2015-03-27
4125
К техногенным месторождениям угольного ряда относятся геологические тела, представленные отвалами шахт и обогатительных фабрик, сформировавшихся в угледобывающих регионах и представляющие собой техногенные скопления минерального вещества (Инструкция…, 2004). Согласно ГОСТ 25916-90, отходы производства – это материальные элементы, т. е. остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образовавшихся при производстве продукции и частично или полностью утратившие свои потребительские свойства. В угледобывающем производстве отходами считаются все компоненты, не вошедшие в состав конечного продукта угледобывающего или углеобогатительного предприятия, т. е. товарного угля. Это – горные породы угленосной толщи, вскрышные породы, включения в углях, угольные и угольно-породные шламы и низкосортные угли. По своим потребительским свойствам эти минеральные образования представляют собой сырье для производства нового продукта, например, строительных и конструкционных материалов, Следовательно, согласно тому же ГОСТ, углеотходы классифицируются как минеральные ресурсы, попутно извлеченные из недр при добыче основного полезного ископаемого, т. е. как техногенное сырье, которое в настоящее время или в будущем может быть вовлечено в хозяйственный оборот. Таким образом, техногенное минеральное сырье угольного ряда представляет собой минеральные компоненты, поднятые на поверхность в процессе угледобычи либо выделившиеся при углеобогащении и не вошедшие в состав конечного продукта, т.е. товарного угля, - углевмещающие горные породы, углепородные сростки, включения в углях, угольные и угольно-породные шламы. Они обладают следующими характерными чертами:
- горная масса, складированная в породных отвалах, хвосто- и шламохранилищах, оставляет порядка 85 % объема пород, извлекаемых из недр в процессе угледобычи, т. е. по масштабам накопления таких пород на земной поверхности отвалы представляют собой явление геологического масштаба;
- складированная на поверхности горная масса под воздействием гипергенных и техногенных факторов приобретает в конечном итоге новое агрегатное состояние, трансформируются характеристики ее качества, происходит образование новых аутигенных и техногенных минералов, т. е. в техногенных скоплениях породной массы происходят те же преобразования, что и в природных геологических телах;
- породы, слагающие отвалы, как показывает отечественный и зарубежный опыт, обычно могут служить сырьем для предприятий стройиндустрии и других отраслей хозяйства, т. е. являются полезными ископаемыми. Отличием техногенных геологических тел от природных является то, что они представляют собой инженерные сооружения, возводимые по соответствующим проектам, которые предусматривают их размещение и внутреннее строение.
- в соответствие с типовыми схемами технологического процесса обогащения уголь из шахт после измельчения подвергают гидравлической классификации по крупности, затем обогащают методом гравитации, выделяя концентрат, промышленный продукт и породу (отходы гравитационного обогащения углей). При обезвоживании концентрата выделяют шлам с размером зерен менее 1 мм, который направляют на флотацию. После флотационного обогащения получают концентрат и отходы флотации (хвосты) (рис.3.1).
Рис. 3.1 Шламохранилище углеобогатительной фабрики (Восточный Донбасс, Ростовская область)
В зависимости от способа получения отходов и их класса по крупности содержание угля, а соответственно химический состав и число пластичности изменяются в широких пределах. Наибольшее количество угля (10-30 %) находится в отходах флотации. В отходах гравитационного обогащения класса 1-13 мм количество угля может достигать 15 %, а в отходах класса 13-150 мм - 4-7 %. В отходах угледобычи содержание угля колеблется от 0 до 10%. Весьма важным ограничивающим фактором применения отходов обогащения углей является наличие в них серы. Содержание ее, например, в породах центрального Донбасса достигает 3-4 %.
Влажность отходов зависит от способа их получения. Естественная влажность аргиллитов 4-5 %. Отходы флотации углей, добываемые из шламонакопителей, имеют влажность 25-30 %.
Характеристика отходов углеобогащения некоторых углеобогатительных фабрик приведена в табл. 3.2.
Соотношение литологических типов пород, слагающих техногенные месторождения угольного ряда, связано с составом угленосных свит, вмещающих отрабатываемые угольные пласты.
Первичный литологический состав пород, слагающих отвалы шахт и обогатительных фабрик (отходы текущего выхода) определяется составом вскрываемых угленосных свит. Продуктивная толща Восточного Донбасса в пределах геолого-промышленных районов с развитой угледобычей представлена угленосной частью отложений среднего карбона. В составе этих отложений выделяется четыре ведущих литологических типа углевмещающих пород: песчанистые (песчаники различного состава и зернистости), песчано-глинистые (алевролиты и песчано-глинистые сланцы), глинистые (аргиллиты и глинистые сланцы) и карбонатные (в различной степени метаморфизованные известняки).
В формировании фактического соотношения литологических типов пород в шахтных отвалах помимо исходного состава вскрываемых отложений значительную роль играют техногенные факторы, обусловленные способом вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов, а также техническими решениями по отсыпке отвалов. Отвалы наклонных шахтных стволов в сочетании с горизонтальными подготовительными и эксплуатационными выработками сложены преимущественно породами кровли и почвы угольных пластов, содержащих большее количество (до 18 %) обломков угля и углепородных сростков. В отвалах вертикальных выработок присутствует значительное (до 20 %) количество пород, перекрывающих вскрытую угленосную залежь; отвалы вспомогательных шахтных стволов сложены главным образом породами перекрывающих отложений. По составу неизмененных пород текущего выхода отвалы шахт Ростовской области разделяются на четыре главных литологических типа: глинистый, песчано-глинистый, песчанистый и известково-песчано-глинистый Литологический состав отвалов обогатительных фабрик идентичен составу шахтных отвалов и отличается лишь повышенным (до 40-45 %) содержанием в них обломков угля, углепородных сростков и угольных шламов. По этому признаку среди отходов углеобогащения выделяется два типа: углисто-глинистый и углисто-песчано-глинистый. В результате пожаров в отвалах формируются новые литологические типы пород – переплавленные породы, шлаки, черные блоки, обожженные и горелые аналоги песчаников, алевролитов, аргиллитов и известняков.
Среди техногенных месторождений угольного ряда Ростовской области выделяются следующие литологические типы: глинистый (Г), песчано-глинистый (ПГ), песчанистый (П), известково-песчано-глинистый (ИПГ) и их горелые аналоги – горелый глинистый (ГГ), горелый песчано-глинистый (ГПГ), горелый песчанистый (ГП), горелый известково-песчано-глинистый (ГИПГ), существенно различающиеся между собой по химическому составу, физико-механическим свойствам пород и их технологическим свойствам.
Техногенные месторождения, например, Ростовской области различного литологического типа существенно различаются по содержанию в них как главных породообразующих оксидов, так и органического углерода. В связи с этим они имеют и различные технологические свойства. По химическому составу(соотношению главных породообразующих оксидов) техногенное минеральное сырье разделяется на три основных группы -нормальное, высокоглиноземистое и кальциевое.
Химический состав пород техногенных месторождений угольного ряда непостоянен. Наибольшей равномерностью состава характеризуются негорелые отвалы глинистого типа (общий коэффициент вариации состава Vоб = 85 %), горелые отвалы известково-песчано-глинистого типа обладают крайне неравномерным химическим составом (Vоб=150-180 %). По этому признаку среди техногенного сырья угольного ряда выделяется 4 группы: сырье стабильного (Vоб менее 40 %), малостабильного (Vоб = 41-100 %), весьма нестабильного (Vоб=101-150 %) и крайне нестабильного (Vоб более 150 %) состава.
По содержанию органического углерода выделяются породы малоуглеродистые (Сорг = 0-8 %), среднеуглеродистые (Сорг = 8-20 %) и высокоуглеродистые (Сорг более 20 %).
Продуктами обжига пустых пород, сопутствующих месторождениям каменных углей, являются горелые породы. Их разновидностями являются глиежи - глинистые и глинисто-песчаные породы, обожженные в недрах земли при подземных пожарах в угольных пластах, и отвальные перегоревшие шахтные породы.
Залежи природных горелых пород широко распространены в различных регионах (рис. 3. 2,3,4,5). Истинная плотность их составляет 2,4-2,7 г/см3, средняя плотность - 1300-2500 кг/м3, прочность на сжатие - 20-60 МПа. По основным физическим и химическим свойствам они близки к глинам, обожженным при 800-1000 °С. Химико-минералогический состав горелых пород разнообразен, однако общим для них является наличие активного глинозема в виде радикалов дегидратированных глинистых минералов или в виде активных глинозема, кремнезема и железистых соединений. В отличие от зол и шлаков горелые породы почти не содержат стекловидных компонентов и характеризуются высокой сорбционной способностью. Содержание несгоревшего топлива в глиежах достигает 2-3 %, в отвальных горелых породах оно может быть более значительным.
Рис.3.2 Разрабатываемое техногенное месторождение – террикон
шахты Майская Ростовская область
Рис.3.3 Техногенное месторождение – террикон из горелых пород (Восточный Донбасс, район г. Новошахтинска)
Рис.3.4 Техногенные месторождения угольного ряда КАТЭКа
(Красноярский край)
Рис.3.5 Горелые породы (красный и коричневый цвет отвалов)
КАТЭКа (Красноярский край)
К горелым породам, наряду с природным сырьем, относятся и перегоревшие пустые шахтные породы, содержащие минимальное (менее 5 %) количество углистых примесей и минеральную глинисто-песчаную часть, обожженную в той или иной степени. Породы смешаны с отходами угля, горючих сланцев, серой и др. Под действием кислорода воздуха уголь и сера окисляются и самовозгораются, а под влиянием высоких температур (до 1000 °С) порода подвергается естественному обжигу. Органические примеси при этом частично выгорают. Наиболее интенсивно горят породы в терриконах шахт с коксующимися или антрацитовыми углями. Степень обжига горелых пород зависит от многих причин. Неравномерное поступление влаги в горячий слой породы, неравномерное количество воздуха, соприкасающегося с поверхностью породы в терриконе, а также большое количество мелких фракций, затрудняющих доступ кислорода к очагам горения, приводит к тому, что обжиг происходит крайне неравномерно, несмотря на высокую температуру в терриконе. В результате образуется материал различной степени обжига (от спекшегося до слабообожженного) с неодинаковыми физико-механическими свойствами. Неоднородность материала в терриконе - один из его существенных недостатков. Размер частиц колеблется в пределах от 40 см до долей миллиметра. В терриконах встречаются плотные и пористые разновидности горелых пород (рис.3.6).
Совокупность экологических параметров, характеризующих техногенное минеральное сырье угольного ряда, является одним из ведущих факторов, определяющих ресурсную ценность техногенных месторождений этого типа, позволяющим установить возможность их эффективного промышленного использования. К таким параметрам относятся содержания токсичных элементов (тяжелых металлов) и естественных радионуклидов (ЕРН).
Техногенное минеральное сырье угольного ряда содержит в заметных концентрациях следующие токсичные и потенциально токсичные химические элементы, которые могут образовывать соединения, опасные для жизнедеятельности человека:V, Ni, Cr, Mn, Zn, Сo, Mo и Pb. Кларки концентрации этих элементов приведены в таблице 3.3.
Оценка радиационной опасности техногенного минерального сырья угольного ряда в Ростовской области начала производится только в последние годы и сведений об этом мало. Зафиксированные суммарные уровни значений природной удельной активности составляют только 30-42 % допустимых норм (табл. 3.6).
Породы, слагающие техногенные месторождения угольного ряда, как минеральное сырье экологически не опасны, отвечают самым жестким требованиям СанПиН и могут быть использованы без ограничений. В то же время их крупнотоннажные скопления представляют собой источник загрязнения окружающей среды – приземных слоев атмосферы, почвы, поверхностных и грунтовых вод.
Рис. 3.6 Образец горелых пород техногенного месторождения шахты Майская (Восточный Донбасс, Ростовская область)
Таблица 3.3
Кларки концентраций токсичных элементов
в породах техногенных месторождений Ростовской области
| Углепромышленный район | Мn | Ni | Co | V | Cr | Mo | Zr | Pb | Zn | Be |
| Каменско-Гундоровский | 0,43 | 0,69 | 0,83 | 1,33 | 1,67 | 0,91 | 0,35 | 1,25 | 0,48 | 0,53 |
| Белокалитвенский | 0,31 | 0,17 | 0,17 | 0,67 | 0,84 | 1,09 | 0,41 | 1,25 | 0,12 | 0,53 |
| Гуково-Зверевский | 0,35 | 0,69 | 0,61 | 1,22 | 1,33 | 0,91 | 0,41 | 1,88 | 0,36 | 0,68 |
| Краснодонецкий | 0,38 | 0,34 | 0,28 | 0,67 | 0,60 | 1,82 | 0,41 | 4,38 | 0,36 | 0,66 |
| Сулино-Садкинский | 0,33 | 0,69 | 0,67 | 1,00 | 0,96 | 0,82 | 0,53 | 1,22 | 0,48 | 0,53 |
| Шахтинско-Несветаевский | 0,38 | 0,69 | 0,67 | 1,44 | 1,45 | 0,91 | 0,47 | 5,63 | 0,36 | 0,53 |
Таблица 3.4
Содержание естественных радионуклидов
в отвальных породах шахт и ОФ Ростовской области
| Литотип месторождения | Удельная активность, Бк/кг | Средний Аэфф, Бк/кг | ||||||
| Ra-226 | Th-232 | K-40 | ||||||
| от | до | от | до | от | до | |||
| Глинистый | 55,2 | 59,2 | 29,2 | 36,3 | 618,6 | 676,0 | 0,40 | |
| Песчано-глинистый | 51,0 | 54,1 | 19,3 | 21,3 | 340,5 | 472,5 | 0,30 | |
| Песчанистый | 48,4 | 57,9 | 14,6 | 53,1 | 85,9 | 470,6 | 0,32 | |
| Известково-песчано-глинистый | 38,7 | 43,5 | 21,6 | 35,6 | 475,5 | 620,9 | 0,38 | |
| Горелые всех типов | 54,5 | 56,6 | 24,3 | 27,8 | 528,6 | 697,0 | 0,42 | |
| Аэфф- | Сумма отношений фактической активности природных изотопов к допустимым нормам | |||||||
Техногенные месторождения угольного ряда носят комплексный характер. Они содержат породы, представляющие собой минеральное сырье следующих потребительских групп: строительное, теплоизоляционное, петролургическое, огнеупорное, технологическое, адсорбционное, красящее пигментное, керамическое, энергетическое и агрохимическое и в зависимости от их литологического состава и степени термопереработки могут быть успешно использованы для производства в промышленных масштабах следующих видов продукции для местных нужд:
| Строительное - | щебень различного назначения, тяжелые заполнители для бетонов, закладочные материалы, отощающие добавки для производства кирпича керамического, кирпич керамический, кирпич сухого прессования, бетонные изделия (фундаментные блоки, стеновые панели и перекрытия, тротуарная плитка), бетонная шахтная крепь, шпалы, легкие заполнители для бетонов; |
| Теплоизоляционное - | керамзит, аглопорит, тонкое и супер тонкое минеральное волокно; |
| Петролургическое - | изделия каменного литья (бордюрный камень, плитка облицовочная декоративная, кислото- и щелочеупорные изделия различного назначения); |
| Керамическое - | метлахская и облицовочная плитка, черепица, санитарно-технические изделия, канализационные и дренажные трубы, тонкая керамика; |
| Огнеупорное - | огнеупорный кирпич, глинозем; |
| Технологическое - | фильтрующие материалы, тампонажные и буровые растворы, минеральное вяжущее, гипсовые вяжущие и изделия на их основе (гипсокартон, гипсоплита); |
| Адсорбционное - | углеродные и минеральные адсорбенты и сульфоугли для водоподготовки, очистки промстоков от тяжелых металлов, ПАВ, фенолов, органических соединений, очистки и осветления соков и вин; |
| Красящее пигментное - | минеральные пигменты для строительных растворов и др. стройматериалов, минеральные и углистые пигменты для грунтовок и красок различного назначения; |
| Энергетическое - | тонкодисперсное вторичное топливо для пылевидного сжигания на ТЭС, брикетированное коммунально-бытовое топливо; |
| Агрохимическое - | углегуминовые удобрения, раскислители почв, биологическая рекультивация почв, гидропонное овощеводство и цветоводство |
На большинство направлений использования имеются разработанные технологии производства.
Помимо перечисленных направлений, весьма эффективным является окускование шламов по технологии брикетирования с использованием связующих веществ, перспективно гранулирование шламов. Основные направления использования гранулированных и брикетированных шламов – сжигание в топках разных конструкций, газификация, получение пористых заполнителей после их предварительного обжига и др.
Геолого-промышленная типизация техногенных месторождений угольного ряда опирается на совокупность признаков, обеспечивающих оценку степени их подобия, и построена с учетом иерархической значимости классификационных признаков. По признакам первого рода в ней выделяются следующие таксономические единицы: группы, подгруппы, классы и подклассы. По признакам второго рода – виды, типы и подтипы. Деление на группы осуществляется по способу образования и разделяется на две категории – отходы добычи и отходы обогащения, которые в свою очередь подразделяются на подгруппы по характеру сформированных геологических тел: отвалы разрезов (ОР), шахт (ОШ) и обогатительных фабрик (ООФ). Среди каждой из выделенной подгрупп по литологическому составу выделяется 10 классов: песчанистый (П), песчано-глинистый (ПГ), глинистый (Г), известково-песчано-глинистый (ИПГ), углисто-глинистый (УГ) и их горелые аналоги (ГП, ГПГ, ГГ, ГИПГ, ГУГ).
Все выделенные классы по степени преобразования пород, слагающих месторождения этого типа, разделяются на подклассы: рыхлые, литифицированные и термопереработанные. Виды техногенных месторождений выделены по объемам накопления: очень мелкие (до 200 тыс. м3), мелкие (200-1100 тыс.м3), средние (1100-4000 тыс.м3) и крупные (более 4 000 тыс.м3). Разделение на типы произведено по особенностям минерального, химического, гранулометрического состава, степени стабильности состава, физико-механическим свойствам, степени экологической безопасности и направлениям использования (табл.3.5).
Таблица3. 5
Типы техногенных месторождений
| №№ п/п | Наименование признака | Название типа |
| Химический состав | По содержанию основных породообразующих оксидов: % | |
| Нормальные,высокоглиноземистые, кальциевые | ||
| По содержанию Сорг | ||
| Малоуглеродистые 0-8 % | ||
| Среднеуглеродистые 8-20 % | ||
| Высокоуглеродистые> 20 % | ||
| По содержанию Sd (%)в отходах обогащения | ||
| Низкосернистые – до 0,5 | ||
| Малосернистые – 0,5-2,0 | ||
| Сернистые - > 2 | ||
| Минеральный состав | По преобладающим минералам: | |
| Кварц-полевошпатовый | ||
| Кварцевый | ||
| Карбонатный | ||
| Каолинитовый | ||
| Монтмориллонитовый | ||
| Гидрослюдистый | ||
| Смешанный | ||
| Гранулометрический состав | По размерам обломков, мм | |
| Мелкообломочные – (< 0,5) | ||
| Среднеобломочные – (0,5-25) | ||
| Крупнообломочные – (> 25) | ||
| Физико-механические свойства | По значениям sсж, 10-5 | |
| Малопрочные – до 100 | ||
| Прочные – 100 – 600 | ||
| Очень прочные - > 600 | ||
| Стабильность состава | По значениям общего коэффициента вариации, V, % | |
| Стабильные до 40 | ||
| Малостабильные 40 – 100 | ||
| Весьма нестабильные101-150 | ||
| Крайне нестабильные более 150 | ||
| Степень экологической опасности | По значениям Ка: | |
| Не токсичные до 1 | ||
| Малотоксичные 1 – 2 | ||
| Токсичные 2 – 5 | ||
| Высокотоксичные > 5 | ||
| Направления использования | По потребительской группе сырья | |
| Строительное | ||
| Наполнители активные | ||
| Формовочное | ||
| Красящее пигментное | ||
| Фильтрующие материалы | ||
| Керамическое | ||
| Стекольное | ||
| Петролургическое | ||
| Теплоизоляционное | ||
| Цементное | ||
| Энергетическое | ||
| Агрохимическое | ||
| Огнеупорное |
ВОПРОСЫ И ПРОЕКТНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ МОДУЛЯ 3:
Проектное задание 1. Экологическое воздействие техногенных месторождений угольного ряда на окружающую среду
Проектное задание 2. Источники информации о техногенных месторождениях угольного ряда
Проектное задание 3. Особенности состава и строения техногенных месторождений угольной промышленности.
Проектное задание 4. Дайтехарактеристику отходов углеобогащения по литологическим типам
Проектное задание 5. Дайтехарактеристику отходов углеобогащения по степени термодеструкции
Проектное задание 6. Дайтехарактеристику отходов углеобогащения по отраслям промышленного использования
Вопросы для самоконтроля:
1. Назовите литологические типы осадочных пород, встречающихся при угледобыче?
2. Назовите формы геологических тел техногенных месторождений угольного ряда?
3. Назовите основные районы распространения техногенных месторождений угольного ряда?
4. Приведите классификацию техногенных месторождений угольного ряда?
5. Что такое терриконик?
6. Геолого-промышленная типизация техногенных месторождений угольного ряда Генезис и практическое значение соляных пород.
Тесты рубежного контроля:
1. В составе техногенных месторождений угольного ряда преобладают:
а. метаморфические породы
б. осадочные породы
в. изверженные породы
2. Техногенное минеральное сырье угольного ряда разделяется на основные группы:
а. нормальное, высокоглиноземистое и кальциевое
б. железистое
в.кремнистое
3. Отвал, искусственная насыпь из пустых пород, извлеченных при подземной разработке месторождений угля и других полезных ископаемых называется:
а. шламохранилище
б. терриконик
в. шлакохранилище
4. Объемы техногенных месторождений угольного ряда, относящиеся к категории крупных:
а. от 2 до 4 млн. тонн
б. менее 2 млн. тонн
в. более 4 млн. тонн
