Исследование горящих угольных терриконов (стр. 11 )

При этом при смешении фумарольных газов процесс образования самородной серы резко активизируется как за счет принудительного охлаждения газового потока (температурная ловушка, стимулирующая протекание реакций газового обмена с образованием конденсата серы), так и благодаря дополнительному включению в механизм образования самородной серы реакции неполного окисления сероводорода атмосферным воздухом [20]:

2H2S + O2 = 2H2O + 2S (19)

Над поверхностью подобных отложений возникает 100%-ное насыщение давления паров серы, что и обеспечивает возможность существования ее отложений вплоть до точки кипения серы. В подповерхностных условиях возможно дополнительное обогащение горизонтов серным конденсатом за счет его принудительной перегонки под воздействием высокотемпературных тепловых потоков.

При этом элементы с переменной валентностью (железо, сера, углерод и азот) в своих соединениях проявляют все присущие им окислительно-восстановительные свойства. Так, сера входит в состав сульфидов, сульфатов, тиосульфатов, и, кроме того, наблюдается в нейтральном - самородном состоянии (степень окисления изменяется от -2 до +6).

Углерод образует карбиды, карбонаты, кислородсодержащие органические соединения и, аналогично сере, отмечается в самородном состоянии.

Чесноков и др. описали аналогичные зоны и формирование слоев графита на отвалах пустой породы Челябинского угольного бассейна, назвав эти зоны «черные блоки» [22].

Здесь в каналах потоков горячих газов на поверхности, куски известняка были покрыты слоем аморфного углерода (рис. 4.18). Кроме того, были обнаружены цилиндрические формы из того же самого материала длиной до 10 мм и диаметром 0,10-0,15 мм.

Рис. 4.18. Просмотр электронной микроскопии аморфного слоя углерода, состоящего из подслоев [53]

Азот входит в состав имидных, аминных и аммониевых группировок.

Железо встречается в самородном состоянии и в виде соединений, проявляя валентность +2 (карбиды, сульфиды и оксиды) и +3 (оксиды, хлориды, сульфаты и др.).

Эти особенности позволяют сделать вывод о том, что, во-первых, горелый отвал можно рассматривать как самостоятельную, практически изолированную минералообразующую систему, и, во-вторых, образование минералов в горелых отвалах в определенной мере связано с геохимическими барьерами окислительно-восстановительного типа.

Наиболее заметно минералообразование на вулканах. Это кристаллизация из горячих газовых струй серы, хлоридов, сульфатов и даже сульфидов, процессы застывания лав с образованием базальтов, вулканического стекла (обсидиана) и других минералов и пород. Минералообразование на вулканах происходит при высоких температурах до 1000 oС и низком (нормальном) давлении.

В сходных условиях происходит минералообразование при самовозгорании угля в природных пластах или в терриконах угольных шахт. Из газов при этом также кристаллизуется более распространенный, чем на вулканах нашатырь, сера, сульфиды и другие минералы спектр которых весьма сходен с вулканичекими.

Переплавленные при разогреве вмещающие уголь породы визуально и микроскопически напоминают базальтовую лаву. В угольных терриконах на состав новообразований оказывают предметы попавшие туда в результате деятельности человека.

Значительно более распространенными, чем природные пирометаморфические комплексы, являются их техногенные аналоги, возникновение которых связано с процессами спонтанного возгорания углистого материала в различного рода терриконах.

В этих системах происходит синтез огромного количества минералов, в том числе новых минеральных видов, реализуется вхождение нетипичных элементов-примесей в структуры минералов и существенно расширяются пределы традиционных изоморфных замещений.

Широкие пределы изменения содержания различных оксидов и минералов свидетельствует о том, что для оценки горелых пород как технологического сырья необходим индивидуальный (по каждому террикону) подход.

В определенной мере позволяет сделать обобщение химико-минералогического состава горелых пород классификация [40]:

• по содержанию серы: ЕI - не более 0,5%; Е2 - 0,5... 1,5%; ЕЗ - 1.5... 3,0%; Е4 - более 3%;

• по содержанию железа (Fe203, %): В1 — низкожелезистые - менее 1,5; В2 - маложелезистые -1,5... 5; ВЗ - среднежелезистые - 5... 12; В4 - железистые —12... 18; В5 — высокожелезистые - более 18;

• по литолого-минералогической характеристике: Б1а — глинистые каолинитовые; Б1б - гидрослюдистые; Б1в - монтмориллонитовые; Б2 - песчаные: Б3а - карбонатные кальцитовые; Б3б - карбонатные сидеритовые.

Техногенные минералы связаны с образованиями искусственной природы, а также процессами минералообразования в отвалах Кизеловского угольного бассейна и русле рек в зоне влияния разработки указанного месторождения.

Отходы угледобычи геохимически неоднородны и в поверхностных условиях в результате физического выветривания, окисления, растворения, гидролиза, гидратации, горения, метасоматоза и других процессов возникают растворимые и нерастворимые продукты, влияющие на окружающую среду. Водная вытяжка из грунтов отвалов характеризуется сильно кислой реакцией среды (pH до 1,8), высоким содержанием сульфатов (до 25 г/кг), двух - и трехвалентного железа (до 5 и 30 г/кг соответственно), алюминия (до 55 г/кг) /3,4,5/.

