CC BY
73
ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2017. № 2
ISSN 0321-3005 1ZVEST1YA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2017. No. 2
УДК 553.12+622.822.2 DOI 10.23683/0321-3005-2017-2-92-100
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ САМОВОЗГОРАНИЯ ОТВАЛОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА
© 2017 г. М.И. Гамов1, И.В. Гордеев2
1Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия, 2Всероссийский научно-исследовательский геологоразведочный институт угольных месторождений, Ростов-на-Дону, Россия
THE MAIN FACTORS AND ECOLOGICAL EFFECTS OF SPONTANEOUS COMBUSTION OF COAL MINE WASTE DUMPS OF THE EASTERN DONBASS
M.I. Gamow1,1. V. Gordeev2
1Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, 2All-Russian Scientific Research Geological Prospecting Institute of Coal Deposits, Rostov-on-Don, Russia
Гамов Михаил Иванович - доктор геолого-минералоги- Mikhail I. Gamow - Doctor of Geology and Mineralogy,
ческих наук, заведующий кафедрой месторождений по- Head of Department of Mineral Deposits, Institute of Earth
лезных ископаемых, Институт наук о Земле, Южный Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-
федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на- on-Don, 344090, Russia, e-mail: gamov@sfedu.ru Дону, 344090, Россия, е-mail: gamov@sfedu.ru
Гордеев Иван Владимирович - заместитель директора, Ivan V. Gordeev - Deputy Director, All-Russian Scientific
Всероссийский научно-исследовательский геологоразве- Research Geological Prospecting Institute of Coal Deposits,
дочный институт угольных месторождений, пр. Стач- Stachki Ave., 200/1, Rostov-on-Don, 344090, Russia ки, 200/1, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия
На примере породных отвалов угольных шахт Восточного Донбасса показана вещественно-геохимическая модель преобразования отвалов угольных шахт - террикоников, сложенных породами, претерпевшими разные стадии термального преобразования, на основе использования представлений об углеводородной флюидизации ископаемых углей и вмещающих пород. Выделены основные причины самовозгорания углей и углистых пород отвала, которыми являются ряд горнотехнических и горно-геологических условий, среди которых наибольшее значение, помимо петрологического состава и метаморфизма углей, имеют такие факторы, как влажность и сернистость исходного материала, температура окружающей среды, условия образования углей и углистых пород, способ добычи угля, структура разрабатываемых пластов, размер и форма отвалов, газовая среда и парциальное давление кислорода в отвале. Большое значение имеют также механо-химические факторы и механизм развития химических процессов в смесях твердых веществ, которыми фактически являются углеотходы добычи, переработки и обогащения углей. Выявлены минералого-петрографические и термобарогеохимические факторы и критерии, обусловливающие разную предрасположенность породных отвалов угольных шахт к процессам автотермодеструкции и самовозгорания, что имеет важное прогностическое и практическое значение при освоении техногенных месторождений угольного ряда. Представлена вещественно геохимическая структура горящего и перегоревшего терриконика, в котором выделены следующие объемные пакеты: очаг самонагревания, горения; зона окислительного обжига; зона восстановительного обжига; зона техногенной флюидизации; зона относительно неизмененных пород. Предложенная модель позволяет эффективнее проводить мероприятия по рекультивации и тушению горящих отвалов, а также обоснованно определять направления рационального использования техногенного сырья.
Ключевые слова: терриконики, техногенные месторождения, уголь, углеотходы, картирование отвалов угольных шахт, вещественная модель шахтных отвалов, самовозгорание отвалов, термально измененные породы.
On the example of waste dumps of East Donbass coal mines implemented physical and geochemical model of the transformations of coal mine waste dumps - territorial stacked rocks by the different stages of thermal conversion, on the basis of the perceptions of hydrocarbon fluidization of fossil coals and host rocks. The main reasons of spontaneous combustion of coals and coaly rocks of the blade, which are a number of mining and geological conditions, among which the most important, in addition to the petrologic structure and metamorphism of the coals, are such factors as moisture and sulfur content of the source material, ambient temperature, conditions offormation of coal and carbonaceous rocks, coal mining, the structure of the developed reservoirs, the size and shape of the dumps, gas environment and the partial pressure of oxygen within the pile. Also important are the mechanical and chemical factors and mechanism of development of chemical processes in the mixtures of solid substances, which are actually plothole of mining, processing and enrichment of coal. The identified mine-ralogical and petrographic and thermobarogeochemical factors and criteria that lead to different disposition of waste dumps
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2017. No. 2
of coal mines to the processes of auto thermal destruction and spontaneous combustion, which has important prognostic and practical value in the development of technogenic deposits of coal-series. The article presents material geochemical structure of burning and burned dumps, in which there are following bulk packages: the source of self-heating, burning; zone ofoxidiz-ing roasting; roasting recovery area; area of the industrial fluidization; zone of relatively unaltered rocks. The proposed model allows effectively drive remediation and extinguishing of a burning dump, and reasonably determine the direction of the rational use of technogenic raw materials.
Keywords: dumps, anthropogenic deposits, coal, coal mining waste, mapping of coal mine waste dumps, the physical model of the mine dumps, spontaneous combustion of waste dumps, thermal modified species.
Относительно природы самовозгорания углей и углистых пород в отвалах нет единого мнения. Многочисленные теории и гипотезы, пытающиеся вскрыть или объяснить сущность явления самовозгорания, трактуют его как с химической, так и с физической стороны. Не существует единого взгляда и на первоначальный источник накопления тепловой энергии. Одни считают, что им является химическое взаимодействие кислорода с органической частью материала, другие приоритет процесса возгорания приписывают явлениям первичной сорбции кислорода и процессам окисления сульфидов в угольном веществе [1—5].
В результате этих исследований установлено, что развитие процесса самоокисления, определяющего самовозгорание углей и углистых пород отвала, зависит от ряда горнотехнических и горногеологических условий, среди которых наибольшее значение, помимо петрологического состава и метаморфизма углей, имеют такие факторы, как влажность и сернистость исходного материала, температура окружающей среды, условия их образования, способ добычи, структура разрабатываемых пластов, размер и форма отвалов, газовая среда и парциальное давление кислорода в отвале. Большое значение имеют также механо-химиче-ские факторы и механизм развития химических процессов в смесях твердых веществ, которыми фактически являются углеотходы добычи, переработки и обогащения углей.
Влажность исходного материала. Вопрос о влиянии влаги на процесс окисления и саморазогревания углей не решён однозначно. Некоторые авторы считают влагу фактором, тормозящим процесс окисления, другие же, наоборот, полагают, что она ему способствует и в некоторых случаях является даже причиной самовозгорания углей.
Второй точки зрения придерживается большинство исследователей [2, 6]. Изучая сорбцию кислорода углем или процессы его горения, нашли, что уголь, обработанный водой, окисляется лучше вследствие смыва с него окисной пленки, препятствующей доступу кислорода, или вследствие образования дополнительных трещин, образующихся за счет набухания угля и облегчающих доступ кислорода к внутренним поверхностям.
Вместе с тем исследованиями [7] и других установлена устойчивость угля к окислению при избытке влаги. Из этого можно сделать вывод, что влажность может оказывать двоякое влияние, и, в частности, в условиях породных отвалов она может замедлять процесс самовозгорания за счет значительного притока воды, выносящего тепло из очага саморазогрева. В случае же снижения притока воды вынос тепла ею будет снижен и воздействие ее на отвал может стать активизирующим процессы самовозгорания.
Температура окружающей среды. Работой [8] установлено, что повышение температуры способствует увеличению скорости окисления углей. Это объясняется усилением распада уголь-кислородных комплексов в окисленном слое.
При нагревании угля и углистых пород форма связи кислорода изменяется, на поверхности угля появляются кислые поверхностные окислы, которые ускоряют процесс окисления. Опытным путем было установлено, что нагревание антрацитов до 50 °С при свободном доступе воздуха в течение 2— 3 ч резко повышает их активность к окислителям, что способствует развитию процессов, приводящих к самовозгоранию.
Присутствие минеральных примесей. Касаясь роли минеральных примесей в процессе окисления угольного вещества, нельзя не упомянуть пирит-ную теорию. Согласно её первоначальной трактовке, окисление углей в естественных условиях, приводящее к самовозгоранию, обусловлено и инициируется теплотой реакции окисления содержащегося в угле пирита и марказита, т.е. низкотемпературное окисление заключается в окислении минеральных сернистых соединений, а окисление собственно угольного вещества наступает лишь при достижении какой-то достаточно высокой температуры.
Особенности окисления сульфидов связаны с тем, что его скорость сильно возрастает в присутствии воды. Сульфиды в сухом состоянии, по-видимому, практически не сорбируют кислород из сухого воздуха. Отмечается, что наличие пирита в контакте с другими сульфидными минералами приводит к возникновению локальных электрических полей и окислению сульфидов с образовани-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
ем свободных кислот. В результате этого происходит локальная активация угольного вещества, что может приводить к интенсификации окислительных процессов. Катионы Fe2+ и FeS2 оказывают каталитическое действие на процесс окисления, который протекает более интенсивно при повышенной влажности воздуха. При этом влага конденсируется в порах, кислород воздуха растворяется в ней и диффундирует к активной повер х-ности угля. В присутствии воды и кислорода FeS2 образует FeSO4: 2FeS2+ 7O2 + 2H2O —> 2FeSO4 + +2H2SO4 + O.
Эта реакция протекает со значительным выделением тепла. Образовавшийся закисный сульфат оказывается неустойчивым и переходит в оксидный сульфат, который, в свою очередь, очень активен по отношению к пириту.
Следующим фактором, определяющим реакционную способность складируемой массы по отношению к кислороду при низких температурах, следует считать присутствие в окисляющихся материалах веществ, тормозящих процессы окисления, - галогенов. На шахтах с негорящими породными отвалами разрабатываемые угли содержат значительное количество галогенов - до 0,25 % (в пересчете на горючую массу), на шахтах же с горящими отвалами - не более 0,050,06 % [2].
Условия образования углей и углистых пород. Известно, что все естественные минеральные образования в геологической истории претерпевают значительные изменения, в том числе и физико-химические. Последние непостоянны: они меняются во времени. Сам процесс самовозгорания и затем активного горения породного отвала, образованного на земной поверхности, также выражает стремление минеральных образований найти новую форму локализации в новых условиях земной поверхности.
Самовозгорание углей и углистых пород зависит не столько от геологической истории, предшествовавшей накоплению данного пласта, сколько от последующих эпигенетических преобразований.
Условия образования являются основной причиной повышенной или пониженной активности углистых пород по отношению к кислороду как на каменноугольной, так и на антрацитовой стадии метаморфизма. В этой связи принципиально новым подходом к объяснению природы и механизма самовозгорания углей и углевмещающих пород является концепция углеводородной флюидизации угленосных отложений, которая разрабатывается сотрудниками Южного федерального университета. Согласно этой концепции, в участках тектониче-
NATURAL SCIENCE.
2017. No. 2
ской нарушенности угольных пластов в результате проникновения глубинных гидротермальных растворов развиваются процессы флюидогенной трансформации угольного вещества и вмещающих пород, приводящие к образованию флюидоактив-ных зон с углями, обладающими аномальными структурно-энергетическими и технологическими свойствами, в таких зонах отчетливо наблюдаются признаки метасоматоза рассеянного органического и базисного силикатного материала, с одновременным окварцеванием и карбонатизацией вмещающих терригенно-осадочных пород, существенно изменяются структура и свойства угля, состав, объем и формы локализации газов, микроминералов и элементов-примесей [5, 9]. По данным электронно-микроскопических исследований в углях устанавливается широкий спектр новообразованных минералов: глобулярный пирит в ассоциации с гидро-троилитом, сера самородная, микрокристаллиты мелантерита и гипса в виде параллельно-шестоватых, спутанно-волокнистых и радиально-лучистых агрегатов (рис. 1).
Наиболее существенными факторами, влияющими на потенциальную склонность таких флюи-дизированных углей и вмещающих пород к самовозгоранию, являются:
1. Метастабильное состояние системы уголь -порода - флюид с аномально высокой энергоемкостью.
2. Высокая структурная нарушенность органического вещества и сопутствующих минеральных компонентов.
3. Природный синтез новых органических веществ с высокими окислительно-восстановительными свойствами.
4. Появление в составе флюидных компонентов легковоспламеняющихся газов (водород, ацетилен, этилен и др.).
5. Присутствие повышенных содержаний природных катализаторов - редкометалльных и редкоземельных элементов-примесей (молибден, вольфрам, скандий, германий и др.).
Эти факторы являются определяющими при развитии процессов самовозгорания и трансформации углепородных отвалов в случаях локализации флюидогенно-измененных углей и пород в терри-кониках.
Способ переработки угля. При формировании отвалов только из пород, получаемых при проходке подготовительных выработок, и отсутствии на шахте какого бы то ни было способа обогащения углей породные отвалы не самовозгораются независимо от генетической характеристики углей и пород.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2017. No. 2
5 6
Рис. 1. Минеральные включения: 1 - халькопирит (светлое) и каолинит (серое) в инертините (черное); 2 - энергетический спектр халькопирита; 3 - самородная сера в угле; 4 - один из энергетических спектров самородной серы; 5 - кристаллы галита (светлое) заполняют клеточные полости в инертините; 6 - энергетический спектр галита / Fig. 1. Mineral inclusions: 1 - chalcopyrite (light) and kaolinite (gray) in inertinite (black); 2 - energy spectrum of chalcopyrite; 3 - native sulfur in coal; 4 -one of the energy spectra of native sulfur; 5 - crystals of halite (light) fills the cell cavity in inertinite; 6 - energy spectrum of halite
Структура разрабатываемых пластов. При обследовании породных отвалов шахт Ростовской области и сопоставлении их состояния со структурой разрабатываемых пластов установлено, что при наличии более 70 % углистых пород отвалы
подвержены самовозгоранию, и наоборот, при разработке пластов простого строения и отсутствии углистого материала в породах кровли и почвы самовозгорание породных отвалов весьма редко. Вероятность самовозгорания и интенсивность горения
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
всегда выше, если безуглистые породы крупнокус-коваты и медленно выветриваются, в результате чего создаются условия для доступа кислорода в глубинные зоны отвалов. При легко разрушающихся и выветривающихся породах отвалы имеют повышенную плотность и не горят или горят весьма слабо, даже если в их составе имеется значительное количество высокозернистых углистых пород, сростков и колчедана.
Размер и форма отвалов влияют прежде всего на интенсивность тепло- и массообмена в их глубинных зонах. Наряду с гранулометрическим составом отвальной массы эти факторы определяют фильтрующие свойства и тем самым способствуют или препятствуют генерации и аккумуляции тепла, т.е. оказывают действие на протекание тех процессов, оптимальное соотношение которых во времени приводит к самовозгоранию.
Газовая среда, несомненно, влияет на протекание процесса окисления. Наличие в газовой среде химически инертных по отношению к углю и углистым породам газов должно замедлять сорбцию кислорода. Так, образующаяся при окислении углекислота как бы предохраняет уголь от дальнейшего окисления.
Таким образом, несмотря на значительное число предполагаемых факторов и причин, определяющих склонность отходов угледобычи к самовозгоранию, их роль и значение трактуются неоднозначно, что обусловлено, по нашему мнению, отсутствием адекватных моделей термодеструкции отва-лообразующих пород. Отсюда возникает и неопределенность прогнозов использования образующихся в конечном итоге техногенных месторождений угольного ряда.
В результате исследования термоизмененных пород терриконов (у г. Белая Калитва, г. Новошах-тинск, пос. Углекаменный, пос. Синегорский) авторами предлагаются аспекты вещественно-геохимической модели преобразования отвалов угольных шахт.
Негорелые части исследуемых отвалов сложены различными литологическими разностями пород, которые типичны для угленосных толщ Донбасса. Это преимущественно аргиллиты, алевролиты, песчаники, как неизменные, так и затронутые процессами выветривания. В горелых частях отвала наблюдается породная масса с различной степенью термической деструкции и дезинтеграции. В очагах пожаров и на их обрамлении образовались горелые и переплавленные породы, новообразования «черных блоков», в которых локализуются газообразные продукты горения. Так, для неизмененных и слабообожженных пород в составе локализованных газов характерным является наличие паров воды,
NATURAL SCIENCE. 2017. No. 2
СО2 и азота. В то время как в переплавленных породах вода практически полностью отсутствует либо находится в весьма подчиненном количестве. Для «черных блоков» характерным является появление H2S и непредельных углеводородов (CmHn) (рис. 2, 3). Еще большая разница отмечается в изменении коэффициента окисленности (Ко), рассчитанного как отношение суммы окисленных газов к сумме восстановленных. При нанесении Ко на разрез отвала отчетливо выделяется зона бескислородного пропаривания.
Пелитовые и алевропелитовые разности пород с углистым веществом, непосредственно вмещающие угольные пласты, претерпевают наибольшие пирометаморфические изменения, являясь очагами пожаров. Серые первичные глинистые породы в горелых отвалах приобретают черты обожженных, оплавленных, фарфоровидных, стекловатых образований различных окрасок. Слабообожженные породы обычно имеют более светлые тона - желтовато-белый, розовый, серый. Интенсивно обожженные породы характеризуются более темной окраской (коричневой, красной). На участках, наиболее приближенных к очагам пожаров, образуются техногенные брекчии (термобрекчии), породы растрескиваются, в них образуется большое количество каверн, глинистые минералы теряют воду, первичные осадочные породы перекристаллизуются в роговики, образуются новые минералы. Непосредственно в очагах пожаров формируются клинкеры, бухиты, могут также присутствовать пористые продукты - шлаки, образующиеся при термообжиге силикатных минералов.
В горящих отвалах и недавно перегоревших терриконах породы менее затронуты гипергенными изменениями, чем в отвалах, перегоревших 30 и более лет назад. Разрушение давно горелых продуктов связано с образованием щебнисто-дресвя-ных масс выветрелых термоизмененных образований, часто полностью дезинтегрированных с потерей их первичного облика.
Исследования показали, что обжиг песчаников, алевролитов и аргиллитов в горельниках при умеренных температурах (до 500-800 °С) приводит к осветлению этих пород, прежде всего за счет разложения и выгорания углистого вещества, но в породах сохраняются реликты их первичной слоистости. В начальной стадии обжига глинистых пород формируются метапелиты, в которых еще нет остекления. Они располагаются в сводовых или подстилающих частях горевших отвалов, обладают низкой прочностью, часто обрушаются, что приводит к образованию обломочной массы, при низкотемпературном воздействии на породные отвалы происходят в основном разложение кристаллогидратов, ис-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
парение физической и кристаллизационной воды, дегидратация, декарбонатизация, десульфурация и другие процессы, связанные с термической диссоциацией. Горение углистого вещества и сульфидов в отвалах приводит к загрязнению воздуха газами (СО, CO2, NO2, SO2, CH4, H2S и др.). С поверхности перегоревших отвалов атмосферными осадками сносятся легкоподвижные продукты разрушения новообразованных минералов.
51%
□ С02 ■ Н20 □ N2
Рис. 2. Состав газов в неизмененных отвальных породах (интервал 20-120 °С) / Fig. 2. Composition of gases in an unaltered dump rocks (interval 20 - 120 °C)
Рис. 3. Состав газов в «черных блоках» (интервал 20-120 °С) / Fig. 3. Composition of the gases in the "black blocks" (interval 20 - 120 °C)
NATURAL SCIENCE. 2017. No. 2
Так, на горящих терриконах образуются легкорастворимые азотсодержащие минералы (нашатырь и другие), сульфаты, самородная сера. Все это приводит к загрязнению поверхностных и подземных вод, почв различными токсичными элементами и их соединениями. Вследствие неравномерного нагрева образуются пустоты, трещины, осыпи, термические оползни на склонах терриконов, происходят выбросы пород, пыли и другие опасные явления.
По данным приближенно-количественного спектрального анализа установлено, что при увеличении термического воздействия на терригенные породы в горящих отвалах и их деструкции происходит закономерное возрастание в пробах большинства металлов (таблица).
Так, в красных обожженных породах, термобрекчиях и шлаках по сравнению со слабоизменен-ными разностями (серых, бледных розовато-желтых тонов) почти в два раза увеличиваются содержания Mg, Sr, Ti, V, Cr, Ni, Zn, Cu, Sn, Sc, Be, Li, Ga, Ge, B.
Сравнение термоизмененных пород по степени их деструкции при выветривании показало, что в более выветрелых термоизмененных породах старых перегоревших отвалов закономерно уменьшается количество многих металлических примесей - Sr, Ti, V, Cr, Co, Ni, Zr, Nb, Bi, а также некоторых породообразующих компонентов - глинозема, натрия.
Однако ряд элементов не удаляется из пород при выветривании, а наоборот - накапливается. К таким компонентам относятся Sn, Ga (которых на порядок больше в выветрелых разностях), Pb (в 20 раз больше), As, Sb (в два раза больше в выветрелых разностях). Близкие по качественному и количественному составу геохимические спектры пород, слагающих отвалы, приводятся в работе [10].
Многие металлические примеси, содержащиеся в термоизмененных и выветрелых породах исследуемых терриконов, относятся к токсичным и экологически опасным компонентам, причем их содержания часто превышают предельно допустимые концентрации (ПДК), согласно действующим инструкциям [11]. К таким элементам относятся Ti, Ni, V, As, Cr, Co.
По результатам корреляционного анализа компонентов термоизмененных пород горевших терриконов было установлено, что основная масса экологически опасных примесей положительно коррелирует друг с другом и с глиноземной составляющей пород. Исключения составляют взаимосвязанные As и Sb, отрицательно коррелирующие с кремнеземом, а также Ge, который не связан ни с одним из компонентов. Последнее еще раз подтверждает факт, что для Донбасса наиболее типична связь германия непосредственно с углистым веществом.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2017. No. 2
Породообразующие элементы и примеси в термоизмененных породах свежих и горевших отвалов у г. Белая Калитва / Rock-forming elements and impurities in thermal altered rocks of fresh and burning dumps of Belaya Kalitva
Термоизмененные породы Породообразующие элементы и примеси, %
SiO2 Al2O MgO CaO Fe2O3 K2O Na2O P2O5
1005/4 серый алевропесчаник 50 14 0,64 1,2 3,7 3,3 2,1 0,18
1005/2 желтый аргиллит 50 24 0,54 0,089 3,8 6,1 1,4 0,08
1005/1 розовый алевролит 50 16 0,79 0,41 6 4,2 1,8 0,089
1005/3 красный алевролит 49 25 1,7 0,24 5 5 1,7 0,081
1005/5 красный алевролит 50 25 0,99 0,081 4,2 5,3 2 0,08
1005/6 термобрекчия 50 23 1,7 1,6 16 5,4 1,2 0,17
1005/7 шлак 41 25 3,8 1,9 9,5 3,6 1 0,31
Термоизмененные породы Породообразующие элементы и примеси
Sr Ba TiO2 MnO V Cr Co Ni
% г/т
1005/4 серый алевропесчаник 0,021 0,024 0,85 0,042 47 140 22 27
1005/2 желтый аргиллит 0,012 0,045 1,4 0,012 110 140 16 68
1005/1 розовый алевролит 0,012 0,028 0,48 0,08 56 59 20 46
1005/3 красный алевролит 0,019 0,036 0,81 0,034 86 130 18 61
1005/5 красный алевролит 0,015 0,038 1,5 0,013 120 180 23 68
1005/6 термобрекчия 0,062 0,04 0,98 0,079 130 130 40 100
1005/7 шлак 0,043 0,11 1,2 0,15 160 170 25 89
Термоизмененные породы Элементы примеси, г/т
Zr Nb Sc Ce La Y Yb Be
1005/4 серый алевропесчаник 600 13 8,3 150 83 43 3,3 2,6
1005/2 желтый аргиллит 260 23 16 120 63 29 2,6 5,5
1005/1 розовый алевролит 180 12 6 100 60 25 2,1 3,8
1005/3 красный алевролит 140 8,3 19 96 52 32 3,5 4,1
1005/5 красный алевролит 360 14 18 110 46 25 2,7 4
1005/6 термобрекчия 320 14 17 720 34 37 5,2 4,2
1005/7 шлак 210 8,1 14 100 60 28 3,3 5,4
Термоизмененные породы Элементы примеси, г/т
Li Mo Sn Cu Pb Zn Bi Ag
1005/4 серый алевропесчаник 41 0,5 11 31 21 60 2 0,22
1005/2 желтый аргиллит 55 0,62 41 57 66 170 2 0,15
1005/1 розовый алевролит 35 0,53 23 27 110 89 2 0,078
1005/3 красный алевролит 45 0,67 27 71 82 380 2 0,26
1005/5 красный алевролит 65 0,86 24 54 62 220 2 0,2
1005/6 термобрекчия 76 2,4 3,9 24 50 160 2 0,16
1005/7 шлак 70 4,4 9,9 37 70 81 2 0,22
Термоизмененные породы Элементы примеси, г/т
Ga As Sb Ge B
1005/4 серый алевропесчаник 21 290 20 2 35
1005/2 желтый аргиллит 35 160 20 2 78
1005/1 розовый алевролит 18 120 20 4,4 42
1005/3 красный алевролит 44 100 20 2,9 67
1005/5 красный алевролит 41 100 20 2,9 69
1005/6 термобрекчия 52 100 20 2 41
1005/7 шлак 26 100 20 2 40
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
Заключение
В процессе пирометаморфизма при горении породных отвалов происходит зональное изменение исходных терригенных пород. По мере приближения к очагу горения в алевропесчаниках и алевролитах уменьшается количество глинистого цемента с образованием пор при выделении воды из глин, происходит уничтожение углистого вещества с выделением углерода и его соединений. При более сильных температурных воздействиях (800-1000 °C) происходит перекристаллизация исходных осадочных пород с образованием техногенных микрозернистых роговиков с оксидами железа и титана, а также пирометаморфических пород - шлаков, термобрекчий, клинкеров с новообразованным стеклом, оксидами алюминия и кремнезема.
Выделенные типы термопреобразованных пород существенно различаются по своим термобарическим параметрам и составу содержащихся в них газов. Причем отмеченные особенности носят ти-поморфный характер, что позволяет дифференцировать отвальные породы по термобарогеохимиче-ским признакам. Вредные и токсичные газы продолжают загрязнять воздух, выделяясь при выветривании и дезинтеграции пироморфитов уже перегоревших или потушенных отвалов.
Исследования показали, что породы терриконов содержат большое количество различных элементов-примесей, в том числе токсичных. Этих вредных компонентов значительно больше в перегоревших отвалах по сравнению с негоревшими терриконами. В процессе горения экологически вредные элементы накапливаются в продуктах горения и термоизмененных породах, их накопление продолжается при выветривании продуктов перегоревших терриконов, за счет воздействия атмосферных осадков вредные компоненты высвобождаются, попадают в почвы и воды. Это необходимо учитывать при решении вопросов об утилизации терриконов и использовании продуктов отвалов угольных шахт Донбасса в качестве техногенных полезных ископаемых.
Литература
1. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. М. : Наука, 1987. 310 с.
2. Лапин А.А., Меркулова А.П., Посыльный В.Я. Причины самовозгорания породных отвалов в антрацитовых районах Восточного Донбасса // Тр. Шахт-НИУИ. 1963. Т. III. С. 86-105.
3. Рылов В.Г., Гамов М.И., Вялов В.И., Настав-кин А.В. Оценка пожароопасности шахтопластов по
NATURAL SCIENCE. 2017. No. 2
данным изучения склонности углей к самовозгоранию // Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Естеств. науки. 2012. № 4. С. 98-102.
4. Рылов В.Г., Мещанинов Ф.В. Типоморфные особенности высокоуглеродистых флюидизитов из перегоревших отвалов ликвидированных антрацитовых шахт Восточного Донбасса // Современные проблемы развития и освоения угольной сырьевой базы России : материалы XI Всерос. угольного совещания. Ростов н/Д. : ВНИГРИуголь, 2005. С. 87-89.
5. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Майский Ю.Г., Рылов В.Г., Труфанов А.В. Углеводородная флюидизация ископаемых углей Восточного Донбасса. Ростов н/Д. : РГУ, 2004. 272 с.
6. Зинчук А.А., Калюжный В.А., Щирица А.С. Флюидный режим гидротермального минералообра-зования Донбасса. Киев : Наукова думка, 1983. 164 с.
7. Саранчук В.И., Баев Х.А. Теоретические основы самовозгорания углей. М. : Недра, 1976. 151 с.
8. Веселовский В.С., Виноградов Л.П. [и др.]. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров. М. : Наука, 1975. 159 с.
9. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Дудкевич Л.К., Майский Ю.Г., Труфанов А.В. Основы прикладной термо-барогеохимии. Ростов н/Д. : ЮФУ, 2008. 280 с.
