Сілін О. О., Виборів С.Г., Проскурня Ю. А., Донецький Національний Технічний Університет
Терикони є невід'ємною частиною ландшафту великих і малих міст Донбасу. Тільки в Донецьку їх кількість за різними джерелами складає від 120 до 138. Близько 100 породних відвалів є недіючими, з них тільки 25 вважаються палаючими. З 32 діючих породних відвалів 28 - палаючі. Висота породних відвалів Донецька коливається в межах від 8 м до 126, 6 м.
Породи, що йдуть у відвал, утворюються за рахунок проходки виробок (52%) і їх ремонту (48%). Такі "пусті" породи складуються поблизу стовбурів шахт у вигляді териконів висотою до 60-80 м і відвалів хребтової форми (у сумі 92%), рідше - плоских відвалів (8%). Середній літологічний склад відвалів відображає склад вугленосної товщі. Це ар В¬ гілліти (60-80%), алевроліти (10-30%), пісковики (4-10%), изве В¬ стнякі (рідко до 6%, зазвичай менше), а також значні домішки вугілля (6-20%). Крім того, відвали містять істотну частку техно В¬ генних матеріалів - дерев'яного кріплення, металевих виробів, проводів та ін При відсипанні відвалів відбувається гравітаційна сегрегація породи, тобто поділ відсипається порід за розмірами уламків і питомою вагою. При цьому крупні і важкі уламки концентруються біля підніжжя відвалів, а вуглиста речовина розподіляється нерівномірно. Найменшу зольність мають породи в середній по висоті частині відвалу, до вершини і основи вона підвищується. Відвальна маса вивчених шахтних териконів має зольність у межах 57-99%, складаючи в середньому 88, 5%. Вологість змінюється від 0, 2% до 11, 7%, складаючи в середньому 3, 4%. Зміст загальної сірки у відвалах коливається від 0, 01% до 10, 9%. У складі загальної сірки переважає сірка сульфідна (84%) [1].
Потрапляючи в терикони, породи карбону відчувають значні перетворення. Це пов'язано з процесами вивітрювання, коли скельні, міцні породи руйнуються і перетворюються в полурихлие і пухкі. Вивітрювання порід супроводжується зміною їх мінерального і хімічного складу. Значна частина компонентів порід вилуговується водними розчинами і мігрує в навколишнє середу, Локалізуючись на різних бар'єри в грунтово-грунтах, рослинному покриві, в грунтах зони аерації і в водовмещающіх породах.
Поряд з вивітрюванням, яке поширене в зовнішній частині териконів, всередині них створюються сприятливі умови для окислення і подальшого загоряння. Провідна роль при цьому належить діяльності мікроорганізмів. Окислення сульфідної сірки здійснюється тіонових бактерій. Вони являють собою зазвичай автотрофні мікроорганізми, що використовують вільну СО2 на побудові свого тіла і одержують енергію при окисленні сірки і її відновлених продуктів. Вивчення умов розвитку мікроорганізмів в зонах окиснення сульфідних родовищ встановило їх стійкість при температурах від 2 до 70о С, рН середовища - від 1 до 8 [2]. При цьому розвиток бактерій протікає в умовах високої вологості породної маси. Ці дані показують, що мікроорганізми стійкі в умовах кислого середовища, так як при окисленні сульфідів утворюється сірчана кислота, однак не переносять високі температури. Тому мікроорганізми починають процес окислення, який супроводжується виділенням тепла, і розігрівають певну зону, а власне горіння може протікати всередині терикону в сприятливих умовах при доступі достатньої кількості кисню, коли відбувається спалах органічної частини вугілля.
В підтвердження цих висновків говорить той факт, що в межах крайових частин териконів існують локальні осередки окислення, де істотного підвищення температури не відмічається, проте спостерігається виділення пароподібної сірчаної кислоти і нальоти новоствореної сульфатної мінералізації.
