В Донецкой области уровень загрязнения окружающей среды сродни чернобыльскому. Огромное количество предприятий коксохимической, металлургической и горной промышленности насыщают воздух, землю и воду Донбасса всевозможными отходами производства. При том, что область занимает всего лишь 5% территории страны, на ее долю приходится 40% вредных выбросов Украины.
Атмосфера края изобилует окисью углерода, фенолами другими опасными веществами, к которым добавляется повышенный радиоактивный фон. Ощутимый урон окружающей среде наносят и отвалы угольной промышленности — терриконы, особенно горящие. При сгорании дотла килограмма породы в атмосферу выбрасывается столько вредных веществ, что если бы существовала допустимая норма их концентрации на один кубический метр воздуха, то выделенной отравы хватило бы на 7—8 миллионов кубов земной атмосферы. В угольных отвалах накопились тысячи тонн породы, 30% которой горит. Даже те терриконы, которые кажутся потухшими (они отличаются красноватым цветом руды), на самом деле продолжают тлеть. В их недрах держится высокая температура, к тому же там в избытке накоплен мышьяк, цианиды, тиоциониды и прочее «добро». Как избавиться от такого соседства? Куда девать терриконы? Со временем эти вопросы становятся только острее.
Разобраться с «терриконовой» проблемой пытались многие, и предложения выдвигались разные. Начиная от идеи разровнять терриконы и использовать образовавшуюся площадь для промышленных нужд и заканчивая идеей засыпать породой балки — естественные стоки воды. К счастью, подобные прожекты остались только на бумаге. Иначе бы разбросанная по округе порода, насыщенная ядами, отравляла бы окружающую среду намного сильнее. Единственное достойное решение проблемы угольных отвалов предложили профессор кафедры горной геомеханики, доктор технических наук ДонНТУ Михаил Зборщик и его коллега, профессор, доктор технических наук, завкафедрой холодильной и торговой техники ДонГУЭТ Владимир Осокин.
Вода порождает огонь?
Несколько лет назад оба профессора работали в Донецком национальном техническом университете и занимались серьезным научным исследованием — проблемой внезапных выбросов газа в шахтах. Терриконы ученых не интересовали и вопросы самовозгорания породы тоже. Но однажды, вернувшись с макеевской шахты им. Девятой пятилетки, Владимир Васильевич поделился с Михаилом Павловичем любопытным наблюдением: диспергированный уголь (мелкий, похожий на муку) лежал в лаве довольно долго и вдруг, пропитавшись водой, загорелся. Казалось бы, каждый ребенок, тем более взрослый, знает: вода гасит пламя, ни о каком возгорании не может быть и речи. Но исследователи решили подвергнуть сомнению эту аксиому. А что, если действительно вода порождает огонь? Они набрали в емкости шахтной воды и угля, привезли их в лабораторию Донецкого медицинского института. Там со специалистами кафедры биологии поставили эксперимент. Воду и уголь соединили, а за смесью стали наблюдать в микроскоп и измерять ее температуру. Шахтную воду исследовали отдельно.
— Оказалось, наши шахтные воды, особенно кислые, содержат много тионовых бактерий, — объяснил Владимир Осокин. — Эти бактерии распространены повсеместно — от Кольского полуострова до Южно-Африканской Республики. Живучи необыкновенно, не теряют своей активности при замерзании воды, переносят высокую температуру — найдены в действующих вулканах; выдерживают огромное давление — обнаружены в районе Марианской впадины, то есть глубже 11 километров от уровня моря. Обитают во всех угольных месторождениях и минералах, содержащих серу. Никто и никогда в поджогах терриконовой породы эти бактерии не подозревал. Но, как оказалось, самовозгорание начинается именно с них.
В лаборатории смесь воды и угля стояла долго и внешне никак не менялась. Зато внутри была иная картина: под воздействием бактерий содержащийся в углях и глинистых породах минерал пирит распадался на два компонента: серную кислоту и двувалентное железо. И все же не вся сера превращается в кислоту, частично она остается в виде коллоидного раствора бурого цвета и под влиянием бактерий начинает нагреваться. Приспосабливаясь к теплу, изменяются бактерии. Из точечек они становятся нитями и палочками, затем приобретают сферическую форму.
При повышении температуры до 120°С сера кипит и выделяется пар. Чем выше температура, тем больше пара. При достижении серой 240—260°С ее пары воспламеняются, а биохимический процесс сменяется химическим. Все новые и новые вещества, преобразуясь, включаются в горение, сопровождающееся температурой 1800°С и выше, и тогда недра шахт и терриконов настолько раскаляются, что начинает плавиться порода. И порой можно даже увидеть, как из террикона, словно лава из вулкана, выливается раскаленная масса. К этому времени бактерии гибнут, но свое дело они сделали: сработали, как стартер в машине, запустив процесс горения.
Работа донецких ученых стала открытием, которое по-научному звучит довольно мудрено: явление выделения ионитной из пиритсодержащей породы серы под действием тионовых бактерий. Открытие положило конец расхожему заблуждению, ставшему догмой, — так называемой кислородной теории самовозгорания углей и терриконов. Сообразно этой теории считалось, что уголь и порода возгораются из-за окисления кислородом. Ничего подобного. Как только уголь извлекается из недр, на нем образуется пленка из соединений кислорода, препятствующая дальнейшему окислению. Она очень прочная, блокирует даже включения газа метана. Однако пирит — химически устойчивое соединение и от взаимодействия с воздухом не воспламеняется. Даже если в лабораторных условиях под высоким давлением нагнетать на пирит чистый кислород, возгорания не будет.
