Термобарогеохимическое моделирование процессов преобразования породных отвалов угольных шахт Восточного Донбасса

М.И. Гамов, В.Г. Рылов, Ф.В. Мещанинов, А.В. Наставкин

ТЕРМОБАРОГЕОХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА*

На примере породных отвалов угольных шахт Восточного Донбасса реализована методика объемного термобарогеохимического моделирования процессов формирования техногенных месторождений угольного ряда - террикоников, претерпевающих разные стадии термального преобразования, на основе использования представлений об углеводородной флюидизации ископаемых углей и вмещающих пород. Выявлены минералого-петрографические и термобарогеохимические факторы и критерии, обуславливающие разную предрасположенность породных отвалов угольных шахт к процессам автотермодеструкции, что имеет важное прогностическое и практическое значение при освоении техногенных месторождений угольного ряда. Представлена типовая структура горящего терриконика, в котором выделены следующие объемные пакеты: очаг самонагревания, горения; зона окислительного обжига; зона восстановительного обжига; зона техногенной флюидизации; зона относительно неизмененных пород.

Ключевые слова: терриконики, техногенные месторождения, уголь, углеотходы, картирование отвалов угольных шахт, термобарогеохи-мическая модель шахтных отвалов, самовозгорание отвалов, термально измененные породы.

Среди основных проблем угольной отрасли России важное место принадлежит проблеме самовозгорания и горения породных отвалов угольных шахт-терриконов. Горение террикоников приводит к опасным экологическим последствиям, загрязняя окружающую среду вредными примесями и токсичными газами. В то же время проблема имеет и положительные стороны, заключающиеся в том, что перегоревшие отвалы

* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Проект № 5.1848.2014/К).

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 11. С. 158-168. © 2016. М.И. Гамов, В.Г. Рылов, Ф.В. Мещанинов, А.В. Наставкин.

УДК 12+622. 822.2

угольных шахт широко используются в качестве вторичного минерального сырья в строительстве, для получения аглопори-тов, стекловаты сорбентов и других полезных продуктов [1—3].

Суть проблемы состоит в том, что несмотря на многолетние исследования, нет четкого ответа на вопрос: почему одни тер-риконики самовозгораются, а другие — нет, при в общем-то аналогичных горнотехнических условиях. Отсутствует доказанная концепция о природе самовозгорания углей, нет однозначных прогностических критериев на причины и динамику газообразования в горящих террикониках.

Целью настоящей работы является разработка объемно-пакетной термобарогеохимической модели горящего террикони-ка, установление на ее основе РТХ-параметров возникновения термально трансформированных пород.

Для проведения комплексных термобарогеохимических исследований были отобраны типовые пробы исходных и термально-измененных пород террикоников, расположенных в Та-цинском районе, на южной окраине пос. Горняцкого и районе г. Новошахтинска.

Проведенный минералого-петрографический анализ показал, что они представлены исходными (неизмененными) алевролитами и песчаниками, а также в различной степени термо-трансформированными породами — шлаками, экзоглиежами, экзобухитами и переходными флюидизитами — так называемыми «черными блоками».

Отобранные разновидности отмеченных пород были подвергнуты вакуумно-декриптометрическому и газово-хроматогра-фическому анализам, результаты которых приведены в табл. 1 и 2, а также в виде типовых вакуумных декриптограмм на рисунках.

Анализ полученных данных позволяет выделить ряд общих закономерностей, характерных для всех исследований терри-коников. Так, например, исходные (негорелые) алевролиты Та-цинского района характеризуются четырьмя максимумами газовыделения в интервалах температур 40—150, 210—270, 310—370 и 420—600 °С с общим F-показателем флюидоативности порядка 300—400 усл. ед. и значительной величиной низко-среднетем-пературных эффектов газовыделения.

Алевролит прогретый (черный блок) отличается двумя эффектами газовыделения в интервалах температур 40—150 и 340— 490 °С и резким увеличением F-показателя флюидоактивности до 900,28 усл. ед. (рис. 1).

Таблица 1

Результаты вакуумной декриптометрии исходных и термально-измененных пород

№ пп. № и название пробы Привязка Результаты ВД-анализов

Т, С Г, усл. ед. ^общ^ усл. ед.

