Исследование горящих угольных терриконов (стр. 12 )

Вторичные минералы, образующиеся в породных отвалах, представлены серой, гематитом, маггемитом, тридимитом, кристобалитом, известью, портландитом, гётитом, гиббситом, ярозитом, алунитом, эпсомитом, гипсом, ангидритом, мелан-теритом, ссомольнокитом, метабазалюмитом, роценитом, копиапитом, галотрихитом, билинитом, пиккерингитом, калинитом, калиевыми квасцами, сидеротилом, чермигитом, флюорэллестадитом, муллитом [2-5].

Контакты силикатных и карбонатных пород “работают” как геохимические барьеры щелочного типа и способствуют образованию кислородосодержащих соединений кальция-ферритов (сребродольскит (Сa, Fe2O5, ацикулит CaFe2О4), сульфатов (ангидрит CaSО4), силикатов (ларнит β-Ca,[SiO4]), силикат-сульфатов (флюорэллестадит Ca10[(SO4)(SiO4)6]F2,), силикат-карбонатов (спуррит Ca5[SiO4]CO3), силикат-хлоридов (хлормайенит Са13А114[SiO4]05О32,С12, силикохлормайенит Ca13Al14[SiО4]4О24Cl4, демидовскит Ca18Fe3+15[AlSi4О47]Cl6, афанасьеваит Ca8[Si, О7]2Cl2О, чесофиит Ca9[Si2О7]3·CaCl2, хлоргибшит Ca3Al2[SiO4]3-хCl4x(x = 0,3÷0,4), альбовит Ca2[SiО4]·CaCl2) [1].

Очевидно, что контакты между блоками пород с резко различным содержанием кислорода играют роль геохимических барьеров (как окислительного, так и восстановительного типов).

Наконец, главным окислительно-восстановительным барьером является сама поверхность отвала, на которой формируются ассоциации отвальных фумарол (Фото 2), в состав которых входят, главным образом, водные и безводные сульфаты алюминия, железа, кальция, магния и аммония - сульфалюмит (Al, Fe)2(SО4)3, алуноген Al2(SO4)317H2О, ростит Al(SO4)(OH)·5H2O, лаузенит Fe2(SO4)3·6H2O, кокимбит Fe2(SО4)3·9H2О, ромбоклаз HFe3+(SО4)2·4Н2О, масканьит (NH4)2SО4, годовиковит NH4(Al, Fe)(SО4)2, чермигит NН4A1(SО4)2×12Н2О, ефремовит (NH4)2Mg2(SО4)3, буссенготит (NH4)2Mg(SО4)×6H2О, гипс CaSО4×2H2О, органические кислородосодержащие соединения (кладноит C6H4(CO)2NH) и различные хлориды железа, магния и аммония (нашатырь NH4C1, молизит FeCl3, копейскит (NH4)2Fe3+Cl5 H2О, редикорцевит (NH4)MgCl3×6H2О и др.) [1].

На таких барьерах возникают уникальные минеральные ассоциации, свойственные метеоритам, или неизвестные ранее: сульфиды и оксисульфиды кальция и железа (ольдгамит CaS, баженовит (СaS5CaS2О3·6Ca(ОH)2·20H2О, игниколорит FeS2·0,7CaCО3·2,8H2О, пирротин Fe1-хS), в частности, - на контактах углесодержащих «черных желваков» и переплавленных базальтоподобных пород.

Карбиды железа с различным содержанием углерода (когенит Fе3С и др.), графит С, троилит FeS, самородное железо Fe, хлориды и фториды кальция (флюорит CaF2, рорисит CaFCI, аквацидит СаС12, мезогидрит СаС12·4Н2О, ритмит Ca4[SiO4]2·3CaCl2, игумновит Ca3Al2[SiО4]2·Cl2) - образуются в углесодержащих «черных блоках» [1].

Действительно, условия появления таких барьеров в горелом отвале закладываются изначально, когда при разработке угольных шахт в отвал складируется неоднородная по химическому и гранулометрическому составу масса[1]: обломки вмещающих силикатно­карбонатных пород (глинистые сланцы, алевролиты, доломиты), остаточный уголь, неуглефицированное окаменелое дерево доломит-анкеритового состава, конкреции сидеритов, технический мусор (дерево, черные и цветные металлы, стекло, пластмасса).

