Радиационный фон материалов породных отвалов (стр. 2 из 16)
Самыми распространенными являются рельсовые терриконики с однопутевой и двухпутевой доставкой породы в вагонетках или скипах. Отличительной особенностью рельсовых террикоников является доставка породы в вагонетках и скипах и разгрузка их на вершине с самотечным движением отвальной массы по поверхности отвала [3].
В настоящее время 74,3% шахтных отвалов Донбасса представлены рельсовыми террикониками с отсыпкой породы в форме конуса высотой до 50-100 и более метров, и каждый из них занимает площадь от 2 до 10 га, чаще всего ценных городских земель, поскольку 80% всех террикоников региона расположены в городах и поселках. Например, в Луганской области г. Свердловска, один из породных отвалов «пос. ш-ты №1-2» имеет характеристику:
Таблица 1. Характеристика породного отвала «пос. ш-ты №1-2»
| № п/п | Наименование характеристик | Един. измер. | Конический отвал |
| 1 | Год пуска в эксплуатацию | год | 1923 |
| 2 | Год остановки | год | 1994 |
| 3 | Форма отвала | конус | |
| 4 | Максимальная высота отвала | м | 83 |
| 5 | Площадь основания | м2 | 61610 |
| 6 | Объем | м3 | 1663400 |
| 7 | Зольность | % | 81,1 |
| 8 | Содержание серы | % | 0,8 |
| 9 | Плотность | т/м3 | 2,50 |
| 10 | Влажность | % | н.д. |
| 11 | Характер горения | горящий | |
| 12 | Деформация отвала | нет |
Исходя из эндогенных и экзогенных факторов образования (в качестве эндогенных факторов выступают геологические условия, экзогенных - выветривание отвальной породы на поверхности земли), все терриконики Донбасса можно поделить на 3 группы [4]:
1. Терриконики, образованные из породы при проходке стволов и полевых штреков. Состоят они из неметаморфизированных или слабометаморфизированных осадочных пород без примеси горючих включений или с малым количеством их. Порода, измельченная или малопрочная и быстро измельчается. Эти терриконики имеют малые размеры (высота их 10-25 м), не горят и составляют 2% от количества всех
террикоников. Зарастание начинается через 10-12 лет после отсыпки. Порода нетоксична или слаботоксичная.
2. Терриконики из отвальных пород шахт неантрацитовых углей. Состоят из умеренно метаморфизированного глинистого сланца малой прочности, отличающегося низкой морозостойкостью, высокой пористостью и сравнительно быстрым выветриванием. Рухляк имеет пластинчатую или чешуйчатую форму, что способствует образованию сильноувлажненной прослойки породы на глубине 0,8 -5 м, возможны явления оползневого характера. На вершине терриконика в результате сегрегации скапливается большое количество измельченной породы. Горение на вершине терриконика медленное и длительное (15 - 35 лет). Угля в породе 5 -10 %. В расщелинах и пустотах породы накапливаются значительные запасы солей серной и соляной кислот, которые во время дождей частично растворяются стоковыми водами и разносятся, по всей поверхности терриконика, довольно равномерно подкисляя породу. Кислотность рН 2,3 - 3,5, а на отдельных участках — до 0,6. Концентрация подвижной формы алюминия 10 - 30 мг на 100 г, изредка 80 мг на 100 г породы. При затухании очагов горения раскисление породы и вымывание легкорастворимых солей происходит за 3-5 лет, начинаются массовое зарастание терриконика травянистой растительностью и почвообразовательный процесс. Террикоников 2 группы около 73% от общего числа в Донбассе.
3. Терриконики шахт, добывающих антрацитовые угли, состоят из сильно метаморфизированного прочного монолитного глинистого сланца. При разработке и выветривании порода разрушается на обломки неправильной формы, морозостойкие с низкой пористостью. При отсыпке обломки породы укладываются рыхло, поверхность терриконика не заплывает. Продукты горения с очагов горения не разносятся, по поверхности стоковыми водами, а фильтруются вглубь породы.
Так, например, на рис. 1. показан литологический состав одного из породных отвалов «пос. ш-ты №1-2»:
Рис. 1. Литологический состав породного отвала «пос. ш-ты №1-2»
1.2. Уран – источник радиации угольных терриконов
В пределах Донбасса отмечены ряд поперечных поднятий, а также поперечные разломы древнего заложения, которые омолаживались в различные тектономагматические эпохи. В углах пересечения поперечных разломов с главными зонами субширотных складчатых и разрывных структур отмечаются урановые, полиметаллические, ртутные, флюоритовые, а также другие месторождения и рудопроявления.
