Тема 2.9 Фактори, які вливають на самозаймання породних відвалів

1 Стадии самовозгорания и горения отвалов горных пород

Говоря о пожаре породных отвалов, следует кратко рассмотреть природу возникновения и процессы протекания горения в массиве отвала, что напрямую влияет на меры по предупреждению и борьбе с данным явлением.

Прежде всего отметим, что горение отвальных пород является процессом окисления их воздухом, протекающим с выделением большого количества тепловой энергии. В процессе окисления отвальных пород можно выделить следующие основные стадии:

1. Начальный этап. Химическое и биохимическое окисление пирита. Период длился после начала отсыпки несколько месяцев, объем породы в отвале достиг критической массы и под действием атмосферных осадков начались процессы химического и биохимического окисления пирита. Биохимическое окисление пирита происходит с помощью бактерий Thiobacillus ferrooxidaus, которые вызывают деструкцию пирита и окисляют сульфидную серу до сульфат-ионов.

3FeS₂+8,25O₂+2,5H₂O=Fe₂(SO₄)₃+Fe(OH)₃+H₂SO₄+2S (реакция может протекать при t от О до 100°С).

Среда оптимальная для жизнедеятельности бактерий: t=28-37°С, рН=1,5-4, Еh=0,5-0,7. На 1 моль пирита выделяется 1128,2 кДж тепла, происходит выделение сероводорода, прогревание поверхностного слоя горных пород и обогащение его серой. Необходимая для этого критическая масса пород террикона составляет около 105 т. При рН=1,5 и t около 100^оС микроорганизмы прекращают свою жизнедеятельность.

2. Образование очагов горения - Самонагревание горных пород переходит в возгорание под воздействием самовоспламененяющихся паров сероводорода и метана (концентрация до 10%) на воздухе возле нагретой до t=260^оС поверхности горной породы. Происходит увеличение пористости приповерхностного слоя за счет выноса газовыми потоками мелких фракций, проникновение атмосферного воздуха, смещение фронта горения вглубь скопления пород по мере отсыпки отвала. 3. Термальный метаморфизм и псевдофумарольная деятельность - При температурах более 300^оС происходит разложение минеральной части и углефицированного вещества горных пород с выделением CO, CO₂, N₂, SO₂; 480-520°С – образование NH3; 500-550°С – выделение H₂, CO и тяжелых углеводородов; 900-1.200°С – образование CS₂, COS, C₄H₄S. При температуре 800-1200^оС породы испытывают термальный метаморфизм (частичное плавление, обжиг и спекание пород в виде брекчиевидных масс). Происходит образование гематита (t=450°С), муллита (t=950°С), шпинели, кристобаллита и др.

4. Техногенное минерало-образование - 1)Высокотемпературный парогазовый поток устремляется по трещинам к поверхности. Он обогащен за счет выщелачивания из вмещающих пород Mg, Na, Al, Fe, K и др, а также летучими элементами - S, F, Cl, As и др. На поверхности – резкое снижение температуры и давления – образование на геохимическом барьере нашатыря, самородной серы, масканьита, летовицита, реальгара, аммонистой селитры и других минералов. 2) Выщелачивание и сернокислотное разложение пород. Взаимодействие серной кислоты с карбонатами, силикатами, высвобождение Fe, K, Na, Ca, Mg, Al – образование гипса, квасцов, пиккерингита, алуногена, тамаругита, халькантита и др. Испарение сернокислотных растворов – образование эпсомита и гегсагидрита.

5. Выветривание пород на поверхности отвала - На поверхности происходят процессы выветривания горных пород (гидратация, гидролиз, растворение и др.): FeS2 > FeSO4 > Fe(SO4)3 > Fe(OH)3 – лимонит, гетит, гидрогетит и др. Конец отсыпки отвала – 1969 г, на 2002 г: высота отвала – 65 м, площадь основания – 5,2 га, объем породы в отвале – 1256 тыс. м3, масса пород - 2261 тыс. т. Отвал практически весь перегорел, характерны “останцы” плотно сцементированных спекшихся пород. Происходит образование техногенных минералов.