Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вплив "мокрої" консервації шахт на еколого-радіаційний стан навколишнього природного середовища (на прикладі Луганської області)

Харків - 2007

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дослідження. Реструктуризація вугільної промисловості, що здійснюється останнім часом, призводить до суттєвих порушень у компонентах навколишнього природного середовища (НПС), що у ряді випадків мають регіональний масштаб. Особливо гостро ці зміни простежуються на територіях з високою концентрацією вуглевидобувних підприємств. При цьому техногенний вплив зазнають: повітряне середовище (в атмосферу надходять: продукти горіння породних відвалів - окис вуглецю, сірчаний газ, диоксід азоту; продукти пиління породних відвалів - пил вугільний та породний, а також відбувається активізація виділення метану та радону); водне середовище (відбувається зміна структури та обсягів водовідливу, формування зон підйому рівнів підземних вод, зміна хімічного та радіаційного складу поверхневих і підземних вод); геологічне середовище (геодинамічні процеси: підтоплення, зрушення, провали, просідання, засолення, міграція та виділення на поверхню шахтних газів, радіонуклідів, важких металів тощо). Наведені вище техногенні чинники впливу здебільше призводять до негативних ефектів у складових біосфери та ускладнюють умови проживання населення цих територій. У зонах підвищеного техногенного навантаження простежуеться деградація видового складу рослинного та тваринного світу, погіршується якість земельних і водних ресурсів, спостерігаеться активізація екзогенних геодинамічних процесів.

Багаторічна експлуатація вуглевидобувних підприємств Східного Донбасу та процеси реструктуризації вугільної промисловості, що відбуваються у теперішній час, призвели до нагромадження відходів з техногенно-підвищеною природньою радіоактивністю. Тільки в зонах розташування ліквідованих шахт у Луганській області їх накопичено близько 150 тис. м³. Під негативний вплив потрапили сільськогосподарські угіддя, водозабори поверхневих та підземних вод з їх водоохоронними зонами, місця помешкання населення. Масштабність проблеми, її виняткова важливість для Луганської області викликали гостру необхідність проведення досліджень по охороні НПС при закритті вугільних шахт. У зв'язку з цим, наукове обгрунтування підвищення рівня екологічної безпеки районів закриття шахт з оцінкою та прогнозом екологічного стану НПС таких територій і розробкою відповідних природоохоронних заходів є актуальною науково-технічною проблемою, що висвітлюється у роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках загальнодержавної «Програми реструктуризації вугільної промисловості України», основні напрямки якої визначені Указом Президента України №116 від 07.02.1996 р. «Про структурну перебудову вугільної промисловості» і Постановою Кабінету Міністрів від 28.03.1997 р. Одночасне закриття 8 шахт Стаханівського регіону суттєво змінило екологічне становище в районі досліджень. Оцінку екологічної безпеки при закритті однієї шахти неможливо здійснити без обліку впливу сусідніх шахт, що працюють або закриті. Необхідність регіонального підходу до питань закриття вугільних шахт передбачена Постановою Кабінету Міністрів №31 від 12.01.1999 р. «Про міри щодо рішення еколого-гідрогеологічних проблем, що виникають унаслідок закриття гірничо-видобувних підприємств, шахт, розрізів».

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є оцінка техногенного впливу вугледобуваючих підприємств на НПС в умовах закриття вугільних шахт і оптимізація форм управління екологічною безпекою регіону.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

- обґрунтувати пріоритетні складові моніторингу НПС у процесі ліквідації підприємств вугільної галузі й консервації шахт;

- дослідити процеси міграції природних радіонуклідів в атмосферному повітрі, ґрунтах і підземних водах у межах шахтного поля й за його межами;

- виявити джерела радіоактивного забруднення НПС у межах шахти та на супутніх об'єктах;

- дослідити вплив природних радіонуклідів на якість підземних вод Світлічанського водозабору, який є самим великим у Луганській області та в 3-ому поясі зони санітарної охорони якого розташована шахта «Пролетарська;

- на підставі проведених досліджень розробити заходи щодо поводження з відходами, що містять природні радіонукліди з підвищеною активністю.