1. №1-Т Алевролит негорелый Тацинская ^ 480 17869; Е 0410 22865) 40-150 210-270 310-370 420-600 174,65 29,3 16,85 74,83 295,63

2. №2-Т Алевролит горелый, экзоглиеж Тацинская (N480 17869; Е 0410 22865) 40-160 200-290 470-610 30,0 70,52 12,32 112,84

3. №4-Т Алевролит горелый Тацинская (N480 17869; Е 0410 22865) 40-130 340-620 189,83 152,86 342,69

4. №5-Т Алевролит прогретый «черный блок» Тацинская (N480 17869; Е 0410 22865) 40-150 340-490 737,28 163,0 900,28

5. №1-Г Алевролит прогретый, флюидизирован -ный Горняцкая-южная окраина (N480 28082; Е 0400 95591) 40-130 340-410 915,8 46,75 962,55

6. №2-Г Древесняк негорелый экзоглиеж Горняцкая-южная окраина (N480 28082; Е 0400 95591) 40-150 340-350 390-410 750,35 1,82 1,55 753,71

7. №3-Г Алевролит горелый, экзоглиеж Горняцкая-южная окраина (N480 28082; Е 0400 95591) 40-150 270-330 370-500 92,38 8,81 166,43 267,62

8. №2-Н Алевролит негорелый Новошахтинск (N470 74629; Е 0390 98748) 40-210 360-530 277,69 236,9 514,59

9. №4-Н Алевролит горелый, экзоглиеж Новошахтинск (N470 74629; Е 0390 98748) 40-150 350-370 440-700 229,16 1,57 53,98 284,71

10. №5-Н Уголь, флюидизиро-ванный Новошахтинск (N470 74629; Е 0390 98748) 40-130 230-290 330-390 420-600 650-670 468,75 25,48, 14,12 85,54 2,73 596,63

11. №7-Н Горельник Новошахтинск (N470 74629; Е 0390 98748) 40-90 160-230 440-650 855,83 27,05 302,79 1185,87

12. №1-ЮГ Песчаник горелый, экзобухит На юг от пос. Горняцкий (N480 26382; Е 0400 94025) 40-120 280-460 192,43 98,23 290,66

13. №2-ЮГ Песчаник горелый, экзобухит На юг от пос. Горняцкий (N480 26382; Е 0400 94025) 40-140 360-510 157,45 48,46 205,9

14. БК-19/1 Шлак На юг от пос. Горняцкий 40-180 460-480 620-660 720-740 43,27 0,17 0,27 0,1 43,8

Таблица 2

Результаты газово-хроматографических анализов исходных и термально-измененных пород террикоников Восточного Донбасса

№ пп № пробы Привязка Литологиче-ская характеристика Температурный интервал газовыделения, °С Состав газов

1. 1-т Тацинский район Алевролит 40-150 210-270 310-370 420-600 н2о, со2, n2

2. 5-т Тацинский район Черный блок 40-150 340-990 н2о, со2, со, н2, сн4, н^, С2Н2, С3Н8

3. 2-г пос. Горняцкий Древесняк (экзоглиеж) 40-150 340-350 390-410 н2о, со2, со, sо2, н2

4. 2-т Тацинский район Алевролит горелый 40-160 200-290 470-610 н2о, со2, со, sо2

5. 5-н Ново-шахтинск Уголь 40-130 230-290 330-390 420-600 н2о, сн4, со2, n2, н2, h2s

6. бк-19/1 пос. Горняцкий Шлак 40-180 460-480 620-660 720-740 н2о, со2, со, n

з Интенсивность гээ о в ыде ле ни я -Уровень вакуума Температуре, с

Рис. 1. Вакуумная декриптограмма черного блока

Интенсивно измененные породы этого типа (экзоглиежи) отличаются уменьшением количества эффектов газовыделения и значительным снижением F-показателя флюидоактив-ности с Fобщ до 112,84 усл. ед.

