Э. Б. Хоботова, М. И. Уханёва, А. В. Соколова

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Изучение минералогического состава горелой угольной породы

Одной из разновидностей отходов угледобычи являются горелые угольные породы – продукты самообжига пустых пород. Существует ряд препятствий для использования горелых пород в строительстве: неравномерный обжиг породы в терриконе, варьирование химического и минералогического состава, примеси несгоревшего угля и глинистых соединений. Целью работы являлось изучение минералогических свойств образцов гранулометрических фракций отвальной горелой породы шахты Ольховатская Донецкой области с целью выявления возможности их использования в производстве строительных материалов. Средний гранулометрический состав горелой породы следующий: >20 мм – 26%; 10-20 мм – 14%; 5-10 мм – 16,7%; 2,5-5 мм – 17,3%; 1,25-2,5 – 8%; 0,63-1,25 мм – 4,7%; <0,63 мм – 13,3%. Фракции горелой породы являются кислыми. Значения рН поверхностных пленочных слоев воды для фракций: <0,63 мм и 2,5-5 мм – 5,54; >20 мм – 5,91.

Рентгенофазовым анализом трех гранулометрических фракций горелой породы обнаружены основные минералы: кварц SiO₂, брусит CaHPO₄^.2H₂O, гематит Fe₂O₃, альбит NaAlSi₃O₈ и иллит KAl₄Si₂O₉(OH)₃, данные по содержанию которых приведены в таблице 1. Содержание кварца и гидроксоалюмосиликата калия больше в крупных фракциях, чем в порошке. Незначительные количества гидрофосфата кальция и алюмосиликата натрия содержатся преимущественно в мелких фракциях. По наличию определенных фаз можно приблизительно определить температуру обжига горелой породы. Отсутствие метакаолинита Al₂O₃^.2SiO₂ и силлиманита Al₂O₃^.SiO₂, может свидетельствовать о том, что температура обжига больше 600 ⁰С. Отсутствие

Таблица 1 - Результаты фазового анализа образцов фракций отвальной горелой угольной породы

Фракция Фаза	<0,63 мм		2,5-5 мм		>20 мм
	Вес. %	Размер частиц, нм	Вес. %	Размер частиц, нм	Вес. %	Размер частиц, нм
SiO2	33,7 (3)	97	39,5 (3)	86	46,5 (3)	100
CaHPO4^.2H2O	10,3 (2)	>500	0,55 (6)	>500	4,36 (14)	>500
Fe2O3	7,79 (10)	66	6,50 (10)	105	2,96 (9)	114
NaAlSi3O8	8,8 (2)	58	2,3 (5)	20	–	–
KAl4Si2O9(OH)3	39,4 (4)	25	51,1 (6)	25	46,1 (4)	25
Ма
Мс
Мг.ж.

углистых примесей (табл. 2) позволяет предположить, что температура обжига достигала 900-1000 ⁰С. Более точные сведения можно получить по данным водопоглощения образцов, которое составило 3,24%, что соответствует повышенному самообжигу породы. Можно предположить, что при самообжиге породы все элементы переходят в оксиды.

Содержание оксидов элементов укладывается в интервалы, определяемые для различных угольных месторождений бывшего СССР. Вклад SiO₂ меньше нижнего значения интервала (53,1-73,5%) для фракции <0,63 мм. Содержание Al₂O₃ находится на достаточно высоком уровне, интервал по литературным данным 14,22-27,91%. Разброс литературных значений для Fe₂O₃ составляет 5,55-12,18%, поэтому фракции <0,63 мм и 2,5-5 мм попадают в данный интервал. Содержание железа в окисных невосстановленных формах более желательно, так как при использовании породы в производстве строительных материалов возможно образование гидроферритов кальция, увеличивающих прочность строительных материалов.

Положительной чертой при оценке горелых пород с позиций их использования в качестве заполнителей бетонов и растворов является отсутствие несгоревшего угля и колчеданов (пирита и маркизита). Данные примеси обладают высоким водопоглощением, большим капиллярным всасыванием, гидрофильным характером поверхности и способностью вступать в реакции с кислородом и водой, что приводит к изменениям в объеме отвердевшего изделия.

Важными показателями горелых пород являются их химическая и гидравлическая активность, которые можно охарактеризовать по показателям: модулю активности Ма, силикатному модулю Мс и глинитно-железистому модулю М_г.ж, которые рассчитываются по формулам:

Ма = (Al₂O₃) : (SiO₂),

Мс = (SiO₂) : (Al₂O₃),

М_г.ж. = (Al₂O₃+ Fe₂O₃) : (SiO₂).

Согласно модульной классификации химическая активность пород тем больше, чем выше значение Ма и ниже Мс. Величина силикатного модуля укладывается в предел до 2,4 для кислых скрытоактивных шлаков. Классификация образцов как железистых горелых пород показывает, что все три фракции горелой породы относятся к высокоактивным (М_г.ж>0,49). Максимальное значение Ма для фракции 2,5-5 мм, максимальное значение М_г.ж. для фракции >20 мм. Предположительно наиболее активной является фракция 2,5-5 мм.

В строительном известковом растворе активные оксиды: кремнезем SiO₂, глинозем Al₂O₃ и железистые соединения, могут связываться в соединения типа гидратированных алюмосиликатов кальция и в алюможелезистые гидрогранаты. Именно данные соединения определяют механическую прочность отвердевших бетонов. Для определения более точного распределения фракций по активности необходимо дополнительно охарактеризовать ее с помощью специальных методов.