Національний гірничий університет

Зубова Лілія Григорівна

УДК 504.06:622.33

ТЕОРЕТИЧНІ І ПРИКЛАДНІ ОСНОВИ ВІДНОВЛЕННЯ

ТЕХНОГЕННИХ ЛАНДШАФТІВ ДО РІВНЯ ПРИРОДНИХ

(на прикладі териконових ландшафтів Донбасу)

Спеціальність 21.06.01 – “Екологічна безпека”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня доктора технічних наук

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі екології Східноукраїнського національного

університету імені Володимира Даля (м. Луганськ),

Міністерство освіти і науки України.

Науковий консультант | - доктор технічних наук, професор, заслужений винахідник України Смірний Михайло Федорович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля (м. Луганськ), Міністерство освіти і науки України, перший проректор, завідувач кафедри екології.

Офіційні опоненти:

- доктор геолого-мінералогічних наук, професор Горовий Анатолій Федорович, Донбаський державний гірничо-металургійний інститут Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ), завідувач кафедри геології та маркшейдерської справи;

- доктор технічних наук, професор Коробочка Олександр Миколайович, Дніпродзержинський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, проректор, завідувач кафедри автомобілів і автомобільного господарства;

- доктор технічних наук, професор Поліщук Сергій Зіновійович, Інститут проблем природокористування і екології НАН України (м. Дніпропетровськ), завідувач відділу системного аналізу та моделювання процесів природокористування.

Провідна установа - Донбаська державна академія будівництва і архітектури,

кафедра екології (м. Макіївка), Міністерство освіти і

науки України.

.

Захист дисертації відбудеться "_7_"_липня_2004 р. о 1230_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К Маркса, 19.

Автореферат розісланий "_7_"_червня__2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02,

кандидат технічних наук, доцент В.В. Панченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На території Донбасу вже понад 200 років видобувається вугілля. Шахтні комплекси змінюють місцевість до невпізнанності. На місці природних степових ландшафтів утворюються техногенні, насичені виробничими спорудами, ставками-відстійниками, відвалами пустої породи - терикониками. Останніх на території регіону більше, ніж 1500. Вони займають площу понад 11 тисяч гектарів. Териконові ландшафти є техногенними зонами підвищеної екологічної небезпеки, де весь час проявляється напружена та критична екологічна ситуація, яка нерідко, внаслідок техногенних аварій, переходить до стану катастрофічної. Пояснюється це окисленням сульфідів, які входять до складу відвальних порід. Окислювання супроводжується утворенням сірчаної кислоти та її з'єднань, горінням відвалів, міграцією шкідливих газів і пилу повітряним шляхом, а водним – радіонуклідів і важких металів. Токсичні речовини, що мігрують з терикоників, впливають на всі компоненти степових ландшафтів, змінюючи їх природні геохімічні особливості. Однак, ці зміни недостатньо вивчені.

Утилізація відвальної породи - один з напрямків припинення шкідливого впливу терикоників на навколишнє середовище. Крім відомих способів використання породи з метою одержання будівельних матеріалів і добрив, нові напрямки утилізації поки що не розроблені. Не вивчено хімічний склад відвальної породи на предмет наявності у відвалах вугільних шахт запасів деяких металів, порівнянних за обсягом з природними родовищами корисних копалин, одержання яких для України могло би бути економічно вигідним. Тим більше, що в даний час багато які мінеральні ресурси вже майже вичерпані, і це є однією з глобальних екологічних проблем. Тому саме зараз доцільно розглядати техногенні відходи як альтернативний варіант поповнення природних ресурсів.

Другим напрямком відновлення териконових ландшафтів є рекультивація поверхні відвалів. У даний час її гірничотехнічний етап часто виконується без економічного і екологічного обґрунтування інженерних методів, що застосовуються, та й самі ці методи ще не досконалі. Усе це робить рекультиваційні роботи дуже дорогими. Тому необхідна розробка технічних засобів і технологічних рішень щодо зниження їх вартості та витрат праці при виконанні рекультивації терикоників та більш досконалих підходів до вибору її напрямків та методів.

У зв'язку з вищевикладеним виникає актуальна науково-прикладна проблема розробки теоретичних та практичних основ відновлення териконових ландшафтів Донбасу до рівня природних з метою підвищення рівня екологічної безпеки навколишнього середовища. Рішенню цієї проблеми шляхом розробки нових напрямків утилізації, а також удосконалення рекультивації поверхні відвалів і присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана згідно з тематичними планами науково-дослідних робіт Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля, зокрема в науково-дослідній роботі "Теорія інформаційних діагностичних систем екологічного обладнання" (№ ДР 0198U002853). У підпрограмі "Наукові основи забезпечення екологічної безпеки в регіоні" автор, як виконавець, обґрунтував раціональні методи відновлення териконових ландшафтів до рівня природних. У дисертації використані результати госпдоговірної науково-дослідної роботи “Розробка раціональної агротехніки і технології озеленення терикоників ВО “Лисичанськвугілля”, в якій під керівництвом та за безпосередньою участю автора була розроблена технологія та проведена рекультивація терикоників ВО "Лисичанськвугілля".