10. Закруткин В.Е., Гибков Е.В. Техногенные геохимические потоки угледобывающих территорий и их влияние на окружающую среду (на примере Донецкого бассейна) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2016. № 3. С. 66-72.
11 . Инструкция по изучению и оценке попутных твердых полезных ископаемых и компонентов при разведке месторождений угля и горючих сланцев. М. : Наука, 1987.
References
1. Airuni A.T. Prognozirovanie i predotvrashchenie gazodinamicheskikh yavlenii v ugol'nykh shakhtakh [Forecasting and prevention of gas-dynamic phenomena in coal mines]. Moscow, Nauka, 1987, 310 p.
2. Lapin A.A., Merkulova A.P., Posyl'nyi V.Ya. Prichiny samovozgoraniya porodnykh otvalov v antratsi-tovykh raionakh Vostochnogo Donbassa [The causes of spontaneous combustion of piles in the anthracite regions of the Eastern Donbass]. Tr. ShakhtNIUI. 1963, vol. III, pp. 86-105.
3. Rylov V.G., Gamov M.I., Vyalov V.I., Nastav-kin A.V. Otsenka pozharoopasnosti shakhtoplastov po dannym izucheniya sklonnosti uglei k samovozgoraniyu [Estimation of the fire hazard of shlatoplast according to the study of the propensity of coals to spontaneous combustion]. Izv. vuzov. Sev.-Kav. region. Estestv. nauki. 2012, No. 4, pp. 98-102.
4. Rylov V.G., Meshchaninov F.V. [Typomorphic features of high-carbon fluidites from burnt dumps of the liquidated anthracite mines of the Eastern Donbass]. Sovremennye problemy razvitiya i osvoeniya ugol'noi
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2017. No. 2
syr'evoi bazy Rossii [Modern problems of development and mastering of the Russian coal resource base]. Materials of the All-Russian Coal Conference. Rostov-on-Don, VNIGRIugol', 2005, pp. 87-89.
5. Trufanov V.N., Gamov M.I., Maiskii Yu.G., Rylov V.G., Trufanov A.V. Uglevodorodnaya flyuidizatsiya iskopaemykh uglei Vostochnogo Donbassa [Hydrocarbon fluidization of fossil coals of the Eastern Donbass]. Rostov-on-Don, RGU, 2004, 272 p.
6. Zinchuk A.A., Kalyuzhnyi V.A., Shchiritsa A.S. Flyuidnyi rezhim gidrotermal'nogo mineraloobrazovaniya Donbassa [Fluid regime of hydrothermal mineral formation of Donbass]. Kiev, Naukova dumka, 1983, 164 p.
7. Saranchuk V.I., Baev X.A. Teoreticheskie osnovy samovozgoraniya uglei [Theoretical basis of self-ignition of coals]. Moscow, Nedra, 1976, 151 p.
8. Veselovskii V.S., Vinogradov L.P. [i dr.]. Prognoz i profilaktika endogennykh pozharov [Forecast and prevention of endogenous fires]. Moscow, Nauka, 1975, 159 p.
9. Trufanov V.N., Gamov M.I., Dudkevich L.K., Maiskii Yu.G., Trufanov A.V. Osnovy prikladnoi termobarogeokhimii [Fundamentals of applied thermoba-rogeochemistry]. Rostov-on-Don, YuFU, 2008, 280 p.
10. Zakrutkin V.E., Gibkov E.V. Tekhnogennye geokhimicheskie potoki ugledobyvayushchikh territorii i ikh vliyanie na okruzhayushchuyu sredu (na primere Donetskogo basseina) [Technogenic geochemical flows of coal-mining territories and their impact on the environment (on the example of the Donetsk basin)]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki. 2016, No. 3, pp. 66-72.
11. Instruktsiya po izucheniyu i otsenke poputnykh tverdykh poleznykh iskopaemykh i komponentov pri razvedke mestorozhdenii uglya i goryuchikh slantsev [Instructions for the study and evaluation of associated solid minerals and components in the exploration of coal and shale deposits]. Moscow, Nauka, 1987.
Поступила в редакцию /Received
22 февраля 2017 г. /February 22, 2017
