Районирование техногенной наруигенности территории Восточного Донбасса на основе комплексного геоэкологического мониторинга :

Краткое описание

введение...4

1. краткий обзор и анализ состояния проблемы. постановка задачи и выбор направления исследований...8

1.1. Научно-теоретические основы мониторинга...8

1.2. Объекты, виды, направления и методы мониторинга...10

2. методика проведения исследований...20

2.1. Методы дистанционных исследований (МДИ)...20

2.2. Наземные геофизические и газо-химические исследования...22

2.3. Работы обще-геологического назначения...27

2.4. лабораторно-аналитические исследования...29

3. методология комплексного геоэкологического мониторинга

ТЕРРИТОРИЙ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ШАХТ...32

3.1. Принципы построения и реализации методики комплексного геоэкологического мониторинга...32

3.2. Разработка баз данных и технология их применения в комплексном геоэкологическом мониторинге...42

4. анализ и оценка техногенной нарушенности территорий ликвидируемых шахт восточного донбасса...51

4.1. Общая характеристика Восточного Донбасса...51

4.2 Оценка нарушенности подземных и поверхностных вод...57

4.3. Оценка загрязнения окружающей среды подземными газами...62

4.4. Деформация горного массива и её проявление в ландшафтах...70

4. 5. Оценка загрязнения покровных отложений и ландшафтной нарушенности окружающей среды...'...74

5. обоснование комплексов рациональных методов геоэкологического мониторинга ликвидируемых угольных шахт восточного донбасса...84

5.1. Методика рационального комплексирования...84

5.2. Примеры использования рациональных комплексов методов для

J

РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА...88

6. РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА ПО ОСОБЕННОСТЯМ СТРОЕНИЯ И СТЕПЕНИ ТЕХНОГЕННОЙ НАРУШЕННОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ...108

6.1. Геоморфологическое и структурно-тектоническое районирование Восточного Донбасса...108

6.2. Районирование ландшафтов по степени техногенной нарушенности... 111

6.3. Геохимическое районирование техногенных ландшафтов, потенциально опасных по отношению к ртутному загрязнению...119

заключение...127

литература...132

приложения...144
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее актуальных проблем Восточного Донбасса является неблагополучная экологическая обстановка, обострившаяся в связи с проводимой здесь широкомасштабной реструктуризацией угледобывающего комплекса и ликвидацией более 40 угольных шахт. На значительной части рассматриваемой территории, общей площадью около 10 тыс. км2, нарушено естественное состояние горного массива, ландшафта, подземных и поверхностных вод, приземного слоя атмосферы. В зоне влияния угледобывающего комплекса сформировались специфические, в том числе негативные в экологическом отношении процессы и явления, связанные с откачкой агрессивных подземных вод, вентиляционными выбросами токсичных и взрывоопасных газов, подработкой дневной поверхности, образованием шахтных отвалов и другими причинами производственного характера.

Ликвидация шахт на территории Восточного Донбасса привела к возникновению и развитию «вторичных» техногенных процессов, обусловленных закономерными тенденциями природной среды к достижению равновесного состояния в условиях прекращения общешахтного водоотлива, изоляции и затопления подземных горных выработок, вытеснения из техногенных пустот на поверхность рудничных газов, оставления породных отвалов и т.п.

Для изменения сложившейся ситуации необходимы, прежде всего, целенаправленные усилия по изучению и оценке наиболее значимых «вторичных» техногенных процессов и явлений, сопровождающих закрытие шахт, а также прогнозированию и заблаговременному предотвращению дальнейшего нарушения окружающей среды на территории Восточного Донбасса.

Исходя из изложенного, целью работы является районирование территории Восточного Донбасса по степени техногенной нарушенности окружающей среды

на основе многоуровневой системы геоэкологического мониторинга.

