Модуль 2. Лекция 9

Лекция 9. Георесурсы
техногенных месторождений Юга
России.
Преподаватель кафедры месторождений полезных
ископаемых Рыбин Илья Валерьевич
На территории Восточного Донбасса известны скопления техногенного
сырья различного состава - отсевы производства щебня из песчаников и
известняков, вскрышные породы карьеров по добыче глин различного
состава и пр. Однако они относительно незначительны по масштабам и
возможные направления их промышленного использования практически не
изучены. Наиболее крупными по размерам и значимыми в экономическом и
экологическом плане являются отвалы угольных шахт и обогатительных
фабрик.
Первые шахтные отвалы в Ростовской области образованы еще в XIX в.
Начало разработки углей здесь относится к 1809 г., когда на Грушевских
землях была открыта первая шахта глубиной 25 м, добывшая уже в 1810 г.
200 тонн угля. Промышленная добыча в Восточном Донбассе началась с
1861 года (шахта Александровская, впоследствии - шахта им. Фрунзе). За
почти двухсотлетний период угледобычи на территории Восточного Донбасса
пройдено 225 стволов шахт и глубоких шурфов, кроме того, в разное время
здесь действовало до 19 обогатительных фабрик (ОФ). В период расцвета
угольной
промышленности
область
поставляла
до
трети
общегосударственной добычи коксующихся углей и до четверти энергетических. В процессе реструктуризации угольной промышленности
большинство шахт и обогатительных фабрик Ростовской области
ликвидировано.
На территории Ростовской области зарегистрировано 455 отвалов шахт и
ОФ.
Горная масса используется главным образом с целью отсыпки дорог и
производства щебня для дорожных покрытий, а с 1996 г. начато их активное
использование для засыпки стволов ликвидируемых шахт.
Угледобывающие и углеобогатительные предприятия и технологически
связанные с ними хранилища углепромышленных отходов (породные отвалы),
сформировавшиеся
в
процессе
добычи
и
обогащения
углей,
сконцентрированы
на
северо-западе
области
в
Каменском,
Белокалитвинском,
Красносулинском,
Октябрьском
и
РодионовоНесветаевском административных районах и городах областного подчинения Донецке, Гуково, Новошахтинске, Шахтах. Небольшое количество шахт и
шахтных отвалов расположено в Тацинском районе и одна шахта Садкинская-Восточная - в Усть-Донецком.
В пределах угледобывающих районов шахты, ОФ и их породные отвалы
распределены неравномерно и образуют пространственно разобщенные
локальные скопления - техногенные районы и узлы. Хранилища
углепромышленных отходов сконцентрированы в семи техногенных районах,
пространственно совпадающих с угленосными районами, освоенными
угледобывающей
промышленностью:
Каменско-Гундоровском,
Белокалитвинском, Тацинском, Гуково-Зверевском, Сулино-Садкинском,
Краснодонецком и Шахтинско-Несветаевском.
На площадях этих техногенных районов выделяется 21 техногенный узел
(таблица 1).
Техногенный район
Каменско-Гундоровский
Белокалитвинский
Гуково-Зверевский
Краснодонецкий
Сулино-Садкинский
ШахтинскоНесветаевский
Тацинский
Техногенный узел
Донецкий
Волченский
Каменский
Васильевский
Коксовый
Белокалитвинский
Горняцкий
Шолоховский
Лиховской
Гуковский
Бургустинский
Зверевский
Синегорский
Севрюговский
Краснодонецкий
Красносулинский
Самбековский
Новошахтинский
Аютинский
Шахтинский
Тацинский
Таблица 1. Группировка
породных отвалов шахт и
обогатительных фабрик
Восточного Донбасса по
техногенным районам и
узлам
Наибольшая концентрация углепромышленных отходов сформирована в
городах - традиционных угольных центрах Ростовской области - Гуково, Красный
Сулин, Новошахтинск, Шахты, Донецк.
По сравнению с техногенными месторождениями других типов (рудными,
неметаллическими и пр.), техногенные месторождения угольного ряда имеют
свои специфические особенности. Это относится как к строению и структуре
породных отвалов, так и к вещественному составу пород, слагающих эти отвалы.
Строение отвалов описывается следующими показателями - размерами,
морфологией, структурой и фракционным (гранулометрическим) составом.
По объему складированных углеотходов отвалы шахт и обогатительных
фабрик Восточного Донбасса, согласно классификации ВНИГРИуголь,
объединяются в 4 группы - очень мелкие (до 200 тыс. м3), мелкие (200-1 100 тыс.
м3), средние (1 100-4000 тыс. м3) и крупные (более 4 000 тыс. м3).
На территории Восточного Донбасса (Ростовская область) преобладают
мелкие и средние по размерам отвалы объемом 200-4 000 тыс. м3. Наиболее
крупные отвалы сформированы главным образом вокруг обогатительных фабрик
(Шолоховская, Донецкая). Размеры отвалов зависят главным образом от
мощности предприятий, вокруг которых они сформированы, и от сроков
накопления пород (сроков службы отвалов).
Форма (морфология) отвалов определяется способом их формирования. В
зависимости от способа транспортировки материала выделяются следующие
морфологические типы породных отвалов: конические (терриконы), хребтовые,
плоскоконические и плосковершинные.
Преобладающие формы отвалов шахт и обогатительных фабрик коническая (террикон) и хребтовая, характерные для старых шахт. Плоские
отвалы в Ростовской области начали формироваться с конца 60-х годов XX в. с
целью борьбы с самовозгоранием отвальных пород, и их количество в области
не превышает 20 %.
Поперечное сечение конических и хребтовых отвалов имеет треугольную
форму, плоских - трапециевидную. Углы откосов отвалов колеблются от 300 до
45°, их высота достигает 80 м, составляя в среднем 30- 40 м.
Материал, слагающий породные отвалы угольных шахт и обогатительных
фабрик, по крупности различен - от глыб до пылевидных частиц. Размерность
обломков в массиве отвалов варьирует в широком диапазоне - от долей мм до
1000 мм и более (табл. 2).
Класс размера
обломков, мм
0-6
6-50
50-70
70-100
100-450
Более 450
Содержание классов в объеме
отвала, %
пределы
среднее
колебаний
12,8
2,0 - 70,0
23,9
3,0 - 60,0
22,1
2,0-50,0
21,3
3,0-50,0
14,5
0,0-75,0
5,4
0,0 - 32,0
Таблица 2
Размерность обломков
пород, слагающих
шахтные отвалы
Восточного Донбасса
Размер обломков фракций более 450 мм составляет в среднем 600 x 700 x
700 мм, максимальный размер кусков пород достигает 1000x1000x1500 мм
(единичные куски).
Строение отвалов, особенно крупных и очень крупных, довольно сложное.
Структура таких отвалов обусловлена естественной сегрегацией материала, как
в момент отложения, так и в последующие периоды.
Отвалы угольных шахт и обогатительных фабрик обычно имеют слоистое
строение и в подавляющем большинстве случаев обладают характерной
зональностью, особенно отвалы малых и средних размеров.
На склонах отвалов четко фиксируется зональность в распределении
величины обломков в зависимости от высоты (от подошвы отвала): наиболее
крупные из них скапливаются у подошвы отвалов, вверх по склону размеры
обломков уменьшаются. В отвалах по фракционному составу обломков
выделяется три зоны: 1 - расположена у подошвы и сложена преимущественно
крупными обломками и глыбами породы; 2 - средняя, сложена кусками породы
разных размеров; 3 - представляет собой верхнюю часть отвала и сложена
наиболее мелкообломочным материалом. Такая зональность наиболее ясно
выражена в отвалах конической и хребтовой формы.
По величине объемной массы в составе отвальных пород выделяется три
основные группы: минеральное вещество, сростки породы и угля, наконец,
обломки чистого угля.
Значения объемной массы этих групп пород различаются довольно значительно,
что обуславливает гравитационную дифференциацию материала в пределах
отвалов, формирующуюся одновременно с дифференциацией его по
фракционному составу. При этом формируется своеобразная зональность по
литологическому составу и величине зольности обломочного материала. В
приподошвенных
частях
скапливается
преимущественно
минеральное
высокозольное вещество с относительно высокой объемной массой, вверх по
разрезу увеличивается количество углистого вещества и обломков угля,
уменьшается средняя зольность материала и его средняя объемная масса
(Коломенский и др., 2002).
Структура (внутреннее строение) отвалов, сформировавшихся в процессе
добычи и обогащения углей, особенно имеющих крупные и очень крупные
размеры, довольно сложна. Она определяется не только сегрегацией обломочного
материала по размерам и плотности, но и инженерными решениями - проектами
строительства отвальных хозяйств, системы транспортировки породы, способа
вскрытия угольного пласта и пр.
Вещественный состав породных отвалов формируется под воздействием ряда
факторов - генетических, связанных с условиями осадконакопления и характером
диагенетических и постдиагенетических преобразований пород угленосной толщи,
и экзогенных, связанных с выветриванием поднятых на поверхность пород и
пожарами на отвалах.
Техногенные геологические тела, образовавшиеся в результате добычи и
обогащения углей, сложены углевмещающими породами и обломками угля.
Следовательно, соотношение литологических типов пород в шахтных отвалах тесно
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 свит
С23 С24, С2 5, С26 и С27 среднего карбона. В разрезе этих свит выделяется четыре
ведущих литологических типа углевмещающих пород: песчанистые (песчаники
различного состава и зернистости), песчано-глинистые (алевролиты и песчаноглинистые 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 (Мещанинов, 2002), а также
техническими решениями по отсыпке отвалов. Так, отвалы наклонных шахтных
стволов в сочетании с горизонтальными подготовительными и эксплуатационными
выработками сложены преимущественно породами кровли и почвы угольных
пластов, содержащими 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.
Сочетание генетических и техногенных факторов, в конечном итоге, и определяет
фактический начальный литологический состав отвалов шахт, а также, в известной
мере, и обогатительных фабрик.
По составу неизмененных пород отвалы шахт Ростовской области разделяются на
четыре главных литологических типа: глинистый, песчано-глинистый, песчанистый и
известково-песчано-глинистый.
При выветривании пород в отвалах длительного хранения и в процессе их горения
происходят изменения первичного состава. В горящих отвалах в очагах пожаров
температура достигает 1300-1400°С. В их внутренних частях с отсутствием аэрации
происходит прокаливание пород с образованием так называемых «черных блоков».
На вершинах и склонах горящих породных отвалов обычны многочисленные
фумаролоподобные выходы горячих газов с температурой от нескольких десятков
градусов до 400-500°С. В этих условиях исходные породы претерпевают
существенные изменения, вплоть до полной конверсии вещества, образования
переплавленных пород, по составу и структуре близких к магматическим породам
(Гипич, 1998).
В результате этих процессов в отвалах формируются новые литологические типы
пород - переплавленные породы, шлаки, черные блоки, обожженные и горелые
аналоги песчаников, алевролитов, аргиллитов и известняков.
С учетом этого, по классификации ВНИГРИуголь (Гипич, 2001; Коломенский и др.,
2002) среди шахтных отвалов выделяются следующие литологические типы:
глинистый (Г), песчано-глинистый (ПГ), песчанистый (П), известково-песчаноглинистый (ИПГ) и их горелые аналоги - горелый глинистый (ГГ), горелый песчаноглинистый (ГПГ), горелый песчанистый (ГП), горелый известково-песчано-глинистый
(ГИПГ), существенно различающиеся между собой по валовому минеральному и
химическому составу, физико-механическим свойствам пород и их технологическим
свойствам.
Минеральный состав пород, слагающих отвалы угольных шахт и обогатительных
фабрик, обусловлен происхождением этих пород и последующим воздействием на
них различных процессов, главный из которых - термопереработка исходных пород
во время пожаров.
В результате термопереработки образуются новые ассоциации минералов,
совершенно не характерные для угленосных осадочных отложений, причем по
количеству и распространенности эти минералы приобретают значение
породообразующих (Гипич, 1998). В черных блоках, горелых и переплавленных
породах в зависимости от конкретных термодинамических условий отлагаются
анортит, ортоклаз, форстерит, фаялит, силлиманит, кордиерит, муллит, гематит,
магнезиоферрит, магнетит, шпинель, стекла кислого и основного состава,
волластонит, хиастолит, муассанит, графит, α-кристобалит, α-тридимит, троилит,
маггемит; на участках проявления фумарольной деятельности широко
распространены инкрустационные и друзовидные выделения самородной серы,
нашатыря и гипса.
Минеральный состав отходов обогащения идентичен породным отвалам, в
них происходят те же процессы минералообразования, но более интенсивно, что
обусловлено высоким содержанием в них угольных частиц.
Физические свойства пород текущей выдачи при добыче и обогащении углей,
складированных в отвалах до 5 лет хранения, аналогичны свойствам тех же пород в
горном массиве (твердом теле). В лежалых отвалах под воздействием процессов
выветривания физико-механические свойства пород трансформируются.
Имеющиеся данные позволяют заключить, что при длительном хранении на
поверхности в отвальных породах, особенно в глинистых сланцах и аргиллитах,
происходит снижение объемной массы, прочности пород при сжатии, возрастает
их пористость.
Обратное воздействие на породы оказывают пожары на отвалах. Горелые
породы характеризуются относительно высокой объемной массой у горелых
пород, низкой - у шлаков, низкой пористостью у горелых пород и высокой - у
шлаков, так же противоположны их прочностные свойства (Коломенский и др.,
2002).