Шолоховский угленосный район является наиболее молодой частью Восточного Донбасса, но и для него характерно проявление большинства негативных явлений, связанных с угольной промышленностью. Формируются такие отрицательные последствия, как техногенная трещиноватость пород, осушение массивов пород, проседание земной поверхности и т.п. А после ликвидации угольных шахт (преимущественно путем затопления) добавились новые негативные явления [1, 2]: образование мощных потоков загрязнения воздушной, водной и геологической сред, выделение «мертвого воздуха», подтопление территорий, деформация зданий и сооружений [3, 4]. Аналогичные негативные последствия характерны для всего Восточного Донбасса [5] и многих угольных бассейнов мира [6–8]. В данной работе выполнена оценка реального качества шахтных и грунтовых вод Шолоховского угленосного района относительно требований к ПДК по нормативам США, ЕС, ВОЗ и РФ [9, 10], которые приведены в табл. 1.

Цель исследования: оценить роль угольной промышленности в формировании загрязнения шахтных и грунтовых вод относительно российских и зарубежных нормативов в Шолоховском, наиболее молодом угленосном районе Восточного Донбасса. Предыдущие исследования показали, что воды всего Восточного Донбасса и особенно в наиболее старой части бассейна (Шахтинский угленосный район) характеризуются очень высокой степенью загрязнения [1, 3, 4].

Материалы и методы исследования

Для характеристики химического состава шахтных и грунтовых вод применены методы математико-статистического анализа данных (оценка среднего арифметического, медианы, минимального и максимального значений, среднеквадратического случайного отклонения). В качестве основного метода оценки загрязненности воды использована широко применяемая в геохимии и геоэкологии оценка степени загрязнения вод, почв, грунтов, донных осадков и т.п. по коэффициенту концентрации и суммарному показателю загрязненности (СПЗ) [1, 3]. Выделены категории степени загрязненности воды и окружающей среды (табл. 2). Так как шахтные воды оказались очень мощным загрязнителем, то помимо обычных категорий загрязненности (норма, риск, кризис и бедствие) дополнительно введена категория «катастрофа». Для категории «норма», когда концентрации загрязняющих компонентов ниже ПДК, значение суммарного показателя должно быть меньше 2; далее границы категорий установлены с кратностью 8: 2*8 = 16, 16*8 = 128 и т.д. (табл. 2).

Коэффициент концентрации i-го компонента рассчитывается по следующей формуле:

KiC = Ci/CПДК,

где Ci – концентрация компонента, CПДК – предельно допустимая или фоновая концентрация компонента.

Таблица 1

Требования к ПДК

Примечание. Знак «–» обозначает отсутствие норматива по ПДК; М – минерализация вод.

Степень загрязненности воды и окружающей среды по n компонентам оценивается по суммарному показателю загрязненности (СПЗ):

Z_C = ∑_i K_iC – (n – 1).

Категории загрязненности воды и окружающей среды приведены в табл. 2.

Суммарный показатель загрязненности дает возможность оценивать качество химического состава любых типов вод (атмосферные, поверхностные, подземные, техногенные) относительно любых нормативных показателей (питьевые, рыбохозяйственные, требования СанПиН, СНиП, ВОЗ, США, ЕС и др.), по набору любых компонентов. В табл. 2 приведены значения предельно допустимых концентраций (ПДК) по различным нормативам, которые использованы в настоящей работе: ПДК к питьевым водам по нормам Агентства по охране окружающей среды США (U.S.EPA); ПДК по Директиве Европейского Союза (ЕС) по качеству питьевой воды, предназначенной для потребления человеком; по ПДК Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), по нормативу к ПДК питьевых вод РФ [9] и рыбохозяйственных [10].

Качество шахтных вод

В Шолоховском, наиболее молодом угленосном районе Восточного Донбасса, находятся десятки работающих и ликвидированных угольных шахт, обогатительных предприятий, терриконов, прудов-отстойников и очистных сооружений, которые оказывают довольно существенное негативное влияние на состояние окружающей среды, особенно на загрязнение вод. Шахтные воды района в среднем по составу сульфатные магниево-натриевые (табл. 3), с минерализацией 5 г/л и концентрацией сульфат-иона 2,2 г/л.