В минеральном составе пород отвалов Кизеловского угольного бассейна, по данным проведенных исследований, определено 60 минералов, в число которых входят как первичные, характерные для угленосной толщи, так и вторичные, образующиеся в результате процессов минералообразования в отвалах /6/. Процессы образования вторичных минералов связаны с дегидратацией водных минералов образование кокимбита, розенита, ссмольнокита, ангидрита, обжигом и перекристаллизацией минералов муллит, кристобалит, тридимит, маггемит, гематит, ионными замещениями галотрихит, пиккерингит, ярозит, алунит, возгонкой угольного вещества сера, интенсивным биогенным и абиогенным окислением мелантерит, гетит, пневматолито-гидротермальными процессами копиапит, билинит, кокимбит, алуноген. Таким образом, основная часть аутигенных минералов представлена сульфатами железа, алюминия и кальция.

В зоне непосредственного влияния Кизеловского угольного в донных отложениях р. Косьвы по данным силикатного анализа валовое содержание серы составляет 1,2-1,7 %. В аллювии появляются минералы несвойственные естественным условиям. В районе складирования отвалов в аллювии р. Косьвы обнаруживаются пирит (3-13 %), ярозит (до 4 %), гетит (до 4 %), магнетит (до 4 %), лимонит (до 21 %), гематит (2 %). Лимонит образует налеты и корки на крупнообломочных фракциях донных отложений. Присутствие ярозита связано с непосредственным поступлением его в из отвалов в результате сноса, но по-видимому, он может образовываться и русле реки, где существуют благоприятные условия: низкие водородного показателя среды (pH 3), повышенные содержания сульфат-ионов, калия и железа. Ярозит отмечен в устьевой части правобережного притока р. Косьвы, воды которого загрязнены шахтными водами в виде желто-охристого осадка. В месте смешения кислых вод этого притока с нейтральными водами р. Косьвы образуется лимонит. В устьевой части отмечено присутствие сидерита. Кроме того, на всем протяжении р. Косьвы ниже разработки в аллювии обнаружены техногенные частицы обломки угля, шлаковые частицы, магнитные сферулы, стеклянные шарики и др. Техногенный материал, обладающий высокой миграционной способностью и значительной устойчивостью, сносится к устьевой части реки и накапливается в условиях водохранилищного режима /3, 4, 5/.

В 1982-98 гг. горелые терриконы систематически изучались коллективом лаборатории минералогии техногенеза Ильменского государственного заповедника и Института минералогии УрО РАН под руководством д. г.-м. н. .

Ими описано 215 минералов, относящихся к 16 минеральным классам (самородные элементы, карбиды, сульфиды, фториды, хлориды, оксиды, гидроксиды, силикооксиды, силикаты, карбонаты, сульфаты, фосфаты, вольфраматы, бораты, оксисульфиды, органические соединения), установлено 48 новых минеральных видов, охарактеризованы физические и химические аспекты горения отвалов, выявлены масштабы и характер экологического воздействия горелых отвалов на окружающую среду [1].

Количество искусственных минеральных форм, которые образуются в техногенных минеральных объектах, превышает величину 30 000, что значительно превосходит число известных в настоящее время природных минералов (около 3300).

Фазы минералообразования:

• гипергенная;

• псевдофумарольная;

• фаза обжига.

При изучении минералогии горелых угольных отвалов Челябинского угольного бассейна были выделены следующие процессы минералообразования [22-24]:

-  переплавление пород и образование минералов классов силикатов, сульфидов и карбонатов, характерных для магматических пород;

-  интенсивное абиогенное окисление и формирование минералов класса оксидов;

-  дегидратация водных минералов и образование пневматолитов, гидротерм и минералов из класса сульфатов, хлоридов и фторидов;

-  обжиг и перекристаллизация минералов;

-  возгонка угольного (органического) вещества.

А кроме этого в работе [5] рассматривается прокаленные осадочные породы (клинкеры) и плавленные породы (паралавы).

Их формирование определяется следующими факторами [5]:

1) необычные параметры минералообразования: высокие температуры (1000-1300° С), низкое общее давление в системе (около 1 атм);

2)  химическая гетерогенность исходного субстрата;

3)  агрессивная газовая среда;

4)  активная газовая продувка;

5)  высокие градиенты температуры и окислительно-восстановительного потенциала.

На основании проведенных исследований в породных отвалах Кизеловского угольного бассейна установлено около 60 минералов, среди которых выделены первичные, характерные для угленосной толщи и вмещающих пород [ ]: каолинит, иллит, серицит, монтмориллонит, мусковит, кварц, хлорит, пирит, марказит, кальцит, сидерит, оли-гоклаз, ортоклаз, арагонит, муассанит, циркон, ставролит, гиперстен, рутил, эпидот, цоизит, гранат, турмалин, анатаз, корунд, хромшпинелид, барит, магнетит, ксенотим.