Об'єктом дослідження є чинники небезпеки в природно-техногенній системі в районі розташування вугільних шахт Східного Донбасу, що закриваються.

Предметом дослідження є процеси негативного впливу на навколишнє природне середовище в умовах «мокрої» консервації вугільних шахт.

Методи дослідження. Вивчення території проводили польовими геолого-гідрогеологічними (відбір проб газу, ґрунтів, вод) методами в умовах закриття вугільних шахт. Для експериментальних досліджень вмісту радіонуклідів в об'єктах НПС застосовувався спектрометричний аналіз. Дослідження фізико-хімічних показників у воді й ґрунті проводили сучасними хіміко-аналітичними методами, які атестовані й регламентовані «Переліком методик виконання вимірювань (визначень) складу та властивостей проб об'єктів довкілля, викидів, відходів і скидів, тимчасово допущених до використання Мінекоресурсів України», що затверджений наказом Мінекоресурсів України від 03.11.03 №98.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше встановлено, що формування поверхневих вторинних ореолів (аномальних зон) підвищеної радіоактивності, в умовах Східного Донбасу, відбувається в результаті експлуатаційної розробки глибинних горизонтів та винесення на поверхню за рахунок процесів газо - масо - водообміну радіоактивних елементів;

- обгрунтовано та удосконалено систему ведення комплексного екологічного моніторингу в зоні взаємовпливу шахтного поля шахти «Пролетарська» та Світлічанського водозабору, яка враховує потенційну можливість формування забруднень питних вод хімічними та токсичними інгридіентами і радіонуклідами;

- встановлено та систематизовано чинники ризику щодо розвитку небезпечних екзогенних геологічних процесів, що дозволило вдосконалити систему управління екологічною безпекою території Східного Донбасу.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено і частково реалізовано заходи щодо зниження впливу гірничодобуваючих вугільних шахт з підвищеною радіоактивністю на НПС.

Виконано проект та частково реалізовано захоронення в спеціально обладнаному пункті поховання відходів шахти «Пролетарська», які згідно ОСПУ класифікуються як радіоактивні відходи.

Удосконалено систему екологічного моніторингу в районі шахти «Пролетарська» та Світлічанського водозабору Луганської області, що дає можливість для подальшої безпечної експлуатації водозабору.

Отримані в дисертаційній роботі результати можуть бути використані для розробки природоохоронних заходів на аналогічних підприємствах вугільної галузі.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення теоретичних та експериментальних досліджень розроблені і сформульовані автором особисто. Проведено дослідження вмісту шкідливих речовин на об'єктах НПС, аналіз отриманих результатів та апробація результатів роботи в умовах Луганської області. Обґрунтовано вплив закриття шахт на НПС, досліджено характеристики відходів виробничої діяльності шахт і виявлено місця забруднення відходами з техногенно-підвищеною природною радіоактивністю.

Виконано наукове обґрунтування системи моніторингу об'єкта укриття відходів з підвищеною природною радіоактивністю. Розроблені та запропоновані заходи щодо поліпшення якісного складу підземних вод верхньокрейдяного водоносного горизонту після закриття шахти «Пролетарська».

Запропоновані заходи щодо зменшення виділення шахтних газів (у тому числі радіоактивних) на поверхню.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень і положення дисертації доповідалися на міжнародних і науково-практичних конференціях: 12 міжнародній науково-технічній конференції «Екологія і здоров'я людини. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів» (Бердянськ, 2004); міжнародній школі молодих вчених і фахівців, присвяченій 75-річчю ННЦ ХФТІ (Алушта, 2003); XVI міжнародній конференції по фізиці радіаційних явищ і радіаційному матеріалознавству (Алушта, 2004); міжнародній школі молодих учених по ядерній фізиці й енергетиці (Алушта, 2005); VIII Севастопольській Міжнародній конференції «Фундаментальні і прикладні проблеми моніторингу і прогнозу стихійних, техногенних і соціальних катастроф» Стихія-2005» (Севастополь, 2005); XIII міжнародній науково-практичній конференції: «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я» «microCAD 2005» (Харків, 2005); науково-практичній конференції «Чорнобильська катастрофа та її вплив на екологічну ситуацію в Україні. (До 20-ї річниці Чорнобильської катастрофи)» (Харків, 2006); міжнародній науково-практичній конференції «Регіон-2006: стратегія оптимального розвитку» (Харків, 2006); четвертій науково-практичній конференції «Підтоплення - 2006, загальні проблеми запобігання та боротьби з регіональним підтопленням земель» (Слов'янськ, 2006).