Аналогичная закономерность устанавливается для террико-ников пос. Горняцкого и г. Новошахтинска, где исходные алевролиты отличаются присутствием трех эффектов газовыделения в интервалах температур 40—150, 270—330 и 370—500 °С с F-общим в пределах 400—500 усл. ед. Для горелых алевролитов (экзоглиежей) этот показатель снижается до 267—378 усл. ед. Промежуточные разновидности пород, как и в Тацинском районе, характеризуются двумя эффектами газовыделения в интервалах температур 40—130 и 340—410 °С с резким увеличением F-показателя флюидоактивности до 750—960 усл. ед.

Исходные и термально-измененные песчаники были отобраны только из террикоников пос. Горняцкого. Горелые песчаники (экзобухиты) отличаются резким снижением количества эффектов газовыделения и их интенсивности до 200—300 усл. ед. Промежуточные разновидности характеризуются увеличением F-показателя флюидоактивности до 660,15 усл. ед.

Для исходных углей характерны наиболее сложные ВД-диаг-раммы с пятью эффектами газовыделения в интервалах тем-

<»згг£ШШШШШШШШШ1Ш

э Иктен с ивиоеть газ овы деления -Уровень вакуума Т«мп»рятур«, С

Рис. 2. Вакуумная декриптограмма флюидизированного алевролита

ператур 40-130, 230-290, 330-390, 420-600 и 650-670 °С с общим показателем флюидоактивности Fобщ - 510,66 усл. ед.

Как показывают результаты ранее проведенных исследований [4], такие типовые декриптограммы характерны для углей, подвергшихся интенсивным процессам углеводородной флюи-дизации. В данном случае это могли быть исходные природно-флюидизированные угли, или угли, трансформированные процессами техногенной (суфлярной) флюидизации. И в первом, и во втором случаях флюидизированные угли наиболее склонны к развитию процессов автоокисления и самовозгорания.

Наконец, следует отдельно рассмотреть ТБХ-условия формирования пород, образующихся в самом очаге горения терри-коников. Эти породы, получившие общее название «силици-ты», представляют собой различные шлаки - ноздревато-пористые продукты глубоко трансформированных алевролитов или песчаников под воздействием высоких температур и суфляр-ных газовыделений. Непосредственные измерения температур достигают 1300 °С и выше, давление образующихся газов - до 30-50 атмосфер.

Вакуумные декриптограммы этих пород имеют специфический вид и отличаются присутствием четырех эффектов газовыделения в интервале температур 40-180, 460-480, 620-660 и

з Интенсивность газ о выделения -Уровень вакуума Т«ят«рггурл с

Рис. 3. Вакуумная декриптограмма шлака из очага горения

Рис. 4. Термобарогеохимическая диаграмма горящего терриконика: 1 казатель флюдоактивности; 2 - температура

Шлих (сшшшгт) Б-по-

720—740 °С, причем ясно выражен только первый эффект газовыделения с F1 равным 43,27 усл. ед. (рис. 3). Остальные эффекты выражены слабо и отличаются весьма низким F-показателем флюидоактивности — 0,17, 0,27 и 0,1 усл. ед.

Такая специфическая структура вакуумных декриптограмм, по сравнению с исходными пробами, несомненно, объясняется практически полной деструкцией низко-среднетемператур-ных систем флюидных включений в процессе плавления и появлением остаточных эффектов десорбции образующихся летучих компонентов, в составе которых обнаружены Н2О, СО2, СО, SО2 и другие окисленные газы. Слабо выражены высокотемпературные эффекты обусловленные деструкцией клатрат-ных соединений — включений и свободных флюидных радикалов, характерных для вулканических стекол — обсидианов.

Полученные экспериментальные данные позволяют составить сводную термобарогеохимическую модель горящего тер-риконика, представленную на рис. 4.

Из анализа диаграммы следует, что формирование горящего терриконика происходит в сложной динамике изменения физико-химических параметров системы «минерал-порода-флюид». В очаге самовозгорания и плавления с образованием переплавленных пород — шлаков и силицитов, температура достигает 1200—1300 °С, что приводит к практически полному выгоранию летучих компонентов. F-показатель флюидоактивности этих пород имеет минимальные значения порядка 45—50 усл. ед., причем высокотемпературные эффекты практически отсутствуют. Далее, от центра очага плавления образуются в зоне окислительного обжига горелые алевролиты при температурах от 1000 до 850 °С с F-показателем флюидоактивности от 250 до 500 усл. ед.

В следующей зоне восстановительного обжига образуются вторичные метаморфиты — экзоглиежи в интервале температур от 850 до 600 °С с F-показателем флюидоактивности 600— 750 усл. ед.

При переходе к следующей зоне техногенной флюидизации температура снижается до 350—400 °С с одновременным резким увеличением F-показателем флюидоактивности до 850— 900 усл. ед.

Наконец, слабо измененные исходные алевролиты имеют температуру от 50 до 120 °С и относительно средние значения F-показателем флюидоактивности 300—400 усл. ед.

Весьма сложный характер имеет динамика изменения состава летучих компонентов. По данным газово-хроматографического

анализа, в очаге самовозгорания образуются Н2О, СО2, СО, SО2, в зонах обжига и прогрева кроме перечисленных газов выделяют Н2. СН4, N2, непредельные углеводороды. Наиболее сложный состав газов фиксируется в зоне флюидизации, где установлены Н2О, СО2, СО, Н2, СН4, Н2S, С2Н2, этан и более тяжелые углеводороды, образующиеся при термодеструкции угольного вещества.

В исходных породах газовый состав флюидов типичен для угленосных комплексов Восточного Донбасса и представлены Н2О, СН4, СО2, N2, Н2, Н^, С2Н2, С3Н8 и другими предельными углеводородами [4, 5].

В заключении следует отметить, что, судя по характеру вакуумных декриптограмм, эффекты газовыделения, которые имеют ассиметричную, нередко островершинную форму, сам процесс самовозгорания и горения террикоников происходит в неравновесных, метастабильных условиях. А различные породы, образующиеся при этом процессе, энергетически пересыщенные. Это имеет большое практическое значение, так как для разрушения (деструкции) этих пород необходимы меньшие затраты энергии, по сравнению с неизмененными породами.

Выводы

В результате проведенных исследований установлена типовая структура горящего терриконика, в котором выделены следующие объемные пакеты: очаг самонагревания, горения и плавления с образованием различных шлаков и силицитов; зона окислительного обжига, представленная горелыми породами; зона восстановительного обжига с образованием экзоглиежей и эк-зобухитов; зона техногенной флюидизации с черными блоками; зона относительно неизмененных пород — алевролитов и песчаников.

Выявлена природа самовозгорания углей, в основе механизма которого ведущая роль принадлежит присутствию измененных углей, подвергшихся природным процессам углеводородной флюидизации. Такие флюидизированные угли являются наиболее активными в химическом отношении и самонагреваются в результате автоокислительных реакций, протекающих по радикально-цепному типу.

На основе результатов комплексных минералого-петрогра-фических, вакуумно-декриптометрических и газово-хромато-графических исследований разработана термобарогеохими-ческая модель горящего терриконика, в которой определены

ТБХ — условия и динамика процесса самонагревания, горения и плавления исходных угленосных пород. Впервые в данной модели выделена зона техногенной флюидизации, в которой образуются глубоко трансформированные, измененные породы (так называемые черные блоки). Разработанная модель позволяет эффективнее поводить мероприятия по рекультивации и тушению горящих отвалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Буравчук Н. И., Рутьков К. И. Переработка и использование отходов добычи и сжигания углей. — Ростов-на-Дону: изд-во СКНЦ ВШ, 1997. - 224 с.

2. Посыльный И. Д. Использование горелых пород шахтных терриконов для производства строительных материалов // Уголь. — 1979. — № 2. — С. 52—53.

3. Шпирт М. Я., Рубан Ю. В., Иткин Ю. В. Рациональное использование отходов добычи и обогащения углей. — М., Недра, 1990. — 223 с.

4. Труфанов В. Н., Гамов М. И., Рылов В. Г., Майский Ю. Г., Труфа-нов А. В. Углеводородная флюидизация ископаемых углей Восточного Донбасса. — Ростов-на-Дону: ИРУ, 2004. — 272 с.