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – підвищення рівня екологічної безпеки в регіоні на підставі розробки методології відновлення териконових ландшафтів Донбасу новими способами утилізації відвальної породи й удосконалення гірничотехнічної рекультивації поверхні відвалів.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі досліджень:

1. Оцінити зміни природних компонентів і визначити сутність техногенної небезпеки при геохімічній трансформації ландшафтів під впливом терикоників.

2. Розробити класифікації терикоників із врахуванням ендогенних і екзогенних умов їх утворення та з оцінкою їх техногенної небезпеки, які дозволять економічно й екологічно обґрунтовувати використання методів їх утилізації або рекультивації.

3. Встановити параметри та закономірності фізико-геологічних і геохімічних процесів у терикониках й визначити напрямки та способи використання цих процесів для цілей утилізації відвальної породи й, відповідно, для забезпечення екологічної безпеки в регіоні.

4. Обгрунтувати теоретичні основи комплексної безвідходної утилізації терикоників, як одного з напрямків підвищення рівня екологічної безпеки.

5. Розробити технічні засоби та технологічні рішення, що знижують вартість і працеємність робіт із рекультивації терикоників.

6. Визначити біологічну продуктивність рекультивованих терикоників як критерій оцінки ефективності відновлення териконових ландшафтів і ступеня зниження техногенної небезпеки.

Об'єкт дослідження – техногенне зменшення рівня екологічної безпеки териконових ландшафтів внаслідок фізико-геологічних і геохімічних процесів у відвалах гірських порід.

Предмет досліджень – закономірності фізико-геологічних і геохімічних процесів як основи розробки способів відновлення териконових ландшафтів до рівня природних.

Методи дослідження. При проведенні досліджень використані теоретичні й експериментальні методи, зокрема: емісійний спектральний аналіз – при вивченні хімічного складу відвальних порід, ґрунтів та рослин; статистичний аналіз – при обробці результатів вивчення радіоактивності терикоників і ефективності екранування родючим субстратом їх пласких верхівок; математичне моделювання та ідентифікація моделей за експериментальними даними – при оцінці впливу окислення піриту на радіоактивність відвалів, визначенні тривалості хімічного вивітрювання відвальних порід та вивченні швидкого руйнування кристалічних решіток алюмосилікатів в умовах горіння терикоників; таксаційний аналіз – при оцінці стану і продуктивності насаджень на рекультивованих відвалах.

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей фізико-геологічних і геохімічних процесів, що відбуваються у териконових ландшафтах, для цілей їх відновлення до природного, екологічно безпечного стану.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше встановлені особливості міграції іонів хімічних елементів в териконових ландшафтах, розглянутий вплив на неї внутрішніх і зовнішніх факторів, доведена геохімічна трансформація природних кальцієвих ландшафтів Донбасу під впливом терикоників у антропогенні сірчанокислі.

2. Уперше для терикоників вугільних шахт установлені залежності між літологічним складом відвальних порід і ступенем їх метаморфізму та геохімічної активності терикоників від їх висоти. На основі цих залежностей, описаних математичними формулами, запропоновані оціночні критерії, за якими розроблено нову класифікацію терикоників, що дозволяє вибирати найбільш раціональні методи відновлення териконових ландшафтів.

3. Обгрунтований принципово новий напрямок утилізації териконової породи, який відрізняється від існуючих тим, що перед переробкою породи в будівельні матеріали або у вугледобрива, частину її використовують як сировину для металургії.

4. Вперше виявлено аналогію між ключовими етапами геохімічних процесів, що відбуваються у відвальній породі, та процесу промислового кислотного способу одержання алюмінію, на основі якої розроблені теоретичні підходи отримання металів з відвальної породи, що дозволили обґрунтувати новий економічно вигідний спосіб одержання алюмінію, галію та германію.

5. Установлено оптимальне кількісне співвідношення між об’ємами річкового мулу та відвальної породи в суміші, що запропонована для екранування пласких верхівок терикоників з метою покращання лісорослинних властивостей породи при біологічній рекультивації відвалів.

6. Розроблені нові методичні підходи щодо оцінки ступеня відновлення порушених територій до рівня природних, що базуються на визначенні біологічної продуктивності рекультивованих терикоників, яку обрано за критерій оцінки їх екологічної безпеки.

7. На основі вивчення особливостей розвитку штучних лісових насаджень на досліджуваних терикониках вперше обґрунтовано можливість спрощення лісової рекультивації схилів породних відвалів шляхом їх часткового заліснення або використання гідропосіву насіння деревинних культур та трав за двома розробленими способами, перший з яких базується на використанні особливостей природного ерозійно-гідрологічного процесу на схилах відвалів та здатності культур до самосіву, а другий - на перерозподілі насіння по поверхні териконика від його верхівки штучними водними струменями.

Отримані результати дозволили обгрунтувати наступні наукові положення.

1. В результаті появи терикоників відбувається трансформація природних кальцієвих ландшафтів Донбасу в екологічно небезпечні антропогенні сірчанокислі. Сірчана кислота та її з'єднання, що утворюються при окислюванні наявного у терикониках піриту, переводять важкі метали і радіоактивні елементи мінералів відвальних порід у рухливу форму, а водна ерозія, підсилена конічною формою відвалів, сприяє їх міграції на територію, що прилягає. Результатом зіткнення двох міграційних потоків (антропогенного сірчанокислого і природного кальцієвого) є утворення на значній площі фізико-хімічних і біогеохімічних бар'єрів із нагромадженням у ґрунтах і рослинах у аномальних концентраціях (у 1,3 - 16,6 рази вище ГДК) Co, Ni, Cu, Zn та інших елементів-забруднювачів.