Окислення і горіння порід супроводжується викидами широкого спектра летючих компонентів, які виділяються з породної маси, збагаченої вуглисті речовиною. Основним компонентом викидів є водяна пара, що утворюється при випаровуванні і сублімації потрапляють в зону горіння атмосферних опадів, а також при вивільненні поровой і зв'язаної води мінералів і порід. Вода є мінералообразующей середовищем для більшої частини новоутворених мінералів: сульфатів, гідрокарбонатів, карбонатів, фосфатів, арсенатів та ін Палаючі терикони виділяють пари, в яких крім води міститися: сірчана кислота (Сульфат-іон), вуглекислота, двоокис азоту (нітрат-іон). При нестачі кисню в осередках горіння в парогазових викидах міститися сірководень, вуглеводні, аміак, оксид вуглецю. У верхніх частинах териконів, куди проникають збагачені киснем інфільтрогенние води, горіння протікає в умовах надлишку кисню. У більш глибоких зонах горіння спостерігається нестача кисню, окислювальні процеси протікають в анаеробних умовах. Осередки горіння є джерелами гарячих мінералізованих, хімічно-агресивних, насичених мікроелементами водних флюїдів. При виході на поверхню частина компонентів флюїдів, потрапляючи в умови низьких температур і великої кількості кисню, виділяється у вигляді кірочок, нальотів, натічних, кристалічних, сферолітовие агрегатів нових мінералів, серед яких переважають сульфати, сульфіди та оксиди. Інша частина випаровується в атмосферу, поповнюючи її шкідливими речовинами. Сам процес горіння і породжені їм хімічно агресивні флюїди повністю перетворять мінеральний і хімічний склад первинної породної маси, як у вогнищах горіння, так і по його периферії.
Навколо осередків горіння формується своєрідна зональність, обумовлена ​​перерозподілом вихідного речового складу. У процесі досліджень були виявлені в різних місцях териконів невеликі ділянки, де збереглися первинні пухкі відвальні породи - різної форми і розмірів шматки аргілітів, вуглистих аргілітів, алевролітів і рідко пісковиків. Вони виділяються по чорному кольору породної маси.
Навколо цих ділянок встановлюється прикордонна зона заміщення, проявлена ​​в зміні первинного кольору порід до бурих, вишневих відтінків, на фоні яких розвиваються сульфати жовтого кольору. Вони просочують масу породи, утворюють різні нальоти, кірочки, прожилки і вкрапленнікі.
Далі у напрямку від ділянок первинних порід виділяється зона розвитку білої сульфатної мінералізації, яка просочує окислені цегляно-червоні породи. За межами цієї зони розташовуються великі ділянки окислених порід цегляно-червоного кольору без видимих ​​ознак розвитку сульфатів. Потужність кожної з виділених зон розвитку сульфатної мінералізації залежить від розмірів вогнища окислення і коливається від перших десятків сантиметрів до декількох метрів. Ці дві зони (жовта і біла) є проміжними між окисленими породами і первинними, вони характеризуються нерівноважними перехідними умовами і контролюють процеси міграції і концентрації більшої частини макро-і мікроелементів (результати лабораторних досліджень проб наведено у таблицях 1, 2).
Поведінка значної частини компонентів породної маси в процесі її окислення має закономірний і цілком зрозумілий характер. Так ріст концентрації в окисленої породі по відношенню до вихідної встановлюється для наступних породоутворюючих компонентів: кремнезему (від 50, 21% до 54, 36%); глинозему (від 17, 73% до 20, 86%); Fe2O3 (від 6, 31% до 9, 43%); CaO (від 0, 93% до 1, 3%); Na2O (від 0, 93% до 1, 05%); SO3 (від 1, 93% до 3, 27%). Збільшується майже в два рази концентрація водорозчинного (рухомого) сульфат-іона - SO42-(від 9796, 1 ​​мг/кг до 17463, 7 мг/кг).
Табл. 1. Результати лабораторних досліджень проб
№ зони
№ проби
Опис мінералого-петрографічних особливостей відходів
H2O-
ППП *
SiO2 *
Fe2O3 *
TiO2 *
Al2O3 *
CaO *
MgO *
K2O *
Na2O * <...
