Исследование горящих угольных терриконов (стр. 8 )

Размеры новообразованных кристаллитов достигают 5-10 мкм, что позволяет использовать для их изучения микрозондовый анализ и оптические наблюдения.

Типичная минеральная ассоциация [ ]: кордиерит, тридимит (кварц, a-кристобаллит), муллит, основной плагиоклаз, (гематит). Преобладают кордиерит и тридимит. Количество муллита сохраняется на уровне его содержания в розовом горельнике. Кристобаллит появляется спорадически, может ассоциировать с кварцем, при этом количество тридимита резко снижается. Кварц и полевой шпат представляют собой как новообразованные фазы, так и компоненты обломочной фракции, которые способны сохраняться неизмененными вплоть до Т = 1300-1400 0С. Герцинит не зафиксирован. Основной объем клинкеров (до 70 об.%) выполнен кислым K-Al стеклом.

Нижняя граница определяется как минимальная температура устойчивости тридимита. Верхний предел соответствует максимальной температуре, обоснованной для базитовых выплавок - наиболее высокотемпературных образований, обнаруженных на сегодняшний день в челябинских терриконах.

Присутствие кристобаллита в данном случае не дает основания для вывода о сверхвысокой (Т>1400 0С) температуре формирования клинкера. Ранее как для керамических систем, так и для природных объектов неоднократно отмечалось появление кристобаллита как метастабильной фазы в ходе раскристаллизации силикатного стекла по схеме: стекло – кристобаллит - тридимит или стекло – кристобаллит - кварц при температурах не превышающих 900 0С, а также при низкотемпературной раскристаллизации гелей.

А в зоне, где температуры достигают тысячи градусов, образуется так называемый «отвальный спек» или клинкер (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Клинкеры

Рис. 4.16. Углеродная псевдоморфоза по куску окаменелого дерева и ее окружение в «черном блоке» (размер по горизонтали 40 см) []:

1 - куски измененных аргиллитов; 2 - слабо сцементированная измененная отвальная мелочь; 3 - углеродная псевдоморфоза; 4 - кавернозная мелкокристаллическая силикатная корка (силикаты, оксиды и галогениды Ca, Fe, Mg, самородные элементы, фосфиды, сульфиды, бораты и фосфаты)

При сильном обжиге породы переходят в микрокристаллические кордиеритовые породы, которые содержат переменное количество муллита, кристобиолита, тридеилита (это высокотемпературные модификации кварца и гематита), шпинеля, кусков окаменелого дерева (рис. 4.16).

Структурно-вещественные преобразования горной массы терриконов

Терриконы являются неотъемлемой частью ландшафта больших и малых городов Донбасса [,]. Только в Донецке их количество по разным источникам составляет от 120 до 138. Около 100 породных отвалов являются недействующими, из них только 25 считаются горящими. Из 32 действующих породных отвалов 28 - горящие. Высота породных отвалов Донецка колеблется в пределах от 8 м до 126, 6 м.

Породы, идущие в отвал, образуются за счет проходки выработок (52%) и их ремонта (48%) [,]. Такие "пустые" породы складируются вблизи стволов шахт в виде терриконов высотой до 60-80 м и отвалов хребтовой формы (в сумме 92%), реже - плоских отвалов (8%).

Средний литологический состав отвалов отражает состав разрабатываемой угленосной толщи [,]. Это аргиллиты (60-80%), алевролиты (10-30%), песчаники (4-10%), известняки (редко до 6%, обычно меньше), а также значительные примеси угля (6-20%). Кроме того, отвалы содержат существенную долю техногенных материалов - деревянной крепи, металлических изделий, проводов и пр. При отсыпке отвалов происходит гравитационная сегрегация породы, т. е. разделение отсыпаемых пород по размерам обломков и удельному весу. При этом крупные и тяжелые обломки концентрируются у подножья отвалов, а углистое вещество распределяется неравномерно. Наименьшую зольность имеют породы в средней по высоте части отвала, к вершине и основанию она повышается. Отвальная масса изученных шахтных терриконов имеет зольность в пределах 57-99%, составляя в среднем 88, 5%. Влажность изменяется от 0, 2% до 11, 7%, составляя в среднем 3, 4%. Содержание общей серы в отвалах колеблется от 0, 01% до 10, 9%. В составе общей серы преобладает сера сульфидная (84%) [1].

Попадая в терриконы, породы карбона испытывают значительные преобразования. Это связано с процессами выветривания, когда скальные, прочные породы разрушаются и превращаются в полурыхлые и рыхлые [,]. Выветривание пород сопровождается изменением их минерального и химического состава. Значительная часть компонентов пород выщелачивается водными растворами и мигрирует в окружающую среду, локализуясь на различных барьерах в почво-грунтах, растительном покрове, в грунтах зоны аэрации и в водовмещающих породах.

