Risk assessment of radionuclide contamination spreading while flooding coal mined-out rocks

Abstract

Purpose. To investigate pathways and concentrations of the most dangerous radionuclides entering the surface and groundwater in terms of hydrodynamic situation re-establishment in the zone of radiation-hazardous mine field objects in the southern wing of the Central Donbas coal industrial region for environmental assessment. Methods. Hydrodynamics and migration parameters characterizing the stage of mine workings’ flooding – have been investigated. This phase is marked by the establishment of steady-state hydrodynamic regime with laminar groundwater filtration and radionuclide migration from the source of pollution to the river drainage. The parameters have been estimated on the basis of numerical modelling of geofiltration using available data from similar research and experimental studies. The resulting model has been calibrated by assessing the components of the water balance within the drainage area of the territory under research. Radionuclide migration pathways are defined by mathematical tools for mass-transfer calculation (MODPATH) using input parameters of the geofiltration model. To determine the concentration value of radionuclides entering the river drainage through the groundwater discharge, analytic calculations have been carried out. Facts and previous assumptions from different sources have been subjected to analytical comparison in order to outline the measures for control and technical settlement of possible threats and their ongoing assessment. Findings. Predictive modelling of the initial phase of hydrodynamic regime stabilization during mine working flooding has been performed. Possible concentrations of Sr90 that are expected to enter the river drainage at the stage of groundwater level recovery to absolute marks (+120…+145 m) are calculated. It is found that the probability of Сs137 ions migration is very low, which can be explained by the specifics of migration mechanism. It has been demonstrated that radionuclide migration pathways differ in the form of distribution and groundwater flow directions at the final stage of mine flooding. It has been established that the developed continuously operating hydrochemical model of the region together with the application of actual monitoring data obtained from the underground and surface hydrosphere within the government-controlled area could be considered a practical tool of possible environmental threats control. Originality. The research novelty is associated with the investigation of quantitative parameters of radionuclide migration within the abandoned coal mining areas on the basis of geofiltration modelling of current mine flooding conditions, when groundwater level reaches the critical mark, and the level stabilization process is accompanied by water resources recovery and water balance components transformation. Practical implications. The proposed research technique enables to forecast environmental consequences of coal mines’ flooding in Ukraine and to assess the hydrosphere pollution not only with radionuclides but also with other chemical elements; it also creates tools for control and management of negative environmental situations.

Мета. Встановити шляхи і концентрації надходження у підземну та поверхневу гідросферу найбільш небезпечних радіонуклідів в умовах відновлення гідродинамічної ситуації у зоні радіаційно небезпечних об’єктів шахтних полів південного крила Центрального району Донбасу для оцінки екологічного стану навколишнього середовища. Методика. Для досягнення поставленої мети досліджені гідродинамічні та міграційні параметри етапу затоплення гірничих виробок шахт, що характеризується формуванням стаціонарного гідродинамічного режиму з ламінарною фільтрацію підземних вод і міграцією радіонуклідів від джерела забруднення до річкової мережі. Визначення параметрів здійснювалось на основі імітаційного чисельного моделювання геофільтрації та з використанням наявних даних аналогічних і експериментальних досліджень. Калібрування створеної моделі виконувалось шляхом оцінки складових водного балансу у межах водозбірної площі території дослідження. Напрямки міграції радіонуклідів встановлені шляхом застосування математичного апарату з розрахунку масопереносу (MODPATH) на основі використання вхідних параметрів геофільтраційної моделі. Визначення величини концентрації надходження радіонуклідів до річкової мережі із підземним стоком здійснювалось на основі аналітичного розрахунку. Для визначення засобів контролю й технічного врегулювання можливих загроз та їх поточного оцінювання проведено аналітичне співставлення фактів і попередніх пропозицій із різних джерел. Результати. Виконане прогнозне моделювання початкової фази стабілізації гідродинамічного режиму в процесі затоплення шахт. Розраховані можливі концентрації Sr90, що надходитимуть у річкову мережу на етапі відновлення рівня підземних вод до абсолютних відміток (+120…+145 м). Встановлено, що ймовірність міграції іонів Сs137 дуже низька, зважаючи на особливості механізму міграції. Показано, що шляхи міграції радіонуклідів визначаються формою розподілу та спрямованістю течій підземних вод на кінцевому етапі затоплення шахт. Визначено, що реальним інструментом контролю можливих екологічних загроз, є створення постійно діючої гідрохімічної моделі регіону з використанням фактичних даних моніторингу підземної та поверхневої гідросфери на підконтрольній частині території. Наукова новизна. Досліджені кількісні параметри процесу міграції радіонуклідів у порушеному гірському масиві вугільних шахт на основі геофільтраційного моделювання сучасних умов затоплення гірничих виробок, коли рівень підземних вод досяг критичної позначки, а процес його стабілізації супроводжується відновленням водних ресурсів і трансформацією складових водного балансу. Практична значимість. Запропонована методика дослідження може бути використана для прогнозу екологічних наслідків затоплення вугільних шахт України із можливістю оцінки забруднення гідросфери не тільки радіонуклідами, але й іншими хімічними елементами та створення засобів контролю та врегулювання негативних екологічних ситуацій.

Цель. Установить пути и концентрации поступления в подземную и поверхностную гидросферу наиболее опасных радионуклидов в условиях восстановления гидродинамической ситуации в зоне радиоактивно опасных объектов шахтных полей южного крыла Центрального района Донбасса для оценки экологического состояния окружающей среды. Методика. Для достижения поставленной цели исследованы гидродинамические и миграционные параметры горного массива на этапе затопления горных выработок шахт, который характеризуется формированием стационарного гидродинамического режима с ламинарной фильтрацией подземных вод и миграцией радионуклидов от источника загрязнения к речной сети. Определение параметров осуществлялось имитационным численным моделированием процесса геофильтрации с использованием фактических данных аналогичных и экспериментальных исследований. Калибровка модели выполнена путем оценки составляющих водного баланса в пределах водосборной площади территории исследования. Направление миграции радионуклидов установлено с использованием математического аппарата для расчета массопереноса (MODPATH) на основе входных параметров геофильтрационной модели. Величина концентрации радионуклидов, поступающих в речную сеть с подземным стоком, оценена аналитически. Для определения средств контроля, технического урегулирования возможных рисков и их текущего оценивания проведено аналитическое сопоставление фактов и предложений из разных источников. Результаты. Выполнено прогнозное моделирование начальной фазы стабилизации гидродинамического режима в процессе затопления шахт. Рассчитаны возможные концентрации Sr90, поступающие в речную сеть на этапе восстановления уровня подземных вод до абсолютных отметок (+120...+145 м). Установлено, что вероятность миграции ионов Сs137 достаточно низкая, учитывая особенности механизма миграции. Показано, что пути миграции радионуклидов определяются формой распределения и направленностью течений подземных вод на конечном этапе затопления шахт. Определено, что реальным инструментом контроля возможных экологических рисков, является создание постоянно действующей гидрохимической модели региона с использованием фактических данных мониторинга подземной и поверхностной гидросферы на подконтрольной территории. Научная новизна. Исследованы количественные параметры процесса миграции радионуклидов в нарушенном горном массиве угольных шахт на основе геофильтрационного моделирования современных условий затопления горных выработок, когда уровень подземных вод достиг критической отметки, а процесс его стабилизации сопровождается восстановлением водных ресурсов и трансформацией составляющих водного баланса. Практическая значимость. Предложенная методика исследований может быть использована для прогноза экологических последствий затопления угольных шахт Украины с возможностью оценки загрязнения гидросферы не только радионуклидами, но и другими химическими элементами, а также создания средств контроля и урегулирования негативных экологических ситуаций.