Подземные воды как агенты выветривания углевмещающих пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Химическая технология

63

УДК 632.15

Д.В.Шевелёв, А.М.Рогатых, Х.А.Исхаков ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК АГЕНТЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ

Характер и скорость геохимических процессов в углях и углевмещающих породах зависят не только от их вещественного состава, но также от состава и свойств проникающей в них воды.

Вода сама по себе является главнейшим агентом выветривания горных пород, сопровождающегося растворением и гидролизом многих минералов. Щелочность природных вод определяется присутствием в них карбонатов и гидрокарбонатов, главным образом натрия, калия, магния, кальция. Кислотность вод обуславливается гидролизом содержащихся в них солей, а также наличием кислот. Известно, что подземные воды, попадая в окислительные условия в горных выработках, существенно изменяют свой состав. Чем меньше минерализованы подземные воды, поступающие в выработку, тем более заметные изменения претерпевает их состав [1].

Исследования, проведенные на разрезах “Черниговский” и “Кедровский” позволили получить некоторые данные о составе воды, дренирующей через угольные пласты и вмещающие породы [2], что представлено в табл.1.

В полученных данных следует отметить, что исследуемые угольные пласты и углевмещающие породы слагаются одинаковыми горными породами; но в различных пропорциях. Так, суммарное содержание вымываемых щелочных металлов,

Ионный состав

представленных катионами калия и натрия, примерно одинаково, также примерно одинаково количество растворимых солей кальция. Что касается солей магния, то содержание их выше в водах разреза “Черниговский”. Это свидетельствует о некотором различии состава минеральных компонентов углей по простиранию пласта.

Ионы калия и натрия с анионами природных вод не образуют труднорастворимых солей, поэтому концентрация ионов калия и натрия изменяется в результате испарения или разбавления грунтовых вод. Ионы кальция, магния образуют растворимые соединения с некоторыми анионами, находящимися в воде, где в местах их высыхания наблюдаются интенсивное минералообразование

[3]. Что касается некоторых соединений кальция, магния и железа, то сравнительно невысокие значения произведений растворимости (табл.2) обуславливают их вымывание из пород.

В подземных водах железо обычно находится в виде бикарбоната железа II, отвечающего формуле Бе(ИС03)2, которое, при условии удаления растворенной углекислоты, легко гидролизуется и окисляется с образованием красно- коричневой твердой фазы гидроксида железа III [1]:

Бе (ИСОз)2 + 2 НОН ^ Бе (0И)2 + И2СО3 Бе (0И)2 + О2 +2Н2О ^ Бе (ОИ)з

Таблица 1

(ы, мг/дм3.

Разрез Объект А л О А ад 3 + +С3 £ ' т О О к О со О 1 т О £ т О 00 + " Л1 ° О ^ сч ^ Рч < 1 в 0 § о м в М т Окисля- емость

Апрель 2002г.

Черни- говский Уг. пласт 347 91 570 122 247 16 74 17 48 201 242

порода 50 142 677 320 334 83 81 10 44 300 57

Кедров- ский Уг. пласт 427 24 556 122 488 41 51 19 67 128 436

порода 65 101 656 992 532 124 47 14 71 327 178

Ноябрь 2002г.

Черни- говский Уг. пласт 291 110 519 168 201 14 61 10 39 140 282

порода 31 149 603 348 313 67 63 8 38 171 59

Кедров- ский Уг. пласт 357 46 502 174 299 27 48 14 47 103 483

порода 39 107 627 1107 339 81 48 109 41 185 167

64

Д.В .Шевелёв, А.М.Рогатых, Х.А.Исхаков

Гидроксид железа III, практически являясь нерастворимым в воде веществом (ПР = 4-10"38), хорошо наблюдается в виде выцветов на обнажениях угольных пластов [3]. Образование гидроксидов железа в угольных месторождениях было отмечено неоднократно [5].

Углекислота - важнейший компонент подземных вод, определяющий их способность растворять первичные минералы и породы, особенно минералы и породы карбонатного состава. Растворение таких минералов и пород происходит по обобщенной схеме:

СаСОз + Н2О +СО2 = Са2+ + 2НСО-з.

В условиях равновесия, для существования в растворе определенных концентраций НСО-3 необходимо присутствие определенного количества свободной углекислоты. Если содержание свободной углекислоты в воде больше, чем нужно для равновесия, то при соприкосновении такой воды с СаСО3 произойдет его растворение. Процесс растворения будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесие. Если же содержание свободной углекислоты в воде окажется меньшим, чем нужно для равновесия, то наоборот, из воды будет осаждаться СаСО3. При наличии более мощного источника СО2, концентрация углекислоты в подземной воде оказывается гораздо большей, и это определяет возможность нахождения более высоких концентраций НСО-3 в подземных водах. При содержаниях СО2 в несколько граммов на литр равновесные концентрации НСО3- увеличиваются до десятков граммов на литр. Такая ситуация характерна при эндогенных пожарах в угольных пластах.

Эти подземные воды обладают способностью растворять карбонаты кальция, магния, железа в гораздо большем диапазоне гидрогеохимических условий [5]:

СаСОз + Н2 СОз ^ Са2+ + 2НСОз~

ЫяСОз + Н2 СОз ^ Мя2+ + 2НСОз~

Таблица 2

Произведения растворимости некоторых соединений

Соединение ПР при 25° С Соединение ПР при 25° С

Са (ОН)2 О О «о 1Л Мм (ОН)2 6.510-10

Са8О4 4.110-5 МяСОз 4.110-5

СаСОз 0.5110-8 Бе(ОН)з 4.0-10-з§

БеСОз 2.510-11 Са8О4 ■ Н2О -5 0 «о

Бе (ОН)2 1.6 -10-14 Мя Са (СОз)2 2.0 -10-17

БеСОз + Н2СО3 ^ Бе2+ + 2НСОз~

В табл.1 приведены данные по окисляемости воды - это показатель, во многом имеющий условное значение и представляющий собой расход окислителя для окисления не только органических веществ, но и некоторых неорганических

[4]. Окисляемость воды, отобранной из угольного пласта разреза “Кедровский”, примерно в 2 раза выше, чем у воды из разреза “Черниговский”. С учетом этого показателя можно полагать, что в угольном пласте идут интенсивные окислительные процессы.

Таким образом, под действием воды, кислорода, углекислоты происходит разложение первичных минералов угольных пластов, упрощение их состава и вымывание отдельных элементов, в результате чего образуются минералы вторичные, характерные для современного минералообразо-вания [6]. Скорость этого процесса зависит от различных условий, количества воды, температуры, концентраций растворенных кислорода и углекислого газа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зборщик М.П., Осокин В.В. Предотвращение самовозгорания горных пород. - Киев : Тэхника, 1990.-176с.

2. Инструкция по определению физико-химических и технических показателей качества воды и реагентов, применяемых на водопроводах. - М.: Стройиздат, 1973.-366с.

3. Исхаков Х.А., Черныш А.В. Минералообразование на обнажениях угольного пласта // ХТТ.-1980.-№2.-С.88-90.

4. Громогласов А.А., Копылов А.С. Водоподготовка: процессы и аппараты. - М.: Энергоатомиз-дат,1990.-272с.

5. Саранчук В.И. Окисление и самовозгорание угля. - Киев: Наук. думка, 1982.-387с.

6. Сребродольский Б.И. Литология и полезные ископаемые. - Л.: Недра, 1974.-320с.

□ Авторы статьи:

Исхаков Хамза Ахметович

- докт.техн.наук, проф.каф. химии технологии неорганических веществ

Рогатых Александр Михайлович

- аспирант каф. химии технологии неорганических веществ

Шевелев Дмитрий Владимирович

- аспирант каф. химии технологии неорганических веществ