Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологические последствия добычи угля открытым способом в Подмосковном угольном бассейне

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологические последствия добычи угля открытым способом в Подмосковном угольном бассейне"

На правах рукописи ¡^ас^иль^^

ВЕДНИКОВА Светлана Анатольевна

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ДОБЫЧИ УГЛЯ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ В ПОДМОСКОВНОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2013

5 \.:.к 2013

005542542

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре Аэрологии, охраны труда и окружающей среды.

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

СОКОЛОВ Эдуард Михайлович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Геотехнологий и строительства подземных сооружений» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» САФРОНОВ Виктор Петрович

Кандидат технический наук, главный инженер ООО «Прокопгипроуголь» КОРЧАГИНА Татьяна Викторовна

Ведущая организация:

ОАО Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие (ТулНИГП).

Защита диссертации состоится «30» декабря 2013 г. в 14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.271.09 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, б-й уч. Корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «28» ноября 2013г.

Ученый секретарь / \ А V Л

диссертационного совета V/ чЛ^-л^у ^Шеонид Элярдович Шейнкман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Промышленная добыча угля на территории Тульской области началась в 1843 году. За весь период освоения месторождения было добыто около 1,8 млрд. тонн угля, при этом работали более 300 шахт и десятки разрезов.

Работа угледобывающих предприятий всегда связана с негативным

воздействием на природную среду.

При открытой разработке месторождений на поверхности земельного отвода располагаются карьеры, которые являются рассредоточенными источниками аэрозольных и газовых выбросов. В результате чего происходит окисление и возгорание горючих компонентов карьера.

Результатом постгехногенной трансформации карьерных разработок является образование значительного числа химически активных растворимых соединений. В результате окисления минералов, содержащих серу, под воздействием атмосферных осадков образуются растворы серной кислоты.

На поверхности карьера постоянно идет процесс образования пыли, которая сдувается ветром и уносится на значительные расстояния, загрязняя атмосферу и поверхностный почвенный слой. Пыль увеличивает вероятность осадков, туманов и облаков, снижает поток солнечной радиации, влияет на плодородие почвы.

В результате выполненных на кафедре исследований динамики изменения рН на рекультивированных территориях в период с 2004 по 2013 годы отмечено, что на многих участках наблюдается перераспределение уровня кислотности во времени. При этом изменение кислотности на различных участках имеет различную направленность. Это свидетельствует о продолжающейся до сих пор трансформации нарушенных территорий, что вызывает необходимость продолжения исследований данных процессов.

Целью работы является разработка мероприятий по снижению негативных последствий добычи угля открытым способом в Подмосковном угольном бассейне в пострекультивациоиный период для увеличения производства сельскохозяйственной продукции.

Идея работы заключается в учёте зависимости динамики рН нарушенных почв при проведении рекультивационных и пострекультивационных работ.

Основные научные положения работы сводятся к следующему:

1. при открытой разработке месторождений на поверхности земельного отвода располагаются карьеры, которые являются рассредоточенными источниками аэрозольных и газовых выбросов. В результате чего происходит окисление карьера;

2. результатом посттехногенной трансформации карьерных разработок является образование значительного числа химически активных растворимых соединений. В результате окисления минералов, содержащих серу, под воздействием атмосферных осадков образуются растворы серной кислоты;

3. на поверхности карьера постоянно идет процесс образования пыли, которая сдувается ветром и уносится на значительные расстояния, загрязняя атмосферу и поверхностный почвенный слой. Пыль увеличивает вероятность осадков, туманов и облаков, снижает поток солнечной радиации, влияет на плодородие почвы;

4. выявлено, что за десятилетия прошедшие со времени рекультивации не произошло стабилизации агрохимических характеристик почв, о чем свидетельствует наличие на рекультивированых территориях сильнокислых, кислых, и щелочных почв, рН которых разнонаправленно изменяется стечением времени, а также значительный разброс содержания в почвах подвижных форм фосфора, калия и железа;

5. результаты натурных наблюдений и экспериментальных исследований позволили разработать программу экологического мониторинга на рекультивированных территориях и математическую модель миграции в почве ионов водорода;

6. на основе результатов выполненных исследований разработана методика контроля и управления экологической ситуацией на рекультивированных территориях, суть которой в рекомендациях по раскислению почв и мероприятиях направленных на улучшение сельского хозяйства.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

1.Установлены и уточнены закономерности проявления окислительных процессов в породах отвалов угленосных отложений Подмосковного угольного бассейна, содержащих пирит, железо, марганец и другие элементы, в результате которых активизируется высокая окисленность почвы и воды, как до рекультивации, так и после нее, что вызывает необходимость раскисления почвы для использования ее в качестве сельхозугодий и имеет важное значение для развития сельхозпроизводсгва;

2.Установлено, что в результате окислительных процессов после окончания выемочных работ на разрезах Подмосковного бассейна образуется кислая среда в почвах и водах как до рекультивации, так и в пострекультивационный период. При этом в пострекультивационный период процессы окисления' в ряде случаев

возрастают в связи с большей доступностью кислорода воздуха к раздробленным горным породам;

3.Установлено, что процесс окисления не затухает в течении более 10 лет;

4.Уточнено, что для использования поверхности после рекультивации для сельскохозяйственных работ необходимо проводить активное известкование пород отвалов;

5.Уточнена математическая модель для расчета подкисления почвы карьеров с учетом дополнительной рекультивации;

6.Разработана программа экологического мониторинга, обеспечивающая получение более объективной информации об экологической ситуации в

промышленном регионе.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается:

- достаточным объемом натурных исследований, лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей, обоснованности выводов и рекомендаций;

- сопоставимостью экспериментальных измерений с теоретическими результатами, полученными с использованием математического моделирования.

Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют разработать программу экологического мониторинга и эффективные мероприятия по повышению плодородия почв.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы обсуждены в процессе докладов и дискуссий на региональных, международных и всероссийских конференциях: на IV Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (Тула, 2008), на IV Международной студенческой научно-технической интернет-конференции «Экология и безопасность» (Тула, 2008), на XI Докучаевские молодежные чтения (Санкт-Петербург, 2008), на VI Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (Тула, 2010), на VI Международной студенческой научно-технической интернет-конференции «Экология и безопасность» (Тула, 2010), на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2010), на IV Всероссийсой научно-практической конференции для студентов, аспирантов и молодых учёных на тему «Инновационные наукоёмкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты» (Тула, 2010), на V Магистерской научно-технической конференции (Тула, 2010). на XXXVII Международной молодежной

научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2011) , на научных семинарах кафедры «Аэрологии, охраны труда и окружающей среды» ТулГУ (Тула, 2009-2013гт.).

Публикации. По результатам выполненных исследований имеется 10 публикаций, 3 из которых в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ, разработано 2 патента.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Работа изложена на 133 страницах и включает в себя 17 таблиц, 19 рисунков. Список литературы содержит 153 работы.

Работа выполнена в соответствии с выполнением п.3.1, 3.3, 3.7 Паспорта специальности 25.00.36 «Геоэкология».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблема деградации почв Подмосковного угольного бассейна и способах рекультивации грунтов исследована в ряде работ, в частности, в работах B.C. Яблокова, В.А. Потапенко, Д.Г. Оника, В.В. Данилевского, A.A. Зворыкина, Оливьери, Гельмерсена, И.В. Батюшковой., JI.JI Остромецкого, С.В, Шухардина, М.М. Пригоровского, M.JI. Ганкар, А.И. Ставровского, И.В. Аксенова, И.М. Кратенко, Я.Я. Пермякова, Я.В. Мельникова, JI.B. Докукина, В.В. Батурина, А.И. Афанасьевой, Н.Е. Бекаревичева, A.A. Колбасина, Г.В. Коротаева, З.Н. Михайлова, Г.С. Скороходова, М.А. Baye, X.B. Луйк, Н.Д. Левкина и других ученых.

Однако в исследованиях перечисленных авторов не рассматриваются вопросы по разработке системы мониторинга почвенного покрова Подмосковного угольного бассейна. Поэтому целесообразно исследовать особенности деградации почв в пострекультивационный период.

Цель и идея работы, а также современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач:

1. Провести экспериментальные исследования трансформации почв и выявить состояние ее окисленности

2. Выполнить вычислительный эксперимент

3. Разработать математическую модель динамики pH нарушенных почв

4. Разработать мероприятия по снижению негативных последствий добычи угля открытым способом

Центром добычи угля в Подмосковном угольном бассейне, запасы которого оцениваются в 17,5 млрд. тонн, являлась Тульская область и примыкающие к ней районы Рязанской и Калужской областей. При этом Тульская область является одним из наиболее индустриально насыщенных субъектов в Центральном

федеральном округе России, кроме того, она имеет развитый аграрный сектор. В силу указанных обстоятельств область характеризуется сложным комплексом экологических проблем.

В области разведано более 160 месторождений различного сырья для производства строительных материалов, из которых в промышленное освоение вовлечено 60. Область занимает первое место в Центральном федеральном округе России по ресурсам строительного камня, гипса.

Результатом постгехногенной трансформации породных отвалов является образование значительного числа химически активных водорастворимых соединений. В результате окисления минералов, содержащих серу, под воздействием атмосферных осадков образуются растворы серной кислоты. Атмосферные осадки, взаимодействуя с породными отвалами, обогащаются растворимыми соединениями, поэтому стоки с отвалов характеризуются сильнокислотной реакцией среды (рН 1-3) высокой концентрацией сульфат иона (до 30 г/л) и минерализацией (до 50 г/л).

Образующаяся серная кислота, вступая в химические реакции с породной массой, приводит к образованию значительного числа химически активных водорастворимых соединений. А атмосферные осадки, проникая в породный отвал, обогащаются этими соединениями, поэтому стоки с отвалов оказывают интенсивное воздействие на состояние окружающей среды. Кроме того, вследствие низкого уровня рН породной массы возможно вымывание из неё кислоторастворимых соединений тяжелых металлов.

Полуторовековая разработка месторождений бурых углей в Тульской области привела к резкому нарушению природных ландшафтов и формированию новых - антропогенных, в пределах которых на площади 2,6 тыс. кв. км активизировались экзогенные геологические процессы: эрозия, плоскостной смыв поверхностных почв, оползни и провалы, заболачивание.

В зависимости от условий залегания месторождений и мощности залежей их разработку осуществляют открытым, подземным и комбинированным способами.