Наряду с выветриванием, которое распространено во внешней части терриконов, внутри них создаются благоприятные условия для окисления и последующего возгорания [,]. Ведущая роль при этом принадлежит деятельности микроорганизмов. Окисление сульфидной серы осуществляется тионовыми бактериями. Они представляют собой обычно автотрофные микроорганизмы, использующие свободную СО2 на построении своего тела и получающие энергию при окислении серы и ее восстановленных продуктов. Изучение условий развития микроорганизмов в зонах окисления сульфидных месторождений установило их устойчивость при температурах от 2 до 70о С, рН среды - от 1 до 8 [2]. При этом развитие бактерий протекает в условиях высокой влажности породной массы. Эти данные показывают, что микроорганизмы устойчивы в условиях кислой среды, так как при окислении сульфидов образуется серная кислота, однако не переносят высокие температуры. Поэтому микроорганизмы начинают процесс окисления, который сопровождается выделением тепла, и разогревают определенную зону, а собственно горение может протекать внутри террикона в благоприятных условиях при доступе достаточного количества кислорода, когда происходит возгорание органической части угля.

В подтверждение этих выводов говорит тот факт, что в пределах краевых частей терриконов существуют локальные очаги окисления, где существенного повышения температуры не отмечается, однако наблюдается выделение парообразной серной кислоты и налеты новообразованной сульфатной минерализации [,].

Окисление и горение пород сопровождается выбросами широкого спектра летучих компонентов, которые выделяются из породной массы, обогащенной углистым веществом [,]. Основным компонентом выбросов является водяной пар, который образуется при испарении и возгонке попадающих в зону горения атмосферных осадков, а также при высвобождении поровой и связанной воды минералов и пород. Вода является минералообразующей средой для большей части новообразованных минералов: сульфатов, гидрокарбонатов, карбонатов, фосфатов, арсенатов и др. Горящие терриконы выделяют пары, в которых кроме воды содержаться: серная кислота (сульфат-ион), углекислота, двуокись азота (нитрат-ион).

При недостатке кислорода в очагах горения в парогазовых выбросах содержаться сероводород, углеводороды, аммиак, оксид углерода [,]. В верхних частях терриконов, куда проникают обогащенные кислородом инфильтрогенные воды, горение протекает в условиях избытка кислорода. В более глубоких зонах горения отмечается недостаток кислорода, окислительные процессы протекают в анаэробных условиях. Очаги горения являются источниками горячих минерализованных, химически-агрессивных, насыщенных микроэлементами водных флюидов. При выходе на поверхность часть компонентов флюидов, попадая в условия низких температур и обилия кислорода, выделяется в виде корочек, налетов, натечных, кристаллических, сферолитовых агрегатов новых минералов, среди которых преобладают сульфаты, сульфиды и окислы. Другая часть улетучивается в атмосферу, пополняя ее вредными веществами. Сам процесс горения и порожденные им химически агрессивные флюиды полностью преобразуют минеральный и химический состав первичной породной массы, как в очагах горения, так и по его периферии.

Вокруг очагов горения формируется своеобразная зональность, обусловленная перераспределением исходного вещественного состава [,]. В процессе изысканий были выявлены в разных местах терриконов небольшие участки, где сохранились первичные рыхлые отвальные породы - различной формы и размеров куски аргиллитов, углистых аргиллитов, алевролитов и редко песчаников. Они выделяются по черному цвету породной массы.

Вокруг этих участков устанавливается пограничная зона замещения, проявленная в изменении первичного цвета пород до бурых, вишневых оттенков, на фоне которых развиваются сульфаты желтого цвета [,]. Они пропитывают массу породы, образуют различные налеты, корочки, прожилки и вкрапленники.

Далее по направлению от участков первичных пород выделяется зона развития белой сульфатной минерализации, которая пропитывает окисленные кирпично-красные породы [,]. За пределами этой зоны располагаются обширные участки окисленных пород кирпично-красного цвета без видимых признаков развития сульфатов. Мощность каждой из выделенных зон развития сульфатной минерализации зависит от размеров очага окисления и колеблется от первых десятков сантиметров до нескольких метров. Эти две зоны (желтая и белая) являются промежуточными между окисленными породами и первичными, они характеризуются неравновесными переходными условиями и контролируют процессы миграции и концентрации большей части макро - и микроэлементов (результаты лабораторных исследований проб приведены в табл. 1, 2).

Поведение значительной части компонентов породной массы в процессе ее окисления имеет закономерный и вполне объяснимый характер [,]. Так рост концентрации в окисленной породе по отношению к исходной устанавливается для следующих породообразующих компонентов: кремнезема (от 50,21% до 54,36%); глинозема (от 17,73% до 20,86%); Fe2O3 (от 6,31% до 9,43%); CaO (от 0,93% до 1, %); Na2O (от 0,93% до 1,05%); SO3 (от 1,93% до 3,27%). Увеличивается почти в 2 раза концентрация водорастворимого (подвижного) сульфат-иона - SO42- (от 9796,1 мг/кг до 17463,7 мг/кг).