., Могилко А.М., Пирський О.А., Сидоренко Н.А. (Шевчук Н.А.) Особливості міграції забруднюючих речовин в Червоноградському гірничо - промисловому районі // Вісник Житомирського інженерно-технічного інституту. - 2002. - №3(22) / Технічні науки. - с. 150-151.

5. Здобувачем визначені особливості міграції забруднюючих речовин, запропонована методика оцінки впливу забруднюючих речовин на грунти, поверхневі та підземні води.

6. Пирський О.А., Сидоренко Н.А. (Шевчук Н.А.), Могилко А.Н., Вовк В.Т. Изменение гидрогеологических условий при подработке породных массивов шахтами // Вісник Національного технічного університету України (КПІ). Серія: Гірництво.-К.:НТУУ "КПІ".-Випуск 7.- 2002.- с. 55-60.

7. Здобувачем проведено аналіз еколого-гідрогеологічних наслідків підроблених шахтами територій та аналіз процесу прискореної геомеханічної деградації підробленої товщі порід.

8. Пирський О.А., Сидоренко Н.А. (Шевчук Н.А.), Вовк О.О. Розробка пластових родовищ корисних копалин під водоймищами // Вісник Національного технічного університету України (КПІ). Серія: Гірництво.-К.: НТУУ "КПІ" - Випуск 4.- 2000.- с. 65-71.

9. Автором досліджено механізм зсуву гірничих порід над виробленим простором та тріщинноутворення вище лежачих пластів в залежності від їх фізико - механічних властивостей, дані рекомендації по послідовності ведення очисних робіт, які сприяють зменшенню негативного впливу на довкілля.

10. Пирский А.А., Вовк О.А., Сидоренко Н.А. (Шевчук Н.А.) Некоторые вопросы улучшения горноэкологической ситуации в Украине // Енергетика: економіка, технології, екологія. - 2001. - №2. - с.17-21.

11. Здобувачеві належать рекомендації по зниженню шкідливого впливу на навколишнє середовище.

12. Сидоренко Н.А. (Шевчук Н.А.), Пирський О.А. Оцінка впливу процесу закриття шахт на еколого-гідрогеологічну ситуацію. Матеріали студентський науково-технічних конференцій 2001-2002 рр. Частина 1. Гірництво. Екологія. Геологія. Електротехніка. Електромеханіка. Комп'ютерні технології. Дніпропетровськ 2002. с. 60-61.

13. Здобувачеві належить дослідження процесу осідання поверхні землі в межах підроблених територій.

14. Куліш В.А., Вовк В.Т., Могилко А.М., Сидоренко Н.А. (Шевчук Н.А.). Нові підходи до оцінки процесу деформування земної поверхні в районі дії вугільних шахт у Львівсько-Волинському басейні. Матеріали третьої Промислової конференції з міжнародною участю і бліц-виставкою “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах” с. Славське, Карпати, 2003р. с. 168-171.

15. Здобувачеві належить визначення основних джерел забруднення ґрунтів та водного басейну, запропоновано заходи для зменшення подальшого погіршення створеної техногенної ситуації.

16. Сидоренко Н.А. (Шевчук Н.А.) Прогнозна оцінка тенденції трансформації мікрокомпонентного складу грунтів Червоноградського гірничо-промислового району. Матеріали третьої Промислової конференції з міжнародною участю і бліц-виставкою “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах” с. Славське, Карпати, 2003р. с. 185-186.

17. Шевчук Н.А., Могилко А.Н., Вовк В.Т. Заходи по покращенню та стабілізації еколого-гідрогеологічного стану Львівсько-Волинського басейну. Матеріали четвертої Промислової конференції з міжнародною участю і виставкою “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах” с. Славське, Карпати, 2004р. с. 331-333.