При открытом способе разработки полезное ископаемое добывают из недр при использовании открытых горных выработок, которые примыкают непосредственно к земной поверхности и имеют незамкнутый контур поперечного сечения (в отличие от подземных горных выработок).

Фактической датой начала открытой угледобычи в Подмосковном бассейне следует считать 1957 г., когда по проекту института «Ленгипрошахт» на участках Восточно-Люторического и Кропотовского месторождений был построен и сдан в эксплуатацию Кимовский разрез проектной мощностью 2 млн. т угля в год. Промышленные запасы, подлежащие отработке, составляли 55 млн. т.

В 1961 г. на участках Ушаковского и Бегичевского месторождений был введен в эксплуатацию Ушаковский разрез проектной мощностью 1,5 млн. т угля в год с промышленными запасами 29 млн. т.

Затем были сданы в эксплуатацию еще два разреза: Богородицкий (1969 г.) на участках Западно-Богородицкого месторождения проектной мощностью 1 млн. т угля в год с запасами 15 млн.т и Грызловский (1971 г.) на Восточно-Грызловском месторождении проектной мощностью 1,2 млн. т угля в год с запасами 18 млн. т.

В геологическом строении месторождений Кимовского (рис. 1.1), Ушаковского, Богородицкого и Грызловского разрезов участвуют породы упинского, бобриковского и тульского горизонтов нижнего карбона, мезозойские и четвертичные отложения.

Рисунок 1.1- Геологический разрез. Участок № 7 Кропотовский Кимовского разреза: 1 - известняк; 2 - песок; 3 - уголь; 4 - глина.

Угольный пласт залегает в виде отдельных линз сложной конфигурации с весьма разными размерами площади. Запасы линз составляют от 0,5 до 5 млн. т. Нарушенная поверхность представлена системой рядов и конусов с разницей отметок гребней и впадин 10-20 ми выработкой последних заходок глубиной до 40м.

Кроме угля, песка и глин в породе встречаются суглинки, гравий, фосфориты, карбонатные породы, которые при взаимодействии с подземными водами вступают в реакции и подкисляют, либо выщелачивают грунты. Фосфориты являются источником подкисления почв на данных территориях.

Современная практика рекультивации нарушенных земель на разрезах базируется в основном на детальном изучении пригодности вскрышных пород конкретных месторождений для биологического освоения, а также на анализе технологических схем ведения горных работ и отвапообразования с учетом возможности создания благоприятных условий для произрастания ценных сельскохозяйственных культур и древесно-кустарниковых пород, применяемых для этих целей.

Технический этап рекультивации на разрезах является первоначальным; он выполняется непосредственно промышленным предприятием или управлением

(участком) по рекультивации в процессе производственной деятельности и включает в себя планировку поверхности, формирование рекультивационного горизонта, выполаживание откосов, строительство подъездных дорог, гидротехнических и других сооружений и прочих земляных работ. Для выполнения этого этапа рекультивации применяются технологические процессы и оборудование, свойственные угледобывающим предприятиям. По признаку связи их с системой разработки месторождения они могут быть совмещены, частично совмещены или обособлены от технологии горного производства.

Завершающим этапом рекультивации земель на разрезах является биологический, который осуществляется землепользователями за счет средств предприятий, нарушающих земельные угодья. В комплекс мероприятий по биологической рекультивации входят раскисление почв, посев трав и посадка первичных культур, для чего используются различные сеялки, навесные ямокопатели и лесопосадочные машины. Уход за посевами и посадками, в том числе орошение и полив, выполняются при помощи дождевальных и поливочных машин, сбор урожая - косилками и комбайнами, которые используются в сельскохозяйственной практике.

В Подмосковном угольном бассейне до 1964 г. рекультивация нарушенных при открытых горных работах площадей не производилась. Работы по вскрытию велись без учета последующей планировки и восстановления земель, растительный слой (чернозем) не сохранялся. Укладка пород в отвал была валовая, в результате чего значительные площади оказались перекрытыми сульфосодержащими грунтами, малопригодными для произрастания растений.

Основными объектами рекультивации земель на разрезах ПО "Тулауголь" являлись внутренние отвалы, отсыпаемые в выработанном пространстве по усложненной бестранспортной системе с использованием драглайнов ЭШ-10/60 и ЭШ-15/90. До ¡970 г. технология горных работ на разрезах не предусматривала снятие почвенно-растительного слоя, селективной выемки вскрышных пород и отсыпки их в отвал с учетом агрохимических свойств, в результате чего на значительной площади поверхности отвалов (около 2 тыс. га) оказались грунтосмеси, мало пригодные для дальнейшего использования в сельском и лесном хозяйствах. Эти породы содержат пирит и маркозит, которые окисляются при вынесении на дневную поверхность и образуют большое количество свободной серной кислоты. Особенно много таких участков наблюдается на разрезе "Ушаковский", где доля токсичных пород во вскрышной толще составляет 40-60 %.

Приведённые выше факты указывают на неблагоприятную ситуацию, сложившуюся в горнодобывающей отрасли промышленности.

Выбросы с карьерных отвалов имеющие низкий уровень рН, попадая на прилегающие территории, разрушают плодородие почв, вследствие чего вокруг

разработки формируется техногенная пустыня. Происходит нарушение равновесия окружающей среды.

В качестве интегрального показателя изменения свойств почв под влиянием карьерных разработок можно принять их основные агрохимические показатели: содержание гумуса, подвижных форм фосфора и калия, кислотность почвы.

На разрезе Кимовский с 1958 по 1970 годы применялись схемы экскавации без селективной укладки пород вскрыши в отвал, в результате поверхность отработанных и спланированных участков относится к IV группе токсичных грунтов (участки № 11 Львовский, а также № 7, 8, Кропотовские).

С 1970 года формирование отвалов отрабатываемых участков № 7, 8 Кропотовских, а также частично № 11 Львовского отрабатывались селективно, в результате чего лишь 10 — 15% сульфид со держащих пород попало в верхние ярусы отвалов, которые после неоднократной переэкскавации стали иметь смешанную структуру грунтосмесей, относящихся к категории индифферентных с низким запасом питательных веществ. Часть таких участков была рекультивирована на площади 1935,7 га, а остальные 876,9 га рассматривались в проекте (ТЭО) ликвидации р/у «Ушаковское» под реабилитацию.

Основные нормативные показатели химических свойств отвальных пород по данным водной вытяжки по шурфам № 1-8 приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1- Основные агрохимические показатели отвальных пород

№ п/п Показатели Значения от-до Среднее значение

7 участок Кропотовский 8 участок Кропотовский 7 участок Кропотовский 8 участок Кропотовский

1 Водородный показатель, РН 2,57-7,0 4,1-6,74 4,52 5,18

2 Бикарбонаты, НСОЗ 1,6-6,2 0,6-3,4 3,55 1,4

3 Содержание сульфатов в пересчете на ионы 50 42- 80,57-656,67 2,27-18,52 40,37-411,29 1.14-11,6 246,48 6,95 293,80 8,28

4 Содержание хлоридов в пересчете на С1- 7,1-1593,95 0,2-44,90 10,65-1100,5 0,3-31,0 221,87 6,25 204,3 5,75

5 Содержание фосфора Р2О5 0,8-2,2 0,7-2,2 1,5 1,55

6 Содержание калия К2О 1,0-1,8 1,0-1,8 1.4 1,4

7 Содержание алюминия А1 0,13-1,17 3,36-85,5 0,65 44,42

8 Содержание железа Ре - 0,38-10,6 - 5,49

9 Обменная кислотность 0,22 9,6-13,8 0,22 11,7

По данным таблицы виден большой разброс химических свойств отвальных пород. Таким образом по сей день в породах происходят различные химические процессы, которые негативно влияют на окружающую среду.

Для определения тенденций изменения плодородия рекультивированных почв в 2004 - 2013 г.г. был проведен анализ основных агрохимических показателей проб рекультивированных почв отобранных на всех основных участках открытой разработки угля в Подмосковном бассейне.

На рисунках 1.2-1.3 приведена динамика изменения рН на рекультивированных территориях 7,8 Кропотовского месторождения в период с 2004 по 2013 годы._______

7-ой участок

годы

I ИрН>7,0 ■ рН»6.5-7.0 □ рН<6,51

Рисунок 1.2 -седьмой Кропотовский участок 8-ой участок

100

36 80

у£

о а 30

с

о 40

ф с

о X 20

2004 2005 2006 2007 2008 200Э ИЛУ ши годы

Рисунок 1.3 -восьмой Кропотовский участок Приведенные данные свидетельствуют о наличии на обследуемых территориях сильнокислых, кислых, слабокислых, нейтральных, слабощелочных и щелочных почв.

Такой разброс кислотности обусловлен различной концентрацией залегающего в породе пирита, который при взаимодействии кислорода и воды окисляется до серной кислоты, которая является причиной низкого уровня рН почвы.

4Ре82 + 1502 + 14Н20 = 4Ре(ОН)3 + 8Н2804

Таким образом, за два десятилетия прошедшие со времени рекультивации не произошло стабилизации агрохимических характеристик почв и, следовательно, в настоящее время необходимо разрабатывать новые методы улучшения состояния нарушенных земель.

Решая задачу установления стабилизирующегося на поверхности показателя рН воды, мы можем рекомендовать начало проведения ре культивационных работ на поверхности отвала.

При формировании отвалов происходит полное перемешивание горных пород, поэтому считаем почвенную среду изотропной (и=сопз1 и В=сопбО. Получаем дифференциальное уравнение конвективно-диффузионного переноса ЗВ в почве:

= У/, (1)

а ах аг ^' к'

где х — расстояние, отсчитываемое по нормам к границе водоема.

В рамках поставленной задачи исследуется миграция ионов водорода (серной кислоты) и пирита (реакция разложения которого является серная кислота в почве).

Миграция ионов водорода происходит вследствие движения почвенного раствора. При этом для территорий непосредственного прилегания к водоему диффузионный перенос много меньше конвективного (]0«]к).

Получим решение смежных уравнений математической модели:

1) при^-,я->0

а'

«Мл О = «а;«-®^ —

с (рс, £} = Сов-4»®

2) при £ 2 —А" > О р *

сфггО = - й^-Ь^е113-^ + З)-сей{Г¥)

С &■,£}= С0е"5г{' )

где

«1-7^ «» - «1 + «* - ^Т" +

3) при х=0 се(04£> = аа >

с (&£> =

Подставляя значения водородного показателя, концентраций пирита и серы, получим следующие концентрации

1

Таблица 1.2- Концентрация РеБг Кимовского разреза 7 Кропотовский

участок (мг/кг)

2004 2005 2007 2008 2009

1,11367-10"' 3,07320-10"8 2,34024-10"' 6,45797-10"'" 1,78210-10'1и

Таблица 1.3 - Концентрация Ре32 Кимовского разреза 8 Кропотовский участок (мг/кг)

2004

1,51621-10"*

2005

7,00573-Ю"5

2006

3,23702-10"

5

2007

1,49568 10"

5

2008

6,91085 10"'

2009

3,19319-10" 6

2010

1,47542 10" б

Для оценки ситуации на первом этапе выполняется комплексное

обследование территории.

С этой целью проводится ознакомление с общей физико-географической характеристикой района, основными источниками загрязнения, состоянием загрязнения ОС в агропромышленном регионе и составление программы обследования, которая должна предусматривать:

1) уточнение характеристик выбросов промышленных предприятий и

автотранспорта;

2) изучение мезометеорологического режима;

3) определение программы наблюдений;

4) сбор медико-биологических сведений.

Обследование должно проводиться по расширенной программе, включающей измерение не только на исследуемой территории, но и за её пределами.

Программа комплексного обследования рассчитывается на срок от одного до трех лет.

На основе результатов, полученных при обследовании территорий, посредством математического моделирования оценивается текущая экологическая обстановка и составляется прогноз развития ситуации для участков 7,8

Кропотовского месторождения.

На территориях с неблагоприятным прогнозом разрабатываются программы многолетних наблюдений и мероприятия по дополнительной рекультивации почв. ^ Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований вошли в учебные дисциплины, читаемые для студентов и магистрантов специальностей «Промышленная экология и рациональное использование природных ресурсов», «Охрана окружающей природной среды».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе экспериментальных и теоретических исследований установлены и уточнены зависимости влияния добычи угля открытым способом в Подмосковном угольном бассейне на кислотность почвы и вод в пострекультивационный период, позволившие разработать методику контроля и управления экологической ситуацией на рекультивированных территориях, что позволяет прогнозировать управление использования почв для сельскохозяйственного производства и способствует сохранению продуктивной природной среды.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1.Установлены и уточнены закономерности проявления окислительных процессов в породах отвалов угленосных отложений Подмосковного угольного бассейна, содержащих пирит, железо, марганец и другие элементы, в результате которых активизируется высокая окисленность почвы и воды, как до рекультивации, так и после нее, что вызывает необходимость раскисления почвы для использования ее в качестве сельхозугодий и имеет важное значение для развития сельхозпроизводства;

2.Установлено, что в результате окислительных процессов после окончания выемочных работ на разрезах Подмосковного бассейна образуется кислая среда в почвах и водах как до рекультивации, так и в пострекультивационный период. При этом в пострекультивационный период процессы окисления в ряде случаев возрастают в связи с большей доступностью кислорода воздуха к раздробленным горным породам;

3.Установлено, что процесс окисления не затухает в течении более 10 лет;

4.Уточнено, что для использования поверхности после рекультивации для сельскохозяйственных работ необходимо проводить активное известкование пород отвалов;

5. Уточнено , что при открытой разработке месторождений на поверхности земельного отвода располагаются карьеры, которые являются рассредоточенными источниками аэрозольных и газовых выбросов. В результате чего происходит окисление карьера;

6. Доказано, что результатом посттехногенной трансформации карьерных разработок является образование значительного числа химически активных растворимых соединений. В результате окисления минералов, содержащих серу, под воздействием атмосферных осадков образуются растворы серной кислоты;

7. Обосновано, что на поверхности карьера постоянно идет процесс образования пыли, которая сдувается ветром и уносится на значительные расстояния, загрязняя атмосферу и поверхностный почвенный слой. Пыль

увеличивает вероятность осадков, туманов и облаков, снижает поток солнечной радиации, влияет на плодородие почвы;

8. Доказано, что за десятилетия прошедшие со времени рекультивации не произошло стабилизации агрохимических характеристик почв, о чем свидетельствует наличие на рекультивированых территориях сильнокислых, кислых, и щелочных почв, рН которых разнонаправленно изменяется стечением времени, а также значительный разброс содержания в почвах подвижных форм фосфора, калия и железа;

9. Разработана математическую модель миграции в почве ионов водорода и программа экологического мониторинга на рекультивированных территориях;

10. Разработана методика контроля и управления экологической ситуацией на рекультивированных территориях Кимовского разреза.

Основные научные и практические результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Камахина С. А. Исследование рекультивированных почв Подмосковного угольного бассейна / Э.М. Соколов, В.М. Панарин // Приоритетные направления развития науки и технологий: доклады VIII Всероссийской научн.-техн. конф.; под общ.ред Э.М. Соколова.- Тула: Изд-во «Инновационных технологии», 2010.

2. Камахина С.А. Анализ основных агрохимических показателей почв Подмосковного угольного бассейна / Э.М. Соколов // Приоритетные направления развития науки и технологий: доклады УШ Всероссийской научн.-техн. конф.; под общ.ред Э.М. Соколова.- Тула: Изд-во «Инновационных технологии», 2010.

3. Камахина С.А. Геоэкологические последствия добычи угля открытым способом в подмосковном угольном бассейне / Н.Д. Левкин И V магистерская научно-техническая конференция. - Тула, 2010

4. Камахина С.А. Решение геоэкологических проблем открытой разработки угля в подмосковном бассейне / Э.М. Соколов // Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция для студентов, аспирантов и молодых учёных на тему «Инновационные наукоёмкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты», Тула, ТулГУ, 2010

5. Камахина С.А. Снижение негативного воздействия угольных разрезов Подмосковного бассейна на компоненты природной среды в пострекультивационный период / Э.М. Соколов, Н.Д. Левкин // Сборник научных трудов Межвузовской интернет-конференции «Экологические проблемы минерально-сырьевого комплекса», Санкт-Петербург.: СПГГУ, 2011

6. Камахина С.А. Влияние почвенного покрова Подмосковного угольного бассейна на развитие растительных культур/ Э.М. Соколов // Известия ТулГУ. Технические наукн. Вып.б: в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011, 4.2

7. Камахина С.А. Разработка программы экологического мониторинга территорий открытой добычи угля/ Э.М. Соколов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.б: в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011, 4.2

8. Камахина С.А. Математическая модель миграции ионов водорода в нарушенных почвах Подмосковного угольного бассейна/ Э.М. Соколов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.б: в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011, 4.2

9. Камахина С.А. Устройство для отбора мерных проб с заданных глубин № 101831 / Э.М. Соколов В.М. Панарии Н.Д. Лёвкин С.А.Камахина Т.Н. Кобякова //ФГУ Федеральный институт промышленной собственности России.

10. Камахина С.А. Устройство для отбора проб почвы с заданных глубин № 100620 / Э.М. Соколов В.М. Панарин Н.Д. Лёвкин, А. И. Жучкова, Т.Н. Кобякова // ФГУ Федеральный институт промышленной собственности России.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 26.11.2013 Формат бумаги 60x84 'Дб. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 094 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ведникова, Светлана Анатольевна, Тула

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Тульский государственный университет

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ДОБЫЧИ УГЛЯ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ В ПОДМОСКОВНОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ

Специальность 25.00.36 «Геоэкология»

(в горно-перерабатывающей промышленности)

Диссертация на соискание квалификационной ученой степени кандидата технических наук

04201451890

На правах рукописи

ВЕДНИКОВА Светлана Анатольевна

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Э.М. Соколов

Тула 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................................................................9

1.1 Подмосковный угольный бассейн...................................................................9

1.2 Природно-географическая характеристика Тульской области..................18

1.3 Санитарно-эпидемиологическая обстановка в Тульской области........23

1.4 Способы добычи угля....................................................................................28

1.5. Добыча угля открытым способом в Подмосковном угольном бассейне .30

1.6. Горногеологические условия разработки угля открытым способом в Подмосковном угольном бассейне......................................................................33

1.7. Рекультивация земель при открытых горных разработках........................41

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1...........................................................................................49

ГЛАВА 2. НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОТРАБОТАННЫХ

ТЕРРИТОРИЙ........................................................................................................50

2.1 Характеристика почвенного покрова Тульской области.............................50

2.2. Характеристика Кимовского разреза...........................................................52

2.3. Состояние рекультивированных площадей.................................................54

2.4. Экспериментальные исследования пород вскрышной толщи

Подмосковного угольного бассейна....................................................................62

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2..........................................................................................63

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МИГРАЦИИ ИОНОВ ВОДОРОДА (РН) В ПОЧВЕ.................................................................................64

3.1. Обоснование выбора модели.........................................................................64

3.2. Объект, методы и результаты исследования...............................................69

3.3. Определение значений параметров математической модели....................79

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3...........................................................................................82

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИЕЙ НА РЕКУЛЬТИВИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ.....................................................................................................83

4.1 Разработка программы экологического мониторинга территорий открытой добычи угля........................................... .................................................................86

4.2 Рекультивация с применением микробиологических технологий.............89

4.3 Разработка технического этапа рекультивации............................................97

4.4 Разработка биологического этапа рекультивации........................................99

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.........................................................................................102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................103

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ А...............................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................................:...........123

ПРИЛОЖЕНИЕ В................................................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ Г................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ Д................................................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Промышленная добыча угля на территории Тульской области началась в 1843 году. За весь период освоения месторождения было добыто около 1,8 млрд. тонн угля, при этом работали более 300 шахт и десятки разрезов.

Работа угледобывающих предприятий всегда связана с негативным воздействием на природную среду.

При открытой разработке месторождений на поверхности земельного отвода располагаются карьеры, которые являются рассредоточенными источниками аэрозольных и газовых выбросов. В результате чего происходит окисление и возгорание горючих компонентов карьера.

Результатом посттехногенной трансформации карьерных разработок является образование значительного числа химически активных растворимых соединений. В результате окисления минералов, содержащих серу, под воздействием атмосферных осадков образуются растворы серной кислоты.

На поверхности карьера постоянно идет процесс образования пыли, которая сдувается ветром и уносится на значительные расстояния, загрязняя атмосферу и поверхностный почвенный слой. Пыль увеличивает вероятность осадков, туманов и облаков, снижает поток солнечной радиации, влияет на плодородие почвы.

В результате выполненных на кафедре исследований динамики изменения рН на рекультивированных территориях в период с 2004 по 2013 годы отмечено, что на многих участках наблюдается перераспределение уровня кислотности во времени. При этом изменение кислотности на различных участках имеет различную направленность. Это свидетельствует о продолжающейся до сих пор трансформации нарушенных территорий, что вызывает необходимость продолжения исследований данных процессов.

Целью работы является разработка мероприятий по снижению негативных последствий добычи угля открытым способом в Подмосковном

угольном бассейне в пострекультивационный период для увеличения производства сельскохозяйственной продукции.

Идея работы заключается в учёте зависимости динамики рН нарушенных почв при проведении рекультивационных и пострекультивационных работ.

Основные научные положения работы сводятся к следующему:

1. при открытой разработке месторождений на поверхности земельного отвода располагаются карьеры, которые являются рассредоточенными источниками аэрозольных и газовых выбросов. В результате чего происходит окисление карьера;

2. результатом посттехногенной трансформации карьерных разработок является образование значительного числа химически активных растворимых соединений. В результате окисления минералов, содержащих серу, под воздействием атмосферных осадков образуются растворы серной кислоты;

3. на поверхности карьера постоянно идет процесс образования пыли, которая сдувается ветром и уносится на значительные расстояния, загрязняя атмосферу и поверхностный почвенный слой. Пыль увеличивает вероятность осадков, туманов и облаков, снижает поток солнечной радиации, влияет на плодородие почвы;

4. выявлено, что за десятилетия прошедшие со времени рекультивации не произошло стабилизации агрохимических характеристик почв, о чем свидетельствует наличие на рекультивированых территориях сильнокислых, кислых, и щелочных почв, рН которых разнонаправленно изменяется стечением времени, а также значительный разброс содержания в почвах подвижных форм фосфора, калия и железа;

5. результаты натурных наблюдений и экспериментальных исследований позволили разработать программу экологического мониторинга на рекультивированных территориях и математическую модель миграции в почве ионов водорода;

6. на основе результатов выполненных исследований разработана методика контроля и управления экологической ситуацией на рекультивированных территориях, суть которой в рекомендациях по раскислению почв и мероприятиях направленных на улучшение сельского хозяйства.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

1 .Установлены и уточнены закономерности проявления окислительных процессов в породах отвалов угленосных отложений Подмосковного угольного бассейна, содержащих пирит, железо, марганец и другие элементы, в результате которых активизируется высокая окисленность почвы и воды, как до рекультивации, так и после нее, что вызывает необходимость раскисления почвы для использования ее в качестве сельхозугодий и имеет важное значение для развития сельхозпроизводства;

2.Установлено, что в результате окислительных процессов после окончания выемочных работ на разрезах Подмосковного бассейна образуется кислая среда в почвах и водах как до рекультивации, так и в пострекультива-ционный период. При этом в пострекультивационный период процессы окисления в ряде случаев возрастают в связи с большей доступностью кислорода воздуха к раздробленным горным породам;

3.Установлено, что процесс окисления не затухает в течении более 10

лет;

4.Уточнено, что для использования поверхности после рекультивации для сельскохозяйственных работ необходимо проводить активное известкование пород отвалов;

5.Уточнена математическая модель для расчета подкисления почвы карьеров с учетом дополнительной рекультивации;

6.Разработана программа экологического мониторинга, обеспечивающая получение более объективной информации об экологической ситуации в промышленном регионе.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается:

- достаточным объемом натурных исследований, лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей, обоснованности выводов и рекомендаций;

- сопоставимостью экспериментальных измерений с теоретическими результатами, полученными с использованием математического моделирования.

Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют разработать программу экологического мониторинга и эффективные мероприятия по повышению плодородия почв.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы обсуждены в процессе докладов и дискуссий на региональных, международных и всероссийских конференциях: на IV Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (Тула, 2008), на IV Международной студенческой научно-технической интернет-конференции «Экология и безопасность» (Тула, 2008), на XI Докучаевские молодежные чтения (Санкт-Петербург, 2008), на VI Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (Тула, 2010), на VI Международной студенческой научно-технической интернет-конференции «Экология и безопасность» (Тула, 2010), на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2010), на IV Всероссийсой научно-практической конференции для студентов, аспирантов и молодых учёных на тему «Инновационные наукоёмкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты» (Тула, 2010), на V Магистерской научно-технической конференции (Тула, 2010), на XXXVII Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2011) , на

научных семинарах кафедры «Аэрологии, охраны труда и окружающей среды» ТулГУ (Тула, 2009-201 Згг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований имеется 10 публикаций, 3 из которых в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ, разработано 2 патента.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Работа изложена на 133 страницах и включает в себя 17 таблиц, 19 рисунков. Список литературы содержит 153 работы.

Работа выполнена в соответствии с выполнением п.3.1, 3.3, 3.7 Паспорта специальности 25.00.36 «Геоэкология».

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Подмосковный угольный бассейн

Подмосковный угольный бассейн (рис. 1.1) включает в себя территории Новгородской, Тверской, Московской, Смоленской, Рязанской, Калужской и Тульской областей [12].

Рисунок 1.1- Схематическая карта Подмосковного угольного бассейна

История бассейна начинается с 1843 года, когда на территории Тульской губернии были построены первые шахты, и началась систематическая промышленная разработка угольных месторождений [107].