2. Ефективним способом зниження екологічної небезпеки терикоників є їх поетапна (відповідно до геохімічної активності) утилізація, при цьому першими доцільно переробляти об'єкти висотою 50 м і більше з тривалою стадією окислювання піриту як постійні джерела забруднення навколишнього середовища токсичними елементами; одночасно треба утилізувати свіжевідсипані відвали, на яких ще не почався процес окислювання; старі перегорілі териконики утилізують у другу чергу, а териконики, що горять, переробляють після їх повного геохімічного переходу в стан “перегорілі”.

3. Екологічно доцільний, технічно й економічно вигідний шлях переробки відвальної породи полягає в одержанні алюмінію, галію і германію, які ізоморфно увійшли в алюмосилікати і сульфіди у мінімальних промислових концентраціях; при цьому вартість кислотного способу знижується у 2 рази, якщо використовувати для руйнування алюмосилікатів природну сірчану кислоту, що одержується при прискореному біохімічному окислюванні піриту відвальних порід за купчастим методом.

4. Зниження екологічної небезпеки терикоників, збереження корисних елементів у відвалах для майбутнього використання забезпечується біологічною рекультивацією їхньої поверхні, яка дозволяє прискорено, екологічно доцільним шляхом створювати в умовах техногенного екотопу нові тимчасові грунти та стійкі фітоценози з рівнем біологічної продуктивності близьким до середнього зонального (3 м3/га). Еколого-економічний результат підсилюється за допомогою запропонованого екранування верхівки пласких відвалів сумішшю порід із річковим мулом.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони використані як основа методик, способів, класифікацій, технічних рішень, пристроїв, що забезпечують ефективне відновлення териконових ландшафтів до рівня природних, зокрема:

- універсальної методики визначення кількісних показників забруднення важкими металами територій, що прилягають до відвалів вугільних шахт;

- способу обліку кількості продуктів водної ерозії, що надходять з терикоників на прилеглу територію (патент України № 42978А), який спрощує екологічний моніторинг териконових ландшафтів та підвищує його інформативність;

-

-

-

-

-

Основні положення дисертації упроваджені в Держуправлінні з охорони навколишнього природного середовища Луганської області та на підприємствах ВО "Лисичанськвугіллля" (довідка № 3 від 15.01.2004 р.).

Теоретичні розробки автора використані у навчальному процесі Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля при читанні лекцій та проведенні практичних занять із дисциплін "Геохімія навколишнього середовища" і "Екологія Донбасу" (акт упровадження № 107.115-48), а також у навчальному курсі "Ландшафтна екологія і рекультивація земель", що увійшов до складу матеріалів, за які університету була присуджена Золота медаль на Міжнародній виставці навчальних закладів "Сучасна освіта в Україні - 2004" (довідка № 107.115- 94 від 12.04. 2004 р.).

Достовірність і обґрунтованість наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються: використанням сучасних методів математико-статистичного та кореляційно-регресійного аналізів; високим рівнем показників адекватності отриманих математичних моделей; тривалим періодом досліджень та виробничої перевірки їх результатів; варіабельністю літологічних і кліматичних умов при проведенні експериментів; достатньою кількістю варіантів дослідів та їх повторень, що забезпечує відхилення фактичних і теоретичних даних не більше 10% з імовірністю 0,95; результатами впровадження розробок при рекультивації відвалів ВО "Лисичанськвугілля".

Особистий внесок здобувача. Автором сформульовані проблема, мета та задачі досліджень, ідея роботи, основні наукові положення, висновки і рекомендації, розроблені методики досліджень, теоретично обґрунтовано використання відвальної породи терикоників як сировини для металургії; під його керівництвом та за безпосередньою участю розроблені рекомендації, технології та проекти рекультивації відвалів ВО "Лисичанськвугілля", виконано їх впровадження. Здобувачем запропоновано головні відзначальні ознаки, конструктивні та технологічні параметри розроблених спільно із співавторами запатентованих способів обліку продуктів водної ерозії з терикоників та отримання вісмуту й глинозему з відвальної породи, поставлено задачу розробки й визначено функціональні параметри пристроїв для підготовки поверхні терикоників до озеленіння та виконання робіт на крутосхилах.

У роботах, написаних у співавторстві, особистий внесок автора такий:

у [6, 31, 38] - проведене апробування способів рекультивації на відвалах ВО “Лисичанськвугілля” та їх еколого-економічна оцінка; у [9, 15] - зібрані дані та розроблена математична модель тривалості процесу вивітрювання відвальної породи, виконаний аналіз моделі; у [10, 41, 44, 46, 47] - досліджено та доведено трансформацію кальцієвих ландшафтів Донбасу в антропогенні сірчанокислі під впливом вугільної промисловості; у [11, 13, 33] - запропоновані теоретичні та практичні підходи щодо оцінки ерозійної небезпеки земель, участь у виборі методик, дослідженнях і розрахунках; у [14] - сформульовані задачі дослідження, проаналізовані методики для виявлення впливу пилу на деревинні породи та підібрано найбільш прийнятні з них; у [20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 32] - запропоновані істотні або головні відмінні ознаки, що визначають новизну та переваги запропонованих технічних рішень, обгрунтовані їх конструктивні параметри; у [27, 29] - на основі теоретичних досліджень запропоновані ідеї і обґрунтовано способи одержання глинозему; у [36] - на основі теоретичних та експериментальних досліджень обґрунтовані зміни поводження радіоактивних елементів у промислових ландшафтах; у [37, 38, 39, 45] - виконано теоретичні дослідження і обґрунтовано зміни поводження важких металів у промислових ландшафтах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися і були схвалені: на міжрегіональній науково-практичній конференції "Біологічні і гірничотехнічні проблеми рекультивації порушених земель і підвищення їхньої продуктивності" (Дніпропетровськ, 1992 р.); на Міжнародній науковій конференції "Земельні ресурси України: рекультивація, раціональне використання, та збереження" (Дніпропетровськ, 1996 р.); на Всеукраїнській конференції "Техногенні ландшафти: структура; функціонування, оптимізація" (Кривий Ріг, 1996 р.); на Міжнародному симпозіумі "Інноваційні екологічні методи і процеси в прикладній екології" (Луганськ, 2001 р.); на 6 Міжнародній конференції "Ekologi. Technics and technologie for traiting of nonmetal materials" (Sozopol, Bulgaria, 2001 р.); на Всеукраїнській конференції "Стан земельних ресурсів в Україні: проблеми, шляхи вирішення" (Київ, 2001 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції "Раціональне використання рекультивованих та еродованих земель" (Дніпропетровськ, 2002 р.); на Всеукраїнській науково-практичній конференції "Перспективи розвитку Луганщини в контексті екологічних проблем України та світу. Погляд вчених, громадськості та молоді" (Луганськ, 2002 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції "Оптимізація агроландшафтів: раціональне використання, рекультивація, охорона" (Дніпропетровськ, 2003 р.); на міжнародних науково-практичних конференціях "Університет і регіон" (Луганськ, СНУ, 1998 – 2002) та ін.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 49 наукових праць, у тому числі: 20 статей у фахових виданнях (11 без співавторів); 9 - у інших наукових журналах та збірниках наукових праць; 10 авторських свідоцтв і патентів; 10 праць - у матеріалах конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел з 253 найменувань на 23 сторінках і 4 додатків на 4 сторінках. Загальний обсяг дисертації - 301 сторінка, з них основний текст – 274 сторінки, малюнків - 44 (з них 15 на окремих сторінках), таблиць – 92 (з них 3 на окремих сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані науково-практична проблема, мета і задачі дослідження, обєкт, предмет та ідея роботи, відображена наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, наведені наукові положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації та публікації результатів дослідження.

Розділ 1. Аналіз стану питання техногенної небезпеки териконових ландшафтів Донбасу і способів їх відновлення

Зроблений огляд наукових літературних джерел засвідчив, що проведення інтенсивних робіт із видобутку вугілля в Донбасі привело до формування нового класу ландшафту - гірничопромислового, який характеризується властивими йому особливостями рельєфу, підземних і поверхневих вод, рослинності й інших природних компонентів. У розділі проаналізовано формування антропогенних териконових ландшафтів та зміни природних компонентів під впливом породних відвалів вугільних шахт, а також розглянуті методи відновлення териконових ландшафтів.

Розглядаючи стан дослідження зазначених вище проблем, слід відзначити уже відомі наукові здобутки. Питання екологічної небезпеки відходів різних галузей промисловості, утилізації та рекультивації терикоників, їх шкодочинного впливу розглядалися у працях О.П. Красавина, О.М. Коробочки, М.П. Зборщика, В.В. Осокіна, І.Ф. Галушки, М.І. Лядицької, Л.А. Христєвої, О.І. Зражевського, М.О. Попова, М.П. Волошина, К.Д. Кобезького, М.С. Шалит, В.І. Костомарова, С.З. Поліщука, В.І. Бакланова, О.Б. Мазур, М.Л. Реви, І.А. Давидова, О.Н. Костюк, Б.І. Логгінова, А.Ф. Горового, В.Г. Скорика, Л.С. Киричека, Г.С. Корецького, Т.Н. Келеберди, В.В. Кульчіхіна, Ю.Н. Попа, Є.Г. Жук, В.В. Плющева та інших вчених.

Аналіз існуючих методів відновлення териконових ландшафтів показав, що найбільш поширеними з них є утилізація відвальної породи та рекультивація відвалів, або території, що звільняється після утилізації. Добре вивчені і ширше використовуються у промисловості відходи збагачення, бо вони мають більш стабільний якісний склад, у т.ч. мікроелементи й органічний вуглець. Менш вивчені розкривні та вміщуючі породи - аргіліти, алевроліти, вапняки, піщаники та інші.

Відходи збагачення та вміщуючі породи використовуються у якості сировини при виробництві будівельних матеріалів і нетрадиційних видів добрив (вугледобрив). Їх, також, використовують для покриття доріг, з них одержують бут, заповнювачі для бетонів, в'яжучі, роблять стінові блоки і цеглу, плити і панелі для облицювання будинків, черепицю тощо. Використання породи терикоників за добриво обумовлено досить високим вмістом в ній органічної речовини (20-25% та вище), наявністю мікроелементів (бор, цинк, нікель, молібден, марганець, мідь та ін.), сірки.

