Исследование горящих угольных терриконов (стр. 3 )

Было установлено, что вокруг скоплений фюзинита происходит интенсивное окисление витринита: он становится трещиноватым и стенки трещин приобретают окисленный «бордюр» пониженного рельефа и пониженные отражательные способности. Поэтому содержание в угле фюзинита не может служить показателем его химической активности и склонности к самовозгоранию [3].

и др. придерживаются иного мнения: «витринит независимо от степени метаморфизма всегда наиболее восприимчив к самопроизвольному возгоранию» [4].

Подтверждением этой мысли явились исследования петрографического состава углей различной стадии метаморфизма и др. [1], которые показали, что с увеличением содержания микрокомпонентов группы фюзинита и уменьшением содержания витринита склонность угля к самовозгоранию повышается.

Микрокомпоненты группы фюзинита дают импульс развитию процесса самовозгорания угля. С другой стороны, микрокомпоненты групп фюзинита и лейптинита более устойчивы к окислению, чем витринит.

В дальнейшем было установлено, что химическая активность угля увеличивают только крупные включения фюзинита [2]. Мелкие же его включения (микринит), погруженные в основную витренизированную массу угля, незначительно влияют на скорость сорбции кислорода.

Причем, при изучении аншлифов угля под микроскопом было обнаружено, что в месте включений фюзинита в витринит происходит его интенсивное окисление и в нем, по мере окисления угля, образуется сеть микротрещин.

Таким образом, было доказано, что фюзинит увеличивает химическую активность угля вследствие того, что делает его более пористым и тем самым создает пути для проникновения кислорода внутрь угольного массива. На этом основании предложил петрографический метод для оценки химической активности углей, состоящей в подсчете в аншлифе суммарного количества фюзинизированных компонентов для углей Карагандинского бассейна [2].

Исследования самовозгорания углей в Подмосковном бассейне подтвердили тезис о главной роли фюзинита как инициатора самовозгорания. Особенностью подмосковных углей является довольно низкое содержание в них микрокомпонентов группы гуминита и сравнительно высокое – группы фюзинита.

В частности, угли, содержащие 80-90 % гуминита, менее всего распространены. Они слагают тонкие прослои от 0,05 до 0,15 м и составляют от 1 до 5 % от общего количества различных типов углей, слагающих данный пласт. Широкое распространение в этом бассейне имеют угли с содержанием гуминита от 45 до 60%. Их разновидности встречаются на всех месторождениях и достигают 25-30% общей мощности пласта. Они залегают во всех горизонтах в виде слоев мощностью 0,1-0,3 м. Содержание фюзинита в этих углях колеблется от 12 до 21% [17].

Основная геоэкологическая опасность терриконов обусловлена процессами горения углесодержащей породной массы.

4.2. Модель самовозгорания терриконов

На территории Донбасса находится 1.257 терриконов общим объемом 1.056.519,9 тыс. м3, которые занимают площадь 5.526,3 га; из них около 30% являются горящими [Панов]. Горение пород отвалов вызывает образование пустот, обрушение и осадку горелых пород, осыпи, трещины вследствие неравномерного нагрева; выбросы и термические оползни с образованием на склонах отвалов полостей разного объема, уступов и трещин.

Что может иметь трагические последствия как, например, в 1962 г., когда взрыв террикона шахты им. Ильича бывшего треста “Кадиевуголь” привел к гибели десятков людей [Панов]. Причиной трагедии стал единый горящий террикон шахты и Кадиевского коксохимического завода высотой 111,5 м. Размокшие под действием атмосферных осадков глинистые породы заполнили пустоты между обломками песчаников, алевролитов, аргиллитов, сцементировав их в очень прочную корку, выдерживающую давление паров и газов, образующихся в результате горения углистых пород внутри террикона. Температура горения последних достигала 800°С, о чем свидетельствуют исследованные нами изменения кремнистых и глинистых образований. Но наступил момент, когда давление паров и газов внутри террикона превысило прочность корки, последняя разорвалась и произошел мощный взрыв. Вместе с газами и парами в атмосферу было выброшено 42 тыс. м3 раскаленных обломков пород. Они заполнили крупные шламоотстойники коксохимического завода, вытеснив из них шлам и превратив его в горящую жидкую массу. В считаные минуты поселок был затоплен горящим шламом и засыпан раскаленными обломками пород террикона, что привело к гибели десятков людей [6].

Процессы самовозгорания отвалов угольных шахт и техногенного минералообразования были исследованы на примере недействующего террикона шахты №1-7 “Ветка” (время накопления отвала - 1902-1969 гг.), характеризовавшегося интенсивным горением и разнообразным комплексом техногенных минералов [Панов]. Общие сведения о породном отвале: форма отвала – конический, тепловое состояние – горящий; недействующий, площадь основания – 5,2 га, объем отвала – 1256 тыс. м3, объем породы в отвале – 2261 тыс. т, высота – 65 м.

