Исследование горящих угольных терриконов (стр. 7 )

СаО (тв.) + SiО2 (тв.) - CaSiО3 (ж.) (16)

СаО (тв.) + Аl2О3 (тв.) = СаАl2О4 (ж.) (17)

СаО (тв.) + Fe2O3 (тв.) = CaFe2O4 (ж.) (18)

Расплавленный шлак, образующийся в нижней части очага горения, стекает в крупноблоковую зону тугоплавких пород, пропитывая и цементируя их обломки. После застывания шлака формируется своеобразные ипшмбритоподобные горелые породы, цементом которых являются легкоплавкие алюмосиликаты кальция.

Побочными продуктами шлакообразования в условиях высокого парциального давления сернистых газов является ангидрит (CaSO4), который в присутствии воды преобразуется в гипс (CaSO4*2Н20).

Наиболее широко процессы гипсообразования происходят в зонах террикона, сложенных перегоревшим известняком.

Горение угля инициирует процессы перераспределения слагающего горную массу терриконов вещества. В конечном итоге, эти процессы приводят к образованию техногенных минералов.

Так, из-за высокой пористости большая часть объема террикона претерпевает обжиг при свободном доступе воздуха. Породы, возникающие в ходе этого процесса, являются продуктами окислительного обжига. Соответствующие участки легко распознаются в терриконе даже визуально (рис 4.11).

Так, благодаря пропитке тонкодисперсным гематитом, эти породы окрашены в различные оттенки красного и коричневого цветов.

Часть горелых пород остается рыхлой - это желтый и розовый горельник или желтые и розовые "аргиллиты" ( и , 1991).

Желтые "аргиллиты" - продукты начальной стадии обжига, составляют основу большинства слабо горевших, чаще всего небольших, терриконов.

Розовые "аргиллиты" отвечают среднетемпературной стадии обжига в окислительной среде и присутствуют во всех горелых отвалах, но в разном количестве.

В мелких терриконах они, наряду с желтым горельником, являются основным компонентом отвальной массы. В крупных и интенсивно горевших терриконах они образуют отдельные слои.

Для всех больших «горельников» характерны розовые обоженные глинистые породы (рис. 4.12).

Рис. 4.11. Схема распределения горелых аргиллитов по террикону

Клинкер представляет собой высокотемпературный продукт пирогенного преобразования пелитов и является основным компонентом крупных интенсивно горевших терриконов.

Из-за особенностей насыпки пород террикон обычно имеет четкое слоистое строение. Причем в верхней его части скапливаются в основном глинистые породы, с образовавшимися асфальтоподобными слоями и фумарольными отложениями [9].

Физико-механические свойства горелых пород зависят от их исходного состава и степени обжига. В настоящее время нет надежной методики прогнозирования и оценки степени обжига горелых пород в шахтных терриконах, т. к. она зависит от многих факторов[39]: содержания угля в исходной породе и скорости его горения, глубины зоны горения в терриконе, среды горения и др.

а)

б)

Рис. 4.12. Обожженные породы (а, б)

К горелым породам, наряду с природным сырьем, относятся и перегоревшие пустые шахтные породы, содержащие минимальное (менее 5%) количество углистых примесей и минеральную глинисто-песчаную часть, обожженную в той или иной степени.

Под действием кислорода воздуха уголь и сера окисляются и самовозгораются, а под влиянием высоких температур (до 1000 0С) порода терриконов подвергается естественному обжигу. Органические примеси при этом частично выгорают.

Наиболее интенсивно горят породы в терриконах шахт с коксующимися или антрацитовыми углями.

Горение, или самообжиг, начинается с поверхности, и в изломе куски углесодержащих пород с введенным в него размолотым топливом всегда можно наблюдать три довольно ясно выраженные зоны, различающиеся по окраске: в центре - зона, обладающая серо-стальной окраской, а иногда и черного цвета, (вокруг нее располагается кольцо темно-красного цвета и, наконец, наружная часть окрашена в красно-кирпичный цвет (рис. 4.13).

Рис.4.13. Перегоревший террикон

Подобная окраска свидетельствует о наличии областей различной степени окисления окислов железа, титана и др. Наружная часть, где под действием постоянного притока свежего воздуха происходит полное выгорание топлива, характеризуется присутствием окисных форм железа.

В следующей зоне железо содержится и в виде Fe2О3 и в виде Fe3О4 и, наконец, в центре находится зона закисных форм, где железо иногда восстанавливается до металлического, придающего горным породам характерный серо-стальной цвет почти с металлическим блеском в изломе.