Найбільш поширений спосіб відновлення порушених ландшафтів після утилізації породи – лісова рекультивація, тому що деревинні породи успішно ростуть на відносно бідних землях і не вимагають ретельного вирівнювання території. Відновлення рослинності териконових ландшафтів можливо, також, за допомогою лісової рекультивації поверхні самих терикоників. При рекультивації терикоників за способом Донецького ботанічного саду рекомендують переформування конічного відвалу у плаский, виположування відкосів, формування на них терас, часткову меліорацію породи і створення захисно-меліоративного рослинного покриву.

Використання замість дорогого заповнення чорноземом посадкових ям (з подальшою висадкою крупних саджанців) верхнього вивітреного дрібноземістого шару "порожньої" породи, малих доз мінеральних добрив і дрібних сіянців чи насіння деревних порід за способом Української сільськогосподарської академії цілком виправдало себе. Закладці лісонасаджень на крутосхилах терикоників за цим способом передує здійснюване вручну мікротерасування, що перепиняє шлях поверхневому стоку, запобігає змиву і розмиву ґрунту, полегшує пересування по крутосхилам людей, посадку сіянців і внесення добрив.

Аналіз наукових праць дозволив виявити й коло невирішених питань. До них, зокрема, відносяться наступні.

Недостатньо вивчені найбільш характерні зі змін, що обумовлені появою у регіоні вугільних шахт - геохімічні.

Крім відомих способів використання відвальної породи з метою одержання будівельних матеріалів і добрив, інші напрямки утилізації поки що не розроблені.

Рекультивація поверхні відвалів, яка проводиться з метою припинення шкідливого впливу терикоників на навколишнє середовище та відновлення біологічної продуктивності порушених ландшафтів, є дуже трудомісткою. Тому необхідна розробка технічних заходів щодо зниження працевитрат на її виконання.

Розділ 2. Програма, методики та об'єкти досліджень

На основі аналізу стану питання техногенної небезпеки териконових ландшафтів, зробленого у попередньому розділі, та способів їх відновлення сформульовані актуальність проблеми і задачі дослідження. На підставі критичного аналізу існуючих методичних підходів в розділі підібрано комплекс найбільш прийнятних з них для умов дослідження, що забезпечило універсальність підходу до вирішення поставлених задач.

Враховуючи необхідність отримання найбільш повного уявлення про наявність токсичних елементів та металів, що мають промислове значення, склад відвальної породи, грунтових та рослинних зразків аналізувався за допомогою емісійного методу. Оцінка екологічної ситуації в грунтах та рослинності виконувалася за допомогою методики, розробленої Інститутом грунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського. Облік втрат породи з терикоників внаслідок ерозії виконувався шляхом вимірювання розмоїн за методом С.С. Соболєва, але виявлені недоліки використання цього методу в складних умовах крутих сильноеродованих схилів породних відвалів примусили розробити новий запатентований метод, що дозволяє вивчати не тільки лінійну, але й поверхневу ерозію, рідкий та іонний стік зі схилів відвалів на прилеглу територію. Едафічні умови та фізіологічні показники рослинності на відвалах вивчалися за допомогою загальноприйнятих методик. Рослинний покрив вивчався за методикою Н.П. Власової. Статистичний та кореляційно-регресійний аналіз результатів досліджень та експериментів здійснювався за методом Брандона з використанням комп’ютерної програми, розробленої Ф.Д. Зеленським та В.П. Голубцовим.

При виконанні роботи, також, було створено та апробовано нову універсальну методику обліку обсягу забруднення територій, що прилягають до відвалів вугільних шахт, важкими металами, яка включає спектральний аналіз породи і грунтів, облік обсягу продуктів водної ерозії з терикоників (патент України № 42978А), розрахунок рухливої форми важких металів та геохімічний аналіз подальшої поведінки мігруючих з поверхні відвалів атомів і іонів хімічних елементів.

Дослідження виконувалися в умовах характерних для Донбасу териконових ландшафтів. Виконано аналіз основних типів шахтних відвалів, що відрізняються за формою, віком, висотою, метаморфізмом порід та ін.

Розділ 3. Дослідження геохімічної трансформації природних кальцієвих ландшафтів Донбасу у териконові сірчанокислі

На основі аналізу відомих геохімічних даних доведено, що всі природні компоненти степової зони, такі як кора вивітрювання, ґрунти, підземні, поверхневі води й інші характеризуються нейтральною або слаболужною реакцією середовища, наявністю у великій кількості кальцію, нездатністю токсичних речовин, наприклад важких металів, мати рухливу форму в міграційних потоках. В результаті дослідження зовнішніх факторів міграції елементів (окислювально-відновлювальна обстановка й окислювально-відновний потенціал, життєдіяльність організмів, температура і тиск, поверхневі сили колоїдних систем, комплекс типоморфних елементів і концентрація водневих іонів, радіоактивність, геоморфологічні особливості і ступінь електролітичної дисоціації) доведено, що відвальні шахтні породи характеризуються іншими геохімічними умовами: в них відбувається хімічне та біохімічне окислення піриту (FeS2). У початковий період окислення після розкладання гідрокарбонат-іонів і виділення двоокису вуглецю відбувається уповільнення процесу внаслідок екранування поверхні піриту новотворами. При наявності у поровому розчині порід тионових бактерій процес окисного вилуження піриту одержує продовження і прискорюється у 500 тисяч разів (за М.П. Зборщиком і В.В. Осокіним).

