CC BY
1УДК 550.884:552.87
Власов П. А., Шалованов О. Л.
(РАНИМИ, Донецк, ДНР)
ФАКТОРЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЦИНКА И ВАНАДИЯ В УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ СюВ БЛОКА № 1 ШАХТЫ ИМ. ГЕРОЕВ КОСМОСА
Исследованы геохимические распределения цинка и ванадия в угольном пласте с10в блока № 1 шахты им. Героев Космоса. По данным спектрального анализа угольного керна были построены геохимические карты, по которым установлен тектонический фактор накопления рассматриваемых элементов.
Ключевые слова: геохимия, цинк, ванадий, шахтное поле, спектральный анализ.
Шахта имени Героев Космоса, входящая в ОАО «Павлоградуголь», расположена в Павлоградско-Петропавловском угленосном районе Донбасса [1]. В геологическом строении поля шахты им. Героев Космоса (блок № 1) принимают участие осадочные образования палеозойского, мезозойского и кайнозойского возраста. Мезозойские отложения распространены лишь на севере блока шахты. Отложения представлены преимущественно песчаниками серыми, среднезернисты-ми с включениями кремниевой гальки, местами с конгломератоподобными прослойками. Мощность колеблется от 0 до 21 м. Палеозойские отложения представлены свитами нижнего карбона. Простирание пород на площади блока северо-западное, падение — северо-восточное под углом 2-5°. Промышленная угленосность приурочена к отложениям самарской свиты, заключенной между известняками С5 и Сь Средняя мощность толщи между ними составляет 380 м, а между угольными пластами сц и сь — 290 м. Для свиты Сь характерны мелкая цикличность и высокая угленасыщенность. Свита составлена комплексом осадочных пород от песчаников до аргиллитов, и содержит до 50 угольных пластов и пропластков, из которых промышленное значение имеют 8 угольных
в в н н
пластов: с11, с10 , с9, с8 , с8 , с7 , с5 и сь. Пласты с12, с7в, с42, с41, с4в с2 имеют подчиненное значение.
Суммарная мощность пластов в среднем составляет 6,21 м, коэффициент промышленной угленосности — 2,6 %. Рабочая мощность угольных пластов колеблется от 0,6 до 1,5 м при преобладающих значениях 0,8-0,9 м. Глубина залегания пластов — от 105 до 760 м. Мощность продуктивной толщи от угольного пласта с1 к с11 равняется 190 м. Строение пластов преимущественно простое. Сложное строение характерно для пластов с11 и с8в, в меньшей мере — для пластов с10в и с1 Поле шахты контролируется тектоническими нарушениями сбросового типа (рис. 1).
Наиболее крупным тектоническим нарушением является Богдановский сброс. В пределах блока он имеет субширотное простирание с направлением по азимуту 300°, падение плоскости сместителя — северное под углом 55°. Амплитуда смещения пород изменяется от 55 до 275 м. В юго-западной части блока к нему примыкают сбросы 1-ГУ и Диагональный сброс с амплитудой смещения 5-10 м. К западу от них прослеживается Вербский сброс. Он имеет западное простирание, южное падение сместителя и амплитуду 20-85 м. К нему примыкает сброс «А» с амплитудой 10-25 м и таким же направлением падения сместителя. В северной и северо-западной части развит Поперечный сброс с северным падением плоскости сместителя и амплитудой 25 м. К нему примыкает сброс V, который имеет южное падение плоскости
Науки о земле
сместителя. В настоящее время разрабатываются только пласты с11 и с10в. Готовится к вскрытию пласт с9. В качестве объекта исследования авторами выбран угольный пласт с10в, так как по нему были проведены комплексные скважинные геохимические исследования и собран представительный материал. Угольный пласт с10в на участке исследований представлен одной угольной
пачкой мощностью 0,6-1,3 м. На отдельных участках аргиллит мощностью 0,00,2 м расклинивает угольный пласт, гипсометрия пласта волнистая, изменение угла падения от 2° до 5°. В непосредственной кровле пласта залегает аргиллит мощностью 4,25-5,35 м. В почве пласта залегает аргиллит мощностью 0,4-1,3 м, ниже — алевролит мощностью до 4,75 м.
