Лекция 9. Георесурсы техногенных месторождений Юга России. Преподаватель кафедры месторождений полезных ископаемых Рыбин Илья Валерьевич

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). 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. На территории Ростовской области зарегистрировано 455 отвалов шахт и ОФ.

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 (таблица 1).

Техногенный район Техногенный узел Каменско-Гундоровский Донецкий Волченский Каменский Васильевский Белокалитвинский Коксовый Белокалитвинский Горняцкий Шолоховский Гуково-Зверевский Лиховской Гуковский Бургустинский Зверевский Краснодонецкий Синегорский Севрюговский Краснодонецкий Сулино-Садкинский Красносулинский Шахтинско- Несветаевский Самбековский Новошахтинский Аютинский Шахтинский Тацинский Таблица 1. Группировка породных отвалов шахт и обогатительных фабрик Восточного Донбасса по техногенным районам и узлам

Наибольшая концентрация углепромышленных отходов сформирована в городах - традиционных угольных центрах Ростовской области - Гуково, Красный Сулин, Новошахтинск, Шахты, Донецк. 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 (до 200 тыс. м 3 ), мелкие ( тыс. м 3 ), средние ( тыс. м 3 ) и крупные (более тыс. м 3 ). На территории Восточного Донбасса (Ростовская область) преобладают мелкие и средние по размерам отвалы объемом тыс. м 3. Наиболее крупные отвалы сформированы главным образом вокруг обогатительных фабрик (Шолоховская, 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 30 0 до 45°, их высота достигает 80 м, составляя в среднем 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. 2). Класс размера обломков, мм Содержание классов в объеме отвала, % среднее пределы колебаний 0-612,82,0 - 70, ,93,0 - 60, ,12,0-50, ,33,0-50, ,50,0-75,0 Более 4505,40,0 - 32,0 Таблица 2 Размерность обломков пород, слагающих шахтные отвалы Восточного Донбасса

Размер обломков фракций более 450 мм составляет в среднем 600 x 700 x 700 мм, максимальный размер кусков пород достигает 1000x1000x1500 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 при подошвенных 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 диагностических и постдиагностических 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 С 2 3 С 2 4, С 2 5, С 2 6 и С 2 7 среднего карбона. В разрезе этих свит выделяется четыре ведущих литологических типа угле вмещающих 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 °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 °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, α-кристобалит, α-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).