ОЦЕНКА ЕСТЕСТВЕННОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ КИСЛЫХ ШАХТНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ КОСПАШСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КИЗЕЛОВСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА

Аннотация

Закрытие шахт Кизеловского угольного бассейна и прекращение работы водоот- ливов повлекло постепенное восстановление уровней визейско-башкирского (C v-C b) 1 2 водоносного горизонта и образование ряда восходящих источников, как с чистыми, так и загрязненными водами [1, 2]. В естественных ненарушенных условиях данный гори- зонт отделён от распространенного ниже водоносного комплекса угленосной толщи водоупорной пачкой битуминозных незакарстованных пород. В зонах крупных разрыв- ных нарушений указанный водоупор нарушается и рассматриваемые гидрогеологиче- ские подразделения оказываются гидравлически связанными [2]. Вследствие гидравли- ческой связи с трещинно-карстовыми водами надугольного карбонатного комплекса шахтные воды, при более высоком уровне относительно подземных вод, проникают в горизонты трещинно-карстовых вод и загрязняют их [1]. Слагающие верхневизейский подъярус карбонатные породы способствуют нейтрализации кислых шахтных вод. С целью оценки масштабов нейтрализации рассмотрены восходящие источники № 29 и № 31, которые в ранее выполненных исследованиях [1, 2] характеризуются как источники экстремально загрязнённых подземных вод. Их разгрузка происходит на участках рельефа, приуроченных к долинам рек Полуденный Кизел и Восточный Ки- зел, в местах выхода на поверхность карбонатных пород визейского яруса. Кислота, полученная при окислении пирита, может нейтрализоваться реакцией с кальцитом СаСО , доломитом CaMg(CO ) и другими карбонатными минералами. Рас- 3 3 2 52 ----------------------- Page 53----------------------- творение кальцита и доломита шахтными водами приводит к повышению величины рН - - 2+ 2+ и концентрации щелочных компонентов (HCO3 , OH ), а также Сa и Mg в шахтных водах в соответствии со следующими реакциями [4, 6, 7]: CaCO + 2+ 3- 3 + H ↔ Ca + HCO (1) + 2+ CaCO + 2H ↔ Ca + CO + H O (при низких рН) (2) 3 2 2 + 2+ 2+ - CaMg(CO ) + 2H ↔ Ca + Mg + 2HCO (3) 3 2 3 - 2+ - - CaCO + H O → Ca + HCO + OH (4) 3 2 3 - + HCO + H ↔ H CO ↔ H O + CO (5) 3 2 3 2 2 Повышение рН в результате этих реакций приводит к осаждению металлов в форме гидроксидов, оксигидроксидов и карбонатов [3, 5]. Согласно исследованиям [6, 7] при нейтрализации шахтных вод в известняковых дренажных системах без доступа кислорода по мере увеличения рН до почти нейтраль- ных значений концентрации растворенных Fe3+, Al3+ и других металлов в шахтных во- дах обычно снижаются из-за их осаждения или адсорбции, однако концентрации SO42-, Fe2+ и Mn2+, как правило, не изменяются. В настоящем исследовании были изучены и обработаны результаты химических анализов проб шахтных вод (шурф 2-бис, ш. Коспашская), незагрязненных (скважина № 5) и загрязненных (групповые восходящие родники № 29 и № 31) подземных вод ви- зейско-башкирского водоносного горизонта. Расположение водопунктов представлено в опубликованных работах [1, 2]. Исходными данными послужили результаты гидро- химического мониторинга Кизеловского угольного бассейна за 2009-2013 гг., выпол- ненные МНИИЭКО ТЭК. Усредненный химический состав подземных и шахтных вод по отдельным водопунктам представлен в таблице. Таблица Химический состав подземных и шахтных вод Водопункт Содержание, мг/дм3 pH (кол-во проб) С.