Публікації по темі дисертації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць, у збірниках і журналах, з яких 6 статей у фахових виданнях, регламентованих ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 140 найменувань на 8 сторінках, та 2 додатків на 6 сторінках. Загальний обсяг дисертації - 164 сторінки, з яких основний текст 135 сторінок. Робота містить 14 таблиць, 15 рисунків (з них 3 таблиці та 14 рисунків на окремих сторінках).

Основний зміст роботи

ліквідація радіонуклід атмосферний шахтний

У вступі обґрунтовані актуальність роботи, її зв'язок з науковими програмами, планами і темами, сформульовані мета, об'єкт, предмет і задачі досліджень, визначено наукову новизну отриманих результатів і їхнє практичне значення, особистий внесок автора й апробація результатів досліджень.

У першому розділі виконана систематизація досліджень по проблемі впливу закриття шахт на усі компоненти НПС. Проаналізовано досвід закриття шахт у регіоні і за кордоном, у тому числі проаналізований досвід затоплення шахт у роки Великої Вітчизняної війни 1941-1943 рр., подальша відкачка води з них у період 1944-1954 рр. і наступні 1995-2005 рр.

Реструктуризація галузі і її вплив на НПС розглядали в двох аспектах - «сухої» і «мокрої» консервації шахт. «Суха» консервація в Україні майже не виконувалась, в першу чергу за відсутність коштів. Встановлено, що складні специфічні еколого-геологічні проблеми виникають при «мокрій» консервації, що приведуть до значного підтоплення і забруднення великих площ, заболочуванню і засоленню земель, зміни гідродинамічних і гідрохімічних режимів підземної гідросфери, появи нових шляхів інтенсифікації міграції газів, обваленню покрівлі шарів, виникненню аварійних ситуацій на забудованих територіях.

Проаналізовані роботи відомих вчених, фахівців, інженерів по даній проблемі:

- вплив затоплення шахт у період 1941-1943 рр. і їхня відкачка в 1944-1954 рр. (роботи Д.І. Щеголева, В.С. Попова, М.Л. Левенштейна, Г.Г. Малеваного, та ін.);

- комплексний вплив закриття шахт на стан НПС у період 1995-2005 рр. (роботи Ю.М. Гавриленко, В.М. Єрмакова, І.М. Ксенди, О.А. Уліцького, В.А. Сляднева, Б.Д. Львова, Н.К. Маркіної, М.В. Бабаєва та ін.);

- роботи з радіологічного впливу на НПС (Г.Д. Коваленко, К.Г. Руді, Г.В. Лисиченко та ін.);

- проаналізовані роботи зі зміни хімічного складу шахтних і підземних вод, забрудненню важкими металами (роботи Є.О. Яковлева, М.І. Бесіди та ін.);

- роботи закордонних авторів, зв'язані з виділенням шахтних газів із закритих шахт. Рішенням цієї проблеми займаються в Казахстані Е.С. Іванкін, у Німеччині К. Вінтер, Х. Айхер, Ф. Хесбрюгге, в Англії Р. Робінсон, К. Паркер.

Незважаючи на численні дослідження з даної проблеми, радіаційно-екологічна ситуація, що виникла на деяких шахтах Луганської області при їхньому закритті, вивчена недостатньо. В даний час на вугільних шахтах регіону зібралося більш 150 тис. м³ відходів з техногенно посиленою природною радіоактивністю.

Другою проблемою при закритті шахт є організація комплексного моніторингу стану НПС по всіх його компонентах.

У розділі визначений напрямок роботи та здійснено постановку задач дослідження.

В другому розділі приведена характеристика геологічних і гідрогеологічних особливостей у будові району досліджень та методики досліджень.

Вивчення території проводили згідно з методики еколого-гідрогеологічного вивчення стану територій, забруднених унаслідок закриття вугільних шахт, та методикою оцінки екологічного стану територій, забруднених унаслідок закриття вугільних шахт. Обидві методики розроблені у УкрНДІЕП.

