Исследование горящих угольных терриконов (стр. 6 )

Здесь происходит наиболее высокотемпературная переработка сырого материала (спекание, плавление) и возникают пласты "намертво сваренных" горных пород - отвальный спек (или клинкер, согласно международной терминологии).

Рис. 4.6. Разгрузка газовых струй на поверхности террикона (фото автора)

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.

Причиной трагедии стал горящий террикон шахты Кадиевского коксохимического завода, высотой 111,5 м. Здесь, размокшие под действием атмосферных осадков глинистые породы заполнили пустоты между обломками песчаников, алевролитов и 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 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 результате этого жилой поселок был затоплен горящим шламом и засыпан раскаленными обломками пород террикона, что привело к гибели десятков людей [42].

Особый случай представляет пожар терриконика в центральном парке города. Терриконик был сделан между 1851 и 1900 годами; содержавший песчаники, камень, кристаллический сланец, сланец и угольную пыль.

Этот терриконик занимает общую площадь приблизительно 14 км2, и ее толщина составляет приблизительно 14 м. Разгрузка горячего пепла в основание была причиной пожара зимой 1986-1987 гг., который продлился больше чем 20 лет до 2002 г.

Часто, по мере термодеструкции органической составляющей в углях образуются пустоты, границы которых подвержены различным напряжениям, вызываемым гравитационными, тектоническими и термическими нагрузками [108]. По мере накопления пустот и напряжений вокруг них происходит процесс самообрушения углей, что, в конечном счете, способствует повышению объемов перерабатываемого угля [111] и его проницаемости.

Так, в процессе выжигания углеродной массы (зона прекращения углеродного коксового остатка с помощью кислорода в горючие газы) в углях при температуре свыше 800 0С металлы переходят в газ, большинство из которых при дальнейшем перемещении конденсируются при температуре ниже 200 0С.

При обеспечении выгазовывания углеродосодержащая масса извлекается вместе с газом. При этом на контакте минерально-углеродной массы остается рыхлый спек, в котором и концентрируются перераспределенные металлы.

Кроме этого, образование пор выжига существенно увеличивает фильтрационные свойства рудной зоны, по сравнению с нерудной, до благоприятных соотношений – выше 1:1. Более того, за счет увеличения удельной поверхности макро - и микропор до величины не менее 100-500 м2/гр, этот показатель может возрасти до 1:10.

Большое количество активных фумарол располагается над тлеющими в глубине террикона периферическими частями "черных блоков" и нередко оконтуривают асфальтоподобную кору (рис. 20). Здесь происходит отложение из горячих газов гематита, безводных и водных сульфатов, хлоридов, серы, битуминозных веществ.

Хроматографическое определение состава фумарольных газов терриконов показало, что они в значительной мере разбавлены воздухом (преобладают N2 и O2), содержат CO2, H2, CO, различные углеводороды CH4, C2H4, C2H6, C3H8, iC4H10, nC4H10, C5H12, C5H10, а также сернистые газы и хлористые соединения.

Рис. 4.7. Схема горелого террикона и схема вулкана

На рисунке 4.8 показаны изолинии температур грунтов у поверхности на 1988 г. Отчётливо видно, что область прогрева (Т > 30Со) была приурочена к хребтовой части террикона, представляла собой единую зону и занимала около четверти поверхности отвала.

Рис. 4.8. Температура террикона ш. № 50 на поверхности (современное фумарольное поле) [13]

Это позволяет сделать вывод о значительной остаточной термической активности террикона.

Было установлено, что хребет этого террикона остается зоной истечения горячих газов и «дымов», но с течением времени, единое высокотемпературное поле перестает существовать, распавшись на отдельные участки.

В их пределах находятся устья фумарол (диаметром до 3 см), вокруг которых происходит кристаллизация тонкодисперсного минерального вещества.

В качестве эталонной была выбрана фумарольная площадка, в пределах которой находится 5 фумарольных жерл. Она расположена в хребтовой части террикона, на юго-восточном склоне, на высоте ¼ от основания отвала.

Фумарольные поля расположены на несколько отличающихся гипсометрических уровнях и во вмещающих структурах различной геометрии.

Подобная картина наблюдается и на вершине вулкана Кудрявый, где выделяется четыре высокотемпературных (>200 °C) фумарольных поля, общей площадью около 3000 м2 [11]: Главное, Купол, Молибденовое и Рениевое (рис. 4.9), в котором был впервые в значительном количестве обнаружен природный дисульфид рения, а также несколько низкотемпературных (100–200 °C) площадок.