Поставленная цель предопределила необходимость решения следующих задач:

• провести анализ и обобщение данных о состоянии окружающей среды в пределах шахтных полей ликвидируемых горнодобывающих предприятий Восточного Донбасса;

• разработать методологические основы геоэкологического мониторинга с использованием типовых и рациональных комплексов методов наблюдения и оценки нарушенности территорий закрываемых угольных шахт;

• подготовить требования к первичным электронным базам данных и материалам отчетности с построением ситуационных геоэкологических моделей для отдельных участков шахтных полей Восточного Донбасса,

• провести районирование территории Восточного Донбасса по особенностям техногенной нарушенности, и прогнозирование потенциальной опасности загрязнения ландшафтов ртутью вблизи горящих и перегоревших шахтных отвалов.

В диссертации широко использованы методы натурных экспериментов, лабораторных исследований и аналитических построений, включая современные компьютерные технологии и разработки, в том числе, выполненные при непосредственном участии автора.

Научная новизна диссертационной работы заключается в обосновании методологии комплексного геоэкологического мониторинга, принципов рационального комплексирования методов для решения локальных задач мониторинга в зависимости от сложности горно-технических условий угледобычи и прогнозируемых экологических последствий ликвидации шахт. Впервые разработана принципиально новая схема процессов миграции углеводородных газов по техногенно-нарушенным зонам в горном массиве и создана концептуальная модель формирования «вторичных» газовых аномалий в почвах вблизи ликвидируемых шахтных стволов и выявлена тесная связь между газоносностью углей и содержанием в них ртути.

6 Практическая значимость выполненных исследований состоит в

разработке: универсальных принципов комплексирования методов геоэкологического мониторинга, используемых для составления рабочих проектов ТЭО ликвидации угольных шахт Восточного Донбасса; технологий проведения локального мониторинга шахтных полей, позволяющих существенно повысить достоверность экологических оценок и прогнозов; требований к исходным базам данных для оперативной оценки изменения состояния окружающей среды Восточного Донбасса.

Проведенные исследования в рамках данной работы позволили сформулировать следующие защищаемые положения:

• многоуровневая система геоэкологического мониторинга как основа районирования территории Восточного Донбасса по степени техногенной нарушенности окружающей среды;

• концептуальная модель миграции метана и других вредных и взрывоопасных газов из разведочных скважин при перебуривании угольных пластов, из эксплуатационных горных выработок при ведении горнопроходческих работ, в процессе ликвидации шахт методом затопления и в постликвидационный период;

• разделение территории Восточного Донбасса по комплексу приоритетных природных и антропогенных показателей на три геоэкологических района Северный, Центральный и Южный;

• прогнозируемая опасность загрязнения ландшафтов ртутью, эмиссия которой в окружающую среду происходит при извлечении, переработке, складировании, а также транспортировке угля и углепородных отходов.

Основные положения диссертации опубликованы в девяти научных работах. Основные результаты докладывались и представлялись на семи научно-технических семинарах, конференциях и совещаниях: Всероссийском научно-техническом семинаре «Геолого-экологическое обеспечение реструктуризации угольной промышленности» (г. Ростов-на-Дону, 1997 г.); X Всероссийском угольном совещании «Ресурсный потенциал твердых горючих ископаемых на рубеже XXI века» (г. Ростов-на-Дону, 1999 г); Всероссийском научно-

7

техническом семинаре «Проблемы комплексного освоения техногенных месторождений угольного ряда» (г. Ростов-на-Дону, 2000 г.); Международной конференции «Экологические проблемы при ликвидации шахт и разрезов» (г. Пермь, 2001 г.); Всероссийском научно-техническом семинаре «Научно -методическое обеспечение мониторинга угольных бассейнов и месторождений России» (г. Ростов-на-Дону, 2001 г.); Международной конференции по геотехнической механике (г. Днепропетровск, 2002 г.); Региональной конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (г. Ростов-на-Дону, 2004 г.).

