Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Минералогия отвалов угольных шахт Донбасса (на примере Донецко-Макеевского промышленного района)

ВАК РФ 04.00.20, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Минералогия отвалов угольных шахт Донбасса (на примере Донецко-Макеевского промышленного района)"

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

і ПРОСКУРНЯ ЮЛІЯ АНАТОЛІЇВНА

УДК 550.8. 05-622. 693

МІНЕРАЛОГІЯ ВІДВАЛІВ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ ДОНБАСУ (НА ПРИКЛАДІ ДОНЕЦЬКО-МАКІЇВСЬКОГО ПРОМИСЛОВОГО РАЙОНУ)

Спеціальність - 04.00.20 - мінералогія, кристалографія

Автореферат •

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук

Кривий Ріг - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті.

Науковий керівник

Офіційні опоненти:

доктор геолого-мінералогічних наук, професор Горовой Анатолій Федорович, Донбаський гірничо-металургійний інститут, завідуючий кафедрою геології та маркшейдерської справи, м.Алчевськ;

кандидат геолого-мінералогічних наук, доцент Ахкозов Юрій Леонідович, науково-дослідний гірничорудний інститут, м.Кривий Ріг.

Провідна установа - Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України, м.Київ.

Захист відбудеться -2/ - ЛЛ/СЇ0Ґ70$а 2000 року о /4 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К. 16.01.02 при Криворізькому технічному університеті за адресою: 50027, м.Кривий Ріг, вул.ХХІІ партз’їзду, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету.

Автореферат розісланий “/£ “ 2000 р.

доктор геолого-мінералогічних наук, професор Панов Б.С., Донецький державний технічний університет, завідуючий кафедрою корисних

копалин і екологічної геології.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.г.-м.н., доц.

Трунін О.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. На території України знаходиться велика кількість відходів різних галузей промисловості, значна частина яких зосереджена в Донецькому басейні у вигляді відвалів вугільних шахт. За 200 років видобутку кам’яного вугілля і антрацитів у Донбасі накопичено 1257 териконів вугільних шахт. Під дією геологічних і біохімічних агентів вуглевміщуючий матеріал териконів окислюється і самозагорається. При горінні відвальної маси в шахтному териконі утворюються горілі породи, а в місцях виходу гарячих газів на поверхню -різні техногенні мінерали (сірка, нашатир, масканьїт та ш.).

Дослідження мінералого-геохімічних особливостей породних відвалів та новоутворених мінералів має велике значення для вивчення сучасних процесів мінералоутворення, генезису і парагенезисів техногенних мінералів, їх типоморфізму. Ці дослідження необхідні також для вирішення екологічних завдань, в тому числі питань, зв’язаних з утилізацією відходів, які є цінною вторинною сировиною, поліпшення екологічної ситуації в регіоні, оскільки кожний відвал, який горить, є джерелом пилу та різних токсичних сполук, розчинення новоутворених мінералів призводить до забруднення грунту, поверхніх і підземних вод. Все це обумовлює актуальність дисертаційної роботи.

Мета дисертаційної роботи - вивчення механізму формування техногенних мінералів ї вплив процесів горіння териконів і сучасного мінералоутворення на екологічну обстановку в регіоні.

Основні завдання досліджень:

- вивчити за допомогою сучасних методів аналізу новоутворені мінерали

териконів, що горять, встановити їх склад, кристалографічні та морфологічні властивості; . , ;

- вивчити умови утворення техногенних мінералів, - особливості їх

розповсюдження, зональності їх тіл; . . ...

- встановити парагенетичні асоціації мінералів, залежність різних комплексів мінеральних утворень від фізико-хімічних показників процесу їх творення, часу;.

- з'ясувати мінеральні і хімічні особливості порід териконів, характер їх змін в процесі горіння, а також вплив складу вихідних порід териконів на склад техногенних мінералів;

- розробити модель формування техногенних мінералів, визначити параметри та фактори, які впливають на процес самозагоряння відвалів і утворення нових мінералів;

- оцінити ступінь впливу процесів горіння породних відвалів шахт і

новоутворених мінералів на навколишнє середовище. .

Фактичний матеріал і засоби досліджень. В основу роботи покладені результати вивчення техногенних мінералів і порід шахтних териконів, які проводились з 1996 р. В роботі використано 80 рентгеноструктурних, 60 кристалографічних аналізів техногенних мінералів і 85 хімічних, 53 спектральних напівкількісних і 18 рентгенофлуоресцентних аналізів свіжих, горілих і спікних порід териконів, а також біля 700 спектральних напівкількісних аналізів грунтів.

Проби аналізувались в лабораторіях Інституту геохімії, мінералогії і рудоутворення НАН України (м. Київ), а також в лабораторіях ДГП

“Донбасгеологія” і ВГО “Укрвуглегеологія”. Математична обробка використаних в роботі даних здійснювалась на персональному комп’ютері за допомогою прикладних програм “STATGRAF” і “SURFER”.

Наукова новизна отриманих результатів:

- одержані результати мають велике значення для пізнання закономірностей сучасних процесів техногенного мінералоутворення, які являють собою новий вид геологічних процесів літосфери, а також є вкладом в нове направлення - екологічну мінералогію;

- вперше детально вивчено техногенні мінерали, утворені на териконах, які горять, Донецько-Макіївського вуглепромислового регіону Донбасу, встановлені їх типоморфні особливості, парагенетичні асоціації і умови їх утворення;

- вперше в Донбасі виявлено 2 техногенних мінерали - тамаругіт і літовіцит;

- запропонована модель техногенного мінералоутворення на прикладі териконів, що горять, вугільних шахт регіону;

- оцінено вплив мінералогічного і хімічного складу порід териконів на склад техногенних мінералів;

- встановлено негативний вплив процесів горіння відвалів і утворення мінералів на екологічну обстановку в регіоні.

Основні положення, що захищаються:

1. Процес утворення техногенних мінералів у відвалах, що горять, відбувається у декілька стадій і є функцією різних факторів (мінеральний, хімічний склад порід териконів, фізико-хімічні умови окислення піриту, критичний об’єм порід териконів, при якому починається самозаймання, наявність тіонових бактерій, наявність тріщин, по яких проходить рух газів, їх склад та ін.), які є основою разробленої моделі процесів горіння породних відвалів і формування техногенних мінералів.

2. В процесі горіння териконів вугільних шахт утворюються різні за складом техногенні мінерали: прості речовини (сірка), сульфіди (реальгар), галоїди (нашатир), нітрати (амонієва селітра), оксиди (гематит), силікати (муліт), водні і безводні сульфати (масканьїт, пікерингіт та ін.). Дослідженням у продуктах горіння виявлено 22 мінерали, 2 з яких (тамаругіт і літовіцит) знайдено і вивчено в Донбасі вперше.

3. Умови утворення техногенних мінералів мають значні коливання. Найбільш високотемпературні процеси (t=450-1000°C) спричиняють утворення муліту і гематиту, внаслідок возгону із газів (t=80-300°C) утворюються нашатир, сірка, маскньїт та ін, процеси сірчанокислотного розкладу порід (t=10-80°C) ведуть до утворення алуногену, пікерингіту, тамаругіту та ін. Для кожного з цих процесів виявлено типоморфні мінерали і їх комплекси, які можуть змінюватися з часом і внаслідок змін теплового стану відвалів.

Практична цінність результатів роботи;

- вперше запропонована модель техногенного мінералоутворення, яка дає можливість оцінити схильність будь-якого терикону до самозагоряння.і утворення певних мінеральних комплексів, що має велике значення для вирішення проблем екологічної мінералогії;

- встановлено особливості горілих порід териконів, які необхідно враховувати

при переробці та використанні відходів видобутку;

- встановлено, що досліджені відвали характеризуються наявністю таких мінералів, як нашатир, масканьїт, чермигіт, амонієва селітра та ін., в результаті розчину яких забруднюються поверхні і підземні води, грунти, що має негативний вплив на оточуюче середовище.