Таким образом, террикон с момента формирования представляет собой химически гетерогенную систему, причем поверхности раздела между отдельными ее частями (блоками) являются потенциальными геохимическими барьерами.

Однако пока эти условия не реализованы (до начала горения), система остается неактивизированной или временно “спит”.

Повышение температуры внутри террикона, связанное с самоокислением и последующим самовозгоранием остаточного угля под действием богатых водой и кислородом атмосферных осадков, инициирует работу системы [1].

РИСУНОК – схема преимущественного расположения областей техногенного пирогенного минералообразования

Фумарольные коры имеют зональное строение, обусловленное сменой минеральных ассоциаций с падением температуры.

Отложение минеральных фаз на фумарольных полях контролируется протеканием газотранспортных реакций в малоплотной минералообразующей среде.

Константа равновесия этих реакций зависит от температуры, поэтому определенные минеральные фазы образуются в характерном для них температурном интервале. Частным случаем таких реакций могут быть реакции диспропорционирования, которые приводят к появлению частиц самородных металлов в фумарольной обстановке. Эти реакции обратимы.

Твердое вещество осаждается в виде кристаллов, которые могут как дорастать при благоприятных условиях, так и растворяться и исчезать.

К исчезновению минерализации может приводить повышение температуры в зоне отложения (смещение изотерм вверх, например, под действием атмосферных условий), приводящее к сдвигу равновесия газотранспортной реакции в сторону образования газообразного вещества.

Было осуществлено описание ряда установленных вторичных минеральных образований (табл. 4.5) в горелых угольных отвалах Кизеловского угольного бассейна (в порядке, соответствующем общепринятой химической классификации минералов) [ ].

