БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ САМОВОЗГОРАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВОЗГОРАНИЯ И ТУШЕНИЯ ГОРЯЩИХ ОТВАЛОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
М.П.Зборщик, д.т.н., проф.,
Донецкий национальный технический университет
В.В.Осокин, д.т.н., проф.
Донецкий государственный университет экономики и торговли
Изложены условия, особенности и закономерности самонагревания и возгорания горных пород, их взаимосвязи. Определены пути и новые способы предотвращения и подавления этих опасных и вредных природных проявлений на шахтах углепромышленных районов.
Проблема предотвращения самовозгорания осадочных горных пород и тушения пожаров является одной из наиболее крупных и актуальных в жизни и производственной деятельности густонаселенных углепромышленных районов Донецкого региона. Решение этой проблемы обеспечивает повышение безопасности труда подземных горнорабочих, существенно уменьшает количество сложных и опасных аварий на угольных шахтах, предотвращает большие материальные убытки и резко уменьшает загрязнение окружающей техногенной и природной среды. За последнее десятилетие в угольных шахтах ежегодно происходило от 15 до 40 эндогенных пожаров (вследствие самовозгорания угля или углисто-глинистых пород). На территории Украинского Донбасса имеется около 1100 породных отвалов, в которых заскладировано более 1 млрд.м3 породы, занимающей площадь 5526 гектаров. С отвалов (терриконов) ветер сдувает сотни тысяч тонн пыли, примерно третья часть их (около
360) являются горящими. При сгорании 1 кг породы происходит загрязнение до опасного предела от 6,7 до 8,7 млн. м3 атмосферного воздуха. Из горящих отвалов в атмосферу выделяется около двух десятков вредных веществ: оксид углерода, углекислый газ, сернистый газ, серный ангидрид, сероводород, сероуглерод, серооксид углерода, оксиды азота, серная кислота, цианводород, аммиак, цианиды, тиоцианаты и др.
В настоящее время пока нет единого мнения о природе самовозгорания осадочных горных пород. Многие специалисты считают, что причиной самовозгорания пород является их взаимодействие с кислородом атмосферного воздуха. Не вдаваясь в особенности доказательств кислородной теории самовозгорания углей и углисто-глинистых пород, отметим лишь один решающий довод о ее весьма недостаточной обоснованности и достоверности. За всю историю существования кислородной теории нет ни единого экспериментального доказательства, чтобы при насыщении угля кислородом произошло его самовозгорание. Имеется также ряд других предположений и попыток объяснить природу самовозгорания твердых горючих ископаемых (пиритная гипотеза разложения в угле вследствие экзотермической реакции дисульфида железа при участии влаги и кислорода, воспламенения при обычной температуре образующегося при выщелачивании пирита пирофорного железа и др.), но все они не имеют убедительных обоснований и остаются лишь предметом научных дискуссий.
Согласно практике, самовозгораются обычно влажные горные породы при слабой аэрации их поверхности. Очаги самонагревания пород часто обнаруживаются по выделениям сульфатов железа и серной кислоты. Образование этих веществ, естественно, возможно только при
окислительном выщелачивании содержащегося в породах пирита.
В теоретическом плане для целостного представления о закономерностях и условиях протекания в горных породах опасных и вредных геохимических процессов и существенных связях действительности самонагревания и самовозгорания пород авторами выполнен комплекс исследований [1, 2, 3]. Микробиологическими исследованиями установлено, что в шахтных водах Донбасса имеются палочковидные тионовые бактерии (Th.ferrooxidans). Влага и бактерии проникают в породы при конденсации паров, фильтрации воды из затопленных выработок, орошении угля, высоконапорном его увлажнении и процессах обогащения. Микротрещины и макропоры прослоев и линз пирита благоприятны для жизнедеятельности тионовых бактерий. В среде обитания таких бактерий обязательно должны быть следующие два компонента: растворенный кислород и углекислота. Важнейшее условие существования тионовых бактерий - это наличие кислой среды. Растворенный углекислый газ является источником углерода для развития бактерий, а источником энергии для них являются процессы окисления железа (II) и элементной серы.
Лабораторные эксперименты показали, что при самонагревании породы происходит изменение морфологии (формы существования) тионовых бактерий в поровом растворе в зависимости от изменения его параметров (температуры, кислотности, наличия питательных субстратов и
источников энергии). Суть этого ранее неизвестного природного явления в том, что по мере роста температуры бактерии последовательно приобретают следующие формы: подвижные палочки средних размеров, переходные (раздутые) формы и длинные палочки, нитчатые структуры, сферические формы. Тионовые бактерии таких форм подобны аэробным
хемолитотрофным бактериям, которые способны окислять в гидротермах восстановленные соединения серы и железа при температурах от 30 до 99-1000 С и рН от 1 до 6,5-7. Установлено также и второе ранее неизвестное явление выделения из пиритсодержащей горной породы элементной серы под действием тионовых бактерий [4], заключающееся в том, что в
естественных водно-воздушных условиях тионовые бактерии разлагают в порах породы микрокристаллы пирита по их внешней поверхности на элементную серу и сопутствующие компоненты (серную кислоту, сульфаты, гидроксид железа и др.).
В целом процесс бактериального окислительного выщелачивания пирита (сульфидных минералов) включает две тесно связанные и параллельно протекающие стадии: непосредственное окисление минерала и деструкция кристаллической решетки; окисление образующихся при этом новых веществ (двухвалентного железа и серы). При этом вследствие выделения серной кислоты образуются сернокислотные поровые растворы. Часть неокисленной серы образует с ионами трехвалентного железа и сульфат-ионами коллоидный раствор. Все реакции, связанные с окислительным выщелачиванием пирита, протекают самопроизвольно и являются экзотермическими. В процессах самонагревания пород роль бактерий заключается в следующем: расчленение поверхности пирита и увеличение его реакционноспособной поверхности; окисление серы и двухвалентного железа (в условиях невозможного их чисто химического окисления); предотвращение отложения веществ новообразования на
поверхности минерала; непосредственное участие в экзотермических реакциях. Тионовые бактерии, образно говоря, "запускают" экзотермические процессы окислительного выщелачивания пирита, без участия бактерий такие процессы не протекают. Следует отметить, что в кислой среде чисто химическое окисление двухвалентного железа
протекает очень медленно. При воздействии же бактерий окисление двухвалентного железа до трехвалентного протекает со скоростью примерно в 500 тыс.раз большей скорости чисто химического окисления. Вместе с тем биохимические процессы, увеличивая реакционную
способность поверхности пирита и повышая температуру, интенсифицируют чисто химические процессы окислительного выщелачивания этого минерала, которые способствуют дальнейшему
росту температуры и выделению веществ новообразования (серы, серной кислоты и соединений железа).
В естественных условиях самонагревающаяся порода представляет собой биохимический реактор, который затем при температуре более 1000 С становится чисто химическим реактором. В нем протекает автоклавный процесс окислительного выщелачивания пирита и роста температуры породы. При дальнейшем нагревании пород элементная сера испаряется. Когда породы прогреются до 248-2610 С, пары серы воспламеняются на воздухе. От пламени серы воспламеняется десорбирующийся из породы метан, самонагревание породы переходит в
ее возгорание. При температуре горения около 3000 С и более из углей и углеглинистых пород выделяется большое количество весьма опасных и вредных веществ новообразований (перечень многих из них указан в первом абзаце).
Предотвратить самонагревание горных пород (начальную стадию их самовозгорания) в принципе можно двумя путями: исключить проникновение в породы вод, содержащих тионовые бактерии и необходимые для их жизнедеятельности растворенные газы; целенаправленно воздействовать на среду обитания бактерий (подавить их активность). Практически более приемлем второй путь - это значит увеличить рН жидкой среды (кислую среду превратить в щелочную) или резко уменьшить содержание кислорода и углекислого газа. Достаточно просто повысить рН среды - надо в воду добавить гидроксиды или карбонаты натрия, калия, кальция, т.е. NaOH, KOH, Ca(OH)2, Na2CO3, K2CO3, CaCO3. При воздействии такой водой на
пиритсодержащие породы декарбонизуются поровые растворы и происходит связывание веществ новообразования. Если использовать растворы NaOH или KOH, то процесс декарбонизации поровых растворов сопровождается образованием на поверхности горной породы защитного
слоя из карбоната кальция CaCO3 и гидроксида магния Mg(OH)2. При
декарбонизации порового раствора гидроксидом кальция Ca(OH)2, т.е.
известковой суспензией, также образуется защитный слой из карбоната кальция, а в случае избытка извести может образоваться защитный слой из CaCO3 и Mg(OH)2. Когда вода с указанными выше добавками попадает в пиритсодержащие породы и в них уже начали протекать биохимические процессы окислительного выщелачивания пирита, происходят реакции взаимодействия этих веществ с сульфатами железа и образуется гидроксид железа (III), выпадающий в осадок. Нейтрализация серной кислоты известковой суспензией сопровождается образованием защитного гипсового слоя CaSO4·2H2O на поверхности горной породы. Эффективность использования возможных других веществ для предотвращения самовозгорания углей и углисто-глинистых пород достаточно полно рассмотрена в работе [5].
Растворы и суспензии гидроксидов и карбонатов N, K, Ca в равной мере можно использовать и для тушения очагов горения горных пород. При этом одновременно происходит охлаждение породы жидкостью и нейтрализация содержащихся в ней веществ новообразования. Следует отметить, что на всех стадиях самонагревания и горения пиритсодержащих горных пород эти растворы и суспензии являются наилучшими ингибиторами по полноте и эффективности нейтрализации процессов образования вредных веществ (опасных и вредных газов, серной кислоты,
серы и т.д.).
Новые способы профилактики самовозгорания и тушения горящих породных отвалов испытаны и использованы на ряде угольных шахт. Во всех случаях в качестве щелочной жидкости применяли воду с добавками извести (известковой суспензии). Известь - достаточно дешевое сырье, ее имеется много как отходов металлургического производства. Обрабатывали породу 3-5-процентной известковой суспензией. Расход гашеной извести 30-50 кг на 1 м3 воды и 6-15 кг на 1 м3 горной породы.
В объединении "Донецкуголь" впервые предварительная обработка породы перед складированием ее на плоском отвале испытана на шахте "Заперевальная" ш/у им. газеты "Социалистический Донбасс". Заскладировано 10 тыс.т обработанной породы, в течение трех лет наблюдений не было никаких признаков ее самонагревания. На шахте "Трудовская" потушена порода в плоской части отвала на площади примерно 1800 м2. На шахтах № 9 "Капитальная", № 6 "Красная Звезда",
№ 12 "Наклонная" произведено тушение породы в конических частях горящих отвалов. Осуществлено тушение породного отвала шахты "Гуковская" и ЦОФ "Гуковская" объединения "Гуковуголь" (Россия).
Новые способы профилактики самовозгорания горных пород и тушения горящих породных отвалов достаточно простые, надежные и малозатратные. Для их крайне необходимого и повсеместного внедрения в углепромышленных районах Донбасса и других регионов не требуется создания какого-либо специального оборудования и машин. Уже есть весь комплекс серийно выпускаемых машин, изделий, приборов для технического оснащения установок профилактики самовозгорания пород и тушения горящих отвалов (электродвигатели, насосы, вакуумнасосы, трубы и т. д.). В качестве веществ-ингибиторов представляется
возможность использовать отходы ряда отраслей промышленности. Сооружение промышленных установок вполне посильно даже структурным подразделениям действующих шахт или управлениям по реструктуризации и закрытию шахт. Использование новых способов во
многом предопределяет успех озеленения породных отвалов и оздоровления окружающей природной среды.
В силу кризисного состояния угольной отрасли и в целом народного хозяйства Украины в последнее десятилетие использование новых способов и технологий профилактики самовозгорания и тушения горящих породных отвалов практически прекращено (главным образом из-за
причин финансового и социального характера). В последующие годы при нормальных экономических условиях функционирования угольной отрасли значимость этих способов остается неизменной, а необходимость их использования будет непременно возрастать.
Литература
Зборщик М.П., Осокин В.В. Предотвращение самовозгорания горных пород, - К.: Техника, 1990. - 176 с.
Зборщик М.П., Осокин В.В. Предотвращение экологически вредных проявлений в породах угольных месторождений. - Донецк: ДонНТУ. - 178 с.
Зборщик М.П., Осокин В.В. Горение пород угольных месторождений и их тушение. - Донецк: ДонНТУ, 2000. - 180 с.
Зборщик М.П., Осокин В.В. Явление выделения из пиритсодержащей горной породы элементной серы под действием тионовых бактерий. - М.: Международная ассоциация авторов научных открытий, диплом № 79 на открытие,
1998.
Зборщик М.П., Осокин В.В. О веществах, предотвращающих и подавляющих опасные и вредные проявления в пиритсодержащих горных породах // Уголь Украины. - 1997.- № 12. - С.40-41.