О. SO4 HCO3 Ca Mg Na K Fe Al Mn Скважина 5 7,8 170,86 36,71 165,53 35,42 11,50 2,72 0,29 0,09 0,05 0,001 (7) Родник 29 5,26 10385,0 5602,5 288,88 415,71 459,68 9,37 20,60 1804,26 7,22 30,23 (12) Родник 31 6,26 5954,7 2870,7 596,88 566,81 345,85 9,66 16,04 862,69 1,96 18,39 (8) Шурф 2-бис 3,39 10835,0 4521,1 - 311,65 318,67 7,27 37,58 2644,7 7 1,29 34,72 (10) Воды указанных восходящих источников характеризуются слабокислой реакци- ей среды со средним значением pH=5,7. При этом вода в роднике № 29 более кислая (рН =5,3), чем в роднике № 31 (рН =6,3). Воды родников характеризуются близким ср ср составом с шахтными водам ш. Коспашская, в то же время они отличаются наличием - НСО , который отсутствует в шахтных водах. При этом концентрации гидрокарбона- 3 тов в родниках значительно превышают их концентрации в незагрязненных подземных водах (табл.). Содержание Ca2+ в водах обоих родников и содержание Mg2+ в роднике № 29 зна- чительно выше, чем в шахтных и чистых подземных водах. Повышенные концентрации - 2+ 2+ НСО , Са и Mg свидетельствуют о более интенсивном растворении кальцита и до- 3 ломита кислыми водами. В роднике № 29 концентрации Mn2+ и SO42- сопоставимы с шахтными водами. При разбавлении шахтных вод подземными водами визейско- 53 ----------------------- Page 54----------------------- башкирского горизонта концентрация вышеперечисленных компонентов снизилась бы значительно. В роднике № 31 содержание SO42- и Mn2+ ниже, чем в рассматриваемых шахтных водах ш. Коспашская, что может свидетельствовать как о большей степени нейтрализации и выпадении этих компонентов из раствора, так и о разбавлении. Одна- - 2+ ко, высокие концентрации НСО и Сa противоречат предположению о существенном 3 - 2+ влиянии разбавления, т.к. в этом случае концентрации НСО и Сa также бы умень- 3 шились. Содержание Feобщ в обоих источниках остается высоким, но в целом ниже, чем в шахтных водах. Концентрация Al в источниках снижается на порядок по сравнению с шахтными водами. Таким образом, анализ гидрохимических данных позволяет предполагать, что рассмотренные источники представляют собой разгрузку шахтных вод, поступаюших из горных выработок, подвергшихся различной степени нейтрализации при фильтрации в карбонатных породах. При этом их разбавление незагрязненными водами визейско- башкирского горизонта на данных участках незначительно. - 2+ 2+ Для определения возможной величины рН и концентрации НСО , Са , Mg , 3 Feобщ. и SO42- при разбавлении шахтных вод незагрязненными водами визейско- башкирского горизонта было выполнено моделирование смешивания в различных пропорциях с использованием геохимического кода PHREEQC 3.0. При моделировании учитывались данные химических анализов шахтных и подземных вод, отобранных 14.06.2012 г. - На графиках (рис. 1) показаны изменения величины рН и концентрации НСО3 , 2+ 2+ 2 Са , Mg , Feобщ и SO4 , полученные в результате моделирования смешивания шахтных и подземных вод. На графике 1а можно видеть, что величина рН достигает значений 5,3-6,3, соответствующих тем, что определены в исследуемых источниках, только при разбавлении шахтных и незагрязненных подземных вод в пропорции более, чем 1 : 9. При таком разбавлении концентрации рассмотренных компонентов оказываются зна- чительно ниже, чем наблюдаемые в источниках (табл.). Рис. 1. Моделирование смешивания шахтных и подземных вод 54 ----------------------- Page 55----------------------- Анализ гидрохимических данных и выполненного моделирования смешивания позволяют утверждать, что формирование химического состава вод источников № 29 и № 31 происходит в большей степени за счет растворения карбонатных минералов кис- лыми шахтными водами и в меньшей степени за счет разбавления шахтных вод под- земными водами визейско-башкирского водоносного горизонта. При взаимодействии шахтных вод с карбонатными породами увеличивается рН раствора (до около ней- тральных значений), содержание Ca, Mg и HCO , снижаются концентрации Al, Fe , 3 общ Mn и ряда микрокомпонентов, в том числе тяжелых металлов.