Э. Б. Хоботова, М. И. Уханёва, Н. В. Меркулова

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Исследование химического состава отвальных угольных пород

Накопление большого количества отвальных угольных пород и близость их минералогического состава неорганическим строительным материалам вызывает необходимость химического мониторинга терриконов Донецкого угольного бассейна. Исследованы образцы терриконных пород шахт «Хмельницкая» и им. Я. М. Свердлова Луганской области. Рентгенофазовый анализ образцов выполнен на порошковом дифрактометре Siemens D500 в медном излучении с никелевым фильтром. Первичный поиск фаз выполнен по картотеке PDF-1 [1], после чего был проведен расчет рентгенограмм по методу Ритвельда с использованием программы FullProf [2]. В результате присутствия в породе значительного количества угля на рентгенограммах терриконной породы заметен волнистый фон, отсутствующий на рентгенограмме прокаленного шлака. Отчетливый волнистый фон на рентгенограмме крупной фракции терриконной породы шахты им. Я. М. Свердлова может быть связан с присутствием аморфной фазы белого цвета, находящейся между слоями черного цвета.

По результатам поиска в картотеке PDF-1 найдено несколько фаз. Расчет по методу Ритвельда проводился с уточнением параметров решетки и параметров, описывающих профиль рентгеновских линий. Массовое содержание фаз в образцах и средний размер кристаллитов приведены в таблице 1. Результаты относятся только к кристаллическим фазам. В образцах 1 и 3 содержится значительное количество аморфного угля, а в образце 4 основной по весу является аморфная фаза. Как видно из таблицы 1 образцы 1 и 3 (исходный шлак) очень сходны и состоят, в основном, из кварца, клинохлора и мусковита. Структуры клинохлора и мусковита являются слоистыми сэндвичевого типа. Каждый «сэндвич» состоит из двух плоских слоев

Таблица 1 - Результаты фазового анализа образцов терриконных пород

Образцы Фазы	ш. «Хмельницкая»				ш. им. Я.М. Свердлова
					Териконный шлак
	Образец 1 терриконный шлак		Образец 2 прокаленный шлак (1000 ^0С)		Образец 3 мелкая фракция		Образец 4 крупная фракция
	Мас. %	Размер, нм	Мас. %	Размер, нм	Мас. %	Размер, нм	Мас.%	Размер, нм
Кварц SiO2	44,1	>200	73,5	140	40,3	140	7,7	120
Клинохлор (Mg,Fe)6(Si,Al)4O10(OH)8	10,2	38	-	-	11,1	47	17,4	48
Мусковит K0,94Na0,06Al1,83Fe0,17 Mg0,03(Al0,91Si3,09O10) (OH)1,65O0,12F0,23	45,7	32	21,2	35	48	45	74,9	25
Гематит Fe2O3	-	-	5,3	-	-	-	-	-
Гипс CaSO4^.2H2O	-	-	-	-	0,7	-	-	-

силикатных тетраэдров, между которыми расположен слой магниевых и/или алюминиевых октаэдров. В клинохлоре между двумя соседними сэндвичами находится слой алюминиевых и магниевых октаэдров, в которых лигандами являются гидроксильные группы, тогда как в мусковите ближайшие сэндвичи разделены слоем ионов калия. Обе эти структуры содержат гидроксид-ионы. Такие соединения являются термически неустойчивыми и при нагревании отщепляют воду. При прокаливании образца 1 обе фазы разрушаются (табл. 1). Как правило, даже простые фазы, например, оксиды металлов, полученные термолизом солей, вначале являются высокодисперсными и дающими размытые линии на дифрактограмме, что усложняет их определение рентгенофазовым анализом. Для укрупнения частиц таких продуктов разложения требуется либо длительное выдерживание при температуре разложения, либо недолговременный нагрев до более высокой температуры. Поэтому в образце 2 удалось определить только гематит как продукт разложения клинохлора и мусковита. Если при термолизе образовались силикаты или алюминаты калия и/или натрия, то они могут быть аморфными.

Разные гранулометрические фракции терриконной породы шахты им. Я.М. Свердлова отличаются по минералогическому составу. Крупнодисперсная фракция (образец 4) в основном состоит из мусковита и клинохлора, кварц присутствует в незначительных количествах.

Методом электронно-зондового микроанализа INCA определен элементный состав терриконной породы шахты им. Я. М. Свердлова, по которому рассчитан оксидный состав. Так как химический состав основных слоев породы (черного цвета) неоднороден, то выполнены два вида элементного анализа: усредненный по всей поверхности и композиционный контраст - чем ярче зерно, тем больше средний атомный номер. Результаты, представленные в таблице 2, показывают, что в местах композиционного контраста существенно возросло количество СаО, MgO, в незначительном количестве появился MnO. Белое межслоевое вещество представляет собой СаО. Так как оксид кальция не был зарегистрирован в виде кристаллической фазы, то подтверждается предположение о его аморфной природе.

Таблица 2 – Результаты расчета оксидного состава образцов терриконных пород шахты им. Я. М. Свердлова

Оксид	Мас. % оксида
	Интегральный анализ в режиме вторичных электронов	Выборочный анализ в режиме отраженных электронов (композиционный контраст)	Межслоевое вещество белого цвета
SiO2	40,784	18,931	1,6
CaO	18,137	45,607	95,3
Al2O3	20,265	10,140	0,8
K2O	2,660	0,920	-
SO3	0,857	0,048	0,5
FeO	12,615	14,908	0,8
MgO	4,663	8,897	0,8
MnO	-	0,548	0,1

Литература

1. JCPDS PDF-1 File. International Committee for Diffraction Data, release 1994. PA, USA.

2. Rodriguez-Carvajal J., Roisnel T. FullProf.98 and WinPLOTR: New Windows 95/NT Applications for Diffraction. Commission for Powder Diffraction, International Union of Crystallography, Newsletter No.20 (May-August) Summer 1998.