При подготовке диссертации автор встречал постоянную поддержку директора ВНИГРИуголь, канд. геол.-мин. наук М.И. Логвинова, зав. Отделом геологии, информационных ресурсов и технологий, док. геол.-мин. наук Б.И. Журбицкого; сотрудников института ВНИГРИуголь - канд. геол.-мин. наук А. Е. Виницкого, А. И. Дымны, Г. К. Карасева, Г.Ю. Коломенского, Л.В. Гипич; профессора кафедры геоэкологии и прикладной геохимии РГУ, док. геол.-мин. наук Н.Е. Фоменко, доц. каф. месторождений полезных ископаемых РГУ, канд. геол.-мин. наук В.Г. Рылова. Большую помощь в оформлении работы оказали Мельникова О.А. и Борщова Н.П. Всем им автор искренне благодарен.

Особую признательность автор выражает научному руководителю зав. кафедрой физической географии, экологии и охраны природы РГУ, док. геогр. наук, профессору Ю.А. Федорову, а также док. геол.-мин. наук, профессору

Ю. П. Хрусталёву

,чьи помощь, участие, советы и поддержка сделали

возможным завершение данного исследования. Работа выполнена на кафедре физической географии, экологии и охраны природы при поддержке фанта НШ-1967.2003.5.

8

1. КРАТКИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Проблема внедрения в практику природоохранной деятельности комплексного геоэкологического мониторинга становится весьма актуальной в начале 90-х годов минувшего столетия, в связи с начавшимися в России широкомасштабными процессами реструктуризации угольной промышленности. После известного спада, возобновляются научные исследования экологического направления, появляется целый ряд законодательных, нормативных природоохранных актов [7, 8-10, 15-18, 24, 27, 29-36, 46-50, 53, 55, 67, 69, 70, 73-78, 83-84, 94], а также публикаций по методам и комплексам эко-мониторинга [3, ,6, 21, 28, 38, 39, 43, 58, 72, 88, , 108, 109], в том числе и с участием соискателя [22, 23, 62, 64, 102-104].

Однако общее состояние проблемы достоверной оценки состояния окружающей среды в геолого-промышленных регионах страны, в связи с массовым закрытием и ликвидацией угольных шахт, можно оценить в настоящее время на уровне не выше удовлетворительного. В число основных и недостаточно разработанных, входят, первую очередь вопросы научно-методического обеспечения комплексного экологического мониторинга районов ликвидируемых угледобывающих предприятий. Решению этой проблемы применительно к условиям реструктуризации угледобывающего комплекса Восточного Донбасса и посвящено настоящее диссертационное исследование.

1.1. Научно-теоретические основы мониторинга

Наиболее действенным и эффективным инструментом оценки изменений окружающей среды (ОС) под воздействием масштабных техногенных нагрузок является экологический мониторинг.

В соответствии с решением Стокгольмской международной конференции (1972), мониторинг окружающей среды представляет собой комплексную систему наблюдений, оценки и прогноза изменений её состояния иод

9

влиянием антропогенных (техногенных) факторов.

Основные требования к мониторингу и охране ОПС при производстве геологоразведочных и эксплуатационных работ содержатся в федеральных законах "О недрах" и "Об охране окружающей среды" [24, 24а], а также в ряде законодательных актах по охране атмосферного воздуха, земельных и водных ресурсов, животного и растительного мира [15-18, 27, 55].

Приоритетные направления природно-охранной деятельности определены постановлением Правительства РФ № 1229 от 24.11.1993 г. и положением "О единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) [62] и указом Президента РФ № 236 от 04.02.1994 г. "О государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития" и «Экологической доктриной РФ от 2002 г. [94].

Помимо перечисленных основных федеральных законов и законодательных актов, общим вопросам охраны окружающей среды посвящены многочисленные отраслевые инструкции министерств и ведомств, всевозможные "эталоны" и технические условия (ТУ), требования ГОСТов, а также научно-методические и учебные пособия и рекомендации, общее количество которых приближается к пятистам (в том числе, по общим вопросам экологии -50, охране вод - 90, воздуха - 75 и т.д.).