J-л.atf н»тг ™
□ 40D SCO 12OTU
I - граница шахтного поля; 2 - тектонические нарушения; 3 - маркирующий горизонт известняка IV: 4 шахтные стволы.
Рисунок 1 Тектоническая схема шахты им. Героев Космоса (Блок № 1)
Угольный пласт с10в вскрыт большой сетью разведочных скважин (около 250-300), в 112 скважинах был проведен спектральный полуколичественный анализ угольного керна. Скважины были пробурены в разное время, и информация по ним постепенно обновлялась. Угольный пласт перебуривал-ся газокернонаборником КА-61 с последующим спектральным анализом керна в лаборатории. При обработке полученных результатов спектрального анализа для дальнейшего исследования были выбраны 2 элемента: ванадий и цинк, содержание которых превышает их предельно допустимые концентрации (ПДК) в грунтах, а также необходимо учесть, что эти элементы являются токсичными и представляют экологическую опасность для окружающей среды (первый класс опасности). Данные,
полученные при обработке, представлены в таблице.
Таблица
Содержание ванадия, цинка, в пределах угольного пласта с!0в блока № 1 шахты им. Героев Космоса
Элемент Содержание от-до, г/т ПДК г/т Число проб
Ванадий 70-150 100 112
Цинк 30-140 100 112
Аномалии исследуемых элементов (V, Zn) очень тесно связаны с шахтной тектоникой. Тектонический фактор распределения изученных элементов является преобладающим в исследованном горном массиве. Объясняется это тем, что V и Zn — элементы сульфидного ряда. В рассеянном состоянии они встречаются в пирите,
халькопирите, киновари, арсенопирите, галените. К тому же Zn вместе со своим спутником Cd образует собственные минералы-сульфиды — сфалерит и вюрцит. Сульфиды, в свою очередь, имеют свойство накапливаться в зонах дробления и вдоль сместителей тектонических нарушений. Давно установлена закономерность [2, 3]: если в углях присутствует в любом количестве сера, тогда с ней обязательно будет хотя бы часть ее спутников — Zn, РЬ, С^ лб, Se, Те, Н и Sb.
Ванадий.
Ванадий является одним из первых химических элементов, накопление которых было обнаружено в связи с биогенными органическими веществами. Геохимия ванадия в зоне гипергенеза отличается разнообразием в связи с его способностью пребывать в разных степенях окисления и вследствие этого проявлять неодинаковую миграционную способность и поглощаться на разных геохимических барьерах [2, 4]. Ванадий относится к элементам первого (самого опасного) класса токсичности; токсичность его связана с действием на органы дыхания и нервную систему человека. Согласно санитарным нормам и советскому ГОСТу 1976 г. [2], установлены ПДК аэрозоля ванадия и его соединений в воздухе рабочей зоны (1-2 мг/м2), соответствующие первому и второму классам опасности, а также содержания ванадия и его оксида в почвах (150 г/т) и в воде (0,1 мг/л). При промышленном использовании углей ванадий проявляет себя как технологически вредная и токсичная примесь. Летучесть восстановленных форм ванадия и его токсичность делают актуальным экологический аспект сжигания ванадиеносных углей. Для геохимии V ключевое значение имеет его поливалентность; подобно тому, как железо в состоянии Fe (II) и Fe (III) — это как бы два разных химических элемента, так и ванадий в трёх наиболее распространённых состояниях окисления — V (II), V (IV) и V (V) — это как бы три разных элемента [3].
Накопления ванадия в углях в основном сингенетические. В соответствии с идеей В. А. Зильберминца [5] принято считать, что каменные угли коксовых марок с повышенными содержаниями V обогатились им при торфонакоплении вследствие поступления в палеоторфяники продуктов эрозии ванадиеносных пород основного состава. Вследствие действия мощного фактора изолированного залегания угольного вещества содержания V в угольных включениях оказываются несопоставимы с таковыми в угольных пластах. Эта разница может быть связана с разной сорбционной способностью разлагающейся древесины в торфянике и в осадках почвы и кровли. Минимальная опасная концентрация V в товарном угле («порог токсичности») составляет, согласно российскому нормативу 1996 г., 100 г/т [6]. «Порог токсичности» V равен его ПДК. На рисунке 2 показано распределение ванадия в пределах угольного пласта с10в. Основные геохимические аномалии (в пределах от 100 до 150 г/т) сконцентрированы в южной и юго-западной частях пласта, в зонах влияния Богдановского, Диагонального сбросов, а также сброса «А» и Вербского сброса. Небольшие аномалии (100-120 г/т) расположены в северной части пласта и приурочены к Поперечному сбросу и сбросу V (см. рис. 1 и 2). Из 112 точек опробования по скважинам аномалии ванадия были выявлены в 48 % от общего числа точек.
Цинк.
Техногенный выброс Zn в атмосферу, в отличие от ряда других элементов, намного (в 23 раза) превосходит природный. Цинк либо изоморфно входит в пирит, либо образует сфалерит — в макро - или микроминеральном виде. Поскольку изоморфная ёмкость пирита к цинку ограничена (изоморфизм Fe2+<==Zn2+ не может быть значительным), получается, что, если содержания Zn в пиритах составляют сотни граммов на тонну и более, то здесь образуются включения микроминеральной сфалеритовой фазы. Распределение Zn в
Науки о земле
пределах угольного пласта конкретного месторождения сильнее всего зависит от зольности и сернистости угля; иногда удается заметить зависимость от петрографического состава угля и положения пробы в разрезе угольного пласта [2]. На рисунке 3 показано распределение цинка в пределах угольного пласта с10в. Основные геохимические аномалии в пределах от 100 до 140 г/т расположены в северной и южной частях пласта, в зонах влияния Богданов-ского и Диагонального сбросов, сброса «А», Поперечного сброса и сброса V (см. рис. 1 и 3). Аномалии цинка составляют 45 % от общего числа точек.
Вид зависимости «зольность - содержание Zn в угле» определяется балансом виртуальных (генетических) фракций цинка. Если доминирует цинк кластогенной золы, то зависимость в угле близка к линейной, а если существенен вклад аути-генной сорбционной фракции (имеющей модальные формы Znорг и Znсульф), то линейная зависимость ослабевает, осложняясь сорбционным оптимумом, а для золы проявляется негативная корреляция «зольность — содержание Zn в золе» [2, 3].
Сульфофильные свойства цинка обусловливают концентрацию его в сульфидах (в основном в пирите). Вследствие существенной доли в цинконосных углях сульфидной формы цинка, обогащение углей могло бы служить средством снижения экологической опасности. Однако если в углях доминирует микроминеральная сульфидная форма, обогащение окажется неэффективным. Наличие цинконосных углей, сильная летучесть цинка и его токсичность делают экологическую проблематику весьма актуальной. Известно, что Zn может отравлять катализаторы при конверсии углей в жидкое топливо. Он принадлежит к числу токсичных тяжёлых металлов. Российские санитарные нормы [2] устанавливают следующие содержания цинка: для воздуха населённых мест ^пО, в пересчёте на Zn) среднесуточная концентрация составляет 0,05 мг/м3; для воздуха рабочей зоны ^пО, аэрозоль) — 0,5 мг/м3, а для питьевой воды и воды культурно-бытового назначения ^п) — 1,0 мг/л. Минимальная опасная концентрация Zn («порог токсичности») в товарном угле составляет, согласно российскому нормативу 1996 г., 100 г/т [6].
Рисунок 2 Схематическая карта распределения ванадия в угольном пласте с!0в блока № 1 шахты им. Героев Космоса
Науки о земле
Рисунок 3 Схематическая карта распределения цинка в угольном пласте с10в блока № 1 шахты им. Героев Космоса
они являются спутниками серы, образуя собственные минералы-сульфиды (цинк) или изоморфно входят в состав сульфидов (ванадий). Зная, в какой форме находится элемент и каковы условия его накопления, можно выбрать оптимальную схему обогащения углей. Это важно для вредных и токсичных элементов, к которым относятся ванадий и цинк.