Таблица 4.5

Вторичные минералы, образующиеся в терриконах

Минералы	Наименование минералов	Характер	Фото
1	2	3	4
Самородные элементы	Сера – S	Дипирамидальные кристаллы размером до 1 мм желто-зелёного цвета найдены в унифицированной породе отвалов шахт, в фумаролах найдены светло-зеленые кристаллы серы размером до 1,5 см.	Техногенные кристаллы серы
Оксиды и гидроксиды	Тридимит — SiO2 (гексагональная сингония).	Встречен в горелых отвалах шахты Северной в обожженной глине в ассоциации с муллитом и кристобалитом. Продукт обжига кварца.	тридимит
Оксиды и гидроксиды	Кристобалит — SiO2 (тетрагональная сингония).	Диагностирован рентгенометрически в ассоциации с тридимитом и муллитом в обожженной каолинитовой глине отвалов шахты Северная. Устойчив вплоть до 200—270°C. Выше этой температуры переходит в кубическую (высокотемпературную) модификацию.	Сферы кристобалита, сформированные в результате расстекловывания (потери оксида кремния) из матрицы обсидиана
Оксиды и гидроксиды	Гематит — a-Fe2O3 (тригональная сингония).	Основной минерал горелых породных отвалов. При высоких температурах образует псевдоморфозы по пириту, магнетиту. Встречен в виде слабо магнитных шариков серого, красного цвета размером до 0,2 мм. Блеск металлический, черта вишнево-красная. Тонкодисперсный гематит придает породам отвалов кирпично-красную окраску. Температура плавления 1594°С.	гематит
Оксиды и гидроксиды	Маггемит — γ-Fe2O3 (кубическая сингония).	Найден в горелых породах шахты 40-лет ВЛКСМ. Диагностирован рентгенографически. Обычно маггемит неустойчив к нагревам, и в большом интервале температур, начиная, примерно с 300°С, переходит в гематит.	маггемит
Оксиды и гидроксиды	Гётит — a-FeO(OH) (ромбическая сингония).	Найден в виде охристых налетов, примазок на кусках обожжённых пород в ассоциации в гипсом, алунитом, аморфными гидроксидами железа на отвалах шахт Центральная, Урицкого, Калинина, Серова, Северная, Ключевская. Твёрдость: 5 — 5,5. Хрупкий. Плотность 4,3. Спайность совершенная по (010), ясная по (100).	гётит
Оксиды и гидроксиды	Гиббсит — А1(ОН)3 (моноклинная сингония).	Обнаружен в отвалах шахты 1-го Мая, 40-лет ВЛКСМ. Диагностирован термически и рентгенометрически. Пик на термограмме соответствует 355 °С.	гиббсит
Сульфаты	Ярозит — KFe3(SO4)2(OH)6 (тригональная сингония).	Распространённый минерал породных отвалов. Цвет светложелтый до жёлтого. Встречается в виде налётов, корочек на поверхности пород (особенно аргиллитов), придавая им жёлтую окраску. Образует таблитчатые, размером до 5 мм (шахта Крупской) и листоватые кристаллы.	Пластинчатые кристаллы ярозита
	Алунит — KAl3(SO4)2(OH)6 (тригональная сингония).	Найден в виде белых налётов на поверхности пород отвалов шахт Центральной, Урицкого, Нагорной, 40 лет ВЛКСМ, Ключевской. Образует ромбоэдрические кристаллы. Встречается в ассоциации с гипсом, гематитом. Твёрдость 3,5 — 4. Спайность хорошая по {0001}.Плотность 2,59 — 2,9 г/см³	Алунит
	Гипс — CaSO4*2H2O	Встречен на многих отвалах в виде светло-жёлтых скрытокристаллических масс, отдельных бесцветных кристаллов размером до 3 см и их агрегатных сростков. Облик кристаллов от тонко - до толстотаблитчатых. Твёрдость 1,5—2,0. Спайность весьма совершенная. Излом неровный; гибок, но не эластичен. Плотность 2,2—2,4 г/см³ Показатель преломления 1,52	Кристаллы гипса
	Ангидрит — CaSO4 (ромбическая сингония).	Найден на обгоревших породах шахт Северная, Ключевская в виде корочек, «натёков» жёлтого цвета. Облик кристаллов от толстотаблитчатых до призматических. Вероятно, образуется в результате дегидратации гипса под действием высоких температур при горении отвалов. Ассоциирует с гипсом, кальцитом. Диагностируется рентенографически. Твёрдость 3-3,5. Спайность совершенная. Плотность 2,8 - 3,0 г/см³
	Калиевые квасцы — KAl(SO4)2*12H2O (кубическая сингония).	Найдены на поверхности отвала на шахте Калинина и 40 лет Октября. Диагностированы рентгенометрически. Сульфат калия и алюминия с меньшим количеством гидратированной воды — KAl(SO4)2x6H2O встречен в отвалах шахт Ключевской и Калинина. Растворяются в воде. Бесцветный. Блеск стеклянный. N = 1,456 (часто анизотропны). Твердость 2. Уд. вес 1,76. П. п. тр. легко плавятся. Растворяются в воде. Растворимость при 20° составляет 151 г/л.
	Калинит — KA1(SO4)2*11H2O (моноклиннная сингония).	Найден в зоне фумарольной деятельности в виде волокон до 1 мм длиной сов местно с мелантеритом, чермигитом, копиапитом на отвалах шахт Владимирская, Крупская. Растворим в воде. Удельный вес 1,757. Цвет бесцветный, белый. Цвет черты белая. Блеск стеклянный, прозрачен, просвечивает. Излом раковистый. Твердость 2-2,5
	Алуноген — A12(SO4)3* 17H2O (триклинная сингония).	В зоне фумарол на отвалах шахты Владимирская в месте взаимодействия газовых струй с обломками карбонатных пород образуются корки, на которых растут иголочки алуногена белого и красноватого цвета.	Агрегат кристаллов алуногена с отвала шахты Ключевская