Установлено, что угли и вмещающие их породы содержат высокие концентрации урана [5]. И наиболее богаты им те, которые содержат сульфидную серу в виде пирита. Именно к таким относятся угли и сланцы Донбасса.
Так, например известняки содержат до 3⋅10−3% урана. В терригенных образованиях терригенно-угленосной формации урана содержится до (3−17)⋅10−4% , в галогенно-красноцветной формации в пределах (1,75−5,8)⋅10−4% . В пестроцветных песчаниках пестроцветной формации урана содержится от (5,3−10,75)⋅10−4% (Северо-
Запад Донбасса).
В Донбассе пять месторождений, десять рудопроявлений, более 100 пунктов повышенного содержания урана.
Уран имеет элементы-спутники в первичных и вторичных ореолах рассеивания уранорудных тел: для броннеритовой и уранитосмолковой формации—Ti, As, W, Nb, Mo, Pb, Ag, Au и др.; для тортовой формации— Pb, Bi, W, Nb, Та, Mo, Yb, Zn [7]. Из этих элементов наибольшее химическое сходство к урану имеет молибден, в водах урановых проявлений его содержится до 2 г/л [6]. 60% урана идет совместно с К и Na, следовательно, с калийными удобрениями уран может попадать на поля.
В северном обрамлении Днепрово-Донецкой впадины и в Припятском прогибе широко распространены скопления урана в углях и углистых песчано-глинистых отложениях карбонов. Такие скопления установлены в пластах зольного угля и в углисто-тинистых пропластах, залегающих среди толщи известняков башкирского яруса Старобельско-Миллеровской моноклинали. Уран во всех этих рудных скоплениях присутствует в основном в виде сорбции на органическом материале; подчиненное значение имеют окислы.
Значительное количество скоплений урана приурочено к кровле углистых пластов и имеет, по-видимому, инфильтрационный характер образования. Как правило, эти скопления отмечаются на протяжении всего нескольких метров по простиранию к падению пластов, что не исключает возможности выявления и более крупных скоплений.
Заслуживают внимания в Донбассе скопления урана, приуроченные к углистым песчано-глинистым осадкам намюра в западной закрытой части бассейна, и некоторые скопления в зоне мелкой складчатости в северном обрамлении бассейна. Все эти скопления связаны с углистыми породами, иногда приурочены к кровле пластов.
Повышенное содержание урана отмечено также в карбоне и в переходных слоях от девона к карбону в Припятском прогибе.
Общей закономерности геологического строения, зональности метаморфизма и гидротермальной деятельности соответствует распределение радиоактивных проявлений.
Большинство крупных аномалий расположено, в непосредственной близости от различных нарушений. Выявленные проявления повышенной радиоактивности связаны с наличием обуглившихся растительных включений в осадках, с прослоями угля, с битуминозными породами, с участием ожелезненных пород, с участками геотермальной минерализации пород, с желнаковыми фосфаритами.
Накопление урана, находящегося в настоящее время в отвальной породе, происходило в восстановительных условиях глубинных осадочных пород. Подробно изучен учеными также тип концентрации, с которым связано образование урановых руд в водоносных горизонтах. Уран осаждается здесь из инфильтрующихся вод с помощью пирита [4]. Вступая во взаимодействие с компонентами инфильтрующихся вод, пирит сначала восстанавливает растворенный свободный кислород, а затем, растворяясь, служит источником ионов HS- и S2-.
С другой стороны, окисление сульфидов сопровождается гидролизом и повышением кислотности растворов, которая оказывает свое действие на окислительно-восстановительные равновесия согласно уравнению:
FeS2 +11H 2O = Fe(OH)3 + 2SO42− +19H+ +15e−,
Eh = +0,412 + 0,008lg[SO42−]− 0,076pH . (1)
На рис.2, показан график зависимости pH-Eh для пирита, рассчитанный по (1) уравнению [5]. Там же нанесено семейство графиков равновесия между ураном в растворе и твердой фазой U(OH)4 при условии отсутствия комплексообразования для различных концентраций урана согласно уравнению: