Формирование минеральных ассоциаций в горелых отвалах угольных бассейнов

Формирование минеральных продуктов техногенеза в районах горнодобывающих предприятий происходит в три этапа:

1.Техническое воздействие на природную среду (вскрытие залежей горных пород, руд, механический перенос масс и др.).

2.Под действием кислорода, воды, углекислоты и др. агентов углесодержащая масса пород террикона быстро окисляется, разогревается и самовозгорается. Этот процесс спонтанный и, безусловно, геологический.

3.При горении отвальной массы в терриконе образуются горелые породы (горельники), а из горячих газов на поверхности отвалов формируются сульфатные и хлоридные отложения вулканических фумарол. Таким образом, формируются минералы (промежуточные и конечные продукты техногенеза), устойчивые в новых условиях геологической среды.

Горелые отвалы являются уникальной природной лабораторией, где можно проследить историю преобразований любого соединения от момента его возникновения до полной трансформации. При этом можно определять условия стабильного существования соединения, выявлять цепочки перехода одних соединений в другие в различных температурных и окислительно-восстановительных условиях.

Отвалы угледобычи по химическому и гранулометрическому составу неоднородны. Преобладают глинистые породы – аргиллиты, глины, глинистые сланцы, поскольку они являются углевмещающими породами. На втором месте – карбонаты (доломиты и сидериты). Существенную часть отвалов слагает углеродистый материал – угольная мелочь и фрагменты современной древесины. Глинистые породы представлены обломками размером до 20 см. Карбонаты встречаются в виде кусков окаменелой древесины (стволов) в основном доломитового и анкеритового состава, а также конкреций сидеритов и мергелей. В незначительном количестве присутствуют песчаники, конгломераты и технический мусор (дерево, стекло, металлы).

Топливом, поддерживающим горение отвальной массы, является кусковой уголь, угольная мелочь и пыль, углистый и битуминозный материал аргиллитов, пирит и технический мусор. При горении отвалов, вызываемом самовозгоранием оставшегося угля, все компоненты претерпевают термические трансформации.

Отвал угледобычи (террикон) имеет четко выраженное слоистое строение вследствие технологии его отсыпки. Характерным является чередование крупнообломочных слоев со слоями мелкообломочных. Крупные глыбы обычно скатываются к подошве отвала, а мелкий материал (прежде всего глинистый) накапливается в вершинной его части. Крупнообломочные слои обладают высокой пористостью, вследствие чего воздух свободно проникает вглубь террикона, а образующиеся при горении газы выходят наружу. В крупнообломочных слоях происходит наиболее высокотемпературная переработка материала террикона (спекание, плавление) и возникают пласты отвального спека.

Вследствие высокой пористости большая часть объема террикона претерпевает обжиг при свободном доступе воздуха. Горелые породы (преимущественно клинкеры), возникающие в ходе этого процесса, являются продуктами окислительного обжига. Клинкер представляет собой высокотемпературный продукт пирогенного преобразования аргиллитов и является основным компонентом интенсивно горевших отвалов. Минералы, входящие в состав аргиллитов: каолинит Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, минералы группы хлорита, карбонаты, кварц и углеродистое вещество, превращаются в другие – техногенные. Минералы клинкера: андалузит Al₂[SiO₄]O, шпинель MgAl₂O₄, гематит, магнетит, кварц. Эти породы легко распознаются в терриконе, так как благодаря пропитке тонкодисперсным гематитом окрашены в различные оттенки красного и коричневого цвета.

Более низкотемпературные пирогенные продукты остаются рыхлыми – желтый и розовый горельник («аргиллиты»), минералы которого представлены гематитом и магнетитом. Желтые «аргиллиты» - продукты начальной стадии обжига составляют большую часть слабо горевших, чаще всего небольших терриконов. Розовые «аргиллиты» отвечают среднетемпературной стадии обжига в окислительной среде и присутствуют во всех отвалах. В мелких терриконах они, наряду с желтым горельником, являются основным компонентов отвальной массы. В крупных и интенсивно горевших отвалах они образуют отдельные слои.

Показателем уровня термической переработки пород не всегда является интенсивность окраски. Например, уголь и древесина – сгорают, карбонатные породы разлагаются с образованием оксидов металлов и углекислого газа. При прокаливании в восстановительных условиях карбонаты превращаются в углеродистые образования, а уголь, вследствие отгонки летучих компонентов, переходит в твердое вещество, внешне напоминающее шунгит. Летучие компоненты, образующиеся при прокаливании углей и сгорании древесины, конденсируются в верхних частях отвалов и дают асфальтоподобные коры. Глинистые породы, преобразующиеся в условиях восстановительного прокаливания, приобретают черный цвет, обусловленный примесью новообразованного углерода («черные» аргиллиты).

