Горбачева Е.Ю., Выборов С.Г. - Эколого–геохимическая типизация породных отвалов, их металлогеническая специализация и перспективы использования

Аннотация

Горбачева Е.Ю., Выборов С.Г. Эколого-геохимическая типизация породных отвалов, их металлогеническая специализация и перспективы использования. В данной работе была предложена классификация породных отвалов по отношению к процессам окисления и горения. Минералого-геохимические особенности проявления этих процессов приводят к мобилизации вещества отвальных пород, переводит значительную часть компонентов в подвижное состояние и способствуют их миграции в контактирующие среды. Таже были рассмотрены геохимическая специализация отвальных пород и перспективы их использования в качестве алюминиевого сырья.

Содержание работы

В настоящее время в пределах г. Донецка, расположено более 140 породных отвала, занимающих площадь около 10 млн. м². Количество отходов, размещенных в отвалах, составляет 600 млн. т. Размеры зон влияния отвалов варьируют в пределах 500-1000 м. Исходя из этого, площадь их суммарного влияния составляет более 50% территории Донецка.

Породная масса отвалов рассматривается в качестве компонента геологической среды, представленного современными техногенными отложениями, слагающими разные по размерам тела определенной морфологии. При этом породы, изъятые из недр, перемещенные на поверхность и механически смешенные, находятся в неравновесном состоянии по отношению друг к другу и к внешней среде. Поэтому под действием экзогенных факторов претерпевают закономерные преобразования, где ведущая роль принадлежит аэробным и анаэробным микроорганизмам при активном участии метеорных вод.

В основании отвалов залегают делювиальные и элювиальные суглинки, реже аллювиальные глины, которые под давлением породной массы уплотняются и приобретают свойство локальных водоупоров, что способствует формированию в теле крупных отвалов временной или постоянной зоны водонасыщения – техногенного водоносного горизонта. Верхняя часть зоны водонасыщения обогащена кислородом, что в присутствии высокой концентрации сульфидной серы и органического вещества благоприятствует развитию окислительных аэробных процессов с разным проявлением температурного режима.

Наиболее широко распространены окислительные изменения отвальных пород без явного температурного воздействия. Породы приобретают кирпично-красный цвет, при этом обломочная масса сохраняет рыхлое сложение. Обломки пород сохраняют первичные текстурно-структурные особенности и отчасти минеральный состав. В процессе исследований было установлено, что даже при отсутствии очагов горения отмечаются следы окислительных процессов, проявленные, выделениями свежей фумарольной сульфатной минерализации. Эти наблюдения позволили сделать вывод о том, что аэробные окислительные процессы проявлены на всех отвалах, однако только на части из них они приводят к горению и частичному плавлению породы.

Температурное воздействие на отвальные породы сопровождается их выгоранием и спеканием. В результате формируются литифицированные разно-обломочные породы кирпично-красного цвета. При этом сохраняется слоистость отсыпки породной массы и текстурно-структурные особенности обломков, по которым устанавливаются первичные породы – аргиллиты, алевролиты или песчаники. Реже процесс горения породной массы приводит к ее плавлению. Текстурно-структурные особенности первичных пород в этих случаях не устанавливаются, породы приобретают темно-серую окраску и пористую текстуру.

Вся совокупность процессов преобразования отвальных пород представляет экологическую опасность. Аэробные процессы сопровождаются выбросами различных окислов и паров серной кислоты, летучих соединений металлов и токсичных элементов. Анаэробные процессы сопровождаются выбросами аммиака, сероводорода. При этом аэробные и анаэробные процессы могут одновременно происходить в одном отвале.

Обследование поверхности отвалов позволяет по ряду признаков разделить их по температурному режиму, прошедших ранее процессов окисления и горения. Наиболее высокие температуры (более 800^оС), вызвавшие плавление пород, установлены на отвале ш. Путиловская и №1 ш. Панфиловская. На значительной части отвалов установлено очаговое горение породной массы, сопровождавшееся спеканием и литификацией обломков. Признаки такого уровня температур (200-800^оС) установлены на отвалах: №1 шх. Мария, №1 ш. Заперевальная, ш. им. Калинина №7-8, ш. Ветка Наклонная и др.

Около половины обследованных с поверхности отвалов, даже при наличии глубоких срезов вершины и склонов, не обнаруживают признаков активного горения породной массы. Однако здесь выявлены действующие зоны окисления с высыпками вокруг них фумарольной сульфатной минерализации. Подобные признаки окисления проявлены на отвалах №4 ш. им. Горького, ш. №4 Ветка, №1 ш. №4 Ливинка. Отвалы ш. Центрально-Заводская и №1 ш. Шверинка, могут быть выделены отдельно в связи с незначительными процессами окисления породной массы.

В процессе проведенных исследований было изучено распределение 42 химических элементов в породах по данным 100 проб, отобранных из 29 отвалов. Полученные результаты показали преимущественно фоновое (на уровне кларка) распределение большинства элементов. Превышения кларков осадочных пород характерны для Bi (2,60-5,26 раза), Pb (2,14-5,00 раза), Zn (3,85-1,90 раза), Ca (2,3-3,2 раза), Mn (1,55-2,10 раза), Cu (1,9 раза), Ni (1,8 раза), Al (1,7 раза). Геохимическая специализация относительно кларка глинистых сланцев устанавливается по Bi, Ca и Zn. Редкие аномалии Pb и Cu появляются вследствие их перераспределения в процессе преобразования углеотходов.

Экологическая опасность породных отвалов определяется тем, что даже при фоновых концентрациях токсичных компонентов в породной массе процессами окисления и горения они переводятся в подвижное состояние, мигрируют воздушным и водным путем в окружающую среду прилегающей территории. При этом токсичные элементы могут образовывать ореолы загрязнения в почвах, водоносных горизонтах, концентрироваться на различных барьерах, накапливаться в донных отложениях.

Полученные результаты литохимических исследований не подтверждают предъявляемые к отвалам перспективы выявления широкого спектра рудных компонентов. Лишь повышенные концентрации глинозема в некоторых отвалах заслуживают более пристального внимания.

Породные отвалы существенно различаются по концентрации глинозема в самых распространенных отвальных породах – аргиллитах. Наиболее высокие концентрации глинозема (25-30%) отмечаются на отвалах №1 ш. Мария и №2 ш. №4 Ливинка, при этом совокупные ресурсы Al₂О₃ составили 804,2 тыс. т. Более половины отвалов характеризуется содержанием глинозема 20-25% (ш. Панфиловской – 5115 тыс. т., ш. Заперевальной – 2992 тыс. т. и др.). Суммарные прогнозные ресурсы насчитывают 15272,7 тыс. т. Al₂О₃. Для значительной части отвалов установленное содержание глинозема составило менее 20%. Перспектива использования отвальных пород в качестве алюминиевого сырья будет определяться технологией переработки. Однако на данный момент, экономически эффективные технологии извлечения глинозема из отвальных пород отсутствуют.