Шахтой 1-7 “Ветка” отрабатывались пласты h10, h8, h3, h21 марок Ж и ГЖ [Панов]. Основная масса террикона состоит из обломков осадочных пород: аргиллитов (30%), алевролитов (20%), алевритистых (10%) и углистых аргиллитов (10%), глинистых (20%) и углистых (10%) алевролитов, песчаников (10%), углистого материала (2%), обломков известняка (2%) и тонштейна (1%). Углистые аргиллиты из почвы, кровли и породных прослоев содержат включения сульфидов железа (пирита и марказита) – до 5%, конкреции сидерита – до 2%, зерна кальцита и других минералов.

Слагающие терриконы горные породы, попадая на поверхности в иную, чем в недрах, термодинамическую обстановку, становятся в водно-воздушных условиях неравновесными и испытывают физико-химические преобразования [Панов]. Рыхлый углесодержащий материал терриконов под воздействием атмосферной влаги и кислорода воздуха интенсивно окисляется вплоть до самовозгорания.

Общей причиной самовозгорания углей, горючих пород почвы, кровли и межугольных прослоев является способность адсорбировать кислород, вступающий в химическое взаимодействие с угольным веществом. Такой процесс сопровождается выделением тепла и повышением температуры, что еще более усиливает процессы окисления. Склонностью к самонагреванию и самовозгоранию в водно-воздушной среде обладают горные породы углисто-глинистого состава, имеющие повышенные пористость и содержания серы и железа (в виде пирита и марказита) [3, 4].

Разложение пирита и других сульфидов происходит не только в результате химического взаимодействия этих минералов с агентами выветривания, но и при широком участии постоянно присутствующих в поверхностной зоне свободного водообмена тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidaus [3]. Вследствие подкисления среды до рН?3,5 и образования серы при химическом окислении пирита создаются благоприятные условия для жизнедеятельности организмов. Эти бактерии вызывают деструкцию сульфидов и окисляют сульфидную серу до сульфат-ионов. Основная среда обитания Thiobacillus ferrooxidaus – кислые воды угольных месторждений и месторождений сульфидных руд. Здесь на каждую тонну H2SO4, выделяемую химическим путем, 4 т ее образуется под действием этих бактерий. Для их жизнедеятельности оптимальны температура, равная 28-37оС и кислая среда (pH = 1,5-3,5 и Eh = 0,5-0,7). Клетки бактерий длиной 0,8-1,0 мкм и толщиной 0,4-0,5 мкм могут проникать вместе с жидкостью в трещины и макро - и микропоры пород.

Бактерии для своего существования используют энергию реакций окисления неорганических соединений, протекающих с поглощением кислорода [Панов]. Единственный источник для их развития – растворенный углекислый газ, а источник энергии – процессы окисления железа двухвалентного и элементной серы. Стационарный биохимический процесс окисления и выщелачивания пирита протекает следующим образом: 3FeS2 + 8,25O2 + 2,5H2O = Fe2(SO4)3 + Fe(OH)3 + H2SO4 + 2S [3]. Окисление бактериями серы с образованием серной кислоты будет происходить до тех пор, пока рН раствора не снизится до 1,5. При температуре близкой к кипению воды микроорганизмы прекращают свою жизнедеятельность и с этого момента в горных породах протекают процессы, обусловленные химическими реакциями.

Биохимические процессы в породах терриконов приводят к полному разложению пирита с образованием Fe(OH)3 и элементной серы. Выделение тепла вследствие этих реакций приводит к разогреву пород [4].

Совокупность процессов от начала отсыпки отвала до образования и растворения различных техногенных минералов включает несколько стадий, которые и составляют основу предлагаемой модели техногенного минералообразования [Панов]. Она учитывает различные параметры и может быть выражена формулой:

М = f (А, Б, В, Д, Ж, З, Е, К, Л, Н, П, Р, С, Т),

где: М – модель, учитывающая функции (f) параметров;

A – марка углей.

Исследования терриконов Донецко-Макеевского района показали, что склонность каменных углей к самовозгоранию в ряду метаморфизма сначала повышается, достигая максимальных значений в углях марок Ж, К, ОС (до 85-90% отвалов), а затем уменьшается, самовозгорание антрацитов очень редко [Панов].

Стадии процесса современного минералообразования на примере террикона шахты 1-7 «Ветка»:

1. Начальный этап. Химическое и биохимическое окисление пирита - Начало отсыпки отвала – 1902 г. Период длился после начала отсыпки несколько месяцев, объем породы в отвале достиг около 35 тыс. т. С 1903 г, когда накоплено свыше 70 тыс. т породы, под действием атмосферных осадков начались процессы химического и биохимического окисления пирита. Биохимическое окисление пирита происходит с помощью бактерий Thiobacillus ferrooxidaus, которые вызывают деструкцию пирита и окисляют сульфидную серу до сульфат-ионов. 3FeS2 + 8,25O2 + 2,5H2O = Fe2(SO4)3 + Fe(OH)3 + H2SO4 +2S (реакция может протекать при t от 0 до 100 °С). Среда оптимальная для жизнедеятельности бактерий: t = 28-37 °С, рН = 1,5-4, Еh = ,5-0,7 [3].

На 1 моль пирита выделяется 1128,2 кДж тепла, происходит выделение сероводорода, прогревание поверхностного слоя горных пород и обогащение его серой. Необходимая для этого критическая масса пород террикона составляет около 105 т [Панов]. При рН = 1,5 и t около 100 оС микроорганизмы прекращают свою жизнедеятельность.