В результаті досліджень встановлено, що при трансформації природних ландшафтів у териконові сірчана кислота та її з'єднання, що утворюються при окислюванні наявного у терикониках піриту, переводять важкі метали і радіоактивні елементи мінералів відвальних порід у рухливу форму, а водна ерозія сприяє їх міграції на територію, що прилягає. Техногенну міграцію хімічних елементів гірничопромислових ландшафтів Донбасу можна класифікувати як механічну, фізико-хімічну і біогенну. Механічна обумовлена специфічними геоморфологічними особливостями конічних шахтних відвалів - їх висотою та крутими (до 45?) схилами, що сприяють активній вітровій та водній ерозії. Змив породи, в результаті останньої, з обстежених відвалів змінюється від 720 до 4830 т. Фізико-хімічна міграція характеризується інтенсивним виносом сірчанокислими водними потоками водорозчинених простих катіонів (Sr, Li, Zn, Cu, Pb, Cd, Ва, Hg, Ag, Y, La, Са) і комплексних аніонів (Р, V, Mn, Cr) та утворенням лужних геохімічних бар'єрів та аномалій (клас Д1) при зустрічі з природними ґрунтами, представленими чорноземами звичайними з нейтральною чи слаболужною реакцією середовища, на території яких відбувається забруднення ґрунтів важкими металами (рис. 1). Забруднення міддю і хромом (рухлива форма) досягають 25-30 мг/кг, а нікелем - 18 мг/кг; така екологічна ситуація може бути охарактеризована, відповідно, як кризова і катастрофічна (табл. ).

У результаті біогенної міграції відбувається нагромадження в рослинах хімічних елементів в аномальних концентраціях, тобто утворюються біогео-хімічні бар'єри. За фактичним вмістом Cu, Ni, Cr в овочах (15, 3 і 5 мг/кг), вирощуваних на територіях, що прилягають до терикоників, екологічна ситуація визнана катастрофічною, а за вмістом Zn (15 мг/кг) – кризовою.

Рис. 1. Аномалія класу Д1 у підніжжя териконика:

1 - сірчанокислий розчин, 2 - чорноземи, 3 - лужний бар'єр.

Таблиця 1

Оцінка забруднення ґрунтів важкими металами

на територіях, що прилягають до терикоників

Елемент | Відношення валового вмісту до кларку | Тип екологічної ситуації | Відношення вало-вого вмісту до ГДК | Тип екологічної ситуації | Відношення рухомої форми до ГДК | Тип екологічної ситуації | Co | 1,25 | благополучна | 0,2 | благополучна | 0,8 | задовільна | Cu | 1,5 | благополучна | 0,55 | задовільна | 5 | кризова | Zn | 2,0 | благополучна | 1,0 | задовільна | 1,3 | передкризова | Ni | 1,25 | благополучна | 0,59 | задовільна | 2,5 | катастрофічна | Cr | 1,3 | благополучна | 1,0 | задовільна | 5 | кризова |

Таким чином була вирішена перша задача досліджень і на основі отриманих результатів сформульоване перше наукове положення.

Розділ 4. Розробка класифікацій терикоників

На основі аналізу відомих геологічних даних та за результатами виконаних досліджень розроблені класифікації конічних відвалів: з обліком ендогенних і екзогенних факторів їхнього утворення (таблиця 2) та за шкідливим впливом на компоненти ландшафту.

Таблиця 2

Класифікація терикоників вугільних шахт за

ендогенними і екзогенними факторами їх утворення

Ендогенні фактори | Екзогенні фактори

1. Метаморфізм осадових порід:

а) слабометаморфізовані;

б) среднеметаморфізовані;

в) сильнометаморфізовані;

2. Літологічний склад карбону:

а) з підвищеним вмістом аргілітів і вапняків;

б) з підвищеним вмістом алевролітів і піщаників.

3. Механічна міцність осадових порід:

а) слабоміцні;

б) средньоміцні;

в) з підвищеною міцністю. | 1. Фізичне вивітрювання відвальних порід:

а) більш податливі фізичному вивітрю-ванню, щільні;

б) менш податливі фізичному вивітрю-ванню, пористі.

2. Хімічне вивітрювання відвальних порід:

2.1. Вміст загальної сірки:

а) з малим вмістом;

б) із середнім вмістом;

в) з підвищеним вмістом.

2.2. Тривалість стадії окислювання і загоряння відвальної породи:

а) з нетривалою стадією окислювання і швидким загорянням;

б) з уповільненим окислюванням і загорянням.

Тривалість хімічного вивітрювання терикоників доцільно прогнозувати за допомогою розробленої математичної моделі (множинне кореляційне відношення 0,99) , яка має наступний вигляд:

У = 1/(1 + 1084е^-0,544Х1 )(0,896 + 0,052Х2 - 0,005Х2 2)

3,734Х3^2,89е^-0,882Х31,573 - 0,806Х4 + 0,267Х42,

де У - тривалість вивітрювання, років;

Х1 - вміст загальної сірки, % ;

Х2 - вміст вугілля, % ;

Х3 - вміст вапняку, %;

Х4 - вміст аргілітів, %;

^ - символ зведення у степінь.