В тоже время, большинство специалистов признают недостаточным уровень научно-методического обеспечения мониторинга угольных бассейнов и месторождений России, особенно при проведении реструктуризацион-ных мероприятий [21].

В этой связи представляется целесообразным модернизировать существующую научно-методическую базу геомониторинговых исследований, дифференцировав её по уровню мониторинга (глобальный, региональный, локальный), по стадиям разведки, освоения, консервации и ликвидации угольных месторождений, по перечню обязательных для изучения и оценки параметров изменения окружающей среды, а также по объектам, видам и на-

ю правлениям мониторинга.

1.2. Объекты, виды, направления и методы мониторинга

В настоящее время, в соответствии с действующим законодательством, установлены следующие объекты мониторинга, подлежащие охране от загрязнения, порчи, повреждения, истощения и разрушения: 1) недра, 2) земли, 3) поверхностные и подземные воды, 4) атмосферный воздух, 5) леса и иная растительность, 6) животный мир и микроорганизмы, 7) природные ландшафты, 8) техногенная инфраструктура, 9) здоровье людей.

Перечисленным объектам соответствуют определенные виды мониторинга - мониторинг недр, земельный, гидросферный, атмосферный, биосферный, ландшафтный, техногенный, медицинский, которые, в свою очередь, могут иметь дополнительные разветвления в зависимости от целевого назначения и направлений проводимых исследований.

При решении задач, связанных с оценкой реально сложившихся или ожидаемых изменений окружающей среды в связи с проводимой реструктуризацией угледобывающего комплекса, основным видом геомониторинтовых исследований является Государственный мониторинг состояния недр (ГМСН) Российской Федерации, положение о котором утверждено приказом МПР РФ №433 от 21.05.2001 [63].

ГМСН включает в себя следующие основные направления:

1. Горно-экологический мониторинг (ГЭМ);

2. Мониторинг эндогенных геологических процессов (МЭГП);

3. Мониторинг подземных вод (ГМПВ);

4. Мониторинг подземных газов (МПГ).

В угледобывающих регионах для государственного мониторинга состояния недр в качестве целевых объектов изучения и оценки техногенной нарушенности выступают:

- угольные пласты и массивы углевмещающих пород;

- отвалы шахтных и фабричных пород, товарные склады полезных ископаемых, шламо- и хвостохранилища;

и

- шахтные, подземные, поверхностные воды, автономные водозаборы подземных вод, пруды-отстойники, накопители сточных вод, сбросы дренажных и сточных вод в поверхностные водотоки и водоемы;

- шахтные газы, газы приповерхностной атмосферы, воздух и газы в помещениях, газо-аэрозольные и пылевые выбросы из вентстволов;

- газовые и пылевые выбросы, продуцируемые террикониками;

- ландшафты горного предприятия и горного отвода, объекты производственной и жилой застройки, объекты инфраструктуры;

- открытые (траншеи, разрезы) и подземные (шахты, штольни, шурфы) горные выработки;

технологические (вентиляционные) скважины;

- фильтрационные завесы, охранные целики, создающиеся на сопряжении работающих и ликвидируемых шахт;

- участки рекультивации отвалов угледобычи и углеобогащения;

- зоны опасных инженерно-геологических процессов, сформировавшиеся под воздействием подземной выемки углей;

- сооружения по инженерной защите объектов поверхностной инфраструктуры от негативного воздействия "вторичных" явлений, связанных с затоплением шахт и подтоплением территорий.

Каждый из вышеуказанных объектов мониторинга обладает своей предметной областью, множеством параметров, признаков и подлежащих измерениям характеристик.

С учетом специфики объектов, предметов, факторов негативного техногенного влияния, для территорий закрываемых угольных шахт Восточного Донбасса в качестве основных выступают следующие виды горно-экологического мониторинга:

1) гидромониторинг;

2) газовый мониторинг;

3) мониторинг техногенной нарушенности горного массива (динамический мониторинг);

12

4) другие виды мониторинга (мониторинг загрязнения ОС, биомониторинг, мониторинг земельных ресурсов и др.).

В соответствии с перечисленными видами горно-экологического мониторинга производится сбор, анализ и обобщение фактических данных о негативных техногенных процессах и нарушениях компонентов окружающей среды в пределах контролируемых шахтных полей (табл. 1.1):

-данные о самоизливах на поверхность минерализованных и токсичных вод, загрязнениях наземных водоемов, подтоплениях подвалов почв, и т.д.;

-сведения о миграции на поверхность метана и дугих горючих и токсичных газов;

-материалы по нарушениям массивов горных пород, деформациям и провалам земной поверхности, фундаментов строений;

-данные по химическому, биохимическому, радиационному загрязнению вод, приземного слоя воздуха, грунтов и почв в районах действующих и ликвидируемых шахт.

-другие негативные процессы и явления, вызванные техногенной деятельностью.

Таблица 1.1.

Направления комплексного мониторинга в зависимости от характера экологической нарушенности окружающей среды

Виды мониторинга Направления мониторинга Негативные процессы и явления Задачи, подлежащие решению в процессе мониторинга

1 2 3 4

Гидромониторинг Мониторинг уровней шахтных и подземных вод. Перетоки воды из закрытых шахт в работающие. Поступления воды на поверхность, в колодцы и водозаборы. Изучение положения уровней вод - шахтных, подземных и грунтовых. Оценка динамики уровней.

1 2 3 4

Гидромониторинг Мониторинг подтоплений грунтов и почв. Подтопления грунтов и почв Подтопления строений. Разрушения оснований и строений. Подтопления источников водоснабжения. Определение контуров и площадей подтоплений. Изучение состояния оснований и фундаментов строений. Оценка состояния гидротехнических сооружений

Мониторинг динамики подземных и поверхностных вод. Катастрофические затопления горных вы-работк. Катастрофические наземные сбросы шахтных и подземных вод. Изучение динамики и объемов перетоков в шахтах. Измерения объемов изли-ва воды на поверхность, оценка динамики.

Гидрохимический мониторинг вод. Химическое и бактериальное загрязнение колодцев , водозаборов, подземных и поверхностных водотоков и водоемов. Изучение гидрохимии вод в горных выработках, скважинах, колодцах, водозаборах. Гидрохимические и био-химиические исследования вод, изливающихся на поверхность.

Газодинамический мониторинг в горных выработках. Постоянные сбросы и залповые выбросы метана и токсичных газов в горные выработки и помещения. Газодинамические исследования в горных выработках, скважинах, углубленных помещениях и вблизи террикоников.

Газовый мониторинг Мониторинг качества воздуха, токсичных и взрывоопасных газов в жилых и производственных помещениях. Взрывоопасные и пожароопасные скопления метана в подземных и выходящих на поверхность горных выработках. Взрывоопасные и пожароопасные скопления метана, в подвалах, жилых и производственных помещениях. Газовые съемки в подвальных помещениях шахтерских поселков. Изучение состава газов, выходящих на поверхность из горных выработок. Газовые измерения в вентиляционных скважинах и стволах.

Мониторинг загазованности покровных отложений. Скопление и перетоки газов из флюидопрово-дящих зон в заброшенные горные выработки и покровные отложения. Изучение газосодержания покровных отложений.

14

1 2 3 4

Мониторинг компонентов газов (метан, токсичные газы, радиоактивные эманации и др.) Взрывоопасные концентрации метана (4-10 %), опасные снижения содержаний кислорода (менее 17 %), токсичные содержания в воздухе угарного газа, радона, сероводорода и др. газов. Изучение относительных содержаний опасных компонентов газов, расчет корреляционных связей и зависимостей для прогноза.