А вообще открытие донецких ученых вписывается в концепцию глобальной энергии. Возгорание угля и породы — проявление той энергии, которую природа когда-то затратила сначала на создание биомассы, а затем на ее погружение, покрытие слоем грунта и процесс углеобразования. Тионовые бактерии эту энергию способны вернуть обратно в окружающую среду.
Польза отвальной извести
Владимир Осокин и Михаил Зборщик не ограничились этим открытием. Они стали размышлять, как же предотвратить самовозгорание, из-за которого на угольных предприятиях Украины происходит минимум 15 пожаров в год, из-за чего не только повышается уровень загрязнения окружающей среды, но и возникает непосредственная угроза жизни людей. Дело в том, что при самовозгорании в толще терриконовой породы выгорает углефицированное вещество, и образуются пустоты. Случается, в них порой проваливаются люди. Скажем, дети, которые частенько выбирают их местом своих игр. Еще полбеды, если внутри пустоты температура нормальная, тогда есть хоть какой- то шанс на спасение. А если там невыносимый жар? Однажды в Луганской области в огненную дыру на терриконе провалился бульдозер. Ни от человека, ни от машины ничего не осталось.
Бывает, рукотворная гора начинает швыряться камнями, как в Донецке на шахте «Трудовской», где террикон засыпал дорогу, и в Прокопьевске (Россия, Кемеровский угольный бассейн), где породой забросало поселок. Агрессивное поведение терриконов объясняется тем, что при горении в его толще образуются сернокислотные зоны, в них при температуре 336,6°С кипит серная кислота. Если на сернокислотную зону, например после дождя, сползает влажная порода, происходит выброс.
В общем, бед от терриконов немало, а решение проблемы выглядит просто. Ученые Зборщик и Осокин пришли к выводу: процессы самовозгорания можно предупредить, если изменить кислотную среду обитания тионовых бактерий на щелочную. Для этого достаточно напоить породу водой, в которой растворена известь. Правильность предположения подтвердили лабораторные эксперименты. Выяснилось, что для предотвращения горения подходит любая известь, оптимально же использовать ту, что скапливается в виде отходов на металлургических предприятиях.
Нет пророка в своем отечестве
Ноу-хау имело не только экологический, но и экономический эффект. На закрытой шахте №9 «Капитальная» горели и террикон, и ферма (устройство для вывоза породы). Металлические конструкции весом в 600—700 тонн рассыпались за несколько месяцев и надо было ставить новые.
— Мы убедили директора шахты «Красная звезда» Виктора Максимовича сделать специальные конструкции, чтобы затушить террикон, сберечь ферму и людей. Ведь те, кто работает, разгружая породу на горящих терриконах, — смертники, там все отравлено, — говорит Михаил Зборщик.
Для тушения приспособили вагонетки. Они стояли на вершине «породной горы», в «тележки» насосом подавали воду с известью. По трубам известковое «молоко» уходило в глубь террикона. Вода одновременно и остужала чрево отвала, и образовывала на поверхности гипсовую корку. Горение прекратилось.
Подобные установки работали и на других шахтах Донецка. Но распался Союз, остановилась промышленность, зачахла наука. Однако Михаил Зборщик и Владимир Осокин не оставили своих идей. Когда несколько лет назад некая фирма задумала в Калининском районе Донецка разровнять террикон и поставить гаражи, они предупредили об опасности:
— Вы сделаете террасы, построите гаражи, выроете смотровые ямы и устроите подвалы. Но террикон напичкан вредными веществами: серой, серной кислотой, мышьяком. Как же вы здесь будете хранить продукты? И как собираетесь ставить машины? Здесь везде сернистые соединения, полно тионовых бактерий, они спровоцируют коррозию и превратят железо в труху!
Строительство быстро свернули.
Интерес к открытию проявляли государственные компании, в частности «Укруглереструктуризация». Авторам предложили оформить нормативные документы самостоятельно — прогуляться по министерствам. Однако у ученых, посвятивших вопросу самовозгорания угля и породы четверть века, на обивание высоких порогов сил уже не осталось. А вот помочь в реализации любого проекта, связанного с тушением терриконов, они готовы. Именно поэтому с профессорами уже который год сотрудничают российские ученые. Совместными усилиями осуществляется тушение породного отвала шахты и ЦОФ «Гуковская», выполнены рабочие проекты и запланировано сооружение промышленных установок для тушения пяти горящих отвалов в городе Шахты Ростовской области.
В Украине же лиц, серьезно заинтересованных в преобразовании терриконов, пока не наблюдается. В сторонке держатся и государство, и предприятия. Между тем жители Донбасса вдыхают ядовитые дымы, накапливают их и носят миниатюрные терриконы в своих легких. Как это отражается на здоровье, объяснять излишне…
И все же хочется верить, что придет время, когда к экологическим проблемам Донбасса действительно подойдут внимательно и серьезно. Тогда работа наших ученых будет востребована: терриконы перестанут чадить, пройдет рекультивация земель, их озеленение, а вместо смога поплывет над Донбассом тонкий аромат акаций. Именно акацию специалисты Донецкого ботанического сада считают оптимальным деревом для озеленения терриконов.