Стаханівський регіон входить в агроґрунтову провінцію Донецького кряжа. У ґрунтовому покриві переважають чорноземи на щебенистому алювії піщаників і сланців.

Встановлено, що особливості вуглевидобутку призвели до зміни міцностних властивостей порід, їхніх фізичних характеристик, активізували вертикальну міграцію шахтних газів (метану, радону), високомінералізованих підземних вод (у даному районі до 82 г./л), порід з підвищеною природньою радіоактивністю.

Виявлено, що на тектонічну будову району досліджень впливають Південний, Північно-Донецький і Чехировський надвиг, з амплітудами зчленування порід від 6 до 50 м.

Основні водоносні горизонти виділяються в четвертинних, палеогенових, крейдових, тріасових і кам'яновугільних відкладеннях.

Четвертинний водоносний горизонт є першим від поверхні і не захищеним від поверхневого забруднення. Показано, що якість вод помітно погіршується в останні роки, особливо на площах водозаборів. Мінералізація вод досягає 1,2-1,4 г/дм³ і має склад: від гідрокарбонатного кальцієвого до хлоридно-гідрокарбонатного натрієво-кальцієвого.

Палеоген-неогеновий водоносний комплекс розповсюджений не повсюдно в межах правобережжя Сіверського Дінця. Підземні води утримуються в слабозцементованих піщаниках та пісках новопетрівської, межигірської і обухівської свитах. Обрій слабко водорясний (витрати джерел - 0,1-0,2 л/с). По хімічному складу води гідрокарбонатно-сульфатні натрієво-кальцієві з величиною мінералізації 0,8-1,2 г/дм³.

За результатами теоретичних та експериментальних досліджень обґрунтовано, що верхньоміловий водоносний горизонт відноситься до верхньої тріщинуватої зони потужністю до 50-70 м, горизонт напорно-безнапорний, коефіцієнт фільтрації 10-25 м/доб. Обрій має значні ресурси і є основним для цілей централізованого водопостачання області. Експлуатується численними водозаборами в долинах рік Сіверський Донець, Лугань і їхніх приток. По хімічному складу води гідрокарбонатні кальцієві з мінералізацією 0,5 - 0,8 г/дм³.

Встановлено, що в процесі експлуатації спостерігається зростання мінералізації води по багатьом водозаборам області. Мінералізація досягає 1,6-2,0 г/дм³. Варто враховувати, що на більшості водозаборів, що експлуатують крейдовий водоносний горизонт, відсутня природна захищеність, що пояснює його уразливість. Водоносний комплекс тріасових відкладень представлений піщаниками нижньої частини розрізу.

Водоносні комплекси кам'яновугільних відкладень пов`язані з тріщинуватими піщаниками і вапняками. Мінералізація вод змінюється від 2,5 до 34,3 г/дм³, а іноді досягає 82,3 г/дм³ (шахта «Пролетарська», горизонт 680 м). Шахтні води у районі шахти «Пролетарська» - хлоридно натрієві, з мінералізацією до 20,0-21,0 г/дм³.

Шахти району по природному вмісту метану віднесені до над категорійних, вугільний пил вибухонебезпечний.

У третьому розділі наведено результати досліджень кількісних і якісних показників забруднення НПС після закриття шахти «Пролетарська» та 8 шахт Стаханівського регіону.

Показано, що при закритті шахт підвищується радіоактивне забруднення повітря, що негативно впливає на НПС. Джерелами підвищеного надходження радону в атмосферне повітря є зони дроблення, що примикають до ділянок тектонічних порушень, що перетинають шахтні поля шахт «Луганська» та «Пролетарська».

Встановлено, що вміст радону в повітрі на ділянках породних відвалів досягає 0,3-6,0 Бк/м³ (фоновий вміст), високі значення вмісту радону спостерігаються в місцях колишніх відстійників шахти «Луганська» (на поверхні 22-35 Бк/м³, а на глибині 0,3 м до 180 Бк/м³), а в місцях дегазаційних свердловин на шахтному полі шахти «Центральна Ірміно» вміст радону досягає декількох сотень Бк/м³ (ГДК по НРБУ 50 Бк/м³ для жилих приміщень, та 100 Бк/м³ для виробничих приміщень).

