Геохимические особенности шахтных вод угольных бассейнов Украины и России

Рассмотрен химический состав подземных водЛьвовско-Волынского, Донецкого и Кузнецкого угольных бассейнов.Проведена количественная и качественная сравнительная оценка состава шахтных водисследуемых районов.

Ключевые слова: угольные бассейны, подземные воды, шахтные воды, минерализация, макрокомпоненты.

На территории Украины залежи каменного угля сосредоточены в отложениях карбона (Львовско-Волынский и Донецкий бассейны), на территории России в пермских отложениях (Кузнецкий бассейн и др.). По мере производства работ в шахте происходит вскрытие водоносных горизонтов и соответственно подземную добычу угля сопровождает образование значительного количества шахтных вод. Шахтные воды отличаются большим разнообразием химического состава и свойств, поэтому нуждаются в детальном исследовании их состава для выбора оптимального способа очистки этих вод для обеспечения безопасности здоровья человека и окружающей среды. А сравнение геохимии шахтных вод различных угольных бассейнов позволит на основе сходства состава этих вод выбирать оптимальную технологическую схему очистки.

Материалы и методы исследований. Гидрогеохимическая характеристика подземных и шахтных вод трех угольных бассейнов установлена на основе анализа литературных источников, а также исследований автора по одному из них (Львовско-Волынскому).

Результаты и обсуждение. Шахтные воды — это подземные воды, которые проникают в горные выработки в процессе раскрытия и эксплуатации месторождений. Формирование химического состава шахтных вод происходит под действием двух групп факторов — природных и антропогенных, но, по мнению О. А. Улицкого, роль природных геологических факторов является решающим в большинстве случаев [5].

Основной источник шахтных вод — подземные воды, дренируемые горными выработками, а дополнительным источником может быть фильтрация в горные выработки атмосферных осадков и поверхностных вод из прилегающих водных объектов. Химический состав шахтных вод определяется исходным составом формирующих их подземных вод и может существенно изменятся во времени. По мере отработки угольных пластов состав шахтных вод также меняется. Шахтные воды формируются путём смешения подземных вод разных горизонтов, взаимодействия их с рудничной атмосферой и породами, вскрытыми горными выработками. Химический состав и общая минерализация их отличаются от подземных вод, окружающих горные выработки, что связано с окислением шахтных вод, активизацией выщелачивания горных пород, изменением газового и бактериального состава, а также с их загрязнением нефтепродуктами, маслами и т. п. [1,3].

В соответствии с вышесказанным сначала рассмотрим основные водоносные комплексы угольных бассейнов, поскольку эти воды являются исходными при формировании шахтных вод. Химические составы подземных вод угольных бассейнов похожие. Необходимо учесть только то, что водоносные комплексы имеют разные глубины залегания. Донбасс характеризуется большими глубинами залегания водоносных горизонтов — до 800 м, в то время как в Львовско-Волынском и Кузнецкому бассейнах до 500 м. Кайнозойские водоносные комплексы имеют одинаковый тип вод — гидрокарбонатно-кальциевый, что связано с одинаковым источником их формирования — с инфильтрационными водами. В подземных водах мезозойских отложений среди анионов преобладает — гидрокарбонат ион. Подземные воды Донецкого и Кузнецкого бассейнов характеризуются присутствием в них уже сульфат ионов. Формирование сульфатных вод происходит при окислении пирита и других сульфидных минералов. Что касается катионного состава, то в водах Львовско-Волынского и Кузнецкого бассейнов доминируют ионы кальция; в водах Донбасса — ионы натрия и кальция. Воды палеозойских водоносных комплексов Львовско-Волынского и Донецкого бассейнов в основном уже хлоридно-натриевые. В водах Львовско-Волынского бассейна в катионном составе преобладают ионы натрия, в водах Донецкого — присутствуют ионы натрия и ионы кальция, а в водах Кузнецкого бассейна в палеозойских водоносных комплексах формируются содовые воды (гидрокарбонатно-натриевые) [2, 3, 4, 6].