Выводы.
В угольном пласте с10в блока № 1 шахты им. Героев Космоса был установлен тектонический фактор распределения ванадия и цинка, так как аномалии перечисленных элементов расположены вдоль сместителей тектонических нарушений шахты.
Все исследуемые элементы имеют сульфидную природу в связи с тем, что
Библиографический список
1. Лишин, В. П. Геологический отчёт о доразеедке блоков № 1 и 2 шахты им. Героев Космоса, выполненный е 1993-1999 гг. (Западный Донбасс) [Текст] / Н. М. Козорог, В. П. Лишин // Паелоградская ГРЭ, ПГО "Донбассгеология". — Артёмовск, 1999. — 430 с.
2. Юдович, Я. Э. Токсичные элементы-примеси в ископаемых углях [Текст] / Я. Э. Юдович, М. П. Кетрис. — Екатеринбург : УрО РАН, 2005. — 654 с.
3. Юдович, Я. Э. Элементы-примеси в ископаемых углях [Текст] / Я. Э. Юдович, М П. Кетрис, А. В. Мерц. — Л. : Наука, 1985. — 239 с.
4. Волкова, Т. П. Распределение сульфидных элементов в углях и отходах углеобогащения Донецко-Макеевского угленосного района [Текст] / Т. П. Волкова, П. А. Власов, О. Л. Шалова-нов, А. Л. Костюченко // Науков1 пращ УкрНДМ1 НАН Украгни; тд заг. ред. А. В. Анциферова. — Донецьк : УкрНДМ1 НАН Украгни, 2009. — Випуск 5 (частина II). — 393 с.
5. Eskenbazy, G. Adsorption of titanium on peat and coals. — Fuel, [Text] / G. Eskenbazy. — 1972. — vol. 51, N 3. — рр. 221-223.
Науки о земле
6. Жаров, Ю. Н. Ценные и токсичные элементы в товарных углях России : справочник [Текст] /Ю. Н. Жаров, Е. С. Мейтов, И. Г. Шарова и др. — М. : Недра, 1996. — 239 с.
© Власов П. А. © Шалованов О. Л.
Рекомендована к печати канд. геол.-минерал. наук, с.н.с. ОЭГИРАНИМИ Савченко А. В., к.т.н., проф. каф. МЧМ ДонГТУКуберским С. В., к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТУ
Леоновым А. А.
Статья поступила в редакцию 27.09.17.
Власов П. О. (РАНДМ1, Донецьк, ДНР, pasha_shakhtyor@,mail. ru), Шалованов О. Л. (РАНДМ1, Донецьк, ДНР, [email protected])
ФАКТОРИ РОЗПОД1ЛУ ЦИНКУ I ВАНАД1Ю У ВУГ1ЛЬНОМУ ПЛАСТ Ci„B БЛОКУ № 1 ШАХТИ IM. ГЕРО1В КОСМОСУ
Досл1джено геох1м1чт розподти цинку i ванад1ю у вугтьному пласт1 с10в блоку № 1 шахти ¡м. Герогв Космосу. За даними спектрального аналiзу вугтьного керна було побудовано геохiмiч-т карти, за якими встановлено тектотчний фактор накопичення розглянутих елементiв. Ключовi слова: геохiмiя, цинк, ванадт, шахтне поле, спектральний аналiз.
Vlasov P. A. (RANIMI, Donetsk, DPR, [email protected] ), Shalovanov O. L. (RANIMI, Donetsk, DPR, [email protected])
FACTORS OF ZINC AND VANADIUM IN DISTRIBUTION A COAL LAYER Ci„B OF THE BLOCK № 1 OF GEROIEV KOSMOSA MINE
There have been studied the geochemical distributions of zinc and vanadium in a coal layer с10В of the block № 1 of Geroyev Kosmosa mine. According to spectral analysis of a coal core the geochemical maps were designed where geotectonical accumulation _ factor for the studied elements was found out. Key words: geochemistry, zinc, vanadium, mine field, spectral analysis.
