Лаборатория геологии техногенных процессов
Максимович Н.Г. Возможное развитие негативных процессов при использовании пород шахтных отвалов в строительстве // Повышение эффективности природоохранных работ в угольной промышленности: Материалы Всесоюз. науч.-техн. конф.- Пермь, 1987.-С.114-118. /0,3/
ВОЗМОЖНОЕ РАЗВИТИЕ НЕГАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПОРОД ШАХТНЫХ ОТВАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Н. Г. Максимович
Вопрос об использовании пород отвалов угольных шахт в строительстве следует решать только после исследования их физико-химической активности. Неучет этой характеристики может привести к развитию опасных инженерно-геологических процессов. В ряде угольных бассейнов породы отвалов имеют специфические геохимические особенности: высокое содержание серы, органического вещества и других подвижных химических соединений. Например, в Донецком и Подмосковном бассейнах среднее содержание серы составляет 3,5%, Кизеловском — до 7%. В термодинамических условиях земной поверхности активизируются процессы окисления и химического разложения угленосных пород, в результате чего происходит загрязнение окружающей среды: повышается концентрация сульфатов, железа, соединений азота и др., снижается водородвый показатель поверхностных и подземных вод. При использовании пород отвалов в строительных целях вблизи бетонных конструкций наибольшую опасность представляет возможность формирования агрессивных к бетону кислых сульфатных вод.
Примером может служить одна из крупных промышленных площадок в г. Губахе Пермской области. В процессе строительства здесь отсыпались террасы с использованием пород отвалов шахт Кизедовского угольного бассейна. Породы применялись без предварительной оценки их физико-химической активности. Проведенное здесь комплексное изучение инженерно-геологических условий включало режимные гидродинамические и гидрохимические наблюдения, геофизические исследования методами электроразведки (вертикальное электрическое зондирование, симметричное электропрофилирование, метод заряженного тела), микробиологическое опробование подземных вод, лабораторное исследование состава грунтов (рентгеноструктурный анализ, описание шлифов, валовый химический и шлифовый анализы, электронно-микроскопические исследования и др.), исследование в статических и динамических уоловиях перехода в раствор подвижных компонентов пород отвалов. Выполнен также анализ материалов инженерных изысканий ВерхнекамТИСИза.
Промышленная площадка расположена в средней части склона долины реки с уклоном 5—6°. В процессе подготовки к строительству на площадке сформированы 5 террас, представляющих собой полунасыпи-полувыемки. Сверху залегают насыпные грунты, которые представляют собой щебень, дресву и глыбы, перемешанные с глиной и суглинком, мощностью 0,2—11,0 м. Насыпи формировались из грунта (глины, суглинки), перемещенного в пределах самой площадки, и привезенных пород отвалов (ш.«Ключевская», «Первомайская»), как горелых, так и негорелых, со значительным содержанием угля. Под насыпными грунтами залегают делювиальные отложения, представленные в основном глиной с включением щебня, дресвы и глыб песчаника, мощностью до 16 м. Обломочный материал распределен неравномерно по площади и глубине. Элювий (глина с включением щебня и дресвы коренных пород) имеет мощность более 10 м. Каменноугольные породы — алевролиты, аргиллиты, реже песчаники и известняки, падают под углом 20—50° в восточном направлении.
На исследуемой площадке выделяются три достаточно изолированных водоносных горизонта с низкой водообильностью. Водоносный горизонт, сформировавшийся в насыпных грунтах, залегает на глубине от 0 до 7,0 м. Водовмещающими являются породы шахтных отвадов, водоупорными — нижележащие делювиальные отложения. Коэффициенты фильтрации более глинистых разностей составляют 0,1—0,01 м/сут, менее глинистых — 10 м/сут и более. Второй от поверхности водоносный горизонт на глубине 5—13 м приурочен к элювиально-делювиальный отложениям, которые характеризуются низкими коэффициентами фильтрации (0,1—0,01 м/сут ). Относительным водоупором служат менее водопроницаемые породы нижней части элювиальных отложений, в естественных условиях (1974 г.) минерализация воды составляла 0,1—0,2 г/л, состав вод сульфатно-кальциевый и сульфатно-натриевый. В настоящее время происходит загрязнение в результате перетекания вод верхнего водоносного горизонта. Трещинно-пластовые ненапорные воды коренных пород имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав с минерализацией 0,2—0,7 г/л. Коэффициенты фильтрации 0,1—1 м/сут.
Наибольший интерес с точки зрения безопасности эксплуатации сооружений на промышленной площадке представляют воды водоносного горизонта насыпных грунтов. Установлено, что уровень подземных вод находится выше глубины заложения фундаментов на 1—3,5 м. Отмечается тенденция к его подъему. Воды сульфатно-кальциевого состава с минерализацией до 2,8 г/л. Содержание сульфатов достигает 1,7 г/л, водородный показатель в ряде случаев снижается до 4,1. Согласно СНиП 2.03.11—85, такие воды обладают сильной степенью сульфатной и общекислотной агрессивности к бетону. Прочность бетона в зоне коррозии в таких условиях падает более чем на 20% в год.
В водах обнаружены сероокисляющие тионовые микроорганизмы, значительно интенсифицирующие процессы разложения пород и обогащения вод сульфатами. Известно, что скорость бактериального окисления дисульфида железа в сотни тысяч - миллионы раз выше скорости химического окисления.
Использованные на площадке породы характеризуются преимущественно олигомиктово-кварцевым составом, в незначительных количествах в них присутствуют обломки полевых шпатов, кремнистых пород, пластинки слюды. Сера содержится в виде пирита, органических соединений, гипса, реже марказита. В угленосных отложениях встречаются две генерации пирита. К первой относится пирит в виде таблитчатых кристаллов и микроконкреций, в краевых частях которых наблюдаются каемки марказита. Вторая генерация пирита представлена в основном крупными агрегатами, заполняющими поровые промежутки и участки цемента базального типа. Сера входит также в состав углей. Она представлена двумя разновидностями — пиритной и органической. В песчаниках встречаются сульфаты в виде лучистых агрегатов гипса.
При формировании каменноугольных отношений Кизеловского угольного бассейна происходила частая смена обстановок осадконакопления, как по площади, так и во времени, что предопределило существенную литологическую неоднородность толщи. Это отразилось на геохимической неоднородности пород шахтных отвалов. Рентгеноструктурный и шлиховый анализы пород, отобранных на площадке, показали, что в породах присутствуют гипс, пирит, гематит и окислы железа, углистое вещество, кварц, ярозит.
Для выявления физико-химических закономерностей формирования подземных вод в насыпных грунтах были выполнены лабораторные эксперименты, в которых изучались особенности перехода в раствор компонентов пород отвалов. В первой серии опытов измельченный грунт, отобранный на площадке, заливался дистиллированной водой и в течение года изучалось изменение химического состава растворов. Установлено, что в довольно короткие сроки в раствор переходит значительное количество компонентов. Минерализация его достигает 4,4 г/л, рН — 3,0. За время опыта содержание сульфатов увеличивалось и достигло 2,8 г/л, железа — 0,12 г/л. Во второй серии опытов анализировалась дистиллированная вода, профильтровавшаяся через грунт, и вычислялось суммарное содержание компонентов, перешедших в раствор. Несмотря на значительную продолжительность опыта, процесс перехода в раствор сульфатов не прекратился, а водородный показатель не превысил 3,9. Установлено, что в 1 м3 грунта содержится не менее 44 кг солей, способных перейти в раствор, из них 33 кг сульфатов.
Проведенные исследования позволили сделать выводы:
1. Источником формирования сильноагрессивных к бетону кислых сульфатных вод служат, главным обрезом, породы шахтных отвалов, использованные на площадках во время строительства.
2. Основным процессом формирования агрессивных кислых сульфатных вод является окисление и растворение различных соединений серы, содержание которой в угольных породах Кизеловского бассейна доходит до 10%. Этот процесс значительно интенсифицируется при наличии сероокисляющих микроорганизмов.
Указанные процессы окисления, приводящие к обогащению подземных вод сульфатами, могут продолжаться десятки лет (по некоторым данным, более 60 лет) с достаточно высокой интенсивностью.
|
|
|