По составу и свойствам шахтные воды отличаются от подземных вод. Шахтные воды имеют весьма разный химический состав. Содержание минеральных примесей составляет от 0,5 до 50 г/дм3. Авторы работы [1] предлагают классифицировать шахтные воды по степени минерализации на классы: 1 — пресная до 1 г/дм3, 2 — слабосолоноватая 1–3 г/дм3, 3 — солоноватая 3–5 г/дм3, 4 — сильно солоноватая 5–10 г/дм3, 5 — соленая 10–25 г/дм3, 6 — сильносоленая 25–50 г/дм3, 7 — рассолы более 50 г/дм3. Это необходимо для решения вопроса использования шахтных вод в народном хозяйстве, а также для возможности сброса их в реки и выбора способа очистки. В Львовско-Волынском и Донецком бассейнах встречаются воды от слабосолоноватых до соленых, а в Кузнецком — в основном пресные воды [1, 3, 5].

Таблица 1

Характеристика и классы шахтных вод исследуемых угольных бассейнов

Шахтные воды Львовско-Волынского угольного бассейна с нейтральной реакцией pH характеризуются изменением минерализации от 3 до 10 г/дм3. Минерализация шахтных вод Донецкого ы Кузнецкого бассейнов изменяется от 0,3 до 3,5 г/дм3 [1].

Шахтные воды Донбасса являются сульфатно-гидрокарбонатные и гидрокарбонатно-сульфатные с различным катионным составом [5]; Львовско-Волынского — сульфатные — хлоридно натриевые; Кузбасса — сульфатно-гидрокарбонатно натриевые [3].

Итак, главным анионом в шахтных водах Донбасса являются сульфат ион, в Львовско-Волынском — ионы хлора, а в Кузбассе — гидрокарбонат — ионы, однако среди катионов во всех бассейнах доминирующими являются ионы натрия.

Шахтные воды кроме повышенной минерализации также отличаются содержанием в них различных микроэлементов. В целом содержание микроэлементов на 1–2 порядка выше, чем в подземных водах, за счет которых они формируются. В шахтных водах Донбасса присутствуют разнообразные микроэлементы, наиболее характерными из которых являются алюминий, рубидий, барий, никель, а также установлены повышенным содержанием брома, бора, стронция, лития, цезия, германия и других микроэлементов. Подземные воды Львовско-Волынского бассейна значительно беднее микроэлементами. В этих водах нет цинка, циркония, олова, германия, бериллия и в незначительных количествах обнаружены молибден, свинец, ванадий, бром, никель, в то время как в золе угля указанные элементы присутствуют постоянно. Шахтные воды Кузнецкого бассейна содержат кадмий, сурьму, стронций, железо, цинк, ртуть, медь, хром, барий, марганец, кобальт и свинец.

Выводы. Таким образом, учитывая приведенные выше данные, можно утверждать, что химический состав подземных вод является выходным в формировании состава шахтных вод. Химические составы подземных вод исследуемых угольных бассейнов похожие. Вследствие этого в Донбассе формируются кислые, щелочные и нейтральные, а во Львовско-Волынском бассейне и Кузбассе только нейтральные шахтные воды. Нейтральные шахтные воды Львовско-Волынского бассейна характеризуются величинами минерализации от 3 до 10 г/дм3, Донбасса и Кузбасса — от 0,3 до 3,5 г/дм3. Установлено, что доминирующими анионами в шахтных водах Львовско-Волынского бассейна являются ионы хлора, в Донбассе — сульфат-ионы, а в Кузбассе — гидрокарбонат-ионы. Среди катионов в исследуемых бассейнах преобладают ионы натрия.

Литература:

1.      Дузь А. И., Пичугин Б. В., Дуденко И. И. Охрана среды и использование отходов угольного производства. Донецк: «Донбасс», 1990. 110 с.
2.      Рогов Г. М., Плевако Г. А., Соломко Л. А. К вопросу гидрогеологии Кузнецкого бассейна // Известия Томского ордена трудового красного знамени политехнического института имени С. М. Кирова, 1964. Том 127, в. 2. С.120–123.
3.      Струев М. И., Исаков В. И., Шпакова В. Б. и др. Львовско-Волынский бассейн: Геолого-промышленный очерк. К., 1984. 273c.
4.      Суярко В. Г. Геохимия подземных вод восточной части Днепровско-Донецкого авлакогена. Харьков: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2006. 225с.
5.      Улицкий А. А. Геохимические особенности шахтных вод Донбассу // Вестник Харьковского национального университета им. В. Н. Каразина, 2009. Харьков: Издательство ХНУ им. В. Н. Каразина, Серия: Геология. География. Экология. Вип.31. С.79–82.
6.      Шварцев С. Л., Домрочева Е. В., Рассказов Н. М. Геохимия и формирование содовых вод Кузбасса // Известия Томского политехнического университета, 2011. Т.318. № 1. С. 128–134.