Оценка качества шахтных вод по величине суммарного показателя загрязненности (СПЗ) приведена в табл. 4. Наиболее высокое загрязнение отмечено для концентраций Fe и Mn, а также для SO₄^-2, M, Na⁺¹, Mg⁺² и Cl^-1. Следовательно, при разработке очистных технологий необходимо добиться прежде всего снижения концентраций указанных компонентов.

Относительно требований к водам питьевого назначения по нормативам США, ВОЗ и РФ шахтные воды района относятся к категории «кризис», а по нормативам ЕС к категории «бедствие». Относительно требований к водам рыбохозяйственного водопользования качество шахтных вод принадлежит к категории «бедствие».

Необходимо отметить, что шахтные воды Шолоховского угленосного района характеризуются относительно невысоким уровнем загрязнения по сравнению с другими районами Восточного Донбасса, например в Шахтинском угленосном районе величина СПЗ соответствует категории «катастрофа».

Качество грунтовых вод

При завершении процесса массовой ликвидации угольных шахт в Восточном Донбассе началось формирование потока вод из горных выработок во вмещающие породы и образование мощных ореолов загрязнения грунтовых вод. В табл. 5 приведены параметры распределения концентраций макрокомпонентов грунтовых вод Шолоховского района. В среднем по составу это сульфатные магниево-натриево-кальциевые воды (табл. 3), минерализация которых может достигать 4,6, а концентрация сульфат-иона – 2,4 г/л.

Таблица 2

Категории загрязненности воды и окружающей среды

Таблица 3

Средний состав шахтных и грунтовых вод ( %-моль)

Таблица 5

Химический состав грунтовых вод (макрокомпоненты, мг/л)

Примечание. X – среднее арифметическое, Me – медиана, Max и Min – максимальное и минимальное значения, S – стандартное отклонение.

Оценка степени загрязненности грунтовых вод Шолоховского угленосного района приведена в табл. 6. По требованиям к питьевым водам грунтовые воды отнесены к категории «риск» по нормативам США, ВОЗ и РФ, а по требованиям ЕС – к категории «кризис». Относительно рыбохозяйственных вод грунтовые воды принадлежат к категории «кризис».

Наиболее интенсивное загрязнение грунтовых вод установлено для Fe и Mn, а также для SO₄^-2, Na+1, Mg+2 и M. Все эти компоненты отмечены в повышенных концентрациях в шахтных водах, и это свидетельствует о том, что шахтные воды являются главным загрязнителем грунтовых.

Таблица 6

Оценка качества грунтовых вод Шолоховского угленосного района

Заключение

Выполнен анализ степени загрязненности шахтных и грунтовых вод в наиболее молодом Шолоховском угленосном районе Восточного Донбасса. При функционировании и ликвидации угольных шахт интенсивно развиваются процессы выщелачивания, окисления и растворения горных пород и особенно серы и сульфидов, содержание которых в углях и породах достигает 4–5 % [2]. В этих условиях начинается формирование высокоминерализованных шахтных вод, в которых отмечены наиболее высокие коэффициенты концентрации для Fe и Mn, для ПДК питьевых вод они составляют десятки раз. Именно эти компоненты выводят качество шахтных вод по суммарному показателю в разряд «бедствие». Далее следует отметить высокие превышения ПДК для концентраций SO₄^-2 , Mg+2 , Na+1, Cl-1 и величины минерализации.

Наиболее интенсивными загрязнителями грунтовых вод в районе являются Fe и Mn, по которым коэффициенты концентрирования достигают десятков раз (табл. 6); превышают ПДК концентрации SO₄^-2, Cl-1 , Mg+2, Na+1 и величина M. В изученном Шолоховском угленосном районе началось формирование потоков загрязнения грунтовых вод, среди которых встречаются воды с минерализацией до 4,6 и концентрацией сульфат-иона 2,4 г/л (табл. 5). Аналогия основных компонентов загрязнения шахтных и грунтовых вод убедительно свидетельствует, что именно шахтные воды являются главным источником загрязнения грунтовых. Уровень загрязненности шахтных и грунтовых вод Шолоховского угленосного района свидетельствует о необходимости выполнения мониторинговых наблюдений, принятия мер по реабилитации состояний окружающей среды и совершенствования очистных технологий. При разработке очистных технологий для шахтных вод необходимо, прежде всего, добиваться снижения концентраций Fe и Mn, а также SO₄^-2, Mg+2, Na+1 и величины минерализации (M).