Исследование горящих угольных терриконов (стр. 4 )

2. Образование очагов горения. Самонагревание горных пород переходит в возгорание под воздействием самовоспламененяющихся паров сероводорода и метана (концентрация до 10%) на воздухе возле нагретой до t = 260 оС поверхности горной породы [Панов]. Происходит увеличение пористости приповерхностного слоя за счет выноса газовыми потоками мелких фракций, проникновение атмосферного воздуха, смещение фронта горения вглубь скопления пород по мере отсыпки отвала.

3. Термальный метаморфизм и псевдофумарольная деятельность. При температурах более 300 оС происходит разложение минеральной части и углефицированного вещества горных пород с выделением CO, CO2, N2, SO2; 480-520 °С – образование NH3; 500-550 °С – выделение H2, CO и тяжелых углеводородов; 900-1.200 °С – образование CS2, COS, C4H4S [Панов]. При температуре 800-1200 оС породы испытывают термальный метаморфизм (частичное плавление, обжиг и спекание пород в виде брекчиевидных масс). Происходит образование гематита (t = 450 °С), муллита (t = 950 °С), шпинели, кристобаллита и др.

4. Техногенное минерало-образование. 1) Высокотемпературный парогазовый поток устремляется по трещинам к поверхности [Панов]. Он обогащен за счет выщелачивания из вмещающих пород Mg, Na, Al, Fe, K и др, а также летучими элементами - S, F, Cl, As и др. На поверхности – резкое снижение температуры и давления – образование на геохимическом барьере нашатыря, самородной серы, масканьита, летовицита, реальгара, аммонистой селитры и других минералов. 2) Выщелачивание и сернокислотное разложение пород [Панов]. Взаимодействие серной кислоты с карбонатами, силикатами, высвобождение Fe, K, Na, Ca, Mg, Al – образование гипса, квасцов, пиккерингита, алуногена, тамаругита, халькантита и др. Испарение сернокислотных растворов – образование эпсомита и гегсагидрита [8].

5. Выветривание пород на поверхности отвала. На поверхности происходят процессы выветривания горных пород (гидратация, гидролиз, растворение и др.) [Панов]: FeS2 > FeSO4 > Fe(SO4)3 > Fe(OH)3 – лимонит, гетит, гидрогетит и др.

Конец отсыпки отвала – 1969 г., на 2002 г: высота отвала – 65 м, площадь основания – 5,2 га, объем породы в отвале – 1256 тыс. м3, масса пород - 2261 тыс. т [Панов]. Отвал практически весь перегорел, характерны “останцы” плотно сцементированных спекшихся пород. Происходит образование техногенных минералов.

Б – восстановленность углистых компонентов. Наиболее склонны к окислению при низких температурах восстановленные угли и углистые породы, кровли которых образовались в морских условиях, менее склонны- маловосстановленные [5];

В – зольность углей. Низкозольный уголь не оказывает существенного влияния на развитие процессов окисления отвальной массы из-за меньшего количества пирита – “стартового” фактора процессов горения терриконов и минералообразования, многозольные угли (зольность свыше 16%) наиболее склонны к самовозгоранию [Панов];

Г – наличие в угольных пластах сульфидной серы, которая входит, в основном, в состав тонкодисперсного пирита, обладающего большой окислительной способностью при низких температурах [Панов]. Содержание пирита в углях исследуемой шахты – 5%. Таким образом, высокосернистые угли (содержание серы более 4%) более склонны к самовозгоранию, чем низкосернистые;

Д - присутствие в углистом материале веществ, тормозящих процессы окисления [Панов]. На шахтах с не горящими отвалами угли содержат значительное количество галогенов (Cl, F, Br и др.) (до 0,25% в пересчете на горючую массу), с горящими – не более 0,06% [5];

Ж – минералогический состав осадочных горных пород, поступающих на терриконы из горных выработок шахт [Панов]. Из всех пород, поступающих на терриконы к самовозгоранию склонны угли и углисто-глинистые породы, содержащие до 2-5% пирита, который находится в глинистых осадках, обогащенных органическим веществом, в тонкодисперсном состоянии. Содержания пирита в углистом аргиллите – 5%, в углистом алевролите – 2%. Углисто-глинистые породы в зонах локальной пиритизации имеют хорошую пористость, что способствует свободному проникновению вод в пиритизированные горные породы. В отличие от глинистых пород пиритизированные песчаники отмечены только в единичных случаях и случаев самовозгорания песчаников не известно. Поэтому, наиболее интенсивные процессы горения отвалов будут происходить при наличии в породах терриконов углистых аргиллитов в количестве 10% и более, содержащих 2-5% пирита; а при наличии в составе пород терриконов углистых пород в количестве менее 10% и преобладании песчаных пород – горение отвалов маловероятно;

З – критическая масса пород терриконов, при которой происходит самовозгорание отвальной массы и которая составляет десятки тысяч тонн (в нашем примере - около 105 т);

Е – крупность обломков породы, влияющих на скорость окислительных процессов с точки зрения газообмена. Вероятность самовозгорания и интенсивность горения выше, если безуглистые породы крупнообломочные и медленно выветриваются, в результате чего создаются условия для доступа кислорода в глубинные зоны отвала. Кроме этого, трещиноватость и пористость среды обеспечивает циркуляцию газов под давлением к местам разгрузки;

К – размер и форма отвалов, влияющих на интенсивность теплообмена в глубинных зонах. Эти факторы определяют фильтрующие свойства отвалов и способствуют или препятствуют генерации и аккумуляции тепла. Наиболее интенсивные процессы протекают на гребнях плоских и на вершинах конических отвалов, которые легко обдуваются потоками атмосферного воздуха. Вместе с тем, имеет место очаговое горение породы на поверхности отвалов различной конфигурации.

Отвалы Донецко-Макеевского района с высотой менее 30 м практически не горят, с высотой до 50 м горят 60 % отвалов, до 90 м – 87 %, свыше 90 м – горят практически все отвалы [Панов].

Л - содержание различных микроэлементов и петрогенных компонентов в горных породах и угле. При горении пород происходит снижение содержания ряда элементов (As, Hg, Pb, Mn) и накопление других (P, Bi, Ba, Zn, B и др.) [1]. Освобожденные при горении пород и углей элементы могут входить в в состав техногенных минералов;

Н - жизнедеятельность микроорганизмов (тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidaus), которые вызывают деструкцию сульфидов и окисляют сульфидную серу до сульфат-ионов. Необходимая для их жизнедеятельности среда характеризуется следующими параметрами: t = 20-37 oC, pH = 1,5-4, Eh = 0,5-0,7 [3];

П – термодинамические условия окисления и выщелачивания пирита, приводящие к нагреванию пород и их самовозгоранию;

Р - физико-химические условия окисления и выщелачивания пирита (pH и Еh поровых растворов, наличие O2, H2O, CO2, H2SO4, газов атмосферного воздуха и др.);

С – состав парогазового потока (многокомпонентный, насыщенный H2S, SO2, CO, CO2, NH3, H2O, CH4, F, Cl, As и другими летучими соединениями, а также обогащенный за счет выщелачивания из вмещающих пород различными элементами – Al, Mg, Na, K и др.). Образование этих газов происходит в результате разложения углефицированного вещества, что зависит от марки угля;

Т – условия отложения техногенных минералов (в трещинах, пустотах, на поверхности пород и т. д.), зональность минералообразования, переотложение минералов и их наложение друг на друга, изменение под действием атмосферных осадков, влажности, ветра и т. д. На этот параметр оказывают влияния наличие на поверхности отвалов многочисленных трещин, пустот, впадин и других хорошо защищенных от влаги и ветра мест. Если таких мест немного (склоны конусных отвалов и т. д.), то минералы, образуясь в таких условиях, будут существовать недолго [8].

Шахтные терриконы представляют серьезную опасность для окружающей среды и здоровья населения. Образование на горящих терриконах легкорастворимых азотсодержащих минералов, таких как нашатырь, масканьит, чермигит, летовицит, а также многочисленных сульфатов приводит к загрязнению поверхностных и подземных вод, почв различными токсичными элементами и их соединениями. Выделяющиеся из глубины отвалов газы, содержащие в своем составе опасные для здоровья элементы и соединения, загрязняют атмосферный воздух. Породы терриконов содержат большое количество различных элементов, в том числе и токсичных, которые в процессе горения либо накапливаются в породах, что необходимо учитывать при использовании их в народном хозяйстве, либо высвобождаются и попадают в почвы и воды. В радиусе до 3 км от терриконов установлены ореолы загрязнения почв ртутью, мышьяком, нитратами и другими токсичными элементами [7].

Библиографический список

1. , , Проскурня -петрографические и эколого-геохимические особенности пород терриконов Донбасса (на примере Донецко-Макеевского промышленного района) // Сб. научн. тр. НГА Украины. – Днепропетровск, 1998. – Т. 5. - №3. – С. 35-39.

2. Голынская исследования самовозгорания углей в пластах // Межвуз. научн. тематич. сб. “Геология угольных месторождений”. – Екатеринбург, 2001. – С. 268-270.

3. , Осокин самовозгорания горных пород. – К.:Тєхника, 1990. – 176 с.

4. , , и др. Минералогические особенности осадочных горных пород, склонных к самовозгоранию // Разработка месторождений полезных ископаемых. – Киев: Техніка, 1989. – Вып. 83. – С. 92-98.

5. , Сурначев отвалы угольных шахт. – М.: Недра, 1970. – 112 с.

6. Мигуля экологическая катастрофа // Газ. “Донецкий политехник”, 1998. - №4. – С. 5.

7. , , и др. К геоэкологии Донбасса // Проблемы экологии. – Донецк: ДонГТУ, 1999. - №1- С. 17-26.

8. , О техногенной минерализации породных отвалов угольных шахт Донбасса // Межвуз. научн. тематич. сб. “Геология угольных месторождений”. – Екатеринбург, 1999. – С. 241-249.

Масштабное и длительное горение терриконов обусловлено сочетанием высокой пористости минеральных масс, слагающих конические и хребтовидные отвалы, повышенной способности бурых углей к самовозгоранию и наличием в отходах большого количества остаточного угля.

Нами была исследована ранее разработанная модель самовозгорания породных отвалов угольных шахт и техногенного минералообразования на примере террикона 1–7 “Ветка” [18].