Рис. 4.9. Схема фумарольных полей вулкана [11]

Высокотемпературные фумарольные поля представляют собой проекции на поверхность трещиноватых газопроводящих зон и при температуре газа >600 °С раскалены докрасна. По периферии полей отлагается сера и другие труднорастворимые минералы, поэтому поля имеют визуально четкие контуры.

4.5. Схема (модель) горелого террикона

Основываясь на выявленной ранее вертикальной зональности террикона, а также результатах опробования был произведен подсчет запасов горной массы и горючих компонентов в пределах выделенных в его составе трех геологических блоков, отличающихся по гранулометрическому составу.

В отличие от не горящего террикона, для рассматриваемого террикона было установлено значительное увеличение в нем среднего содержания Сорг. до 13 %, а серы до 3 %. Существенно возросло содержание горючих компонентов и в вертикальном разрезе террикона, которые составили 5, 17 %; 20,20 % и 35,70 % для крупно-, средне - и мелкоблоковых зон соответственно. Общее количество Сорг. для террикона - 106300 тонн, в том числе для наиболее обогащенных (от 20,2 % до 35,7 %) горючими компонентами средней и верхней его частей - 81400 тонн.

При этом устанавливаемая температурная зональность обуславливается сочетанием четырех основных температурных зон (от внутренних частей отвала к внешним).

Первая из них - зона активного пожара, соответствующая ядерной части очага самовозгорания с максимальными температурами разогрева горных пород.

Во второй зоне, соответствующей начальной стадии активного горения, температуры разогрева пород достигает 800-900 °С.

Третья - внутренняя и четвертая - внешняя обрамляющие зоны очага самовозгорания, характеризуются температурами, изменяющимися в пределах от 500-600 °С до 100-200 °С. Во внешней обрамляющей зоне открытого горения, как правило, не наблюдается, поэтому термическое воздействие, испытываемое породами, минимально и составляет в среднем 40-50°С.

В соответствии с принятой классификацией горелых пород по степени автотермодеструкции в модели горящего террикона были выделены следующие зоны [4]:

1 - переплавленных пород и жидкого шлакообразования (1200-1450 °С);

2 - окислительного обжига с температурами 80-1200 °С;

3 - восстановительного обжига и термографитизации (650-1000 °С);

4 - углеводородной флюидизации (400-650 °С), закономерно располагающиеся относительно очага горения (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Строение горящего террикона, сформированного из отвальной шахтной породы [4]:

Зоны отвала: крупноблоковая (1), среднеблоковая (2), мелкоблоковая (3).

Зоны термического преобразования:

4 - очаг самовозгорания (Т = более 1300 °С);

5 - зона жидкого шлакообразования (Т = 1200-1300 °С);

6 - зона окислительного обжига (Т = 1100-800 °С);

7 - зона восстановительного обжига (Т = 800-600 °С);

8 - "черные блоки" (Т = менее 600 °С);

При этих же условиях термическому разложению подвергаются карбонаты с образованием твердой фазы оксида кальция и газообразного диоксида углерода, а также пирит, при термодеструкции которого выделяются сероводород и серный ангидрид, что приводит к потере 44 и 33 % первоначальной массы карбоната и дисульфида железа соответственно [4]:

СаСО3 (тв.) = СаО (тв.) + СО2 (г.) (12)

6FeS2 + 10H2О = 6FeO + 10H2S + 2SO2. (13)

Находящаяся в отвальной массе сера сгорает, образуя сернистый газ [4]:

S + О2 = SО2 + 292,3 кДж/моль. (14)

Расширение параметров очага самовозгорания приводит к окислению вышележащих слоев, обогащенных горючим материалом с образованием новых порций диоксида углерода и повышением температуры до 1000 и более градусов в эпицентре очагов горения. Диоксид углерода, поднимаясь вверх, трансформируется в пределах верхней, насыщенной углем, мелкоблоковой зоны, в монооксид углерода в условиях восстановительного обжига.

Эта реакция эндотермична и протекает с поглощением тепловой энергии [4]:

СО2 (г.) + С (тв.) = 2СО (г.) - 173 кДж/моль. (15)

В ядре очага горения оксид кальция вступает в реакцию с терригениым кварцем, оксидами железа и алюминия, образующимися при термообжиге силикатных минералов (гидрослюда, хлорит, монтмориллонит, каолинит), образует жидкий, относительно легкоплавкий шлак, состоящий из железокальциевых алюмосиликатов: