«Геология угольных месторождений» (Межвузовский научный тематический сборник) - Екатеринбург, 2002 - c.274-281

УДК 622.82
Б.С.Панов, Ю.А.Проскурня
Донецкий национальный технический университет
МОДЕЛЬ САМОВОЗГОРАНИЯ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ДОНБАССА
Во всех старопромышленных районах мира накоплено большое количество твердых отходов в виде отвалов угольных шахт, хвостохранилищ обогатительных фабрик, золошлаковых отходов и др. На территории Донбасса находится 1257 терриконов общим объемом 1056519,9 тыс. м3, которые занимают площадь 5526,3 га; из них около 30% являются горящими. Горение пород отвалов вызывает образование пустот, обрушение и осадку горелых пород, осыпи, трещины вследствие неравномерного нагрева; выбросы и термические оползни с образованием на склонах отвалов полостей разного объема, уступов и трещин, что может иметь трагические последствия как, например, в 1962 г., когда взрыв террикона шахты им. Ильича бывшего треста “Кадиевуголь” привел к гибели десятков людей. Причиной трагедии стал единый горящий террикон шахты и Кадиевского коксохимического завода высотой 111,5 м. Размокшие под действием атмосферных осадков глинистые породы заполнили пустоты между обломками песчаников, алевролитов, аргиллитов, сцементировав их в очень прочную корку, выдерживающую давление паров и газов, образующихся в результате горения углистых пород внутри террикона. Температура горения последних достигала 800оС, о чем свидетельствуют исследованные нами изменения кремнистых и глинистых образований. Но наступил момент, когда давление паров и газов внутри террикона превысило прочность корки, последняя разорвалась и произошел мощный взрыв. Вместе с газами и парами в атмосферу было выброшено 42 тыс. м3 раскаленных обломков пород. Они заполнили крупные шламоотстойники коксохимического завода, вытеснив из них шлам и превратив его в горящую жидкую массу. В считаные минуты поселок был затоплен горящим шламом и засыпан раскаленными обломками пород террикона, что привело к гибели десятков людей [6]. Подобные катастрофы довольно редки, но негативное воздействие, которое оказывают породные отвалы, особенно горящие, на окружающую среду и здоровье людей огромно. Источниками опасных процессов являются выделяющиеся газы (СО, CO2, NO2, SO2, CH4, H2S и др.), приводящие к загрязнению воздуха на прилегающих к отвалам территориях, снос атмосферными осадками с поверхности отвалов продуктов разрушения новообразованных минералов, приводящих к загрязнению почв и вод, крупные деформации, выбросы пород и пыли и др. Поэтому возникает необходимость полностью исключить опасные явления, связанные с горением отвалов. Нами были проведены исследования шахтных терриконов Донбасса с целью изучения проблемы самовозгорания углей и пород терриконов угольных шахт. Этими вопросами долгое время занимались ученые как в Донбассе, так и в Подмосковном буроугольном бассейне [2, 3]. Однако, до настоящего времени не была разработана модель самовозгорания углей и породных отвалов угольных шахт, обобщающая результаты предыдущих работ и учитывающая ряд параметров и факторов, влияющих на самовозгорание. Поэтому, нашей задачей и была попытка разработка такой модели на примере отвалов угольных шахт Донбасса. Процессы самовозгорания отвалов угольных шахт и техногенного минералообразования были исследованы нами на примере недействующего террикона шахты №1-7 “Ветка” (время накопления отвала - 1902-1969 гг.), характеризовавшегося интенсивным горением и разнообразным комплексом техногенных минералов. Общие сведения о породном отвале: форма отвала – конический, тепловое состояние – горящий; недействующий, площадь основания – 5,2 га, объем отвала – 1256 тыс. м3, объем породы в отвале – 2261 тыс. т, высота – 65 м. Шахтой 1-7 “Ветка” отрабатывались пласты h10, h8, h3, h21 марок Ж и ГЖ. Основная масса террикона состоит из обломков осадочных пород: аргиллитов (30%), алевролитов (20%), алевритистых (10%) и углистых аргиллитов (10%), глинистых (20%) и углистых (10%) алевролитов, песчаников (10%), углистого материала (2%), обломков известняка (2%) и тонштейна (1%). Углистые аргиллиты из почвы, кровли и породных прослоев содержат включения сульфидов железа (пирита и марказита) – до 5%, конкреции сидерита – до 2%, зерна кальцита и других минералов. Слагающие терриконы горные породы, попадая на поверхности в иную, чем в недрах, термодинамическую обстановку, становятся в водно-воздушных условиях неравновесными и испытывают физико-химические преобразования. Рыхлый углесодержащий материал терриконов под воздействием атмосферной влаги и кислорода воздуха интенсивно окисляется вплоть до самовозгорания. Общей причиной самовозгорания углей, горючих пород почвы, кровли и межугольных прослоев является способность адсорбировать кислород, вступающий в химическое взаимодействие с угольным веществом. Такой процесс сопровождается выделением тепла и повышением температуры, что еще более усиливает процессы окисления. Склонностью к самонагреванию и самовозгоранию в водно-воздушной среде обладают горные породы углисто-глинистого состава, имеющие повышенные пористость и содержания серы и железа (в виде пирита и марказита) [3, 4]. Разложение пирита и других сульфидов происходит не только в результате химического взаимодействия этих минералов с агентами выветривания, но и при широком участии постоянно присутствующих в поверхностной зоне свободного водообмена тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidaus [3]. Вследствие подкисления среды до рН?3,5 и образования серы при химическом окислении пирита создаются благоприятные условия для жизнедеятельности организмов. Эти бактерии вызывают деструкцию сульфидов и окисляют сульфидную серу до сульфат-ионов. Основная среда обитания Thiobacillus ferrooxidaus – кислые воды угольных месторждений и месторождений сульфидных руд. Здесь на каждую тонну H2SO4, выделяемую химическим путем, 4 т ее образуется под действием этих бактерий. Для их жизнедеятельности оптимальны температура, равная 28-37оС и кислая среда (pH=1,5-3,5 и Eh=0,5-0,7). Клетки бактерий длиной 0,8-1,0 мкм и толщиной 0,4-0,5 мкм могут проникать вместе с жидкостью в трещины и макро- и микропоры пород. Бактерии для своего существования используют энергию реакций окисления неорганических соединений, протекающих с поглощением кислорода. Единственный источник для их развития – растворенный углекислый газ, а источник энергии – процессы окисления железа двухвалентного и элементной серы. Стационарный биохимический процесс окисления и выщелачивания пирита протекает следующим образом: 3FeS2+8,25O2+2,5H2O=Fe2(SO4)3+Fe(OH)3+H2SO4+2S [3]. Окисление бактериями серы с образованием серной кислоты будет происходить до тех пор, пока рН раствора не снизится до 1,5. При температуре близкой к кипению воды микроорганизмы прекращают свою жизнедеятельность и с этого момента в горных породах протекают процессы, обусловленные химическими реакциями. Биохимические процессы в породах терриконов приводят к полному разложению пирита с образованием Fe(OH)3 и элементной серы. Выделение тепла вследствие этих реакций приводит к разогреву пород [4]. Совокупность процессов от начала отсыпки отвала до образования и растворения различных техногенных минералов включает несколько стадий, которые и составляют основу предлагаемой модели техногенного минералообразования. Она учитывает различные параметры и может быть выражена формулой: М= f (А, Б, В, Д, Ж, З, Е, К, Л, Н, П, Р, С, Т), где М –модель, учитывающая функции (f) параметров; A – марка углей. Исследования терриконов Донецко-Макеевского района показали, что склонность каменных углей к самовозгоранию в ряду метаморфизма сначала повышается, достигая максимальных значений в углях марок Ж, К, ОС (до 85-90% отвалов), а затем уменьшается, самовозгорание антрацитов очень редко.
Стадии процесса современного минералообразования на примере террикона шахты 1-7 «Ветка»:
1. Начальный этап. Химическое и биохимическое окисление пирита - Начало отсыпки отвала – 1902 г. Период длился после начала отсыпки несколько месяцев, объем породы в отвале достиг около 35 тыс.т. С 1903 г, когда накоплено свыше 70 тыс. т породы, под действием атмосферных осадков начались процессы химического и биохимического окисления пирита. Биохимическое окисление пирита происходит с помощью бактерий Thiobacillus ferrooxidaus, которые вызывают деструкцию пирита и окисляют сульфидную серу до сульфат-ионов. 3FeS2+8,25O2+2,5H2O=Fe2(SO4)3+Fe(OH)3+H2SO4+2S (реакция может протекать при t от О до 100оС). Среда оптимальная для жизнедеятельности бактерий: t=28-37оС, рН=1,5-4, Еh=0,5-0,7 [3]. На 1 моль пирита выделяется 1128,2 кДж тепла, происходит выделение сероводорода, прогревание поверхностного слоя горных пород и обогащение его серой. Необходимая для этого критическая масса пород террикона составляет около 105 т. При рН=1,5 и t около 100оС микроорганизмы прекращают свою жизнедеятельность.
2. Образование очагов горения - Самонагревание горных пород переходит в возгорание под воздействием самовоспламененяющихся паров сероводорода и метана (концентрация до 10%) на воздухе возле нагретой до t?260оС поверхности горной породы. Происходит увеличение пористости приповерхностного слоя за счет выноса газовыми потоками мелких фракций, проникновение атмосферного воздуха, смещение фронта горения вглубь скопления пород по мере отсыпки отвала.
3. Термальный метаморфизм и псевдофумарольная деятельность - При температурах более 300оС происходит разложение минеральной части и углефицированного вещества горных пород с выделением CO, CO2, N2, SO2; 480-520оС – образование NH3; 500-550оС – выделение H2, CO и тяжелых углеводородов; 900-1200оС – образование CS2, COS, C4H4S. При температуре 800-1200оС породы испытывают термальный метаморфизм (частичное плавление, обжиг и спекание пород в виде брекчиевидных масс). Происходит образование гематита (t=450оС), муллита (t=950оС), шпинели, кристобаллита и др.
4. Техногенное минерало-образование - 1)Высокотемпературный парогазовый поток устремляется по трещинам к поверхности. Он обогащен за счет выщелачивания из вмещающих пород Mg, Na, Al, Fe, K и др, а также летучими элементами - S, F, Cl, As и др. На поверхности – резкое снижение температуры и давления – образование на геохимическом барьере нашатыря, самородной серы, масканьита, летовицита, реальгара, аммонистой селитры и других минералов. 2) Выщелачивание и сернокислотное разложение пород. Взаимодействие серной кислоты с карбонатами, силикатами, высвобождение Fe, K, Na, Ca, Mg, Al – образование гипса, квасцов, пиккерингита, алуногена, тамаругита, халькантита и др. Испарение сернокислотных растворов – образование эпсомита и гегсагидрита [8]
5. Выветривание пород на поверхности отвала - На поверхности происходят процессы выветривания горных пород (гидратация, гидролиз, растворение и др.): FeS2 > FeSO4 > Fe(SO4)3 > Fe(OH)3 – лимонит, гетит, гидрогетит и др.
Конец отсыпки отвала – 1969 г, на 2002 г: высота отвала – 65 м, площадь основания – 5,2 га, объем породы в отвале – 1256 тыс. м3, масса пород - 2261 тыс. т. Отвал практически весь перегорел, характерны “останцы” плотно сцементированных спекшихся пород. Происходит образование техногенных минералов.
Б – восстановленность углистых компонентов. Наиболее склонны к окислению при низких температурах восстановленные угли и углистые породы, кровли которых образовались в морских условиях, менее склонны- маловосстановленные [5];
В – зольность углей. Низкозольный уголь не оказывает существенного влияния на развитие процессов окисления отвальной массы из-за меньшего количества пирита – “стартового” фактора процессов горения терриконов и минералообразования, многозольные угли (зольность свыше 16%) наиболее склонны к самовозгоранию;
Г – наличие в угольных пластах сульфидной серы, которая входит, в основном, в состав тонкодисперсного пирита, обладающего большой окислительной способностью при низких температурах. Содержание пирита в углях исследуемой шахты – 5%. Таким образом, высокосернистые угли (содержание серы более 4%) более склонны к самовозгоранию, чем низкосернистые;
Д - присутствие в углистом материале веществ, тормозящих процессы окисления. На шахтах с не горящими отвалами угли содержат значительное количество галогенов (Cl, F, Br и др.) (до 0,25% в пересчете на горючую массу), с горящими – не более 0,06% [5];
Ж – минералогический состав осадочных горных пород, поступающих на терриконы из горных выработок шахт. Из всех пород, поступающих на терриконы к самовозгоранию склонны угли и углисто-глинистые породы, содержащие до 2-5% пирита, который находится в глинистых осадках, обогащенных органическим веществом, в тонкодисперсном состоянии. Содержания пирита в углистом аргиллите – 5%, в углистом алевролите – 2%. Углисто-глинистые породы в зонах локальной пиритизации имеют хорошую пористость, что способствует свободному проникновению вод в пиритизированные горные породы. В отличие от глинистых пород пиритизированные песчаники отмечены только в единичных случаях и случаев самовозгорания песчаников не известно. Поэтому, наиболее интенсивные процессы горения отвалов будут происходить при наличии в породах терриконов углистых аргиллитов в количестве 10% и более, содержащих 2-5% пирита; а при наличии в составе пород терриконов углистых пород в количестве менее 10% и преобладании песчаных пород – горение отвалов маловероятно;
З – критическая масса пород терриконов, при которой происходит самовозгорание отвальной массы и которая составляет десятки тысяч тонн (в нашем примере - около 105 т);
Е – крупность обломков породы, влияющих на скорость окислительных процессов с точки зрения газообмена. Вероятность самовозгорания и интенсивность горения выше, если безуглистые породы крупнообломочные и медленно выветриваются, в результате чего создаются условия для доступа кислорода в глубинные зоны отвала. Кроме этого, трещиноватость и пористость среды обеспечивает циркуляцию газов под давлением к местам разгрузки;
К – размер и форма отвалов, влияющих на интенсивность теплообмена в глубинных зонах. Эти факторы определяют фильтрующие свойства отвалов и способствуют или препятствуют генерации и аккумуляции тепла. Наиболее интенсивные процессы протекают на гребнях плоских и на вершинах конических отвалов, которые легко обдуваются потоками атмосферного воздуха. Вместе с тем, имеет место очаговое горение породы на поверхности отвалов различной конфигурации. Отвалы Донецко-Макеевского района с высотой менее 30 м практически не горят, с высотой до 50 м горят 60% отвалов, до 90 м – 87%, свыше 90 м – горят практически все отвалы.
Л - содержание различных микроэлементов и петрогенных компонентов в горных породах и угле. При горении пород происходит снижение содержания ряда элементов (As, Hg, Pb, Mn) и накопление других (P, Bi, Ba, Zn, B и др.) [1]. Освобожденные при горении пород и углей элементы могут входить в в состав техногенных минералов;
Н - жизнедеятельность микроорганизмов (тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidaus), которые вызывают деструкцию сульфидов и окисляют сульфидную серу до сульфат-ионов. Необходимая для их жизнедеятельности среда характеризуется следующими параметрами: t=20-37oC, pH=1,5-4, Eh=0,5-0,7 [3];
П – термодинамические условия окисления и выщелачивания пирита, приводящие к нагреванию пород и их самовозгоранию;
Р - физико-химические условия окисления и выщелачивания пирита (pH и Еh поровых растворов, наличие O2, H2O, CO2, H2SO4, газов атмосферного воздуха и др.);
С – состав парогазового потока (многокомпонентный, насыщенный H2S, SO2, CO, CO2, NH3, H2O, CH4, F, Cl, As и другими летучими соединениями, а также обогащенный за счет выщелачивания из вмещающих пород различными элементами – Al, Mg, Na, K и др.). Образование этих газов происходит в результате разложения углефицированного вещества, что зависит от марки угля.
Т – условия отложения техногенных минералов (в трещинах, пустотах, на поверхности пород и т.д.), зональность минералообразования, переотложение минералов и их наложение друг на друга, изменение под действием атмосферных осадков, влажности, ветра и т.д. На этот параметр оказывают влияния наличие на поверхности отвалов многочисленных трещин, пустот, впадин и других хорошо защищенных от влаги и ветра мест. Если таких мест немного (склоны конусных отвалов и т.д.), то минералы, образуясь в таких условиях, будут существовать недолго [8]. Шахтные терриконы представляют серьезную опасность для окружающей среды и здоровья населения. Образование на горящих терриконах легкорастворимых азотсодержащих минералов, таких как нашатырь, масканьит, чермигит, летовицит, а также многочисленных сульфатов приводит к загрязнению поверхностных и подземных вод, почв различными токсичными элементами и их соединениями. Выделяющиеся из глубины отвалов газы, содержащие в своем составе опасные для здоровья элементы и соединения, загрязняют атмосферный воздух. Породы терриконов содержат большое количество различных элементов, в том числе и токсичных, которые в процессе горения либо накапливаются в породах, что необходимо учитывать при использовании их в народном хозяйстве, либо высвобождаются и попадают в почвы и воды. В радиусе до 3 км от терриконов установлены ореолы загрязнения почв ртутью, мышьяком, нитратами и другими токсичными элементами [7]. Таким образом, впервые предложена модель техногенного минералообразования, включающая 5 стадий и учитывающая 15 различных влияющих на горение и образование минералов факторов и параметров. Ее следует учитывать при оценке склонности угольных отвалов к самовозгоранию и применять для решения вопросов экологической минералогии, как в Донбассе, так и в других старопромышленных угольных районах мира.
Библиографический список
1. Алехин В.И., Мигуля П.С., Проскурня Ю.А. Минералого-петрографические и эколого-геохимические особенности пород терриконов Донбасса (на примере Донецко-Макеевского промышленного района) // Сб. научн. тр. НГА Украины. – Днепропетровск, 1998. – Т. 5. - №3. – С. 35-39.
2. Голынская Ф.А. Методика исследования самовозгорания углей в пластах // Межвуз. научн. тематич. сб. “Геология угольных месторождений”. – Екатеринбург, 2001. – С. 268-270.
3. Зборщик М.П., Осокин В.В. Предотвращение самовозгорания горных пород. – К.:Тєхника, 1990. – 176 с.
4. Зборщик М.П., Осокин В.В., Панов Б.С. и др. Минералогические особенности осадочных горных пород, склонных к самовозгоранию // Разработка месторождений полезных ископаемых. – Киев: Техніка, 1989. – Вып. 83. – С. 92-98.
5. Леонов П.А., Сурначев Б.А. Породные отвалы угольных шахт. – М.: Недра, 1970. – 112 с.
6. Мигуля П.С. Забытая экологическая катастрофа // Газ. “Донецкий политехник”, 1998. - №4. – С. 5.
7. Панов Б.С., Шевченко О.А., Проскурня Ю.А. и др. К геоэкологии Донбасса // Проблемы экологии. – Донецк: ДонГТУ, 1999. - №1- С. 17-26.
8. Панов Б.С., Проскурня Ю.А. О техногенной минерализации породных отвалов угольных шахт Донбасса // Межвуз. научн. тематич. сб. “Геология угольных месторождений”. – Екатеринбург, 1999. – С. 241-249.