Э.Б. Хоботова, М.И. Уханёва

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Поиск путей для решения экологической проблемы накопления отвалов горелой угольной породы

Угольные шахты постоянно выделяют на поверхность большое количество пустых пород, образуемых при добыче угля и его обогащении. Одной из разновидностей отходов угледобывающей отрасли являются горелые угольные породы – продукты самообжига пустых пород. Они являются наиболее распространенным и дешевым сырьем. Однако существует ряд препятствий для использования горелых пород в различных отраслях промышленности, в том числе и в строительстве. Главным недостатком является варьирование химического и минералогического состава породы по террикону. Отвальные породы также можно рассматривать как компоненты техногенно измененного радиационного фона. Поэтому их использование в составе бетонов может привести к повышению дозы облучения людей.

Целью работы являлось изучение радиационно-химических свойств образцов гранулометрических фракций отвальной горелой породы с целью выявления возможности их использования в производстве строительных материалов.

В работе изучены отвальные горелые породы шахты Ольхаватской Донецкой области. Обломочный материал характеризуется невысокой степенью окатанности. Обломки угловатые и полуугловатые. Окраска горелых пород связана с присутствием соединений железа.

Рентгенофазовым анализом трех гранулометрических фракций горелой породы обнаружены основные минералы: кварц SiO₂, брусит CaHPO₄^.2H₂O, гематит Fe₂O₃, альбит NaAlSi₃O₈ (0,5Na₂O^.0,5Al₂O₃^.3SiO₂) и иллит KAl₄Si₂O₉(OH)₃ (0,5K₂O^.2Al₂O₃^.2SiO₂^.1,5H₂O). Можно предположить, что вторая фаза в чистом виде не содержится в угольной породе, а образуется в результате взаимодействия продуктов сгорания породы в терриконе с атмосферными осадками. Данные по содержанию минералов в образцах приведены в таблице 1.

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

Фракция Фаза	<0,63 мм		2,5-5 мм		>20 мм
	Вес. %	Средний размер частиц, нм	Вес. %	Средний размер частиц, нм	Вес. %	Средний размер частиц, нм
SiO2	33,7	97	39,5	86	46,5	100
CaHPO4.2H2O	10,3	>500	0,55	>500	4,36	>500
Fe2O3	7,79)	66	6,50	105	2,96	114
NaAlSi3O8	8,8	58	2,3	20	–	–
KAl4Si2O9(OH)3	39,4	25	51,1	25	46,1	25
Ма = (Al2O3) : (SiO2)
Мс = (SiO2) : (Al2O3)
Мг.ж. = (Al2O3+ Fe2O3) : (SiO2)

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).

Характеристика горелых пород по химическому составу не является исчерпывающей для объяснения свойств пород и оценки их качества. Важными показателями являются химическая и гидравлическая активность горелых пород, которые можно охарактеризовать по показателям: модулю активности Ма, силикатному модулю Мс, модулю основности Мо и глинитно-железистому модулю М_г.ж. Использование М_г.ж целесообразно, так как горелая порода относится к железистой. Не представляется возможным рассчитать модуль основности Мо, так как в состав горелой породы не входят оксиды СаО и MgO.

Результаты расчетов модулей по суммарному содержанию оксидов в кристаллических соединениях фракций приведены в таблице 1. 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 по активности (значение М_г.ж.) как железистых горелых пород показывает, что все три фракции горелой породы относятся к высокоактивным (М_г.ж>0,49). Предположительно наиболее активной является фракция 2,5-5 мм. Для высокоактивных фракций вещественный состав породы должен определяться присутствием аргиллитов и парцелланитов, что подтверждается минералогическим составом породы (табл. 1). Определение в минералогическом составе породы кварца, алюмосиликатов натрия (альбит) и калия (иллит) – разновидностей полевых шпатов, подтверждает, что глинистая порода является аргиллитом.

Микрофотографии образцов фракций, полученные с помощью электронного растрового микроскопа, дают представление о степени разрыхления поверхности и размерах частиц, входящих в состав спеченного агломерата. Фракция 2,5-5 мм характеризуется практически отсутствием разрыхления. На хорошо спеченной поверхности отмечено незначительное количество мелких частиц.

Степень разрыхления поверхности наибольшая для мелких и крупных фракций. Для фракции <0,63 мм отмечается присутствие частиц спеченного агломерата максимального размера до 30-50 мкм. Некоторые частицы распушенные или имеют игольчатую форму. Они хаотически расположены друг по отношению к другу. Подобные факторы могут повышать адсорбционную способность поверхности агломератов. Размер частиц агломератов фракции >20 мм несколько меньше и максимально составляет 20-30 мкм. Визуально меньше по численности частиц, которые составляют агломераты. Частицы имеют четко очерченные края. По сравнению с фракцией <0,63 мм меньше частиц с распушенными краями. Основными факторами, повышающими сорбционную емкость поверхности агломерата, а, следовательно, их химическую активность являются форма частиц и их количество. Размер частиц является второстепенным фактором.