Експериментальними дослідженнями встановлено, що в межах міської забудови відзначається підвищений в порівнянні з фоновим вміст барію (3,3 рази вище), свинцю (2,6 рази), молібдену (1,7 рази), олова і хрому (1,2 рази), марганцю і літію (1,1 рази). Визначено ряд елементів - ртуть, миш'як, свинець, кадмій, мідь, ванадій, що утворюють ореоли високої концентрації.

Дослідженнями встановлено, що радіологічна обстановка в районі поля шахти «Пролетарська» досить складна. Ґрунтуючись на приведених дослідженнях, виявлена наявність: 1) твердих радіоактивних відходів (ділянка проммайданчика); 2) високоактивні відкладення з наявністю твердих радіоактивних відходів (відстійник шахтних вод); і радіоактивно забруднені ґрунти (колектор шахтних вод). Основні параметри цих ділянок приведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Об'єм забруднення по ділянках шахти «Пролетарська»

Радіоактивні відходи шахти «Пролетарської» відносяться до I групи низько активних, довго живучих радієвих відходів. Забруднення радіоактивними відходами хоча і локальне, але охоплює всю лінію залізничної колії шахтної залізниці в місцях мийки вагонеток, де потужність гамма-випромінювання досягає 1800 мкР/г, а забруднення радіонуклідами 46,1 Ки/км² (проммайданчик), та 14,9 Ки/км² (відстійник шахтних вод); вміст радону в приземному повітрі 2,5 - 39,0 Бк/м³ і не перевищує ГДК, а в заглибленнях при відсутності вентиляції до 276 Бк/м³ - 6 ГДК. Встановлено зв'язок підвищеного вмісту ²²⁶Rа і ²²²Rn у ставках-відстійниках з підземними водами регіону і наявністю ²²²Rn у Правобережній групі свердловин Світлічанського водозабору, до 90-200 Бк/дм³, та підвищений вміст важких металів.

Показано, що закриття шахти «Пролетарська» призвело до зміни інтенсивності міграції метану і вуглекислого газу, що накопичуються у вироблених просторах.

Виконані радіометричні дослідження ґрунтів і породних відвалів показали, що радіоактивність ґрунтів у районі більшості ліквідованих шахт не виходить за межі фонових значень. Питома ефективна активність порід по ²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K не перевищує 370 Бк/кг. Висока радіоактивність відзначається в суглинисто - мулових відкладеннях відстійників шахтних вод шахти «Луганська». Тут потужність дози гама - випромінювання з поверхні становить 150 - 520 мкР/г, у шпурах на глибині 0,5 м до 700 мкР/г. Щільність бета - випромінювання з поверхні - 80 імп/хв*см², а альфа - випромінювання 4 імп/хв•см². Вивчено, що на інших відстійниках шахтних вод (шахти: «Брянковская», «Центральне Ирмино») потужність гама - випромінювання не перевищує звичайних для даної місцевості значень 21-25 мкР/г. За даними гама - спектрометричного визначення, виконаного УкрНДІЕП у 1999-2001 роках, в суглинисто - мулових відкладеннях відстійників шахти «Луганська» знаходиться ²²⁶Ra у кількості декількох тисяч Бк/кг. Сумарна питома активність на більш ніж 90% обумовлена присутністю ²²⁶Ra і становить 3490 - 13000 Бк/кг. Радіоактивні відходи є донними відкладеннями ставків - відстійників шахтних вод, розташованих каскадом у балці в безпосередній близькості від шахтарського селища Донецький. Літологично опади представлені суглинками чорних кольорів, потужність яких за даними бурових робіт 1999 року становить 1,8-2,0 м.

Вивчено хімічний склад підземних вод Стаханівського регіону. Виявлено залежність їх складу від зовнішнього навантаження і сильна метаморфізація. Четвертинний водоносний горизонт є незахищеним і підпадає під інтенсивне забруднення в результаті інфільтрації стічних вод. Вміст нітратів досягає сотень мг/дм³ (ГДК 45 мг/дм³).

Размещено на Allbest.ru