	Метабазалюминит — Al4(SO4(OH)10 (сингония не определена).	В виде налетов, корок белого цвета обнаружен в фумаролах на отвале шахты Нагорной совместно с кокимбитом и роценитом. В зоне нахождения минерала отмечались повышенная температура пород и выходы газов. Растворим в воде.
	Чермигит — (NH)4Al(SO4)2*12H2O (кубическая сингония).	Найден в зоне фумарольной деятельности шахты Владимирская совместно с мелантеритом. Растворим в воде.
	Мелантерит — FeSO4*7H20 (моноклинная сингония).	Определен рентгенометрически в углефицированной породе отвала шахты Урицкого в ассоциации с ссомольнокитом и пиритом. Также встречен совместно с калинитом, пиритом, чермигитом в зоне фумарольной деятельности отвала шахты Владимирская. Растворим в воде.	Массивный образец мелантерита, покрытый желтыми поздними сульфатами, образовавшимися при его изменении
	Роценит — FeSO4*4H2O (моноклинная сингония).	Найден в виде белых присыпок по пириту на отвалах шахт Нагорная, Серова, Ключевская, 40 лет Октября. Образует дощатые кристаллы размером до 1 мм. Растворим в воде.	Призматические кристаллы роценита на поверхности пирита
	Сидеротил — FeSO4*5H20 (триклинная сингония).	Найден в зоне фумарольной деятельности совместно с галотрихитом, билинитом, A12(SO4)3x12H2O, A12(SO4)3x16H2O на отвале шахты Владимирская. Г лавные линии на рентгенограмме: 5.80; 5.52; 5.04; 4.92; 4.56; 4.35; 3.94; 2.95; 2.84; 2.73; 2.08. Растворим в воде.
	Ссомольнокит — FeSO4*H2O (моноклинная сингония).	Образует присыпки по пириту. Диагностирован рентгенометрически в ассоциации с роценитом и пиритом на отвалах шахт Урицкого, Калинина, Центральная, Ключевская, Серова, 40 лет Октября. Вероятно образуется при дегидратации роценита. Медленно растворяется в воде.
	Копиапит — Fe Fe 4(SO4)6(OH)2*20H2O (триклинная сингония).	Образуется в местах выхода фумарол на поверхность. Легко растворяется в воде, дает желтый раствор. При комнатной температуре постепенно переходит в кокимбит.	Кристаллы копиапита с отвала шахты им. Крупской
	Билинит — Fe2+Fe3+2(SO4)4*22H2O (моноклинная сингония).	Найден в виде волокнистых кристаллов в местах взаимодействия струй газа с карбонатными породами в ассоциации с галотрихитом, пиккерингитом, алуногеном на отвале шахты Ключевская и в фумаро-лах шахт Владимирская, 40 лет ВЛКСМ, Центральная. Растворим в воде.
	Пиккерингит — MgAl2(SO4)4*22H2O, галотрихит Fe Al2(SO4)4*22H2O (моноклинная сингония).	Между пиккерингитом и галотрихитом существует непрерывная серия изоморфных замещений магния и железа. Минералы имеют волокнистый облик. Они встречаются в виде радиальных или спутанных агрегатов игольчатых или волосовидных кристаллов, а также в виде корочек и налётов. Более толстые кристаллы бывают полыми. Кристаллы имеют вертикальную штриховку. Цвет пиккерингита белый, галотрихита - белый, зеленоватый. Легко растворимы в воде.	Морфология кристаллов галотрихита с отвалов шахты им. Крупской (а) и шахты Ключевская (б)
	Флюорэллестадит — CaiО[(SO4)3(SiO4)3]6F2 (гексагональная сингония).	Фтористый конечный член подгруппы эллестадита. Флюорэллестадит обнаружен в кусках обожженного известняка в останце спёка на склоне некогда горящего террикона угольной шахты Ключевская. Анализ, проведенный на сканирующем электронном микроскопе LEO 1430VP, снабжённом EDX спектрометром OXFORD показал следующее содержание элементов в флюорэллестадите: F — 10.84, Si — 7.44, S — 6.93, Са — 19.56, О — 55.23 ат. %.
Силикаты	Муллит - AlSi2O13	Обнаружен в горелых и перегоревших отвалах Является продуктом обжига каолинита. Образует червеобразные и призматические кристаллы белого, красноватого, коричневого цвета Твёрдость по минералогической шкале 6—7; плотность 3030 кг/м³; плавится при температуре около 1810-1830 °C.	Кристаллы муллита
	Кварц (β-кварц)	При температуре 573°С претерпевает полиморфное превращение в α-модификацию. Далее, при повышении температуры до 870°С происходит перестройка кристаллической решетки с переходом α-кварца в тридимит, а затем при температурах более 1000°С в кристобалит. При более высоких температурах (более 1300°С) кварц полностью растворяется в стеклообразной массе минералов - плавней.

Присутствие в горелых породах высокотемпературной модификации кварца (кристобалита), незначительное количество муллита, наличие ошлакованности исследуемых пород дают основание предположить, что обжиг отвальных пород происходил при достаточно высоких температурах, в интервале от 600° до 1450°С.

Минералогическими индикаторами процесса автотермодеструкции отвальных пород являются: преобразование известняка в оксид кальция в температурном интервале 600 - 800 °С; новообразования гематита (магнетита) по пириту и биотиту; появление зерен кварца с признаками резорбции и волнистого погасания; преобразование угольных включений в термоантрацит или термографит.

Выводы