Згідно з математичною моделлю тривалість хімічного вивітрювання найбільшою мірою залежить від вмісту загальної сірки (у тому числі й піритної) та пропорційна йому (кореляційне відношення дорівнює 0,96). Ця закономірність дозволяє пояснити інші отримані результати досліджень, а саме, залежність процесів окислення відвальної породи від висоти відвалів. Териконики поділені на ті, що швидко загоряються, і на відвали з уповільненою стадією окислення та загоряння. Встановлено, що переважна частина відвалів, що горять, і перегорілих мають висоту до 50 м. Відповідно, відвали з висотою понад 50 м, незалежно від віку, окислюються (займаються і горять) довше. Це пояснюється на основі аналізу досвіду рекультивації шахтних відвалів. Встановлено, що окислення сульфідів терикоників з утворенням сірчаної кислоти відбувається доти, поки в поверхневому шарі є запаси неокислених з'єднань сірки, і поки на поверхні не утвориться шар напіввивітреної породи, в якому з'єднання сірки вже окислені. Він ізолює глибше розташовані шари від атмосферного кисню, а вітрова і водна ерозія, руйнуючи цей шар, подовжують стадію окислення. Розрахунки, виконані з урахуванням відомих залежностей (М.І. Долгілевич, Г.І. Швебс та І.Г. Зиков), за якими змив грунту з одиниці площі схилових земель у результаті водної ерозії пропорційний довжині схилу у степені 0,5 та його крутизні у степені 1,1-1,5, дозволили виявити відносне збільшення змиву породи з висотою терикоників. Довжина схилу терикоників висотою від 20 до 50 м змінюється від 26 до 71 м, з висотою 50 - 100 м - від з 71 до 141 м. Відповідно до цього і змив на терикониках висотою від 50 до 100 м є у 1,4 -1,6 рази більшим, ніж змив з терикоників висотою 20 - 50 м. З урахуванням того, що крутість схилу терикоників (до 45) у 35-90 разів перевищує поріг виникнення ерозії на орних землях (0,5-1), стає зрозумілим катастрофічний масштаб денудації поверхні терикоників.

За результатами досліджень обґрунтована геохімічна активність терикоників як основний критерій добору відвалів для поетапної утилізації та рекультивації. Найменшу шкоду наносять навколишньому середовищу свіжевідсипані відвали, оскільки в їхній породі ще не почався процес окислення піриту, найбільшу шкоду - териконики із тривалою стадією окислення, які є постійними джерелами забруднення навколишнього середовища токсичними елементами, що мігрують унаслідок ерозійних процесів. Їх доцільно переробляти чи піддавати рекультивації першими. Надалі потрібно здійснювати утилізацію чи рекультивацію старих перегорілих терикоників. Палаючі відвали доцільно переробляти чи піддавати рекультивації по мірі переходу їх у стан “перегорілі”.

Таким чином, була вирішена друга задача досліджень, і на основі отриманих результатів сформульоване друге наукове положення.

Розділ 5. Теоретичні дослідження комплексної безвідходної утилізації відвальної породи

На основі аналізу відомих геохімічних даних та результатів виконаних наукових досліджень третього розділу доведено, що в умовах терикоників відбувається процес хімічного та біохімічного окислення наявного в них піриту з утворенням сірчаної кислоти та розчиненням у ній вихідних мінералів відвальних порід, з прискореним переведенням елементів комплексних з'єднань у вільну іонну форму. За цими результатами обґрунтоване використання породи терикоників у металургії з одержанням галію, германію та алюмінію.

За допомогою спектрального аналізу встановлено, що незалежно від ступеня метаморфізму відвальних порід концентрація галію і германію у всіх терикониках наближується до мінімальної промислової. Аналізуючи досвід мінералогії свіжих та перегорілих відвальних порід обґрунтована відсутність в них загальновідомих мінералів галію та германію (германіту, ренієріту, галіту та ін.) За результатами перевірки близькості іонних радіусів доведено досконалий ізовалентний ізоморфізм галію з алюмінієм та трьохвалентним залізом, а також досконалий та недосконалий гетеровалентний ізоморфізм германію з вищезгаданими елементами. Зазначені результати підтвердили наявність галію та германію у відвальних породах тільки у виді ізоморфних домішок до сульфідів та силікатів.

За результатами досліджень обґрунтовані два напрямки утилізації териконової породи з одержанням галію та германію. За першим передбачається одержання галію та германію із сульфідів, відділених від іншої відвальної породи методом флотації. Другий напрямок передбачає одержання цих металів з усієї відвальної породи шляхом біохімічного окислення наявного в ній піриту. Установлено, що для реалізації витягнення галію та германія з відвальної породи шляхом біохімічного окислення та вилуження необхідно провести попередній окисний випал, який зруйнує кристалічні решітки алюмосилікатів та підвищить розчинність елементів при ізоморфних заміщеннях (патенти України №№44988А, 52908А, 53848А).