Вследствие термодиффузии внутри горных пород может выпадать дисперсный углерод, имеющий интенсивную черную окраску, но ввиду малого количества почти не повышающий содержание несгоревшего топлива.

Причина, этого явления в том, что в первоначальной стадии выгорания топлива на поверхности горных пород образуются закисные соединения железа, имеющие наиболее низкую температуру спекания и плавления и легко образующие жидкую фазу, резко снижающую пористость массы, вследствие чего прекращается диффузия кислорода и выгорание топлива.

Степень обжига горелых пород зависит от многих причин. Неравномерное поступление влаги в горячий слой породы, неравномерное количество воздуха, соприкасающегося с поверхностью породы в терриконе, а также большое количество мелких фракций, затрудняющих доступ кислорода к очагам горения, приводит к тому, что обжиг происходит крайне неравномерно, несмотря на высокую температуру в терриконе.

В результате образуется материал различной степени обжига (от спекшегося до слабообожженного) с неодинаковыми физико-механическими свойствами. Неоднородность материала в терриконе — один из его существенных недостатков. Размер частиц колеблется в пределах от 40 см до долей миллиметра.

В терриконах встречаются плотные и пористые разновидности горелых пород.

Основную массу негоревшей части отвалов составляют аргиллиты (табл. 4.4), алевролиты и глинистые сланцы, в которых доминируют мусковит и гидрослюды, обломочная фракция преимущественно представлена кварцем и средним плагиоклазом. В небольших количествах присутствуют монтмориллонит, иллит, каолинит, хлорит, гипс, цеолиты, гетит, лепидокрокит, диаспор, магнетит и углистое вещество.

На начальной стадии горения угольных терриконов "желтые аргиллиты" (табл. 4.4) Т = 600-700 0С).

Завершает процесс их частичная аморфизация. Кристаллическое вещество при этом переходит в активированную дисперсную форму, что способствует снижению температуры всех дальнейших преобразований. В результате доминирует рентгеноаморфная фаза, из кристаллических фаз присутствуют лишь кварц обломочной фракции, небольшое количество новообразованного муллита и термически преобразованный мусковит.

Прочностные характеристики пород на этом этапе обжига минимальны, а пористость достигает максимальной величины.

При повышении температуры обжига "желтый аргиллит" преобразуется в розовый (табл. 1). Структура же таких пород остается тонкозернистой, но степень связанности их зерен и прочность значительно возрастают.

Минеральная ассоциация [ ]: муллит, герцинит, кордиерит и кварц. Содержание муллита возрастает до 10 об.%. Количества герцинита и кордиерита связаны обратно пропорциональной зависимостью - по мере роста интенсивности рефлексов кордиерита интенсивность отражений герцинита заметно понижается. Однозначно реконструировать природу кварца не представляется возможным.

Это может быть как новообразованная фаза, так и материал обломочной фракции. Количество рентгеноаморфной фазы по-прежнему велико.

Наличие стекла достоверно не установлено. Однако, при температурах формирования «розовых аргиллитов», рост прочностных характеристик пород, а также изменение размера и конфигурации пор позволяют (по аналогии с технической керамикой) предположить появление пленочных расплавов.

Розовый горельник является продуктом среднетемпературного обжига (7000< Т <8700C).

Продукты высокотемпературного (870-1250 0С) обжига "красные" и "вишневые" аргиллиты (клинкеры) (табл. 4.4).

Таблица 4.4

Характер и температура преобразования аргиллитов

Название	Характер	Фото
Аргиллит	Основная масса терриконов
«Желтые аргиллиты»	Т = 600-700 0С активно протекают реакции «дегидратации – дегидроксилации» слоистых силикатов, вследствие чего из такой системы удаляется около 75-90 % воды и происходит уничтожение дальнего порядка в структурах этих минералов.
«Розовый аргиллит»	Является продуктом среднетемпературного обжига (7000< Т <8700C). Нижняя граница отвечает максимальной температуре обжига, реконструированной для «желтых аргиллитов». Верхний предел определен по доминирующей полиморфной модификации SiO2: кварц является обычным минералом в этих породах, тогда как тридимит не обнаружен (Т = 8730С - температура полиморфного перехода «кварц – тридимит»).
«Красные» и «вишневые» аргиллиты (клинкеры)	Температура образования клинкеров находится в пределах 870-1250 0С. Продукты высокотемпературного обжига представляют собой наиболее тугоплавкую часть системы горящего террикона и по фазовому составу соответствуют глиноземистой керамике.

Эти породы плотные, весьма прочные, часто остеклованные, фарфоровидные. Их пористость преимущественно закрытая, поры одиночные, имеют округлые очертания.