Особым центром минерализации являются «черные блоки». Они находятся в глубинных зонах крупных терриконов и представляют собой участки не прогоревших горных пород внутри красного горельника. Это реликты мелкообломочной, обогащенной пелитовым материалом (и, следовательно, слабопроницаемой) отвальной массы, прокаленные без доступа воздуха. Прогрев «черных блоков» до температуры 600-800 градусов, а иногда до 1200 градусов, обеспечивается за счет отвода тепла из смежных горящих участков. В очагах горения уголь сгорает полностью, оставляя после себя только некоторое количество золы. В участках, прокаленных при ограниченной аэрации (будущих «черных блоках»), куски угля теряют летучие вещества и превращаются в термоантрацит, содержащий до 93 масс.% углерода. Таким образом, при формировании «черных блоков» уголь фактически проходит через стадию коксования, а выделяющиеся при этом газы аналогичны коксовым газам. Они в значительной степени определяют окислительно-восстановительный режим во внутренних зонах горячих и остывающих терриконов. В «черных блоках» нередко происходит углеродизация карбонатов и образуются углеродные псевдоморфозы по обломкам стволов окаменелого дерева.

Минерализация фумарол. Процессы горения, плавления, обжига сопровождаются образование газов. В настоящее время детально изучено три главных типа фумарол: сульфатные, хлоридные и серные.

Сульфатные коры: алюмосульфатные, алюмоаммониевые, магний-аммониевые и гипсовые. Алюмосульфатные коры возникают при резком преобладании глинистых пород, как «сырых», так и обожженных. При обилии карбонатных пород возникают магний-аммониевые и гипсовые коры.

Хлоридные коры: нашатырные и хлоридные железосодержащие. Площадные хлоридные коры возникают над «черными блоками» - не прогоревшими участками горных пород. На этих участках происходит интенсивное выделение хлористых соединений из угля, углистого вещества и других компонентов отвальной массы. Эти коры располагаются на пологих участках склонов, в привершинных частях под тонким слоем пылеватого грунта (на глубине нескольких см) и под асфальтоподобными корами. Выделение газов с характерным «хлористым» запахом идет по всему прогретому участку.

Серные коры формируются за счет серосодержащих газовых струй, мигрирующих из глубины отвалов и выходящих на их вершинах в виде фумарол с температурой 400-500 градусов. При поднятии к поверхности они вступают во взаимодействие с обломками горных пород. При этом происходит растворение карбонатов, сернокислый гидролиз алюмосиликатов с образованием кристаллов квасцов (кристаллогидраты двойных сульфатов, например, алюмокалиевые K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·24H₂O), алунита – «квасцовый камень» KAl₃[SO₄]₂[OH] (за счет щелочных полевых шпатов, источник алюминия), ярозит KFe₃[SO₄]₂[OH]₆ (похож на охристый лимонит, но жирный на ощупь), эпсомит (син. горькая соль) MgSO₄·7H₂O, ангидрит в виде скрытокристаллических корочек и др.

Особый тип фумарол представлен выходами относительно низкотемпературных (десятки градусов) газов, вокруг которых отлагаются битуминозные вещества и сера. Формируются асфальтоподобные коры также над «черными блоками». Их толщина составляет 10-20 см, а площадь распространения 5-10 м². Как сама кора, так и выходящие газы, имеют специфический запах (запах шпал). Поры в коре нередко заполнены дёгтеподобным веществом, а сама масса содержит множество мелких кристалликов серы. Их содержание обычно не превышает 5-10%, но может достигать до 30-50% массы.

Отвалы – не стабильные участки литосферы. Поотдод действием воды, кислорода, углекислоты, микроорганизмов и других агентов выветривания слагающий их материал претерпевает изменения. Основным процессом является образование водных минералов: гидроксидов, сульфатов, карбонатов, хлоридов и др.

В горелых угольных отвалах преобладают следующие процессы техногенных минерализаций:

1. Переплавление пород и образование минералов класса силикатов, сульфидов и карбонатов, характерных для магматических пород;

2. В горелых породах: а) обжиг глин и аргиллитов; б) обжиг сидеритов; в) обжиг кусков окаменелого дерева; г) изменения пиритизированных пород в переплавленных участках отвалов; д) образование шлаков после горения асфальтоподобных кор;

3. Образование «черных блоков» - участков сухой перегонки углистых пород;

4. Дегидратация водных минералов и образование пневматолоитов, гидротерм и минералов из классов сульфатов, хлоридов и фторидов;

5. Изменение неметаллических предметов;

6. Выветривание техногенных образований отвалов.