Лекция 9. Георесурсы техногенных месторождений Юга России (2 часа)

Перспективы и проблемы их комплексного использования.

На территории Восточного Донбасса известны скопления техногенного сырья различного состава — отсевы производства щебня из песчаников и известняков, вскрышные породы карьеров по добыче глин различного состава и пр. Однако они относительно незначительны по масштабам и возможные направления их промышленного использования практически не изучены. Наиболее крупными по размерам и значимыми в экономическом и экологическом плане являются отвалы угольных шахт и обогатительных фабрик.

Первые шахтные отвалы в Ростовской области образованы еще в XIX в. Начало разработки углей здесь относится к 1809 г., когда на Грушевских землях была открыта первая шахта глубиной 25 м, добывшая уже в 1810 г. 200 тонн угля. Промышленная добыча в Восточном Донбассе началась с 1861 года (шахта Александровская, впоследствии — шахта им. Фрунзе, ныне закрытая). За почти двухсотлетний период угледобычи на территории Восточного Донбасса пройдено 225 стволов шахт и глубоких шурфов, кроме того, в разное время здесь действовало до 19 обогатительных фабрик (ОФ). В период расцвета угольной промышленности область поставляла до трети общегосударственной добычи коксующихся углей и до четверти — энергетических. В процессе реструктуризации угольной промышленности большинство шахт и обогатительных фабрик Ростовской области ликвидировано, вследствие чего сейчас угледобыча сократилась почти втрое. Однако, несмотря на заметный спад в развитии угольной промышленности области, годовой выход отходов добычи и обогащения углей сейчас составляет 4,9−5,1 млн. т.

В результате проведенной инвентаризации хранилищ углеотходов по состоянию на 01.08.2003 г. на территории Ростовской области зарегистрировано 455 отвалов шахт и ОФ. Общий объем складированных в них пород (углеотходов) оценивается в 273 млн. м³, в том числе в отвалах шахт — 150 млн. м³, в сухих отвалах обогатительных фабрик — 123 млн. м³ (Коломенский, 2001). Общая масса всех углеотходов составляет 642 млн. т, в том числе в отвалах шахт 353 млн. т, в отвалах обогатительных фабрик — 289 млн. т, то есть около 15 % всех углеотходов в Российской Федерации (Коломенский и др., 2000). Хранилищами углеотходов занято 1,3 тыс. га земель, а общая площадь земель, нарушенных в связи с добычей и обогащением углей, по данным областного Комитета по земельным ресурсам и землеустройству, достигает 7 тыс. гектар.

Горная масса используется главным образом с целью отсыпки дорог и производства щебня для дорожных покрытий, а с 1996 г. начато их активное использование для засыпки стволов ликвидируемых шахт.

Угледобывающие и углеобогатительные предприятия и технологически связанные с ними хранилища углепромышленных отходов (породные отвалы), сформировавшиеся в процессе добычи и обогащения углей, сконцентрированы на северо-западе области — в Каменском, Белокалитвинском, Красносулинском, Октябрьском и Родионово-Несветаевском административных районах и городах областного подчинения — Донецке, Гуково, Новошахтинске, Шахтах. Небольшое количество шахт и шахтных отвалов расположено в Тацинском районе и одна шахта — Садкинская-Восточная — в Усть-Донецком.

В пределах угледобывающих районов шахты, ОФ и их породные отвалы распределены неравномерно и образуют пространственно разобщенные локальные скопления — техногенные районы и узлы. Хранилища углепромышленных отходов сконцентрированы в семи техногенных районах, пространственно совпадающих с угленосными районами, освоенными угледобывающей промышленностью: Каменско-Гундоровском, Белокалитвинском, Тацинском, Гуково-Зверевском, Сулино-Садкинском, Краснодонецком и Шахтинско-Несветаевском.

На площадях этих техногенных районов выделяется 21 техногенный узел (табл. 4).

Таблица 4.

Группировка породных отвалов шахт и обогатительных фабрик

Восточного Донбасса по техногенным районам и узлам

Площади техногенных узлов различны, наиболее крупные из них — Донецкий, Новошахтинский и Шахтинский. Помимо этого, выделяются несколько групп отвалов вокруг отдельно расположенных старых закрытых шахт (Зайцевская, шахта № 60-бис, Бессергеневская и др.) и шахты Садкинская-Восточная № 1, которые образуют самостоятельные техногенные поля.

Наибольшая концентрация углепромышленных отходов сформирована в городах — традиционных угольных центрах Ростовской области — Гуково, Красный Сулин, Новошахтинск, Шахты, Донецк. Здесь концентрация отвальных пород достигает 60 — 1 386 тыс. м³ на 1 км² городской застройки, а суммарные площади, занимаемые отвалами, колеблются от 6 до 164 га (г. Шахты).

По сравнению с техногенными месторождениями других типов (рудными, неметаллическими и пр.), техногенные месторождения угольного ряда имеют свои специфические особенности. Это относится как к строению и структуре породных отвалов, так и к вещественному составу пород, слагающих эти отвалы.

Строение отвалов описывается следующими показателями — размерами, морфологией, структурой и фракционным (гранулометрическим) составом.

По объему складированных углеотходов отвалы шахт и обогатительных фабрик Восточного Донбасса, согласно классификации ВНИГРИуголь, объединяются в 4 группы — очень мелкие, мелкие, средние и крупные (табл. 5).

Таблица 5.

Распределение породных отвалов шахт и обогатительных фабрик Восточного Донбасса по объемам (%)

Как следует из приведенных данных, на территории Восточного Донбасса (Ростовская область) преобладают мелкие и средние по размерам отвалы объемом 200−4 000 тыс. м³. Наиболее крупные отвалы сформированы главным образом вокруг обогатительных фабрик, где они достигают объема 5 260 тыс. м³ (отвал № 3 ЦОФ Шолоховская) и даже 6 410 тыс. м³ (отвал № 1 ЦОФ Донецкая). Размеры отвалов зависят главным образом от мощности предприятий, вокруг которых они сформированы, и от сроков накопления пород (сроков службы отвалов).

Форма (морфология) отвалов определяется способом их формирования. В зависимости от способа транспортировки материала выделяются следующие морфологические типы породных отвалов: конические (терриконы), хребтовые, плоскоконические и плосковершинные. Преобладающие формы отвалов шахт и обогатительных фабрик — коническая (террикон) и хребтовая, характерные для старых шахт. Плоские отвалы в Ростовской области начали формироваться с конца 60-х годов XX в. с целью борьбы с самовозгоранием отвальных пород, и их количество в области не превышает 20%.

Поперечное сечение конических и хребтовых отвалов имеет треугольную форму, плоских — трапециевидную. Углы откосов отвалов колеблются от 30⁰ до 45°, их высота достигает 80 м, составляя в среднем 30- 40 м.

Материал, слагающий породные отвалы угольных шахт и обогатительных фабрик, по крупности различен — от глыб до пылевидных частиц. Размерность обломков в массиве отвалов варьирует в широком диапазоне — от долей мм до 1000 мм и более (табл. 6).

Таблица 6.

Размерность обломков пород, слагающих шахтные отвалы Восточного Донбасса

Размер обломков фракций более 450 мм составляет в среднем 600×700×700 мм, максимальный размер кусков пород достигает 1000×1000×1500 мм (единичные куски).

Строение отвалов, особенно крупных и очень крупных, довольно сложное. Структура таких отвалов обусловлена естественной сегрегацией материала, как в момент отложения, так и в последующие периоды.

Отвалы угольных шахт и обогатительных фабрик обычно имеют слоистое строение и в подавляющем большинстве случаев обладают характерной зональностью, особенно отвалы малых и средних размеров.

На склонах отвалов четко фиксируется зональность в распределении величины обломков в зависимости от высоты от подошвы отвала: наиболее крупные из них скапливаются у подошвы отвалов, вверх по склону размеры обломков уменьшаются. В отвалах по фракционному составу обломков выделяется три зоны: 1 — расположена у подошвы и сложена преимущественно крупными обломками и глыбами породы; 2 — средняя, сложена кусками породы разных размеров; 3 — представляет собой верхнюю часть отвала и сложена наиболее мелкообломочным материалом. Такая зональность наиболее ясно выражена в отвалах конической и хребтовой формы.

По величине объемной массы в составе отвальных пород выделяется три основные группы: минеральное вещество, сростки породы и угля, наконец, обломки чистого угля. Значения объемной массы этих групп пород различаются довольно значительно, что обуславливает гравитационную дифференциацию материала в пределах отвалов, формирующуюся одновременно с дифференциацией его по фракционному составу. При этом формируется своеобразная зональность по литологическому составу и величине зольности обломочного материала. В приподошвенных частях скапливается преимущественно минеральное высокозольное вещество с относительно высокой объемной массой, вверх по разрезу увеличивается количество углистого вещества и обломков угля, уменьшается средняя зольность материала и его средняя объемная масса (Коломенский и др., 2002).

Структура (внутреннее строение) отвалов, сформировавшихся в процессе добычи и обогащения углей, особенно имеющих крупные и очень крупные размеры, довольно сложна. Она определяется не только сегрегацией обломочного материала по размерам и плотности, но и инженерными решениями — проектами строительства отвальных хозяйств, системы транспортировки породы, способа вскрытия угольного пласта и пр.

Вещественный состав породных отвалов формируется под воздействием ряда факторов — генетических, связанных с условиями осадконакопления и характером диагенетических и постдиагенетических преобразований пород угленосной толщи, и экзогенных, связанных с выветриванием поднятых на поверхность пород и пожарами на отвалах.

Техногенные геологические тела, образовавшиеся в результате добычи и обогащения углей, сложены углевмещающими породами и обломками угля. Следовательно, соотношение литологических типов пород в шахтных отвалах тесно связано с составом угленосных свит, вмещающих отрабатываемые угольные пласты.

Первичный литологический состав пород, слагающих отвалы шахт и обогатительных фабрик (отходы текущего выхода), определяется составом вскрываемых угленосных свит. Продуктивная толща Восточного Донбасса в пределах геолого-промышленных районов с развитой угледобычей представлена угленосной частью отложений свит С₂³ С₂⁴, С₂ ⁵, С₂⁶ и С₂⁷ среднего карбона. В разрезе этих свит выделяется четыре ведущих литологических типа углевмещающих пород: песчанистые (песчаники различного состава и зернистости), песчано-глинистые (алевролиты и песчано-глинистые сланцы), глинистые (аргиллиты и глинистые сланцы) и карбонатные (в различной степени метаморфизованные известняки).

В формировании фактического соотношения литологических типов пород в шахтных отвалах, помимо исходного состава вскрываемых отложений, значительную роль играют техногенные факторы, обусловленные способом вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов (Мещанинов, 2002), а также техническими решениями по отсыпке отвалов. Так, отвалы наклонных шахтных стволов в сочетании с горизонтальными подготовительными и эксплуатационными выработками сложены преимущественно породами кровли и почвы угольных пластов, содержащими большее количество (до 18%) обломков угля и углепородных сростков. В отвалах вертикальных выработок присутствует значительное (до 20%) количество пород, перекрывающих вскрытую угленосную залежь; отвалы вспомогательных шахтных стволов сложены главным образом породами перекрывающих отложений.

Сочетание генетических и техногенных факторов, в конечном итоге, и определяет фактический начальный литологический состав отвалов шахт, а также, в известной мере, и обогатительных фабрик.

По составу неизмененных пород отвалы шахт Ростовской области разделяются на четыре главных литологических типа: глинистый, песчано-глинистый, песчанистый и известково-песчано-глинистый.

При выветривании пород в отвалах длительного хранения и в процессе их горения происходят изменения первичного состава. В горящих отвалах в очагах пожаров температура достигает 1300−1400°С. В их внутренних частях с отсутствием аэрации происходит прокаливание пород с образованием так называемых «черных блоков». На вершинах и склонах горящих породных отвалов обычны многочисленные фумаролоподобные выходы горячих газов с температурой от нескольких десятков градусов до 400−500°С. В этих условиях исходные породы претерпевают существенные изменения, вплоть до полной конверсии вещества, образования переплавленных пород, по составу и структуре близких к магматическим породам (Гипич, 1998).

В результате этих процессов в отвалах формируются новые литологические типы пород — переплавленные породы, шлаки, черные блоки, обожженные и горелые аналоги песчаников, алевролитов, аргиллитов и известняков. С учетом этого, по классификации ВНИГРИуголь (Гипич, 2001; Коломенский и др., 2002) среди шахтных отвалов выделяются следующие литологические типы: глинистый (Г), песчано-глинистый (ПГ), песчанистый (П), известково-песчано-глинистый (ИПГ) и их горелые аналоги — горелый глинистый (ГГ), горелый песчано-глинистый (ГПГ), горелый песчанистый (ГП), горелый известково-песчано-глинистый (ГИПГ), существенно различающиеся между собой по валовому минеральному и химическому составу, физико-механическим свойствам пород и их технологическим свойствам.

Минеральный состав пород, слагающих отвалы угольных шахт и обогатительных фабрик, обусловлен происхождением этих пород и последующим воздействием на них различных процессов, главный из которых — термопереработка исходных пород во время пожаров.

В результате термопереработки образуются новые ассоциации минералов, совершенно не характерные для угленосных осадочных отложений, причем по количеству и распространенности эти минералы приобретают значение породообразующих (Гипич, 1998). В черных блоках, горелых и переплавленных породах в зависимости от конкретных термодинамических условий отлагаются анортит, ортоклаз, форстерит, фаялит, силлиманит, кордиерит, муллит, гематит, магнезиоферрит, магнетит, шпинель, стекла кислого и основного состава, волластонит, хиастолит, муассанит, графит, бкристобалит, б-тридимит, троилит, маггемит; на участках проявления фумарольной деятельности широко распространены инкрустационные и друзовидные выделения самородной серы, нашатыря и гипса.

Минеральный состав отходов обогащения идентичен породным отвалам, в них происходят те же процессы минералообразования, но более интенсивно, что обусловлено высоким содержанием в них угольных частиц.

Физические свойства пород текущей выдачи при добыче и обогащении углей, складированных в отвалах до 5 лет хранения, аналогичны свойствам тех же пород в горном массиве (твердом теле). В лежалых отвалах под воздействием процессов выветривания физико-механические свойства пород трансформируются. Имеющиеся данные позволяют заключить, что при длительном хранении на поверхности в отвальных породах, особенно в глинистых сланцах и аргиллитах, происходит снижение объемной массы, прочности пород при сжатии, возрастает их пористость.

Обратное воздействие на породы оказывают пожары на отвалах. Горелые породы характеризуются относительно высокой объемной массой у горелых пород, низкой — у шлаков, низкой пористостью у горелых пород и высокой — у шлаков, так же противоположны их прочностные свойства (Коломенский и др., 2002).