За весь период освоения месторождения более 300 шахт и десятки разрезов добыли около 1,8 млрд. тонн угля. При этом подавляющая часть добычи приходится на вторую половину XX века.

К началу 30-х годов прошлого века в бассейне было всего 17 шахт, общая производительность которых составляла 1775 тыс. тонн угля в год. В 1931 г. были введены в эксплуатацию 10 шахт производительностью 2 млн тонн и начато строительство 13 шахт производительностью 3,9 млн т.

Всего за период с 1932 по 1938 г. бассейн получил 43 новые шахты общей проектной мощностью 10 миллионов тонн.

Основными типами шахт, построенных в 1930-1938 гг., были предприятия производительностью 400 тыс. тонн в год (№№ 18, 19 и 20 - Болоховские, №№ 19 и 20 - Задонские, № 8 - Щекинская и др.) и 200 тысяч тонн в год (№№ 16 и 18 - Задонские, №№ 16 и 17 - Болоховские, №№ 59, 63 и 64 - Богородиц-кие и др.). Исключение составляли построенные по индивидуальным проектам шахты №№ 12 и 13 - Донские, рассчитанные на проектную производительность в 800 тысяч тонн угля в год каждая.

Особенно бурно росло шахтное строительство в 1939-1940 гг. Если в начале 1939 г. в бассейне находилось в процессе строительства 11 шахт, то в начале 1941 г. их было уже 30.

В 1939 г в бассейне начали строить шахты нового, более индустриального типа, с производительностью 1000 тонн в сутки (шахты №№ 4, 7 и 8 «Молотовугля», №№ 22 и 26 «Сталиногорскугля», №№ 23, 24 и 30 - Донские №№ 10 и 11 - Щекинские и №№ 31 и 32 - Ширино-Сокольнические и др.). За 1939-1940 гг. бассейн получил 37 новых шахт производительностью 6,3 млн тонн в год.

Перед началом Великой Отечественной войны в бассейне работало 69 шахт. В период оккупации все они были выведены из строя. Однако восстановление шахт шло быстрыми темпами и уже в сентябре 1942 г. шахты бассейна превысили довоенный уровень добычи.

В декабре 1942 г. было проведено разукрупнение комбината «Москво-уголь» и созданы два угольных комбината: «Москвоуголь» - с пребыванием в Сталиногорске и «Тулауголь» - с местонахождением в Туле. В состав «Моск-воугля» вошли пять эксплуатационных трестов, имеющих 33 шахты. В «Тулауголь» вошли пять трестов с 34 шахтами примерно той же общей мощности.

К августу 1943 г. целый ряд разрушенных шахт был превращен в предприятия более производительные по сравнению с теми, какими они были до

войны. Такие шахты, как, например, № 20-Задонская, №№ 22 и 26-Сталиногорские, №№ 2 и 4-Узловские и др., впоследствии не только освоили, но и перекрыли проектные мощности в 1,5-2 раза и более.

Для развития добычи угля в первые послевоенные годы большое значение имело строительство мелких шахт, осуществлявшееся эксплуатационными трестами. В течение 1946-1955 гг. были сооружены 72 такие шахты на общую проектную мощность в 5,5 млн тонн.

В 1956-1960 гг. были введены в эксплуатацию 90 шахт общей годовой мощностью около 27 млн тонн угля.

В послевоенные годы произошли качественные изменения в механизации горных работ. Проведена модернизация парка горных машин нескольких типов, стали применяться более мощные врубовые машины, скребковые конвейеры, тяжелые электровозы. Получили распространение новые виды крепления, буросбоечные и другие машины. Созданы углепогрузочные, породопогрузочные машины и проходческие комбайны.

В 60-е годы началось массовое внедрение более совершенных средств комплексной механизации процессов добычи угля и проходческого цикла.

Построенные в это время шахты по технической оснащенности намного превзошли предприятия предыдущего поколения. На новых шахтах при помощи очистных и проходческих комплексов практически полностью механизированы процессы навалки угля в лавах, погрузки угля и породы в подготовительных забоях.

Значительным шагом вперед в горном хозяйстве бассейна явилось применение железобетонной крепи, позволяющей резко снизить расход крепежного леса при добыче угля.

На новых шахтах предусмотрены более совершенные способы выдачи породы на-гора и удаления ее от промышленной площадки. В частности, все действующие шахты были оснащены подвесными канатными дорогами с челночным движением сосудов со значительной скоростью.

Добыча угля в Подмосковном бассейне в настоящее время сведена к минимуму. Однако и сейчас отходы угледобывающей промышленности оказывают существенное влияние на состояние окружающей среды. Вследствие того, что при подземной разработке месторождений технологические отходы, удаляемые в отвал (рис. 1.2), достигают 10-20% от массы добываемого угля. За предыдущий период в Подмосковном бассейне на дневной поверхности скопилось более 300 млн тонн горных пород с высоким содержанием ряда токсичных химических элементов.

Рисунок 1.2- Внешний вид породного отвала

Отвал вмещающих пород и некондиционных полезных ископаемых является рассредоточенным источником аэрозольных и газовых выбросов.

Наиболее интенсивное загрязнение атмосферы производят горящие породные отвалы. Горючим материалом в отвалах является уголь в виде мелочи, кусков и прослоев в углесодержащих породах.

Исс