Впровадження та апробація результатів робота. Результати проведених досліджень впроваджені на гірничих підприємствах ДХК “Донецьквугілля” та “Макіїввугілля” у вигляді рекомендацій при розробці заходів по зменшенню впливу процесів горіння на оточуюче середовище. Результати роботи впроваджені також у навчальний процес при читанні лекцій та проведенні практичних занять у Донецькому державному технічному університеті для студентів спеціальностей “Геологічна зйомка, пошуки і розвідка родовищ корисних копалин” та ”Екологічна геологія”.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідалися на Міжнародній науково-практичній конференції “XXI сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (м. Дніпропетровськ, 12-14 жовтня 1998 р., 5-7 травня 1999 р.), на Міжнародній конференції “Актуальні проблеми геології України” (м. Київ, 1998 р.), на Другій Міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених ім. академіка М.А.Усова (м. Томськ, 1998 р.), на регіональних конференціях “Охорона оточуючого середовища ї раціональне використання природних ресурсів”, які проводились в ДонДТУ з 1995 по 2000 рр.

Публікації. Результати досліджень опубліковані в 8 наукових роботах, з яких 4 відповідають вимогам ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація загальним обсягом 160 сторінок, складається з вступу, 5 розділів, висновків, містить 32 малюнка, 26 таблиць. Список використаних джерел вміщує 120 найменувань.

Роботу виконано в Донецькому державному технічному університеті на кафедрі корисних копалин і екологічної геології під науковим керівництвом доктора геолого-мінералогічних наук, професора Б.С.Панова, якому автор висловлює особливу подяку за допомогу в виконанні роботи. Автор глибоко вдячний співробітникам ІГМР НАН України - В.М.Квасниці, В.С.Мельникову,

О.Є.Гречанівській за допомогу в проведенні аналізів. Автор висловлює подяку всім співробітникам кафедри корисних копалин і екологічної геології за консультації, якими автор користувався при розробці наукових положень дисертації. В проведенні досліджень надавали допомогу співробітники ВГО “Укрвуглегеологія” (О.А.Кутц та ін.), ДХК ’’Донецьквугілля” (М.Д.Сидоренко, М.П.Шевченко), яким автор також висловлює подяку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

РОЗДІЛ 1

АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

В останні десятиліття дослідження техногенних мінералів, які утворюються на териконах, що горять, вугільних шахт проводились в різних промислових районах світу - епізодичні у Франції, Індії, Силезії, Монголії, більш детальні - в штаті Пенсильванія (СІЛА), Остравсько-Карвинському (Чехія), Челябинському (Росія),

Львівсько-Волинському (Україна) вугільних басейнах і пов’язані з іменами Ф.Гента, Дж.Кристі, Р.Роста, ЧЛалача, Д.Лимачера, Дж.Бернса, У.Доунея, Р.Фінкельмана, Б.Столмачової, Д.Матішека, М.М.Дорфмана, Є.К.Лазаренка, П.В.Покровського,

Н.М.Смолянінової, Б.І.Сребродольського, Б.В.Чеснокова, О.П.Щербакової та інших. В Донбасі такі дослідження почались недавно, коли в 1970 р. Б.С.Пановнм на териконі шахти 7/8 ім. Калініна Донецько-Макіївського вугленосного району вперше на Україні був знайдений мінерал нашатир. Пізніше його знайшли на териконах шахт “Червоний партизан” і “Центросоюз” (Луганська обл.), де були також встановлені сірка, епсоміт, сомольнокіт, масканьїт та інші мінерали.

Але детальні роботи по вивченню техногенних мінералів Донбасу, їх типоморфізму, складу, асоціацій не проводились, не був вивчений механізм їх формування і не розроблена генетична модель мінералоутворення, залишились також без уваги й інші важливі питання - мінералогічні і геохімічні особливості порід териконів, зв'язок між вихідним складом порід відвалів і складом техногенних мінералів, вплив горіння відвалів і утворення на них різних мінералів на екологічну обстановку в регіоні. Вирішення цих задач і є темою дисертаційної роботи.

РОЗДІЛ 2

КОРОТКА ГЕОЛОГІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДОНЕЦЬКО-МАКІЇВСЬКОГО РАЙОНУ ДОНБАСУ

Донецький басейн, розташований на півдні Східно-Европейської платформи, займає площу більш 60 тис.км2, витягнуту субширотно на 650 км при ширині 100150км і є великою геологічною структурою - частиною глобального поясу глибинних дислокацій і геодинамічної активності земної кори - лінеаменту Карпинського. Потужність осадових утворень в Донбасі складає 20-24 км, головна частина яких відноситься до кам’яновугільної системи.

Один із головних в Донбасі Донецько-Макіївський вуглепромисловий район в тектонічному відношенні розташований на південному крилі Кальміус-Торецької котловини. Західна частина району характеризується простою будовою і відрізняється спокійним заляганням пластів під вуглами 10-15°, незначними розривними порушеннями. Центральна і східна частини характеризуються складною тектонічною будовою, що виражається в інтенсивному виявленні пликативних і розривних дислокацій переважно двох напрямків - субширотного і субмеридіонального.

В геологічній будові Донецько-Макіївського району беруть участь відклади середнього і верхнього карбону, які перекриті четвертинними і палеогеновими покладами. В західній частині району на розмитій поверхні карбону залягають породи юрського і крейдяного віку. Потужність відкладів карбону, які представлені породами алевроліто-аргілітового складу, пісковиками, вапняками і вугіллям, досягають в районі 6000 м. Мезозойські відклади потужністю 250 м представлені сипкими покладами юрського і крейдяного віку - глинистими і пісковими породами, вапняками, крейдою і мергелем. Кайнозойські поклади палеогенового, неогенового (піски, глина, кварцеві пісковики) і четвертинного (глини, суглинки, піски, галька) віку мають потужність до 100 м.

Марочний склад' вугілля району змінюється від довгополуменевих до пісних. Переважає вугілля з високою зольністю (Аа - до 12-14%), вміст сірки у вугільних пластах до 3%. Вугілля району відрізняються підвищеним вмістом ртуті (в середньому 0,3-0,5 мг/кг, достигаючи в окремих пластах 2,6 мг/кг і вище), миш’яку (1-100 мг/кг, в середньому 19,3 мг/кг), свинцю (1-300 мг/кг, в середньому 8,8 мг/кг), берилію (0,4-30 мг/кг, в середньому 4 мг/кг), цинку (1,6-250 мг/кг, в середньому 36 мг/кг) та іншими токсичними і потенційно-токсичними елементами. Пояснення цьому- активне життя глибинних розломів, які стали сприятливими структурами для проникнення по них мантійно-корових розчинів, збагачених цими елементами.

До складу вугілля району і вміщуючих їх порід входить велика кількість неорганічних компонентів у вигляді глинистих мінералів (до 50% всіх мінеральних домішок), сульфідів заліза - піриту і марказиту (до 5%), доломіту, сидериту, кальциту, кварцу, слюд, хлоритів, фосфатів. Акцесорні мінерали представлені знаками рутилу, апатиту, турмаліну, гранату та ін. (до 35 мінеральних видів).

РОЗДІЛ З

МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ І ОБСЯГ ФАКТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ

Головним об’єктом досліджень є терикони вугільних шахт Донецько-Макіївського промислового району: Опробувано 26 відвалів різних вугільних шахт району: ім.Горького, “Глибока”, “Заперевальна”, “Лідієвка” та ін. На відвалах були відібрані зразки порід, які характеризують різні літологічні різновиди і різний ступінь їх термічної переробки, а також проби техногенних мінералів.

Фізико-хімічні дослідження 80 проб мінералів - рентгенострукгурний аналіз (рентгенівський дифрактометр ДРОН-2 - СиК-авипромінювання), сканируюче електронне мікрозондування (електронний мікроскоп-мікроаналізатор ЛБМ-ТЗОО) проводились в лабораторіях ІГМР НАН України (м. Київ, зав. лабораторією -Мельников В.С, аналітик Гречанівська О.Є.), а також в лабораторії Донецького науково-дослідного інституту чорних металів (м. Донецьк, лаборант Бурховецький В.В.). Для нашатирю, літовіциту і чермигіту на спектографі 5РЕС0ЇШ-75ГЯ (ДонДТУ, кафедра прикладної екології і охорони навколишнього середовища) автором була зроблена ІК-спектроскопія.

Минерапогічні і петрографічні особливості порід териконів встановлювалися за допомогою вивчення під мікроскопом прозорих і полірованих шліфів.

Для вивчення хімічних особливостей порід териконів і продуктів їх термічної переробки відібрані зразки досліджувались за допомогою хімічного, рентгенфлуоресцентного і спектрального налівкількісного аналізів, проведених в лабораторіях ІГМР НАН України (м. Київ), а також у лабораторіях ДГП “Донбасгеологія” і ВГО “Укрвуглегеологія”. В пробах визначався вміст основних петрогенних компонентів і “малих” елементів. Концентрації елементів порівнювались з кларками осадових порід, вираховувалися кларки концентрації цих елементів і визначалися коефіцієнти концентрації елементів у горілих породах по відношенню до свіжих. Вміст токсичних елементів зіставлявся з ГДК. ■' -

Розподіл у вугіллі “малих” елементів було вивчено’ для 277 проб, відібраних із керну свердловин і гірничих виробок по основних пластах Донецько-Макіївського району, які експлуатуються. Для оцінки масштабу і характеру забруднення

навколишнього середовища були створені карти розподілу в грунтах різних елементів, органічних сполук в межах полів деяких шахт Донецько-Макіївського району (з використанням матеріалів партії структурно-геодинамічного картування Донецької ГРЕ ВГО “Укрвуглегеологія”).

РОЗДІЛ 4

МІНЕРАЛОГІЧНІ ТА ХІМІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ПОРІД ШАХТНИХ

ТЕРИКОНІВ

На території району розташовано 226 відвалів вугільних шахт, в яких складовано 835 млн.т. порід при щорічному надходженні в відвали біля 22 млн.т. Із 226 відвалів 62 є діючими і 61 горить. Висота відвалів коливається від 8 до 124 м. За морфологічними ознаками відвали розділяються на конусні, пласкі і хребетовидні; за термальним станом - на такі, що горять, потухлі і ті, що не горіли.

Основна маса шахтного терикону складається із різної крупності уламків осадових порід: аргілітів (до 30%), алевритистих та вуглистих аргілітів (до 20%), пісковиків (до 10 %), алевролітів (до 20%), глинистих і вуглистих алевролітів (до 15%), вуглистого матеріалу (до 2%), уламків вапняку і тонштейну (до 2%). В складі порід териконів переважають гідрослюда (57,6%) і кварц (34,7%). Гідрослюда входить до складу аргілітів (95-100%) і до складу цементу алевролітів і пісковиків (до 30%), кварц є породоутворюючим мінералом алевролітів і пісковиків (65-95%) і входіггь також у вигляді домішки до глинистих порід (1-5%). У незначній кількості у вигляді включень у породах присутні: сидерит - 0,6%, пірит - 0,7%, кальцит -1,6%, польові шпати, акцесорні, рудні мінерали - 0,2%.

Свіжі гірські породи є вихідним матеріалом, який змінюється в процесі горіння. Перегорілі породи змінюють свій колір і стають червонувато-бурими за рахунок найдрібніших частинок оксидів заліза. У більшості взірців аргілітів і пісковиків гідрослюда, яка входить в склад цементу, втративши під впливом температури кристалізаційну воду, перетворилась на ізотропну аморфну масу (1=500-700°С, II ендотермічний ефект). Зерна кварцу розтріскались і придбали хвилясте або агрегатне згасання. Розтріскування відбулось в результаті перетворення однієї модифікації кварцу на іншу. Низькотемпературна модифікація а-кварц, стійка при температурі до 573°С, при горінні терикону перейшла у більш високотемпературну модифікацію р-кварц (£=573-870°С). Перехід однієї модифікації кварцу в іншу супроводжується зміною об’єму зерен, що призводить їх до подрібнення. Ці дані можна використовувати для визначення температури у зонах горіння.

Вивчення хімічних особливостей порід шахтних териконів Донецько-Макіївського району дозволило зробити такі висновки:

- вміст багатьох елементів, які знаходяться в породах шахтних териконів, перевищують кларки осадових порід. Встановлено підвищені кларки концентрації для Єє, Тії, Сг, Си, Сб, РЬ, Се (в аргілітах); Сг, Аз, ТЬ, РЬ, Се, Zn (в алевролітах); 5Ь, 8п, Ва, Си, Бе (в пісковиках);

- вміст багатьох елементів в горілих породах в 1,5-4 рази перевищують вміст аналогічних елементів у незмінених породах;

- горілі породи териконів по відношенню до свіжевидобутих збагачені оксидами заліза, калію, фосфору а також сіркою. Горілий тонштейн

характеризується великим вмістом АЬОз (до 44%), а найхарактернішою ознакою порід, які зазнали спікання, є високий вміст РсгОї (до 68%);

- встановлено високу концентрацію багатьох токсичних елементів, що відносяться до І, П, ПІ класів небезпеки у вихідних і горілих породах. Перевищення ГДК по Си, їп, РЬ склало, в середньому 1,14 - 5,1 рази (для аргілітів), по Сг, 1п, М, РЬ, № - 1,3 - 9,4 рази (для алевролітів), по 7л, РЬ, Сг - 2-9,6 рази (для пісковиків).

РОЗДІЛ 5

МІНЕРАЛОГІЯ ТЕРИКОНІВ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ ДОНЕЦЬКО-МАКІЇВСЬКОГО РАЙОНУ

В результаті вивчення териконів вугільних шахт були виявлені такі техногенні мінерали: сірка - Б, нашатир - ИЩСІ, реальгар - АяБ, гематит - РегО}, масканьїт -(ИН^^О*], галотрихіт - ЕеАІ2[504]г22Н20, пікерингіт - М§АІ2[504]4-22Н20, тамаругіт- №тА1[504]2-6Н20, алуноген - АЬ[804]з-17Н20, епсоміт - М§80г7Н20, гексагідрит - К^504-6Н20, мелантерит - РеБО-^НгО, халькантит - СиБОд^НзО, літовіцит - (ЯНОзЩЮЖ, сомольнокіт - РеБО^НгО, ангідрит - Са804, гіпс -Са804-2Н20, чермигіт - КН4А1[504І2,12Н20, калійний галун - КА1[804]г-12Н20, иатрієвий галун - №А1 [504]2-12Н20, селітра амонієва - 1ЧН4[МОз], муліт - А^ічОо.

Сірка на териконах Доиецько-Макіївського району зустрічається у вигляді двох модифікацій - ромбічної (а-сірка) і моноклинної ({5-сірка). Новоутворення сірки займають площі до кількох квадратних метрів і зустрічаються як в зонах поверхневого горіння порід, так і в місці виходу гарячих газів із глибин териконів. Кристали ромбічної сірки мають жовтий і зеленуватий відтінок, розмір 0,5 - 5 мм. Найбільш розвинені паралельні зростки, що складаються переважно з невеликих (0,1-1 мм) ділірамідальних кристалів. Зустрічаються скелетні, квітоподібні агрегати сірки, дендритові зростки, оплавлені і напливні виділення. На рентгенограмах присутні всі основні лінії ромбічної сірки: 3,84(100)-3,14(50)-3,21(40)-3,10(30)-2,84(20). Вона знаходиться в асоціації з нашатирем, водними і безводними сульфатами, галуном.

Нашатир зустрічається практично на всіх відвалах району. Кристали нашатирю - від прозорих до напівпрозорих, мають скляний блиск і білий, кремовий, рожевий, світло-коричневий, сірий колір, що обумовлено наявністю в мінералі різних домішок. Нашатир формується у місцях виходу гарячих газів у вигляді порошкуватих нальотів, сплутановолокнистих агрегатів, щільних кірочок товщиною до 1,5-2 см і кристалів розміром до 1,5 см. Він покриває уламки порід, заповнює порожнини і тріщини в них. Окремі кристали нашатирю представлені правильними тетрагон-триоктаедрами та їх комбінаціями з ромбододекаедрами і пентагон-триоктаедрами або псевдопірамідами тетрагональної форми. Зустрічаються також напливні, дендритові і скелетні форми нашатирю. Знаходиться в парагенезисі з аркою, чермигітом, реальгаром, галуном і масканьїтом. Головні лінії на рентгенограмах нашатирю з возгонів: 3,824(80)-2,71(100)-],93(60)-1,72(60)-1,58(80).

