Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Особенности вещественного состава отвальных пород шахт Восточного Донбасса и новые направления их использования

ВАК РФ 04.00.11, Геология, поиски и разведка рудных и нерудных месторождений, металлогения

Автореферат диссертации по теме "Особенности вещественного состава отвальных пород шахт Восточного Донбасса и новые направления их использования"

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО I! ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОСТОВСКИЙ-НА-ДОНУ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 553,94(470,61)

г> Г 1

! ! ¡1 О

На правах рукописи

• ^^ ГИШ1Ч Лариса Викторовна

™ е- ».'.V»!

ОСОБЕННОСТИ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА ОТВАЛЬНЫХ ПОРОД ШАХТ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА И НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Специальность 04.00.11. - Геология, поиски и разведка рудных и нерудных месторождений. Металлогения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Ростов-на-Дону 1998

Работа выполнена на кафедре месторождений полезных ископаемых геолого-гсографического факультета Ростовского-на-Дону Государственного университета

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор геолого-минералогических наук, профессор В.Н.Труфанов (РТУ)

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор И. А.Богуш (НГТУ) кандидат геолого-минералогических наук, доцент Б.В.Талпа (РГУ)

Ведущая организация: Ростовская геологоразведочная экспедиция ГТП "Южгеология"

Защита состоится " 9 " июня_1998 г. в " 11—" на заседании

специализированного Совета К.063.52.10 по геолого-минералогическим наукам при Ростовском государственном университете по адресу: 344099, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 40, геолого-географический факультет РГУ, ауд. 109

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ростовского-на-Дону государственного университета (344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148)

Автореферат разослан "27" апреля 1998 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат геол.-мин. наук

В.С.Назаренко

Общая характеристика района

Актуальность работы определяется кризисным состоянием угольной промышленности, значительным спадом добычи угля, и необходимостью выхода из него. Практическим инструментом выхода из кризиса является реструктуризация угольной отрасли, одним из направлений которой считается диверсификация угледобывающих предприятий. В условиях Ростовской области ощутимые результаты в этом плане могут быть получены на основе рациональной переработки шахтных отвалов и производства дефицитной проду кции, - в частности, волокнистых теплоизоляционных материалов.

Цель работы - комплексное изучение вещественного состава пород, слагающих отвалы угольных шахт Восточного Донбасса, и установление наиболее эффективных направлений их промышленного использования.

Задачи исследования:

• изучение особенностей литологического, минералогического и химического состава всех типов пород, слагающих шахтные отвалы;

• совершенствование методики оценки качества минерального сырья на основе термобарических исследований с учетом термической переработки отвальных пород;

• выявление связей между вещественным составом отвальных пород и показателями их качества как сырья для производства волокнистых теплоизоляционных материалов;

• выделение типов отвалов шахт Восточного Донбасса, наиболее пригодных для промышленного производства минерального волокна.

Фактический материал. Работа базируется на фактическом материале, собранном в результате многолетних (начиная с 1989 года) полевых и лабораторных исследованиипроведенных автором в составе коллектива лаборатории литолого-минералогических и технологических исследований Всероссийского научно-исследовательского геологоразведочного института угольных месторождений. При проведении полевых работ опробованы отвалы 27 шахт, практически во всех геолого-промышленных районах Восточного Донбасса.

Рациональный комплекс проведенных лабораторных исследований включает следующие методы анализов; оптико-микроскопический (шлифов - 286, шлихов - 210); - дериватографический (80 проб); рентгено-фазовый (25 проб); химический (200 проб); термобарический и технологические испытания (200 проб, 100 испытаний).

Лабораторные технологические испытания выполнены под руководством автора.

Научную новизну исследования определяют следующие результаты:

• впервые изученный вещественный состав термоизмененных типов пород, слагающих отвалы угольных шахт Восточного Донбасса;

• разработанные типоморфные термобарограммы как типов пород, так и выделенных типов отвалов;

• впервые рассмотренные генетические аспекты преобразования вещественного состава пород в горелых отвалах;

• установленные критерии оценки пригодности пород, как сырья для производства минерального волокна: литологический, минералогический, пирогенический, термобарический, химический.

Практическое значение заключается в разработке научно-обоснованных рекомендаций по исследованию породных отвалов угольных шахт Восточного Донбасса.

Реализация этих рекомендаций позволит:

а) организовать на базе закрывающихся угледобывающих предприятий рентабельное производство дефицитного строительного материала -минерального волокна;

б) создать новью рабочие места для высвобождающихся шахтеров в Ростовской области;

в) оздоровить экологическую обстановку в районах угледобычи в результате ликвидации шахтных отвалов.

Апробация работы. Выводы и результаты проведенных исследований вошли в "Предложения по организации переработки отвальных пород угольных шахт Ростовской области для обеспечения занятости населения и оздоровления экологической обстановки " (1993 г.), разработанные по заказу Администрации Ростовской области; в работу "Научно-техническое обеспечение программы реструктуризации угольной промышленности Ростовской области" (1994 г.). Разработки коллектива ученых ВНИГРИуголь, в котором автор являлась ответственным исполнителем соответствующего раздела, вошли в Программу антикризисных мер в угольной промышленности Ростовской области на основе использования угля и сопутствующих ему полезных ископаемых ("Уголь Дона"). Этой программой предусматривается организация предприятий по производству волокнистых теплоизоляционных материалов, сырьевой базой которых являются породы шахтных отвалов. Приоритет на этот вид сырья коллектива ученых ВНИГРИуголь. в состав которого входит и автор настоящей работы, зарегистрирован Всероссийским НИИ государственной патентной экспертизы (ВНИИГПЭ) за№ 97110134 (010478) от 16 июля 1997 г.

Проведенные исследования в рамках данной работы позволили сформулировать следующие основные защищаемые положения:

1. Установлены закономерности изменения вещественного состава пород, слагающих шахтные отвалы Восточного Донбасса, и разработана их классификация.

2. Выявлен комплекс критериев (литологический, минералогический, химический, термобарический, пирогеничсский) оценки пригодности отвальных пород для производства волокнистых теплоизоляционных материалов и доказана возможность получения этого дефицитного вида продукции.

3. Разработан вакуумно-декриптометрический экспресс-метод оценки отвальных пород как сырья для производства минеральных волокон.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы Разработки автора вошли в 11 отчетов о НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 162 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 32 рисунками, 14 таблицами. 18 фотографиями. В списке используемой литературы 99 наименований.

Диссертационная работа выполнена на кафедре месторождений полезных ископаемых Ростовского-на-Дону государственного университета и во Всероссийском научно-исследовательском геологоразведочном институте угольных месторождений (лаборатория литолого-минерало-тических и технологических исследований) под руководством Заслуженного деятеля науки РФ, доктора геолого-минералогических наук, профессора В.Н.Труфанова и кандидата геолого-минералогических наук, зав. лабораторией ЛМТИ ВНИГРИуголь Г.Ю.Коломенского, которым автор приносит особую благодарность и признательность за всестороннюю помощь на всех этапах подготовки диссертации, конструктивную критику и внимание.

Автор признательно относится к советам и консультациям докторов геолого-минералогических наук Б.В.Смирнова, Г.К.Хрусталевой, А.А.Тимофеева, кандидатов геолого-минералогических наук Н.И.Буравчук, В.А.Косинского, Е.Г.Амарского, В.Г.Рылова, М.И.Гамова.

Автор выражает особую признательность за постоянную помощь коллегам Шамрай Н.И., Коломенской В.Г., Михненко Т.В., Танда Л.В..

Содержание работы

1. Состояние вопроса

Литолого-минсралогичсскос изучение углевмещающих пород Донбасса началось практически со времени организации здесь угледобычи и проводилось в трех направлениях: литолого-минералогическое исследование пород в массиве по обнажениям, керну скважин и в горных выработках для целей геологических съемок и решения вопросов горногеологических условий отработки угольных пластов; изучение вещественного состава пород, слагающих отвалы угольных шахт как техногенных образований исключительно в научных целях, а также разработки научных

решений по предотвращению возгорания отвалов и их деформации; исследования отвальных пород как вторичного (техногенного) минерального сырья с целью их утилизации.

Геологическое изучение углевмещающих пород в первом направлении охватывает несколько этапов. В течение первых двух этапов (с 1842 по 1930 гг.) осуществлялось накопление фактического материала и была сделана первая попытка стратификации донецких угленосных пород (Р.Лудвиг, Л.И.Лутугин, П.И.Степанов).

В течение третьего и четвертого этапов (с 1930 по 1954 гг.) детально описаны все породы продуктивной угленосной толщи Донбасса. Итогом этих исследований явилась монография Н.В.Логвиненко, вышедшая в свет в 1953 г., - "Литология и палегеография продуктивной толщи Донецкого бассейна".

Целенаправленные литологические и минералогические исследования этого периода связаны с именами А.Г.Кобилева (1937 г.), КН.Савич-Заболоцкого (1946 г.), И.А.Шамрая (1954 г.), В.И.Джумайло, И.Д.Сед-лецкого (1954 г.) и др..

Особенно интенсивно и углубленно изучалась минералогия Донецкого бассейна с 1970 по 1979 г.. В этот период опубликована двухтомная монография Е.К.Лазаренко с соавторами - "Минералогия Донецкого бассейна".

Дальнейшее развитие этого вопроса отражено в работах И. А Шамрая, А Г.Кобилева и В.В.Якушева, Б.В.Смирнова, Б. Д.Трунова.

Начало изучения вещественного состава отвальных пород Центрального Донбасса связано с именами Б.И.Сребродольского,исследования которого моишщеим сульфапюй минера шпации, п 'Г К Мнчсеиой, которая изучила физико-химические свойства горелых пород. Первые некоторые сведения о минеральном составе горелых пород отвалов приведены в отмеченной выше монографии Е.К.Лазаренко.

Наиболее полно и детально исследованиями в этом направлении занимались ученые ВНИГРИуголь (Б.В.Смирнов, Б.ДТрунов, Л.В.Гипич, Г.Ю.Коломенский), НИИ механики и прикладной математики РГУ (Н.И.Буравчук, М.П.Мышев), которые изучали гранулометрический, минералогический и химический состав отвальных пород, а также некоторые их технологические снойстиа. Большой икллд в нчучение техногенных ресурсов и решение проблемы их освоения внесен учеными отечественных на-учно-нсслсдопатсльских институтов (ИГИ. ВНИИОСуголь. ВНИИСТРОМ им 11 11 Ьудинкона, Ш1ИИЭСМ, УХИ11) М.Я.Шииртом. К) В Иткииым, В.В.Крюковым, Н.Н.Очкур. Ю.А.Даниловым и др. Их исследования нацелены на определение направления утилизации шахтных и корьерных отвалов прежде всего в Кузнецком и Печерском бассейнах.

Наиболее широко и разнопланово отходы угледобычи в Донбассе гали изучаться с 80-х гг.. И.Д.Посыльным, П.И.Маросиным, В.Кирюковым. Н. П. Очкур, О.Н.Бентом и др.. Итогом этих исследований ¡ляется разработка ряда технологий использования углеотходов Донбасса качестве сырья для производства керамического кирпича, керамзита, об-щовочной плитки, также обоснование пригодности их использования в 1честве щебня.

В Восточном Донбассе аналогичные исследования проводились с нала 1990 гг. учеными НИИ .механики и прикладной математики РГУ Ш.Буравчук и др.), которыми породы отвалов оцениваются как сырье м производства низкосортных вяжущих, керамических и бетонных изде-ш различной номенклатуры.

С этого же времени во ВНИГРИуголь (Л.В.Гипич, Г.Ю.Коло-;нский) начато и развивается новое направление утилизации пород ахтных отвалов - производство из них волокнистых теплоизоляционных ггериалов и минеральных пигментов.

Таким образом, изученность вещественного состава отвальных по->д сводится к следующему: детально изучены литология и минералогия левмещающих пород в массиве на всей территории Донбасса, практиче-л не изучен вещественный состав горелых пород отвалов. Исследования > изучению вещественного состава горелых пород позволяют выявить ноге направления их промышленного использования.

2. Методологические основы и методика исследований

В этой главе обосновывается рассмотрение шахтных отвалов как хногенных геологических тел, которые по аналогии с природными обра-ваниями в иерархии геосистем могут рассматриваться как самостоятель-1С объекты, т.е. при их изучении необходим подход с позиций системно-анализа. В соответствии с изложенным методика проведения исследова-!Й опиралась на принципы системного подхода к изучаемой проблеме.

Принципы таких исследований обобщены и сформулированы в ра-тах А.Ф.Белоусова и А.Н.Дмитриевского. Согласно этим авторам, обра-вание геологических тел как систем является результатом действия под-стем - видового генетического кода и случайных внешних факторов енетическим кодом", управляющим в обобщенном виде механизмом об-зования техногенных геологических тел, является состав породной мас-. Последующие преобразования отвальных пород - выветривание и тер-изменение во многом зависит от их исходного состава. Этот тезис явил-отправньш при проведении исследований и обусловил выбор методики сомплекса методов решения поставленных задач.

Особенностью изучаемых объектов является чрезвычайная неоднородность их литологического состава, обусловленная спецификой образования техногенных геологических тел. В соответствии с этим, при выборе методики опробования автором был учтен и обобщен опыт, полученный при проведении аналогичных исследований в институтах ВНИИГеолнеруд, ВНИГРИуголь, институте минералогии Уральского отделения АН СССР.

Рациональный комплекс лабораторных исследований определялся на базе анализа преимуществ и недостатков существующих методов исследования пород, их разрешающей способности и степени информативности в поставленных целях. Основными методами лабораторных исследований явились: оптико-микроскопический, дериватографический, рентгено-фазовый, химический, термобарический.

Принципиально новым является привлечение термобарических методов, и в частности метода вакуумной декрщггометрии для выявления особенностей вещественного состава отвальных пород и их некоторых технологических показателей.

Лабораторные технологические испытания проводились на материале групповых проб.

3. Особенности вещественного состава шахтных отвалов Восточного Донбасса

3.1.Литологический состав отвальных пород. Техногенные месторождения, сформировавшиеся в результате добычи углей, сложены горными породами, вмещающими угольные пласты и поднятыми на поверхность в процессе угледобычи. В разрезе разрабатываемых продуктивных водоносных горизонтов региона выделены ведущие литоло-гические типы пород - аргиллиты, алевролиты, песчаники и известняки.

В свою очередь среди шахтных отвалов по преобладающим в их составе литотипам выделено четыре типа отвалов: песчанистый, песчано-глинистый, глинистый, известково-песчано-глинистый и их продукты термопереработки.

Установлено, что на всей территории Восточного Донбасса преобладает глинистый тип отвалов. Литологический тип шахтных отвалов, по мнению автора, определяется тремя факторами: особенностями литологического состава угленосных свит, цитологическим составом пород почвы и кровли отрабатываемых угольных пластов и интенсивностью их отработки в пределах геолого-промышленных районов. Все выделенные факторы обусловливают пространственную зональность распределения типов отвалов по литологической принадлежности, сводящуюся к следующему, установлено уменьшение степени карбонатности и песчанистости пород отва-

лов с северо-запада на юго-восток. В этом же направлении наблюдается уменьшение количества горелых отвалов.

Негорелые отвалы угольных шахт представляют собой смесь различных литологических типов пород, как неизменных, так и затронутых процессами выветривания. В горелых отвалах породная масса имеет различную степень термической измененное™, обусловленную особенностями вещественного состава пород, незакономерным распределением локальных очагов пожара и различной интенсивностью горения. На основании этого в горелых отвалах выделяются обожженные, горелые, переплавленные породы и черные блоки.

Таким образом, разнообразие и различная степень изменения пород, слагающих шахтные отвалы, обусловливают чрезвычайную неоднородность состава отвальных масс.

3.2. Особенности минералого-петрографиче-ского состава пород, слагающих отвала Минеральный состав пород, слагающих шахтные отвалы, тесно связан с их происхождением и с последующим воздействием различных процессов, приводящих к его изменению. Изучаемые техногенные месторождения сложены породами осадочного генезиса и претерпели интенсивное выветривание и термическое воздействие. В соответствии с этим автор рассматривает особенности минералого-петрографического состава как неизменных угле-вмещающих пород, так и их выветрелых и термоизмененных разностей.

Неизмененные породы. Псамйты в составе отвальных масс представлены песчаниками различного гранулометрического состава - от тонко- и мелкозернистых до крупнозернистых. По минеральному составу среди них преобладают кварцевые и полимиктовые разности. Главными породообразующими минералами являются: кварц, полевые шпаты (альбит, олигоклаз), слюды (мусковит), обломки эффузивных пород, и зерна пирок-ластического материала. Помимо названных компонентов, песчаники в небольших количествах до 15% содержат органическое вещество, представленное растительным шламом и тонко распыленным фитогенным материалом. В качестве акцессорных примесей в псам^тах содержатся циркон, рутил гранит, роговая обманка и т.д.. Среди карбонатов отмечен сидерит, кальцит. Наиболее высокие содержания карбонатов установлены в песчаниках отвалов Каменско-Гундоровского и Гуково-Зверевского районов. Необходимо отметить, что как вторичное образование в песчаниках присутствует пирит, замещающий органические остатки. Цемент песчаников чаще всего представлен продуктами перекристаллизации терригенного материала: кварца, полевых шпатов, слюд, кальцита.

Алевролиты. Их гранулометрический состав весьма разнообразен -от мелко- до крупнозернистых. Особенностью минерального состава является полиминеральность терригенного материала, в котором отмечаются:

кварц, обломки пород, сидерит, кальцит, вулканический пепел, слюды, уг-лефицированный растительный детрит, полевые шпаты. Терригенный материал алевролитов цементируется углисто-глинистым или глинистым веществом.

Глинистое вещество диагностируется как гидрослюда, изредка с примесью каолинита. Очень часто алевролиты содержат пирит, замещающий остатки растительных тканей, либо образующий шаровидные и глобулярные выделения. Особенностью минерального состава алевролитов шахтных отвалов в Каменско-Гундоровском, Гуково-Зверевском и Белока-литвенском районах являются повышенные содержания сидерита и кальцита, выполняющих часто роль цемента.

Аргиллиты. Обобщение опубликованных данных (Б.В.Смирнов, Л.В.Передельский, 1971; Б Д.Трупов, 1972; М.М.Лось, 1972) и результаты исследований автора показывают, что на территории Восточного Донбасса преобладают аргиллиты гидрослюдистого состава. При этом установлен характер изменения минерального состава глинистой фракции по площади Восточного Донбасса: на северо-востоке, в Каменско-Гундоровском районе преобладают аргиллиты каолинитово-гидрослюдистого состава, в центральной и восточной частях (Гуково-Зверевском и Белокалитвенском районах) встречаются аргиллиты как каолинитового-гидрослюдистого, так и гидрослюдистого состава. Помимо главных глинистых минералов в составе аргиллитов присутствуют смешаннослойные минералы ряда гидрослюд - монтмориллонит и хлориты.

Наряду с глинистым веществом для минерального состава аргиллитов характерно присутствие терригенных минералов - алевролитовой и псаммитовой размерности. Терригенный материал представлен кварцем, полевыми шпатами, слюдами, обломками пород, пиритом, кальцитом. Кроме того, в глинистой массе аргиллитов практически всегда присутствует органическое вещество (до 8%).

Карбонатные породы. Карбонатные породы в отвалах угольных шахт имеют подчиненное значение. По данным Н.В.Логвиненко (1953 г.) распределение известняков в угленосных отложениях крайне неравномерно как по площади, так и в разрезе. На исследуемой территории карбонатные породы представлены в основном известняками и глинистыми известняками. Основная масса известняков сложена обломками - раковин фора-минифер, осгракод и брахиопод, а также остатками морских лилий, замещенных перекристаллизованным микрозернистым кальцитом. Некарбонатная часть известняков представлены углистым веществом и пиритом, в виде глобулярных и пылевидных выделений.

Карбонатная часть глинистых известняков сложена обломками водорослей, остатками фузулинид. Содержание карбонатного материала в них составляет 75-80%.

Выветрелые породы. Отвальные породы на поверхности подвергаются физическому и химическому выветриванию.

Результатом воздействия агентов физического выветривания (суточные и сезонные колебания температур) является интенсивная дис-пергадия обломков пород, ускорение склоновых гравитационных процессов. Химическое выветривание, обусловленное окислительным характером среды и интенсивной обводненностью отвалов, приводит к разрушению химически неустойчивых минералов, слагающих различные литологиче-ские типы отвальных пород.

Минералого-петрографические исследования позволили установить, что наиболее интенсивно изменены калиевые полевые шпаты, плагиоклазы, слюды и обломки пород. Их изменения приводят, в конечном итоге, к изменению исходного минерального состава пород, сводящемуся к увеличению в них содержаний гематита, гетита. каолинита, серицита, хлорита и образованию смешанно-слойных глинистых минералов. Наиболее интенсивно затронуты процессами выветривания аргиллиты, наименее - песчаники. Изменений структурно-текстурных признаков в них не установлено.

Термоизмененные породы. Углевмещающие породы, складированные в отвалы, подвергаются воздействию теплового поля, имеющего неоднородный мозаичный характер, что и приводит к формированию различных типов термоизменненных пород: обожженных, горелых, переплавленных и "черных блоков".

В обожженных песчаниках термическим воздействием затронуты обломки пород: они частично ожелезнены. В алевролитах и аргиллитах слабо изменены глинистые минералы, по которым развиваются хлопьевидные выделения оксидов железа. Обожженные породы характеризуются сохранением структурно-текстурных особенностей.

Горелые породы макроскопически отличаются от неизменных и обожженных пород интенсивностью окраски в красновато-бурых тонах. Минералого-петрографические исследования позволили выявить следущее. В горелых песчаниках появляются новообразования андалузита, силима-нита и редкие зерна тридимита. Кварц приобретает волнистое погасание, края его зерен инкрустированы игольчатыми зернами муллита. Цементирующее вещество на отдельных участках превращено в кислое стекло. Лейсты слюд, чешуйки хлоритов и зерна сидерита практически нацело замещены гидрооксидами железа.

Для горелых песчаников характерна следующая минеральная ассоциация: кварц-ортоклаз-гематит-муллит-стекло кислого состава. Минеральная ассоциация горелых алевролитов мало отличается от состава горелых песчаников. Особенностью их минерального состава является присутствие кордиерита и форстерита, выявленных прежде всего в породах, в исходном составе которых присутствовали карбонаты.

Наиболее глубокие изменения минерального состава установлены в горелых аргиллитах: в массе глинисто-железистого состава наблюдаются новообразованные зерна муллита, кордиерита, шпинели, тридимига.

Изучение минерального состава горелых пород позволило автору разделить минералы, входящие в их состав на две группы: минералы исходных пород и новообразованные.

К первой группе стоит отнести: кварц, полевые шпаты, слюды, частично гематит, обломки пород, гидрослюды, каолинит. Ко второй группе относятся: муллит, форстерит, кордиерит, шпинель, тридимит, силлиманит. андалузит, стекло, гематит.

Переплавленные породы. Микроскопически породы сложены стекловатой массой кислого состава, которая содержит микролиты муллита, кордиерита, силлиманита и реликтовые зерна кварца. Подчиненную роль среди новообразованных минералов играют анорйт, форстерит, авгит. Это обусловливает гиалопелитовую и гиалитовую микроструктуру породы и пузырчатую миаролитовую микротекстуру. В породных отвалах угольных шахт Восточного Донбасса, по аналогии породными отвалами Челябинского угольного бассейна, выделена еще одна разновидность термоизме-ненных пород - "черные блоки". Б.В.Чссноковьш установлено, что их образование происходит во внутренних частях отвалов в условиях затрудненной аэрации за счет прокаливания глинистых пород, изначально содержащих количество органического вещества.

"Черные блоки" представляют собой - плотные породы черного цвета с характерным металлическим блеском. Вся масса породы пропитана углеродистым веществом, содержание углерода в них составляет 15-20%.

Черные блоки, образованные из аргиллитов, сложены стеклом, реликтовыми зернами кварца, муллита, кристобаллита, графита, редкими зернами когенита. муассанита, шпинели, кордиерита.

При горении терриконов из выделяющихся на их поверхности газов формируются фумаролоподобные образования, сложенные серой, гипсом, нашатырем.

Анализ и обобщение полученных результатов исследований позволяют сделать вывод о том , что все макроскопически выделенные типы отвальных пород имеют определенный минеральный состав, что подтверждает корректность их выделения (табл. 1).

Так, минеральный состав неизмененных пород определяется их генезисом, для различных литологических типов выветрелых пород характерно повышение содержаний гематита, гетита, качественные изменения глинистых минералов и увеличение их количества. В породах, затронутых термическим воздействием, происходят более глубокие изменения в их минеральном составе, сводящиеся к появлению высокотемпературных минералов (муллита, кордиерита), гематита, стекла, содержание которых

Таблица 1

Минеральный состав различных типов отвальных пород угольных шахт Восточного Донбасса

Минералы Вывет-релые породы Обожженные породы Горелые породы Переплавленные породы Черные блоки Фума-ролопо-добные образования

1 г 3 4 5 6 7

Самородные элементы

Графит +

Сера +

Карбиды

Когеннт +

Муассаиит +

Сульфиды

Пирит + +

Галоиды

Нашатырь +

Оксиды, гидрооксиды

Кварц ++ ++ ++ + +

а - крисго-балит + + +

а - тридимит + +

ильменит + + +

магнетит +

гематит + + ++

гетат ++ + +

магнезиофср рит ++

шпинель + + +

стекло ++ ++ (-

Продолжение таблицы 4

Карбонаты

Кальцит ++ ++

Сидерит ++ ++

Сульфаты

Гипс + +

Фосфаты

Апатит + +

Силикаты

Альбит + + +

Олигоклаз + + +

Ортоклаз + + +

Анортит + + +

Форстерит + + +

Фаялит +

Андалузит + + +

Силлиманит + + +

Хиасголит + +

Муллит + ++ ++

Волластонит + +

Кордиерит + +

Авгит + + + +

Биотит + +

Мусковит + + +

Хлориты + +

Каолинит + + +

Гидрослюды + +

увеличивается по мере роста степени термопереработки. Кроме того, доказано, что минералом - индикатором степени термоизмененности является муллит: если в обожженных породах он встречается фрагментарно, то в горелых разностях он присутствует повсеместно и уже в значительных количествах, особенно в глинистых породах. Установлено, что наиболее глубокие изменения минерального состава в ходе термической переработки происходят в глинистых породах, что связанно с кристаллохимическими особенностями слагающих их компонентов, активно реагирующих на изменения термодинамических условий. Следовательно, характер преобразований вещества отвальных пород определяется их исходным минеральным составом, а также интенсивностью воздействующих процессов.

Кроме того, образование в отвалах черных блоков свидетельствует о зависимости изменений минерального состава пород от условий среды (окислительных, восстановительных).

3.3. Химический состав пород, слагающих отвалы. Общеизвестно, что минеральный и химический состав пород тесно взаимосвязаны, и характер изменений пород является отражением происходящих в них процессов, приводящих к формированию минеральных индивидов и агрегатов. Это положение справедливо и для осадочных пород, слагающих шахтные отвалы. Выявление химических особенностей этих пород, изменений их химизма на различных стадиях экзогенных преобразований важно как для их типизации, так и для решения задач, связанных с практическим использованием отвалов. В этих случаях химизм отвальных пород, так же как и их минеральный состав можно рассматривать как один из типоморфных признаков литологических типов.

Изучение химического состава выделенных литологических типов пород позволило установить некоторые отличия между ними, наиболее четко проявляющиеся в изменении содержаний главных породообразующих оксидов. Так, для ряда неизмененных пород (песчаник-алевролит-аргиллит) характерно снижение содержаний оксвда кремния и увеличение содержаний глинозема, оксвдов натрия и калия, а также флуктуации содержаний оксидов кальция и магния.

Установлено, что химический состав выветрелых пород идентичен их неизменным аналогам и отличается лишь незначительным увеличением содержаний глинозема, оксидов железа и калия, пониженным содержанием оксвда натрия.

Наиболее существенная конверсия химического состава устанавливается для термоизмененных пород (обожженные-горелые-переплавленные-"черные блоки") наиболее четко эти преобразования выражаются в увеличении соотношения Ре203 - БеО, то есть корреспондируются с интенсивностью их термопереработки.

Достаточно четко различия в химическом составе выделенных типов пород фиксируются индексом химического изменения (CIA), предложенного Г.Несбитгом и Ж.Янгом (1987) и представляющего собой следующее отношение:

ai2o3

С1А~ 2 3

KjO + Na20 + CaO

Установленные различия химического состава всех типов пород определяют различия состава выделенных типов отвалов. Вариации химического состава породных масс различных типов отвалов аналогичны изменениям содержаний главных породообразующих оксидов выделенных ли-тологических типов пород. Кроме того, особенностью породных масс шахтных отвалов является присутствие в них обломков угля и углистых аргиллитов, содержание которых различно и фиксируется по величине концентраций органического углерода. Установлено, что содержание Сорг

в отвалах зависит от их литологической принадлежности и степени термической измененности.

3.4. Термобарическая характеристика отвальных пород. Для получения интегрированной оценки физико-химических особенностей выделенных типов пород и отвалов, были проведены вакуумно-декриптометрические исследования. Результаты В ДА обработаны по методике, принятой в Ростовском государственном университете (Труфанов В.Н. и др., 1982 г.). На основе обобщения полученных данных разработаны типоморфные термобарограммы как литотипов пород , так и отвалов, и для каждого из них рассчитаны значения общего показателя флюидоактивности (Б). Анализ типоморфных термобарограмм показал, что все они имеют сложный полимодальный характер и различаются между собой по положению максимумов газовыделения, их количеству, соотношению интенсивностей эффектов декриптации и составу выделенных газов.

Логическим завершением комплекса исследований, направленных на выявление особенностей вещественного состава пород отвалов является разработанная их классификация. В основу этой классификации заложены различия вещественного состава, обусловленные термическим воздействием, в соответствии с которым все породы делятся на два класса - негорелые и термоизмененные. Каждый класс, в свою очередь, делится на группы, которых всего пять, причем четыре из них в классе термоизмененных пород. Выделенные группы разделены в соответствии с их литологической принадлежностью на типы.

4. Генетические аспекты преобразования вещественного состава пород в горелых отвалах

Одним из важнейших факторов, обусловливающих интенсивное преобразование вещества отвальных пород, является термическое воздействие, связанное с горением породных отвалов. Самовозгорание пород отвалов угольных шахт представляет собой довольно сложный процесс, который обусловлен рядом генетических и внешних факторов. Генетические факторы определяют реакционнуюспособность складированной горной массы. К ним, по мнению А.Т.Айруни (1968 г.) следует отнести вещественный состав породной массы и наличие веществ, тормозящих реакции окисления. Под вещественным составом породной массы понимается содержание в ней обломков утля, углистых пород, сульфидов железа, а также литологический состав углевмещаюгцих пород.

Основная роль сульфидов железа как ускорителя реакций окисления при низких температурах заключается в активации угольного вещества в результате его сульфирования серной кислотой, образующейся при разложении пирита. Экзотермическая реакция окисления сульфидов является одним из важных энергетических ресурсов данной техногенной системы. Литологические характеристики пород отвалов, такие как пористость, низкая степень устойчивости к выветриванию, стимулирует самовозгорание за счет доступа как атмосферного, так и растворенного в воде кислорода в глубинных зонах отвалов.

К внешним факторам, способствующим самовозгоранию отвалов, отнесены их размеры и форма. По результатам исследований МакНИИ, ШахтНИУИ, ПЕрмьНИУИ, степень подверженности отвалов самовозгоранию возрастает с высотой. Наиболее подвержены самовозгоранию конические и хребтовые отвалы, менее - плоские.

В процессе горения происходит (¡нормирование локальных очагов, которые затем сливаются в единый неоднородный по строению термического поля очаг. В очагах горения температуры доходят до 1450°С В.П.Бочаров, 1976). Общее температурное поле приобретает сложно дифференцированный, мозаичный облик. Под влиянием этого поля в породах отвалов протекают твердофазные реакции, как с участием жидких и газообразных компонентов, так и без них.

Автором экспериментально установлено, что в ходе этих реакций существенно изменяется исходный минеральный состав пород, и их характер подтверждает теоретические выводы о том, что такая конверсия состава связана с различными физико-химическими процессами, происходящими в веществе: дегидратацией (появление трещин), окислением (образование гематита), полиморфными превращениями, (кварц-тридимит-кристобалит, изменение объемной массы), перекристаллизацией

(формирование порфиробластовых, инструктационных структур), спеканием (увеличение объемной массы, вспучивание глинистых пород), плавлением (формирование стекловатой массы), возгонкой (образование фума-ролоподобных отложений).

Экспериментально полученные данные позволяют сделать вывод о том, что в результате термического воздействия в исследованных породах происходит, главным образом, перераспределение вещества внутри исходного объема породы с выносом отдельных компонентов в газообразной фазе, что подтверждается рассчитанными значениями общего коэффициента выноса вещества и коэффициента сохранения состава.

Необходимо, отметить, что пестрота литологического состава шахтных отвалов, их значительная обводненность, неравномерный доступ кислорода и высокая неоднородность теплового поля приводит к усложнению характера процессов, происходящих в них при горении. Подтверждением этого является установленные особенности вещественного состава пород отвалов, наличие в них таких образований, как "черные блоки", переплавленные породы^фумаролоподобные отложения.

5. Возможность использования отвальных пород шахт Восточного Донбасса как сырья для производства волокнистых теплоизоляционных материалов

В настоящее время как в России, так и в странах СНГ и дальнейшего зарубежья отвальные породы используются довольно широко уже в течение многих десятилетий. За это время сложился ряд традиционных направлений их использования: производство щебня различного назначения, а также строительных и конструкционных материалов по двум схемам -керамической и цементной технологиям. Получение этих материалов сопряжено с экологически грязным и громоздким производством.

Анализ маркетинговых исследований позволил выявить высокую потребность как в Ростовской области, так и в Северо-Кавказском регионе в экологически безопасных волокнистых теплоизоляционных материалах. Это связано прежде всего с тем, что стройиндустрия региона испытывает дефицит традиционного сырья для данного производства, в качестве которого используются магматические породы среднего и основного состава, и его дорогостоящими транспортными перевозками. В соответствии с изложенным, полученные данные об особенностях вещественного состава пород и породных масс шахтных отвалов рассматриваются с позиций их утилизации для производства минеральных волокон.

Основные требования, которые предъявляются к сырью для этого производства, определяются существующими технологиями и комплексом требований функционального и строительно-эксплуатационного характера

к получаемой продукции. Единственной характеристикой, оценивающей в настоящее время качество сырья, является его химический состав, а главными показателями такой оценки - модули кислотного сырья и вязкости расплава. Их рассчитывают по следующим формулам:

вюа + А1203

м = ------------------------- ,

к СаО + Г^О

М5Ю2 + 2МА1203

М = ---------------------------------------------------------------------------- , где

2Мре2Оэ + МреО + МСаО + Ммёо + Мк20 + МЫа20

М - молекулярные количества оксидов.

Автором, установлено, что по соотношению тугоплавких и легкоплавких компонентов валовый химический состав некоторых типов отвальных масс и традиционного сырья близки (рис. 1). Особенно близки к ним по своему химизму породы негорелых и горелых отвалов известняко-во-пссчано-глинистого типа. Таким образом, автором доказаны, во-первых, правомерность применения стандартных оценочных модулей (М и М0) для характеристики степени технологичности отвальных масс, во-вторых, установлена связь химического и литологического состава различных типов отвалов.

В разделе 3 и 4 диссертации автором, отмечено, что в результате термического воздействия в отвалах формируются различные типы термо-измененных пород, минеральный состав которых характеризуется присутствием стекла. Его высокое содержание, а также разрыхленность кристаллических решеток исходных минералов, согласно основным положениям кристаллохимии, позволяют рассматривать такие породы, как неупорядоченные метастабильные системы, обладающие большими запасами энергии. Изложенное дало возможность предположить, что горелые отвалы обладают преимуществом при использоваюгаи по сравнению с негорелыми, вследствие метастабильности слагающих их пород. Исследования автора по изучению термобарических свойств пород, слагающих отвалы, показали, что они существенно отличаются между собой по значениям показателя флюидоактивности (Р). Установлено, что существует тесная коррелятивная связь между степенью карбонатности пород и значения их флюидоактивности.

Сопоставление значений общей флюидоактивности породных масс

отвалов с величинами Мк и Мв, их характеризующими, показывает взаимосвязь этих этих параметров: максимальным значениям Мк и Мв соответствуют минимальные значения Р (рис. 2, 3).

5Ш2+АТ.20з

СаО+МдО+ + К20+№20

Ге203+Ге0

ВО 60 40 20

О/ »2+3 ®4 х? ®5 137 Я а Л9 А/0 V11 Г12 Ш

Рис. 1. Диаграмма сопоставления особенностей химического состава отвальных масс различных типов и традиционного сырья для производства минеральных волокон.

1 - поле отвальных пород. Типы отвалов: 1 - песчанистый негорелый;

2 - то же горелый; 3 - песчано-глинистый негорелый; 4 - то же горелый; 7 - извесгково-песчано-глинисгый негорелый; 8 - то же горелый.

11 - поле традиционного сырья; 9 - базальты; 10 - андезиты; 11 - диабазы;

12 - габбро; 13 - амфиболиты.

Это позволяет рассматривать показатель флюидоактивности как критерий оценки пригодности пород для производства минеральных волокон. Полученные результаты свидетельствуют о возможности применения вакуумно-декриптометрического анализа в качестве экспресс-метода такой оценки.

На основании комплекса полученных данных автором выделены следующие критерии оценки пригодности отвальных пород как сырья для производства минеральных волокон: лигологический, минералогический,

лирогеничсский. термобарический (величина Р). химический (значения Мк иМв).

40

30

20 -*

10

100 300 500 700 900 р

Рис. 2. Зависимость между значениями модуля кислотности отвальных масс и их общей флюидоактивностью. 1 - негорелые; 2 - горелые отвальные породы.

мв

Рис. 3. Зависимость между значениями модуля вязкости расплава и общей флюидоактивности отвальных пород. 1 - негорелыс; 2 - горелые отвальные породы.

Проверка теоретических выводов и достоверности разработанных критериев производства в процессе лабораторных технологических испытаний.

Установлено, что величины Мк и Мв, характерные для породных масс, выделенных типов отвалов значительно выше, лимитируемых промышленностью значений. В связи с чем необходимо введение корректирующих добавок (составление двухкомпонентной шихты), в качестве которых успешно используются карбонатные породы. ^

В соответствии с изложенным, лабораторно-технйческие испытания проводились на материале групповых проб отвалов №2 шх.Октябрьская, №3 шх.Западная с введением корректирующих добавок, количество которых определялось по общепринятой методике (Н.Э.Горяйнов, С.К.Горяйнова, 1982 г.). В результате проведенных испытаний было получено волокно со следующими главными показателями качества: средний диаметр волокна от 1,4 до 3,5 мкм, плотность от 13,0 - 13,6 кг/мЗ, и неволокнистых включений размером свыше 0,25 мм от 7,2 до 18,1%.

С использованием оценочных критериев на территории Восточного Донбасса автором выделены наиболее перспективные типы шахтных отвалов для производства минерального волокна (рис. 4) и разработаны рекомендации и очередность промышленного освоения конкретных отвалов шахт Восточного Донбасса:

- объекты освоения 1 очереди: шх.Октябрьская (отвалы №№ 1, 2), шх.Гундоровская (отвалы №№ 1, 2, 3, 4), шх.Северная (отвалы №№ 1, 2);

- объекты освоения II очереди: шх.Шолоховская (отвалы №№ 1, 2,

3), шх.Западная (отвалы №№ 1, 6, 7);

- оГпоты осноенпн III o'iqxvw шч Тацинскаи (отпали I. 7. Ч.

4), шх.им.Кирова (отвалы №№ 2, 4).

Заключение

В результате проведенных полевых работ, лабораторных исследований и экспериментов диссертантом изучены основные свойства шахтных отвальных пород, слагающих техногенные месторождения Восточного Донбасса: особенности их вещественного состава и технологические свойства. 11ри >том оценнналасл. пригодность пих пород для и '«пользования к практических целях. Главные результаты проведенных научных исследований сполятся к следующему:

I Ii разрезе разрабатываемых продуктивных уг леносных горизонтов региона выделены ведущие литологичсские типы пород - аргиллиты, алевролиты, песчаники и ичвястняки, которыми сложены шахтные отвалы В свою очередь, среди шахтных отвалов по преобладающим в их составе литотипам выделено четыре типа отвалов: песчанистый, песчано-

ГЦ

35.

30

25

Мк

М.

20

15

»0

( щш

1 ■>лд ;

Щ

(

-(

----2

• 3

о 4

X 5

® б

+ 7

© 8 -

V 9

в 10

Ш 11

а (2

5

И

У У УУ1л \ \

V? УАХУ^ 1 /У/У'

V

&

п

ПГ

гл ипг

п пг

гл

ипг

Рис. 4. Связь Мк и Мв с литологическими типами отвалов по геолого-промышленным

районам Восточного Донбасса

1 - контур поля негорелых пород; 2 - то же горелых. Геолого-промышленные районы: 3,4- Белокалитвенский; 5, 6 - Гуково-Зверевский; 7. 8 - Сулино-Садкинский; 9, 10 - Шахтинско-Несветаевский; 11. 12 - Каменско гундоровский.

8

7

б

4

3

г

5

о

глинистый, глинистый, глинистый и известково-песчано-глинистый и их горелые аналогии. Установлена пространственная зональность распределения типов отвалов по литологической принадлежности и степени термической переработки, сводящаяся к уменьшению степени карбонатности и песчанистости, а также количества горелых отвшюв с северо-запада к юго-востоку.

2. Впервые изучены особенности минерального состава пород, отличающихся по степени их термической переработки: обожженных, горелых, переплавленных и "черных блоков". Установлено, что конверсия вещества углевмещающих пород приводит к образованию новых минеральных ассоциаций.

3. Для всех выделенных типов пород на основе их термобарических характеристик разработаны типоморфные термобарограммы и расчитаны средние значения их общей флюидоактивности.

4. Разработана классификация отвальных пород, опирающихся на установленные типоморфные признаки.

5 Изучены особенности химического состава выделенных типов отвалов и термобарические характеристики слагающих их породных масс.

6. Рассмотрены генетические аспекты преобразования вещественного состава пород в горелых отвалах. Доказано, что изменение вещественного состава отвальных пород происходит в результате твердофазных реакций, протекающих как с участием жидких и газообразных агентов, так и без них.

7. Анализ полученных данных об особенностях вещественного состава породных масс, слагающих различные типы шахтных отвалов Восточного Донбасса, позволил рассматривать их как новый вид техногенного сырья для использования в новых, нетрадиционных направлениях. В результате сопоставления валовых химических составов выделенных типов отвалов и пород, традиционно применяемых промышленностью для производства минеральных волокон, автором доказана их близость и на этом основании сделано предположение об их пригодности для использования в этом направлении.

8. Рассмотрены и обобщены требования промышленности к сырью для производства волокнистых теплоизоляционных материалов, которые сводятся к определению значени модулей кислотности и вязкости, основанных лишь на результатах химических анализов.

9. На основании оценки выделенных типов отвалов по значениям Мк и Мв, а также установленных взаимосвязей между ними и литоло-

гическими типами отвалов, степенью их термоизмененности и величиной флюидоактивности автором разработаны геологические критерии оценки

пригодности пород как сырья для производства минерального волокна. К ним отнесены: литологический, минералогический, пирогенический (степень термоизмененности пород), термобарический (величина Р), химический (значения Мк и Мв) критерии.

10. Доказано, что вакуумно-декриптомстричсский анализ может быть успешно использован в качестве экспресс-метода прогноза возможности использования отвальных пород в качестве сырья для производства минеральных волокон.

11. На основе лабораторных технологических испытаний, впоследствии проверенных в заводских условиях, впервые однозначно доказано, что определенные литологические типы породных масс, слагающих шахтные отвалы Восточного Донбасса, представляют собой высококачественное сырье для производства минеральных волокон.

12. На территории Восточного Донбасса выделены наиболее перспективные типы шахтных отвалов для производства минерального волокна: известково-песчано-глинистые (негорелые и горелые), песчано-глинистые (горелые) в Белокалитвенском и Каменско-Гундоровском геолого-промышленных районах, глинистые (горелые) отвалы Шахтинско-Несветаевского, глинистые (негорелые) отвалы Белокалитвенского района.

13. На основе оценочных критериев автором разработаны рекомендации по промышленному освоению шахтных отвалов как сырья для производства волокнистых теплоизоляционных материалов.

Опубликованные работы по теме

1. Рациональное комплексирование литолого-минералогических методов для прогнозирования возможности попутного использования вмещающих пород месторождений угля. // Новые методы комплексного изучения углей, горючих сланцев и сопутствующих полезных ископаемых при геологоразведочных работах, ВИМС, ВНИГРИуголь, М., 1992, -с. 146-154 (соавт. Б.В.Смирнов, Г.Ю.Коломенский).

2. Отходы добычи углей на шахтах Ростовской области как техногенные месторождения минерального сырья: / Зональн. научн. конф. "Проблемы геологии,оценки и прогноза полезных ископаемых юга России". Новочеркасск, 2-3 февраля 1995. // Тез. докл. - Новочеркасск, 1995, - с. 118-119.

3. Прогнозирование возможных направлений утилизации углевме-щающих пород по результатам вакуумно-декриптометрического анализа. //

Петрология ТГИ, Ростов-на-Дону, 1995. - с. 130-143. (соавт. Коломенский Г.Ю., Богачснко H.H.).

4. Минеральное волокно. Заявка о выдаче патента РФ № 97110134 (010478) от 16.07.97. (соавт. Коломенский Г.Ю., Смирнов Б.В.).