Динамический мониторинг Мониторинг сдвижений в массиве пород и микроземлетрясений, Линейные смещения, разрывы и разрушения объектов инфраструктуры, зданий и сооружений. Морфометрические измерения сплошности техногенных объектов, выявление нарушений.

Мониторинг просадок и осадок, провалов, деформаций покровных отложений, Просадки и осадки грунтов, растрескивание несущих конструкций. Зоны трещиноватости, ослабление несущей способности грунтов, дренаж и накопление подземных вод. Морфометрия дневной поверхности, выявление приповерхностных зон трещиноватости и обводнения.

Мониторинг деформаций оснований инженерных сооружений Снижение прочности фундаментов, частичные и полные разрушения строений, сооружений Изучение изменений прочностных свойств оснований сооружений, выявление аномалий в грунтах оснований и фундаментах.

Другие виды мониторинга Мониторинг ландшафтного загрязнения, Разрушения традиционных ландшафтов, усиление экзогенных процессов, эстетический дискомфорт. Морфометрия и фотометрия ландшафтов, оценка и прогноз экзогенных процессов.

Мониторинг породных отвалов. Загрязнения территорий отвальными породами, их производными (загрязнение породное, механическое, химическое, газовое) Оценка форм и объемов перемещенных горных масс, количества и состава загрязняющих компонентов.

15

1 2 3 4

Мониторинг химического, теплового, биохимического загрязнения почв и грунтов. Химическое, биохимическое, тепловое загрязнение грунтов, почв и горных пород. Изучение и оценка состояния грунтов и почв, прогноз процессов переноса в биосферу

Радиохимический мониторинг. Повышенный радиационный фон. Наземная радиометрия, газовая эманометрия.

На основе анализа и обобщения данных [1, 2, 4, 5, 11-13, 19, 25, 26, 40, 44, 80, 81, 92, 98] и табл. 1.1 производился выбор типовых методов наблюдения, контроля и оценки состояния окружающей среды, включающие систему сбора, обобщения, оценки и передачи информации о реальных или ожидаемых вредных последствиях хозяйственной деятельности.

В настоящее время в процессе геоэкологических наблюдений и прогнозных оценок изменения параметров ОС, нарушаемых функционированием угледобывающего комплекса, используются десятки методов, которые входят в компетенцию ГЭМ. Эти методы, являющиеся по своей сути типовыми, могут быть сгруппированы следующим образом:

1.Методы дистанционных исследований (МДИ);

2.Специализированные геофизические и газометрические исследования (СГГИ);

3.Работы обще-геологического назначения (РОН) - картографические, эколого-геохимические, геоморфологические, инженерно-геологические и

др.;

4.Лабораторно-аналитические исследования (ЛАИ).

Методы дистанционных исследований. Сводные данные по использованию МДИ для получения информации о геоэкологических изменениях ОС в пределах территорий угольных бассейнов и месторождений, содержатся в монографии Н.Н. Погребнова и Д.П. Позднышевой [61].

Использование МДИ при решении природоохранных задач основыва-

16

ется на их комплексной интерпретации, включающей методы ландшафтно-индикационного анализа, приемы инструментального дешифрирования, оптической и автоматизированной обработки данных.

Применительно к задачам регионального экологического мониторинга МДИ могут проводиться для трех групп объектов: объекты, отражающие в видимой зоне спектра, объекты, отражающие в невидимой зоне спектра, объекты проявляющиеся в геофизических полях.

Объекты, отражающие в видимой зоне спектра. Снимки* сделанные по этой методике, имеют высокую разрешающую способность, небольшие геометрические искажения, что, наряду с простотой восприятия изображения, способствует широкому использованию методов аэрокосмической съемки (МАКС) при геоэкологических исследованиях;

Объекты, отражающие в невидимой зоне спектра (инфракрасном, радиотепловом, ультрафиолетовом диапазонах излучении). Использование материалов этой группы дает возможность получения в пределах однородных природно-территориальных комплексов характеристик, непосредственно отражающих изменения температуры и