Реальгар - рідкісний мінерал, знайдений в Донбасі на териконі піх. ’’Лідієвка”, поодинокі знахідки відомі на відвалах Пенсильванії (СІЛА). Утворює червонувато-оранжеві землисті і кіркоподібні нальоти. Кристали реальгару

короткостовпчастого вигляду. Параметри елементарної комірки: ао=9,29А°,

Ь0=13,53А°, с0=6,57А°, Р=106°33\ Зустрічається в парагенезисі з сіркою, нашатирем таін.

Гематит є характерним мінералом горілих порід. Іноді під юрками інших мінералів утворює порошкуваті пухкі відклади криваво-червоного темного кольору (терикон шахти “Заперевальна”). Головні лінії на рентгенограмах: 2,69(100)-2,51(100)-1,83(80)-1,69(60)-],48(40), параметри елементарної комірки: ао=5,029А°, =55°17', аь=5,410А°, с0=13,73Ао, с/2а=1,3652А°. Зустрічається в асоціації з мулітом.

Масканьїт зустрічається практично на всіх вивчених териконах і являє собою порошкуваті нальоти, бульбашкові кірочки товщиною до 5 мм, дрібнозернисті агрегати, кристали довжиною до 1 мм. Менш розповсюджені волокнисті і напливні форми. Колір мінералу світло-сірий, білий, жовтуватий, коричневий, іноді чорний і залежить від домішок інших сульфатів, органічних речовин та вугільного гашу. Головні лінії на рентгенограмі: 4,33(100) - 3,215(80) - 3,03(50) - 2,322(30) -2,164(70), параметри елементарної комірки: ао=5,97А°, ЬС=10,60А°, с0=7,76А°. В породах териконів він знаходиться в асоціації з сіркою, нашатирем, алуногеном, чермигітом.

Галотрихіт зустрічається у вигляді кірочок, нальотів, нашивних бруньковидних або голчастих утворень тонковолокнистої будови. Кристали галотрихіту зібрані в основному в малопотужні прожилки, які складеш паралельноволокнистими агрегатами. Колір агрегатів галотрихіту від білого до жовтуватого і жовтувато-зеленого. Головні лінії на рентгенограмі: 9,7(60)-4,85(100)-3,49(70)-3,03(60)-2,857(60), параметри елементарної комірки: а<г=20,8-20,5Ао,

Ь0=24,2-24,ЗА°, с0=6,18А°, (3=96°34'-100°06'. Зустрічається в парагенезисі з пікерингітом і алуногеном. '

Пікеріїнгіт зустрічається на териконах шахт 1-7 ’’Вєтка”, “Глибока”, ім. газети “Правда” та інших. Колір агрегатів пікерингіту - сірий, зеленувато-сірий, жовтувато-сірий, білий, безбарвний. На деяких відвалах утворює кірочки і нальоти товщиною до 2-3 см, що складаються із радіально-променистих, сплутановолокнистих, голчастих і призматичних агрегатів. Для пікерингіту характерні різний ступінь кристалізації мінеральних агрегатів - від слаборозкристалізованих, що мають слабко виражені кристалографічні окреслення, до огранованих кристалів ізометричного, таблитчастого вигляду, іноді у вигляді деформованих ромбододекаедрів. Часто кристали зростаються гранями призм, утворюючи своєрідні неправильні зростки. Головні лінії на рентгенограмі: 6,73(30)-4,78(100)-4,3б(30)-3,75(60)-3,49(95). Параметри кристалічної комірки: ао=20,8А°, Ь0=24,2А°, с0=6,18А°. Зустрічається у парагенезисі з тамаругітом, галотрихітом, епсомітом, мелантеритом і алуногеном.

Тамаругіт є рідкісним мінералом. Окремі знахідки його відомі крім Донбасу (терикон шахти 1-7 “Вєтка”) тільки на відвалах Остравсько-Карвинського вугільного басейну. Мінерал білий, світло-жовтий, утворює кірочки товщиною до 1 см. Кристали мають різний ступінь кристалізації, в багатьох випадках без чітких кристалографічних окреслень. Окремі кристали мають пластинчастий, таблитчастий вигляд і утворюють кристали ромбічного габітусу і паралельні зростки розмірами до 20 мкм з розвиненими гранями пінакоїду. Основні лінії на рентгенограмі:

ч

4,18(100)-4,20(80)-3,95(50)-3)65(60), параметри елементарної комірки: ао=-7,353А0, Ь0=25,225А°, со=б,097А°, Р=95°12'. Зустрічається спільно з пікерингітом і алуногеном.

Алуноген утворює нальоти, натічні утворення, тонкі шкарлупоподібні або пластівцеві кірки, лускоподібні агрегати білого, сірого, зеленувато-жовтого кольору поблизу осередків горіння порід. Якщо алуноген насичений сірчаним ангідритом, то на відкритому повітрі він швидко перетворюється на напіврідку сірчанокислу пасту (таке явище спостерігалось на териконі шахти 1-7 “Вєтка”). Основні лінії на рентгенограмі алуногену: 9,21(70)-4,49(100)-3,95(70)-3,66(40), параметри

елементарної комірки: а =89°58', р=97°26', у =91°52’. Зустрічається в парагенезисі з чермигітом, тамаругітом, пікерингітом, галотрихітом, галуном.

Епсоміт утворює на поверхні відвалів в невеликих западинах пухнастий білий наліт, тонкі кірочки, стяжіння, які складаються із дрібних голчастих і волокнистих кристалів призматичного габітусу довжиною 2-5 мм. Зустрічається також в щільних напливних, землистих, кетягоподібних агрегатах. Колір кристалів білий, рожевуватий і зеленуватий. Параметри елементарної комірки: ао=11,87А°,

Ьо=12,00А°, с0=6,86А°. Зустрічається в парагенезисі з гексагідритом, гіпсом і мелантеритом.

Гексагідрит зустрічається на низці відвалів у вигляді тонких кірочок, присипок, вицвітів, порошкуватих утворень на уламках горілих порід. Кристали гексагідриту голчастого, волокнистого, товстотаблитчастого вигляду до кількох мм довжиною, іноді утворюють здвоєні агрегати призматичного габітусу білого або світло-зеленого кольору. Зустрічається в парагенезисі з епсомітом.

Мелантерит утворює світло-блакитні і блакитно-зелені напівпрозорі нашшвні і зернисті агрегати, порошкуваті маси, щітки дрібних голчастих, стовпчастих кристаликів подовженопризматичного і ромбоедричного габітусу, розміром до 3 мм на стінках тріщин майже біля поверхні, де температура газів, що виходять, біля 80°С. На поверхні мелантерит починає втрачати воду і перетворюється на білуватий порошок. Параметри елементарної комірки: ао=14,07А°, Ьо=6,50А°, со=П,04А°> Р=105°35'. Знаходиться у парагенезисі з епсомітом, халькантитом, галотрихітом.

Халькантит виявлений на териконах ш/у ім. газети “Правда”. Представлений порошкуватими нальотами, кірочками і землистими агрегатами з радіальноволокнистою будовою світло-блакитного, зеленувато-блакитного, синього кольору. Зустрічаються кристали короткостовпчастого, пластівцевого і таблитчастого вигляду. Головні лінії на рентгенограмах халькантиту: 5,45(80)-4,70(100)-3,97(80)-3,69 (70)-3,29(60), параметри елементарної комірки: ао=6,12А°, ba=]0,69A°, c0=5,96Aü, à =97°35\ р=107°10\ у =77°33\ Утворюється разом с мелантеритом при окисленні мідьвміщуючих сульфідів.

Літовіцит - є рідкісним мінералом і зустрічається крім Донбасу (відвал шахти ім. газети “Правда”) лише на териконах вугільних басейнів Кладно (Чехія) і Франції. Утворює нещільні кірочки товщиною 2-3 мм брудно-білого кольору, іноді з жовтуватими або рожевими відтінками. Вигляд кристалів таблитчастий або пластівцевий. Зустрічається у парагенезисі з масканьїтом, нашатирем, чермигітом.

Сомольнокіт зустрічається на териконах вугільних шахт у вигляді дрібнозернистих виділень, іноді утворює ниткоподібні кристали, зібрані в

радіально-волокнисті агрегати. Сомольнокіт безбарвний, світло-жовтий до сірчано-жовтого. Параметри елементарної комірки: 80=7,62А0, Ь0=7,47А°, с„=7,12А°, Р=115°52Зустрічається у парагенезисі з чермигітом, алуногеном, пікерингітом.

Ангідрит зустрічається на териконі шахти “Куйбишевська”. Розповсюджений у вигляді зернистих кірок, порошкуватих утворень білого, рожево-сірого, сірого кольору. Будова дрібнозерниста (кристали до 1 мм). В порожнинах часто зустрічаються голчасті, волокнисті, товстотаблитчасті кристали і їх агрегати. Основні лінії на рентгенограмах ангідриту: 3,49(100)-2,84(40)-2,32(50)-1,868(60)-1,648(70), параметри елементарної комірки: ао=6,22А°, Ь0=6,96А°, с0=6,97А°.

Часто на поверхні породи відвалів містять відклади гіпсу. Він утворює щільні щітки, кетяги жовтуватих, світло-зелених, сірих, білих призматичних кристалів довжиною до 5 мм. Гіпсові агрегати білого кольору, іноді забарвлені з поверхні гідроксидом заліза тривалентного в жовтувато-бурі і червонувато-бурі відтінки. Зустрічається в асоціації з пікерингітом і ангідритом. Головні лінії на рентгенограмах гіпсу: 7,43(60)-4,228(100)-3,760(30)-2,845(50)-2,68(50), параметри елементарної комірки: ао=10,47А°, Ьо=15,12А0, с0=6,28А°, р=98°58'.

Чермигіт утворює стовпчасті і волокнисті кристали розміром 1-2 мм в довжину і 0,1-0,2 мм в ширину, які зібрані в агрегати, напливні кірки, невеликі сталактити, пухнасті нальоти, що покривають поверхню відвалів. Мінерал безколірний або сіруватий. Параметри елементарної комірки - а=12,23А° Зустрічається в парагенезисі з алуногеном, пікерингітом, галотрихітом, сомольнокітом.

Калієвий галун утворює кристали дідодекаедричного габітусу, дрібні, білі або безколірні, чисті. Мінерал зустрічається у виді землистих мас, вицвітів, кірок, рідше - в суцільних зернистих або волокнистих агрегатах. Параметри елементарної комірки - а=12,15А°. Зустрічається в асоціації з сіркою, алуногеном, пікерингітом, епсомітом, мелантеритом, халькантитом, гіпсом. Натрієвий галун утворює паралельноволокнисті агрегати у тріщинах порід. Параметри елементарної комірки - а=12,21 А0. На повітрі втрачає воду і переходить у тамаругіт.

Селітра амонієва знайдена тільки в Донбасі в продуктах горіння на териконі шахти “Червоний партизан”. Утворює тонкозернисті пухкі скупчення білого кольору разом с нашатирем і масканьїтом. Головні лінії на рентгенограмі: 4,91(50)-3,09(100)-2,67(80)-2,25(80), параметри елементарної комірки — ао=5,76А°, с„=16А°.

Муліт знайдений в Донбасі у вигляді поодиноких зерен у продуктах горіння териконів вугільних шахт. Вигляд індивидів стовпчастий, голчастий, утворює блідно-жовті кристали довжиною до 2 мм, які іноді зібрані в радіальні жмутки. Параметри елементарної комірки: ао=7,55А°, Ьо=7,68А0, с0=2,88А°. Зустрічається в асоціації з гематитом.

Умови утворення техногенних мінералів вугільних шахт Донбасу різноманітні. Частина міноратів формується в результаті псевдофумарольної діяльності при сублімації газоподібних продуктів із осередків горіння (температура утворення мінералів - 80-300°С). Утворені в глибині відвалів горючі гази, що складаються з С02, СО, Н25, БОз, СН4 та ін., піднімаються вгору по тріщинах до поверхні, охолоджуються, реагують один з одним і з вміщуючими породами і розвантажуються у верхніх частинах схилів відвалів у вигляді “псевдофумарол”. При виході фумарольних газів на поверхність різко змінюються їх фізико-хімічні

параметри і частина газів дає початок новим мінералам. Минерали, утворені внаслідок сублімації, зустрічаються на поверхні і в 6-8с м нижче поверхні відвалів, в пустотах і тріщинах.

На териконах утворюються хлоридні і сульфатні кірки. Хлоридні кірки складені переважно нашатирем. Іноді разом з ним присутня сірка. Утворення нашатирю йде за схемою; ІЧНз+НС^^^СМІккал. Водень і азот постійно входять до складу вугілля, де їх кількість досягає, відповідно, 4-6 і 1,2-1,7%. Газоподібний НС1 утворюється при розкладі вугілля та інших компонентів відвальної маси. Масканьїт і літовіцит - найпізніші минерали псевдофумарольної фази, які утворюються подібно нашатирю: ІМНз+НгЗОі^Г'іН^БО.і;

4Г'іНз+Н2804=(і\Н4)зН(504)2 Спільно з ними утворюється амонієва селітра і реальгар. Відкладення селітри відбувається при температурі біля 125°С, а реальгару - 90-140°С.

Гіпергенні зміни порід у поверхневих шарах відвалів обумовлюються впливом НгБО-і, яка утворюється при хімічному і біохімічному окисленні сульфідів. Температура утворення мінералів цієї групи - 10-80°С. Сірчана кислота інтенсивно розкладає силікати вугленосних порід, переводячи їх компоненти у вигляді сульфатів у розчин. Розчини, насичені НгБО^, беруть із вміщуючих порід Ре, А1,

Иа, К та інші елементі. Вони можуть мігрувати в кислому середовищі (залізо при рН менше 2,5, алюміній - при рН менше 4). Зміна концентрації розчинів веде до виділення з нього сомольнокіту, галотрихіту, алуногену, пікерингіту, галунів та ін. Із розчину з низьким значенням рН і високою концентрацією кальцію виділяються гіпс і ангідрит: Нг804+СаС0з+Н20=[Са804-2Н20]+С02;

СаС0з+ІІ2804=Са804+Н20+С02. Творення халькантиту - Си804-5Н20 - пов'язане з окисленням мідьвміщуючих сульфідів: СиРс82+2Н2804=Си8(>4+2І^+РеБО,) При сполученні Си804 з водою утворюється халькантит. Утворення мелантериту -Ре(804)-7Н20 відбувається таким чином: РеЗг+Ог+НгС^РеЯ04+6Н2804. Внаслідок випаровування сірчанокислих розчинів утворюються епсоміт і гексагідрит.

За рахунок розкладу порід під дією сірчаної кислоти виникають сульфатні кірки. Нижні частини кірок складені безводними сульфатами, а середні та верхні -водними. Можна виділить алюмо-сульфатні кірки (переважають сульфати А1 и Ре34), складеш алуногеном, пікерингітом, тамаругітом, сомольнокітом, галунами; алюмо-амонієві, складені амонійвміщуючими сульфатами - чермигітом, літовіцитом і масканьїтом, а також магній-амонієві (переважають сульфати Мд и АІ), складені чермигітом, пікерингітом, гексагідритом. Склад сульфатних кір визначається переважаючим катіонним складом відвалів, які зазнали впливу сірчаної кислоти. Алюмосульфатні кірки формуються при різкому домінуванні глинистих порід. При наявності карбонатних порід формуються сульфати магнію і кальцію.

При температурі 800-1000°С породи зазнають термального метаморфізму (часткове плавлення, випал і спікання порід у вигляді брекчиєвидних мас). При температурі близько 450°С утворюються гематит, магнетит, ільменіт, при 1-600-750°С- плагіоклази, андалузит, тридіміт, 1=900-1200°С - кристобаліт, муліт, шпінель. Муліт утворюється внаслідок високотемпературної зміни сланців.

Запропонована модель техногенного мінералоутворення (табл. 1), яка включає кілька стадій.

Таблиця, І

Стадії процесу сучасного мінералоутворення на прикладі терикону шахти 1-7

“Вєтка”

Стадії процесу Опис процесу

1 Початковий етап. Хімічне і біохімічне окислення піриту Початок відсипки відвалу - 1902 р. Період продовжувався після початку відсипки кілька місяців, обсяг породи у відвалі в цей період досягнув близько 35 тас.т. 3 1903 р, коли було накопичено понад 70 тис.т породи, під дією атмосферних опадів починаються процеси хімічного і біохімічного окислення піриту, які проходили за допомогою бактерій Thiobaciilus ferrooxidans, що викликають деструкцію піриту і окислюють сульфідну сірку до сульфат-іонів. Середовище оптимальне для їх життєдіяльності: t=28-37°C, рН=1,5-4, Eh=0,5-0,7 (Зборщик М. П. та ін., 1990 ,р.): 3FeS2+8,25O2+2,5HjO=Fe2(SO,t)3+Fe(0H)3+H2SO4+2S (реакція ' може проходити при t від 0 до 100°С). ‘ Процес супроводжується виділенням тепла (на 1 моль піриту виділяється 1128,2 хДж тепла), відбувається прогрівання поверхневого шару порід і збагачення його сіркою. Необхідна для цього критична маса порід терикону складає біля 105т. При рН=1,5 і t близько 100°С мікроорганізми припиняють свою життєдіяльність.

2 Утворення осередків горіння Самозаймання парів сірководню на повітрі біля нагрітої до t=260°C поверхні гірської породи і загоряння метану, концентрація якого доходить до 10%. Самонагрівання порід переходить у загоряння. Відбувається збільшення пористості приповерхневого шару за рахунок виносу газовим потоком дрібних фракцій, проникнення атмосферного повітря, зміщення фронту горіння вглиб породної маси.

3 Термальний метаморфізм і псевдофума-рольна діяльність При температурі понад 300°С відбувається розклад мінеральних компонентів і вуглефікованих речовин гірських порід з виділенням СО, COj, N2, SO3, 480-520°С - утворення NH3, 500-550°С - виділяються СОг, СН4, N2, потім СН4, Н2, СО і важкі вуглеводи, 900-1200°С - утворення CS2, COS, CAS, CO, COj При температурі &00-1000°C породи зазнають термального метаморфізму (часткове плавлення, випал і спікання порід у вигляді брекчиєвидних мас). Відбувається утворення муліту, гематиту та ін.

4 Техногенне минерало- утворення 1. Високотемпературний парогазовий потік під тиском по тріщинах циркулює до поверхні. Він збагачений (за рахунок вилуговування із вміщуючих порід) Mg, Na, Al, Fe, K та ін, а також літучими елементами - S, F, Cl, As та ін. На поверхні - різке зниження температури і тиску -утворення на геохімічному бар'єрі сірки, нашатирю, масканьїту, яітовіщггу, реальгару, амонієвої селітри. 2. Вилуговування і сіркокислотний розклад порід. Взаємодія сірчаної кислоти з карбонатами, силікатами, вивільнення Fe, К, Na, Са, Mg, А1 -утворення гіпсу, галуну, лікерингіту, алуногену та ін. Випаровування сіркокислотних розчинів - утворення епсоміту і гексагідриту.

5 Вивітрювання порід на поверхні відвалів На поверхні відбуваються процеси вивітрювання гірських порід (гідратація, гідроліз, розчинення та ін.): FeS2 - ieSOj - Fe(SO,i)j - Fe(OH)j - гетит, гідрогетит та ін. Кінець відсипки відвалу - 1969 р, на 1998 р - висота відвалу - 65 м; площа основи - 5,2 га; обсяг породи - 1256 тис.м ; 2261 тас.т. Інтенсивне горіння відвалу, характерні “заличики” зцементованих порід, що спеклися, і утворення техногенних мінералів.

Минералого-геохімічну модель утворення техногенних мінералів шахтних териконів Донбасу можна показати як функцію різноманітних параметрів: М=ґ (А, Б, В, Г, Д, Ж, З, Е, К, Л, Н, П, Р, С, Т), де

М - техногенне мінералоутворення;

А - марка вугілля. Дослідження териконів Донецько-Макіївського району показали, що схильність кам’яного вугілля до самозагоряння в ряду метаморфізму спочатку підвищується, достигаючи максимальних значень у вугіллі марок Ж, К, ОС (до 85-90% відвалів), а потім зменшується, самозаймання антрациту дуже рідко;

Б - відновлення вуглистих компонентів. Найбільш легку окисшованість із інгредієнтів вугілля при низьких температурах має фюзен, що пояснює підвищену реакційну спроможність більш відновленого вугілля і вуглистих порід, покрівля яких утворилась в морських умовах, до окислювачів, ніж маловідновлених;

В - зольність вугілля. Низькозольне вугілля не має великого впливу на розвиток процесів окислення відвальної маси, багатозольне вугілля (зольність більш 16%) найбільш схіпьне до самозагоряння;

Г - наявність у вугільних пластах піритної сірки. Вугілля Донбасу характеризується високим вмістом сірки мінерального і органічного походження. Вона входить, в основному, в склад піриту, який має велику окислювальну спроможність при низьких температурах. Таким чином, високосірчасте вугілля (вміст сірки більше 4%) більш схильне до самазагоряння, ніж низькосірчасте;

Д - присутність у вуглистому матеріалі речовин, які гальмують процеси окислення. На шахтах з відвалами, які не горять, вугілля містить значну кількість галогенів (СІ, Р, Вг та ін.) (до 0,25% в переліченні на горючу масу), з відвалами, які горять - не більш 0,06%;

Ж - минералогічний склад осадових порід, що надходять на терикони із гірничих виробок шахт. Із всіх порід до самозагоряння схильне вугілля і вуглисто-глинисті породи, що містять до 2-5% піриту, який знаходиться в глинистих осадах, збагачених органічною речовиною, в тонкодисперсному стані. Вміст піриту у вуглистому аргіліті - 5%, у вуглистому алевроліті - 2%, у вугіллі - 5%. На відміну від глинистих порід, пирітизовані пісковики виявлені тільки в поодиноких випадках і випадків самозагоряння пісковиків не встановлено;

З - критична маса порід териконів, при якій видбувається самозагоряння відвальної маси (в нашому прикладі вона складає близько 105т);

Е - щільність відвалу, тобто крупність уламків породи, які впливають на швидкість окислювальних процесів з точки зору газообміну. Вірогідність самозагоряння і інтенсивність горіння вища, якщо безвугільні породи мають великі уламки і повільно вивітрюються, в результаті чого виникають умови для доступу кисню в глибинні зони відвалу. Крім цього, тріщинуватість і пористість середовища забезпечує рух газів підтиском до місця розгрузки;

К - розмір, форма відвалів впливають на інтенсивність теплообміну в глибинних зонах. Ці фактори визначають фільтруючі властивості відвалів і сприяють або перешкоджують генерації і акумуляції тепла. Найбільш інтенсивні процеси протікають в гребенях пласких і в верхівках конусних відвалів, які легко обдуваються потоком атмосферного повітря. Наші дослідження показали, що відвали району з висотою менш 30 м практично не горять, з висотою до 50 м горять

60% відвалів, до 90 м - 87%, вище 90 м - горять практично всі відвали.

Л - вміст різноманітних мікроелементів і петрогенних компонентів в гірських породах і вугіллі. При горінні порід відбувається зниження вмісту одних елементів (Ав, РЬ, Мп) в горілих породах по відношенню до свіжих і накопичення інших (Р, Ві, Ва, Zn, В та ін.). Звільнені при горінні порід та вугілля елементи можуть входити в склад техногенних мінералів;

Н - життєдіяльність мікроорганізмів (тіонових бактерій ТЫоЬасШш ісгтоохісіаш), які викликають деструкцію сульфідів і окислюють сульфідну сірку до сульфат-іонів. Необхідне для їхньої життєдіяльності середовище характеризується такими параметрами: 1=20-37°С, рН=1,5-4, ЕЬ=0,5-0,7;

П - термодинамічні умови окислення і видужування пиріту, що приводять до нагрівання порід і їх самозагоряння (р, 1) - табл. 1;

Р - фізико-хімічні умови (pH і ЕЬ порових розчинів, наявність Ог, НгО, СО2, НгБО.*, газів атмосферного повітря та ін.) - див. табл. 1;

С - склад парогазового потоку (багатокомпонентний, насичений Нг8, БОг, СО, С02, Т'Шз, НгО, СН4, Б, СІ, Аб та іншими газами і літучими з’єднаннями, а також збагачений за рахунок видужування із вміщуючих порід різними мікроелементами -А1, М§, N3, К та ін.). Утворення цих газів відбувається в результаті розкладу углефікованої речовини, отже наявність у вугіллі вуглецю, водню, кисню, азоту та інших елементів залежить від марки вугілля.

Т - умови відкладення (формування) техногенних мінералів (в тріщинах, уголовинах, пустотках, на поверхні порід і т.д., зональності мінералоутворення, перевідкладення мінералів і їх накладення одне на одного, зміни під дією атмосферних опадів, вологи, вітру та ін На цей параметр має вплив наявність на поверхні відвалів багаточисельних тріщин, пустот, уголовин та інших добре захищених від вологи і вітру місць. Якщо таких місць небагато (схили конусних відвалів і т.д.), то мінерали, утворюючись в таких умовах, будуть існувати недовго.

Таким чином, запропонована модель, яка включає сукупність різних, впливаючих на горіння і утворення мінералів факторів і параметрів, дозволяє оцінити будь-який відвал і вияснити його схильність до самозагоряння і відповідно до утворення нових мінеральних видів. Запропонована вперше модель не тільки пояснює процеси утворення техногенних мінералів на відвалах вугільних шахт, але має практичне значення для вирішення задач екологічної мінералогії як в Донбасі, так і в інших старопромислових районах.

Горіння териконів і техногенне мінералоутворення має негативний вплив на довкілля. Під впливом атмосферних опадів на поверхні відвалів видбувається руйнування легкорозчинних азотовміщуючих мінералів (нашатир, масканьїт, амонієва селітра, чермигіт, літовіциг). У кислому водно-повітряному середовищі N11) окислюється до Ж)2' і ІЧО3’ і атмосферні опади забезпечують винесення продуктів розчинення. Вони забруднюють грунти, поверхні і підземні води різними токсичними сполуками. З поверхні відвалів також атмосферними водами вимиваються сульфати, вміст яких у відвалах занадто високий. В результаті поблизу відвалів в грунті та водах, а також в породах териконів відбувається збільшення вмісту солей, що являє собою небезпеку для здоров’я при використуванні води як питної, а породи - в будівництві. Породні відвали вугільних шахт є джерелами

забруднення атмосфери. При їх горіні виділяються токсичні гази, окис вуглецю, сірнистай газ, сірководень та ін. Породи при вивітрюванні легко дезинтегрують до пиловидного стану, що зменшує дію на них вітрової ерозії, тому відвали є значним джерелом пилу. Породні відвали шахт Донецько-Макіївського району виділяють щорічно близько 1000 т пилу, 9000 т сірнистого ангідриту, 36000 т окису вуглецю, 1600 т сірководню, 400 т окислів азоту.

Породи териконів мають в своєму складі високий вміст ряду елементів, в тому числі і токсичних. При горінні видбувається вивільнення ряду елементів, які звітрюються в атмосферу або вимиваються опадами, потрапляючи в грунт та водні джерела. Навколо териконів встановлені осередки забруднення грунтів ртуттю (до 20 ГДК), миш’яком (40-60 ГДК) та іншими токсичними елементами.

Порода териконів можуть використовуватися у різних галузях народного господарства як добрива, в дорожному будівництві, як заповнювача бетону, для виготовлення стінних блоків, цегли, керамзиту та ін. Крім цього, значні скупчення сірки в відвалах (до 1%) дають можливість розглядати їх як потенційне джерело сірковміщуючої сировини, яку можна одержати у вигляді побічної продукції.

ВИСНОВКИ

Основні результати проведених досліджень:

1. В результаті горіння порід у відвалах вугільних шахт утворююрться різні за складом техногенні мінерали - прості речовини (сірка), сульфіди (реальгар), галоїди (нашатир), нітрати (амонієва селітра), оксиди (гематит), силікати (муліт), водні і безводні сульфати (масканьїт, пікерингіт та ін.).

2. Знайдено і вивчено за допомогою різних методів аналізу більше 20 техногенних мінералів, які утворились на териконах, що горять, Донецько-Макіївського району Донбасу, 2 із яких - тамаругіт і літовіцит було знайдено і вивчено вперше. Встановлено кристалографічні і морфологічні особливості новоутворених мінералів, їх парагенетичні асоціації, закономірності розповсюдження і умови їх утворення. Встановлено, що найбільш високотемпературні процеси (1=450-1000°С) спричиняють утворення муліту і гематиту, внаслідок возгону із газів (1=80-300°С) утворюються нашатир, сірка, маскньїт та ін, процеси сірчанокислотного розкладу порід (1=10-80°С) ведуть до утворення алуногену, пікерингіту, тамаругіту та ін.

3. Встановлено, що основна маса шахтного терикону складається із різної крупності уламків осадових порід: аргілітів (до 50%), пісковиків (до 10 %), алевролітів (до 35%), вуглистого матеріалу (до 2%), уламків вапняку і тонштейну (до 2%). В складі порід териконів переважають гідрослюда (57,6%) і кварц (34,7%). Вугілля і вуглисто-глинисті породи містять до 2-5% піриту, який є першопричиною самозагоряння відвалів. Встановлено, що горілі породи териконів по відношенню до свіжевидобутах збагачені оксидами заліза, калію, фосфору, а також сіркою. Встановлено високу концентрацію багатьох токсичних елементів як у вихідних, так і у горілих породах. Перевищення ГДК по Си, РЬ склало, в середньому 1,14 - 5,1 рази (для аргілітів), по Сг, Аб, РЬ, № - 1,3 - 9,4 рази (для алевролітів), по Еп, РЬ, Сг - 2-9,6 рази (для пісковиків).

4. Розроблена модель творення техногенних мінералів Донбасу, яка включає кілька стадій мінералоутворення і є функцією різних параметрів і факторів, таких як хімічний, мінералогічний склад порід териконів, критична маса порід відвалів, термодинамічні і фізико-біохімічні умови окислення піриту, склад газів та ін. Ця модель дозволяє визначити схильність до горіння того чи іншого шахтного відвалу і відповідно до утворення на його поверхні певних комплексів мінеральних видів.

5. Встановлено, що горіння відвалів та утворення і руйнування техногених

мінералів, особисто сульфатів та азотвмішуючих мінералів, приводить до забруднення грунтів, поверхніх і підземних вод в регіоні. '

По темі дисертації опубліковані наступні роботи: : '

]. Минералого-петрографические и эколого-геохимические особенности пород шахтных терриконов Донбасса (на примере Донецко-Макеевского промышленного района) // Сборник научных трудов Национальной горной академии. -

Днепропетровск, 1998. - Т. 5, №3. - С. 35-39 (Соавторы Алехин В.И., Мигуля П.С.).

2. Процессы современного минералообразования на горящих терриконах угольных шахт Донбасса // Сборник научных трудов Национальной горной академии,— Днепропетровск, 1999. - Т. 2, №б. - С. 175-178.

3. О техногенной минерализации породных отвалов угольных шахт Донбасса// Геология угольных месторождений (Межвузовский научный тематический сборник).- Екатеринбург, 1999. - №9. -С. 241-249. (соавтор Панов Б.С.).

4. К геоэкологии Донбасса // Проблемы экологии. - Донецк: ДонГТУ -1999 -№1 - С. 17-26. (соавторы Панов Б.С., Шевченко, Матлак Е.С., Дудик А.М.).

5. Особенности генезиса некоторых техногенных минералов горящих отвалов

угольных шахт Донбасса // Труды ДонГТУ, сер.горно-геологическая. - Донецк, 2000 -№11.-С.141-145 (Соавтор ПановБ.С.). .

6. Неоминерализация горящих угольніх отвалов Донбасса // Минералогический

журнал,- Киев, 2000 - Т. 22, №4. - С. 37-46 (Соавторы Панов Б.С., Мельников B.C., Г речановская Е.Е.). - 1

7. Эколого-геохимические особенности природной среды Донецкого бассейна // Материалы докладов Международной научно-практической конференции “Экологические аспекта загрязнения окружающей среды”, г.Киев, 26-28 марта 1996 г. -Киев, 1996.- Ч. 2. - С. 144-145 (Соавторы Панов Б.С., Дудик А.М.)

8. Геохимические особенности пород терриконов Донецко-Макеевского угленосного района // Материалы докладов Второй Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых им. Академика М.А.Усова. -г.Томск, 1998. - Ч. 2. - С. 95-96.

Особистий внесок здобувача в роботи, що написані у співавторстві: 1, 8-обробка результатів опробування порід териконів та аналіз їх геохімічних особливостей; 4, 7- аналіз екологічних наслідків процесів горіння та техногененого мінералоутворення; 2, 3, 5, 6 - опис процесу утворення та характеристика техногенних мінералів.

АНОТАЦІЇ

Проскурня Ю. А. Мінералогія відвалів вугільних шахт Донбасу (на прикладі Донецько-Макіївського промислового району). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.20 - мінералогія, кристалографія. Криворізький технічний університет. Кривий Ріг. 2000.

Дисертацію присвячено питанню самозапалення породних відвалів і творенню техногенних мінералів. Встановлено, що в результаті горіння териконів утворюються різні техногенні мінерали - сірка, нашатир, масканьїт, пікерингіт, алуноген та інші. Вперше в Донбасі було виявлено мінерали тамаругіт і літовіцит. За допомогою сучасних методів аналізу (рентгеноструктурний, сканіруюче електронне мікрозондування) було встановлено склад та типоморфні особливості новоутворених мінералів, парагенетичні асоціації, особливості розповсюдження, умови творення. Встановлено, що мінерали утворюються в результаті псевдофумарольної діяльності, гіпергенної зміни порід, при термальному метаморфізмі. Вони утворюються при різних температурах, при різних значення pH, їх склад залежить від складу вихідних газів і хімічного складу порід териконів. Комплекси мінеральних видів залежать від термального стану відвалів і можуть змінюватись з часом. Встановлено мінеральні і хімічні особливості порід териконів, характер їх змін в процесі горіння. Побудовано модель техногенного мінералоутворення, яка розглядається як функція різних параметрів і факторів. Оцінено ступінь впливу процесів горіння териконів і техногенного мінералоутворення на довкілля.

Ключові слова: терикон, техногенні мінерали, тигтоморфізм, псевдофумарольна діяльність, сірчанокислотний розклад порід, термальний метаморфізм, самозагоряння порід.

Proskumya Y.A. Mineralogy the refuse heaps of Dobas coal mines (Donetsk-Makeyevka indastrial region as an example) - Handwriting.

The dissertation for gaining the candidat of scientific degree on speciality 04.00.20 -mineralogy, crystalografy. Krivoy Rog Technical University. Krivoy Rog. 2000.

The dissertation is dedicted to the problems of self-ignition of refuse heaps and formation of technogenic minerals. It is found that different technogenic minerals such as sulfur, salammoniac, mascagnite, pickeringite, alunogen and others are forms in the result of refuse heaps burning. Such minerals tamarugite and letovicite have been discovered in Donbas for the first time. Tipomorfical peculiarities of technogenic minerals, their structure, associations, distribution peculiarities, condition of formation were determined with the help of modern methods of analusis (x-ray diffraction, scanning-electron microprobe and others). It is found that minerals are formed as a result of sublimation, changes of rock to influence the sulphuric acid and under thermal metamorphism. They are formed in different thermal diapason, with different meanings of pH, their structure depends on the structure of rocks in waste heaps. Complexes of minerals depend on refuse heaps thermal state and can change in the course of of time. Mineral and chemical peculiarities of rosk, their character of changings in the process of burning have been determibed. The model of technogen minerals formation which is considered to be a

fonction of différent factors have been constructed. The degree of influence the processes of burriing the refuse heaps and technogenic minerai formation on environment

Key words: refuse heaps, technogenic minerais, tipomorphical, sublimation, changes to influence the sulphuric acid, thermal metamorphism, self-ignition.

Проскурня Ю.А. Минералогия отвалов угольных шахт Донбасса (на примере Донецко-Макеевского промышленного района). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.20 - минералогия, кристаллография. Криворожский

технический университет. Кривой Рог. 2000.

Диссертация посвящена вопросам самовозгорания породных отвалов Донбасса и образования техногенных минералов. За 200 лет промышленной разработки каменного угля и антрацитов в Донбассе накоплено 1257 терриконов угольных шахт. Под действием геологических и биохимических агентов углесодержащая масса пород терриконов нередко окисляется, разогревается и самовозгорается.

Установлено, что в результате горения отвалов образуются различные техногенные минералы: самородные неметаллы - сера; галоиды - нашатырь; сульфаты - масканьит, пиккерингит, алуноген, тамаругит, гексагидрит, эпсомит, халькантит и другие; сульфиды - реальгар; силикаты - муллит; оксиды - гематит; нитраты - аммонистая селитра. Впервые в Донбассе были найдены и изучены два новых для этого региона минерала - тамаругит и летовицит. С помощью современных методов анализа (рентгеноструктурный, сканирующее электронное микрозондирование) были установлены кристаллографические и морфологические особенности техногенных минералов, их состав, парагенетические ассоциации, особенности распределения, условия образования. Установлено, что минералы образуются в разных температурных диапазонах (от 10°С до 1000°С), при разных значениях pH, их состав зависит от состава исходящих газов и химического состава пород терриконов. Часть минералов образуется в результате псевдофумарольной деятельности, в результате возгонки из газов, выделяющихся из глубины отвалов (сера, нашатырь, реальгар, масканьит, летовицит и аммонистая селитра), температура образования этой группы минералов - 80-300°С. Другая, наиболее многочисленная группа минералов, сформировалась в результате гипергенного изменения пород под воздействием серной кислота, образующейся в результате химического и биохимического окисления пирита (пиккерингит, тамаругит, гал отри хит, халькантит и др.), температура образования этой группы минералов -10-80°С. В результате высокотемпературного изменения пород (t==450-1000°C) образуються гепатит, муллит, кристобаллит, шпинель и др. Комплексы минеральных видов зависят от теплового состояния отвалов и могут изменяться со временем. На действующих отвалах, характеризующихся в настоящее время интенсивными процессами горения и псевдофумарольной деятельностью, образуются, в основном, такие минералы как сера, нашатырь, частично масканьит. На терриконах, где не наблюдаются поверхностные очаги горения, происходит, в основном, образование минералов, связанное с воздействием на породы терриконов серной кислоты. Комплекс образующихся в этих условиях минералов другой - это пиккерингит, тамаругит, алуноген, квасцы, мелантерит и другие сульфаты.

Разработана модель техногенного минералообразования, которая включает 5 стадий и рассматривается как функция различных параметров и факторов, таких как минералогический и химический состав углей и вмещающих пород, физикохимические и термодинамические условия окисления пирита, наличие тионовых бактерий, критического объема пород терриконов, при котором происходит самовозгорание отвалов, высоты, формы, плотности терриконов, наличия на их поверхности пустот, трещин, впадин, где происходит отложение минералов, состава газов и др. Впервые предложенная модель позволяет оценить склонность любого отвала к самовозгоранию и соответственно к образованию новых минеральных видов. Данная модель не только объясняет процессы образования техногенных минералов, но и имеет важное практическое значение для решения задач экологической минералогии в различных угольных бассейнах мира.

Оценена степень влияния процессов горения терриконов и техногенного минералообразования на окружающую среду. Установлено, что разрушение техногенных минералов и вынос продуктов разрушения атмосферными осадками с поверхности отвалов приводит к загрязнению почв, поверхностных и подземных вод. Горящие отвалы являются источниками пыли, выделяющиеся газы, состоящие из СО, СОг, БОг, ИНз, СН4 и др., приводят к загрязнению атмосферы. Все это непосредственно сказывается на здоровье населения в городе Донецке.

Ключевые слова: террикон, техногенные минералы, типоморфизм,

псевдофумарольная деятельность, сернокислотное разложение пород, термальный метаморфизм, самовозгорание пород.