5. Труфанов В. Н., Лосев Н. Ф., Гамов М. И., Рылов В. Г., Славгород-ский Н. И. Особенности формирования и термобарогеохимические критерии прогнозирования выбросоопасных зон в угольных пластах. Препринт. — Ростов-на-Дону: изд-во СКНЦ ВШ, 1993. — 30 с. гтгсщ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Гамов Михаил Иванович1 — доктор геолого-минералогических наук, зав. кафедрой, e-mail: gamov@sfedu.ru, Рылов Виктор Григорьевич1 — кандидат геолого-минералогических наук, доцент, Мещанинов Федор Викторович1 — кандидат геолого-минералогических наук, старший преподаватель, Наставкин Алексей Валерьевич1 — кандидат геолого-минералогических наук, доцент, e-mail: nastavkin@sfedu.ru,

1 Южный федеральный университет, Институт наук о Земле.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 11, pp. 158-168. M.I. Gamov, V.G. Rylov, F.V. Meshchaninov, A.V. Nastavkin FLUID INCLUSION-RELATED MODELING OF COAL PIT HEAPS RECONSTITUTION IN THE EAST DONBASS

The method of fluid inclusion-related modeling of technogenic coal deposits forming is realized through the example of coal pit heaps in the East Donbass. This method is based on the ideas about hydrocarbonic fluidization of pit coals and wall rocks. In this article we use the

UDC 12+622. 822.2

term "technogenic coal deposits" to mean refuse piles undergoing different stages of thermal reconstitution. Mineralogical-petrographic and fluid inclusion-related factors and criteria are discovered. They determine the propensity of coal pit heaps for auto-thermal destruction. This is of great practical and predicative importance when developing technogenic coal deposits. Standard structure of a burning refuse pile is presented. The following sections can be seen on it: place of spontaneous heating, combustion; zone of oxidizing roasting; zone of reducing roasting; zone oftechnogenic fluidization; zone of relatively fixed rock.

Key words: refuse piles, technogenic deposits, coal, refuse coal, colliery waste charting, fluid inclusion-related waste model, waste spontaneous combustion, thermally changed rocks.

AUTHORS

Gamov M.I}, Doctor of Geological

and Mineralogical Sciences, Head of Chair,

e-mail: gamov@sfedu.ru,

Rylov KG.1, Candidate of Geological

and Mineralogical Sciences, Assistant Professor,

Meshchaninov F.V.1, Candidate of Geological

and Mineralogical Sciences, Senior Lecturer,

Nastavkin A.V.1, Candidate of Geological

and Mineralogical Sciences, Assistant Professor,

e-mail: nastavkin@sfedu.ru,

1 Southern Federal University, Institute of Earth Sciences, 344090, Rostov-on-Don, Russia.

ACKNOWLEDGEMENTS

The work is executed at financial support of the Ministry of education and science of the Russian Federation (Project No. 5.1848.2014/K).

REFERENCES

1. Buravchuk N. I., Rut'kov K. I. Pererabotka i ispol'zovanie otkhodov dobychi iszhigan-iya ugley (Processing and use of wastes of mining and coal combustion), Rostov-na-Donu, izd-vo SKNTs VSh, 1997, 224 p.

2. Posyl'nyy I. D. Ugol'. 1979, no 2, pp. 52-53.

3. Shpirt M. Ya., Ruban Yu. V., Itkin Yu. V. Ratsional'noe ispol'zovanie otkhodov dobychi i obogashcheniya ugley (Rational use of waste production and enrichment of coal), Moscow, Nedra, 1990, 223 p.

4. Trufanov V. N., Gamov M. I., Rylov V. G., Mayskiy Yu. G., Trufanov A. V. Uglevo-dorodnaya flyuidizatsiya iskopaemykh ugley Vostochnogo Donbassa (Hydrocarbon fluidization of fossil coals of the Eastern Donbass), Rostov-on-Don, IRU, 2004, 272 p.

5. Trufanov V. N., Losev N. F., Gamov M. I., Rylov V. G., Slavgorodskiy N. I. Osoben-nosti formirovaniya i termobarogeokhimicheskie kriterii prognozirovaniya vybrosoopasnykh zon v ugol'nykh plastakh. Preprint (Features of formation and thermobarogeochemical criteria of prediction outburst zones in coal seams. Preprint), Rostov-on-Don, izd-vo SKNTs VSh, 1993, 30 p.