За допомогою дослідження процесів горіння доведено, що у відвалах збільшується концентрація рухливої форми алюмінію. У зразках породи з палаючої частини териконика № 2 шахти "Кремінна-Західна" концентрація алюмінію збільшилася у 40 - 1000 разів у порівнянні з іншими частинами відвала. Установлено, що підвищення концентрації алюмінію пов'язане з хімічним та бактеріальним окисленням відвальної породи. Про це свідчить висока кислотність 40 відібраних зразків породи (рН до 1,9) і тісний зв'язок кислотності з вмістом рухливого алюмінію (коефіцієнт кореляції до 0,99); високий вміст сульфат-іона у водній витяжці (до 8%) і тісний зв'язок між останнім і вмістом рухливого алюмінію (коефіцієнт кореляції також 0,9). Отримані результати підтверджують доцільність вилучення з териконової породи алюмінію, тим більше, що у промисловості галій одержують з відходів виробництва алюмінію. Це пояснюється тим, що дані елементи близькі за своїми хімічними властивостями, а також мають майже однакові іонні радіуси. Останнє обумовлює заміщення іонів алюмінію іонами галію в кристалічних решітках основних промислових мінералів алюмінію, тобто одержанню галію у промисловості передує одержання алюмінію. Звільнений із силікатів глинозем (Аl2О3) перетворюється у розчинну сіль сірчаної кислоти, а потім, через зменшення кислотності, він випадає в осад Аl(ОН)3. Після нього в осад випадає гідроокис галію Ga(ОН)3. Доцільність вилучення алюмінію з териконової породи обґрунтована розрахунками (за відомими методиками) технологічної цінності відходів.

У загальному вигляді коефіцієнт технологічної цінності відходів (КТЦ) розраховується за виразом:

n1 n2

КТЦ = Ц1іd1і/Ц2kd2k,

i=1 k=1

де Ц1і і d1і - ціна і витрата ресурсів на виробництво продукції з відходів;

Ц2k і d2k - ціна і витрата ресурсів на виробництво тієї ж продукції з первинної сировини.

У якості порівняльної з відвальною породою сировини розглядаються безлужні алюмосилікати (каолініт).

Для виробництва А12О3 з алюмосилікатів кислотним способом потрібна сірчана кислота. Так як в розчинних солях алюміній, як тривалентний метал, зв'язує три одноосновні, кислотні радикали, то кількість допоміжного реагенту (сірчаної кислоти), необхідного для утримання 1 кг А12О3 у розчині має дорівнювати 2,9 кг. За результатами досліджень доведено, що для виробництва його з відвальної породи ця кількість кислоти не потрібна, бо процес руйнування кристалічних решіток алюмосилікатів відбувається під дією природної сірчаної кислоти, що утворюється при окислюванні піриту. Установлено, що у відвальній породі природним шляхом утворюються сульфати алюмінію. Відповідно, якщо порівнювати як сировину каолініт і відвальну породу, то при розрахунку КТЦ кількість сірчаної кислоти у витрати при виробництві сульфатів алюмінію з відвальної породи не включається. Аналізуючи досвід металургії, встановлено, що розкладання каолінітів і сульфатів алюмінію зв'язано з витратами тепла (каолініт - 990 ккал/кг, сульфат алюмінію - 2150 ккал/кг). З урахуванням ціни і витрати кількості ресурсів (сірчана кислота, вугілля) значення КТЦ дорівнює 0,55. Це показує, що спосіб одержання А12О3, а відповідно алюмінію з відвальної породи терикоників у 2 рази дешевший, ніж з каолініту. Отримані результати підтверджують доцільність вилучення з териконної породи алюмінію згідно патентів України №№ 34830А, 52904А, 52907А.

За результатами досліджень та досвіду утилізації відходів запропоновані дві принципові схеми комплексної безвідходної утилізації відвальної породи, які крім вилучення галію, германію та алюмінію з сульфідів та алюмосилікатів передбачають подальше отримання з відходів флотації та біохімічного окислення цегли та вугледобрив (рис. 2).

Рис. 2. Комплексна безвідхідна утилізація відвальної породи.

Якщо вміст органічної речовини перевищуватиме 12%, подрібнену породу доцільно використовувати як добриво, а за вмістом органіки до 10% - для виробництва цегли.

Таким чином, були вирішені третя та четверта задачі досліджень, і на основі отриманих результатів сформульоване третє наукове положення.

Розділ 6. Дослідження відновлення териконових ландшафтів за допомогою рекультивації їх поверхні

На основі аналізу досвіду рекультивації відвалів вугільних шахт встановлено, що гірничотехнічний етап рекультивації терикоників проводиться різними методами: з переформуванням відвалів у пласкі та створенням широких терас на їх відкосах; з переформуванням відвалів у пласкі, нанесенням родючого грунту на пласку верхівку (землюванням) та мікротерасуванням відкосів; з мікротерасуванням усієї поверхні конічних відвалів. При цьому перші два методи застосовуються часто без економічного й екологічного обґрунтування, яке визначає більш жорсткі умови вибору того чи іншого методу в залежності від стану відвала. Установлено, що переформування відвалів з метою їхнього гасіння та з послідуючою нарізкою широких терас потребує великих витрат сил і коштів і тому його слід використовувати лише при інтенсивному горінні відвалів. Доведено, що