Danuta Szturc

Grupa 8

Charakterystyka nieużytków węgla kamiennego (zwały kopalniane i przeróbcze); właściwości fizyczne i chemiczne

Węgiel kamienny występuje na obszarze naszego kraju w obrębie trzech rejonów: Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego i Lubelskiego Zagłębia Węglowego. Z eksploatacją węgla kamiennego wiąże się powstawanie olbrzymiej ilości odpadów, a w konsekwencji nieużytków. Średnio na jedną wydobytą tonę węgla przypada około 300 kg odpadów. Szacuje się, że ilość wydobywanego węgla spada więc powstawać będzie coraz mniej nieużytków.

Odpady stałe powstające przy wydobyciu i przeróbce kopalin podzielić można na kilka głównych typów:

1. odpady górnicze - odpady skalne pochodzące z górniczych robót przygotowawczych, udostępniających nowe partie złoża do eksploatacji. Są to z reguły duże okruchy skały płonnej, głównie piaskowców; odpady tego typu w większości pozostają na dole kopalni i są wykorzystywane przede wszystkim do: wypełniania starych wyrobisk, uszczelniania oraz izolacji zrobów i wyrobisk, gaszenia i izolowania pożarów. Część jest wykorzystywana w budownictwie ogólnym, przy budowie dróg.

2. odpady przeróbcze - powstają w procesach mechanicznej przeróbki węgla, w sortowniach, płuczkach, urządzeniach flotacyjnych. Tworzy je mieszanina skał karbońskich, takich jak: iłowce, mułowce, piaskowce. Odpady przeróbcze mogą być gruboziarniste (wzbogacane ręcznie i w cieczach ciężkich), drobnoziarniste( wzbogacane w osadzarkach), flotacyjne, składające się z bardzo drobnej frakcji skały płonnej, zawierające śladowe ilości minerałów użytecznych i dodatków stosowanych w czasie procesu wzbogacania surowców mineralnych.

3. odpady wtórne przetworzone - są to pozostałości po przetwórstwie kopaliny głównej powstające w procesach wytwarzania produktów handlowych (np. odpad paleniskowy z węgla spalanego w elektrowniach, żużle techniczne).

4. kopaliny towarzyszące - są to potencjalne surowce mineralne występujące w złożu kopaliny głównej, dla których istnieją techniczne i technologiczne warunki do selektywnej eksploatacji.

W chwili obecnej spotkać się można z różnymi określeniami miejsc gdzie składowane są odpady: wysypisko, zwał, hałda, osadnik, zbiornik, staw osadowy. Wskutek stosowania różnych technik składowania obserwować można różnego rodzaju kształty zwałów:

1. Podpoziomowe (płaskie, niwelacyjne) - wyrównujące do poziomu otoczenia wszelkie zagłębienia terenu zarówno sztuczne jak i naturalne.

2. Nadpoziomowe (wypukłe) :

1. stożkowe i kopulaste - o znacznej wysokości, stosunkowo małej podstawie i stromych stokach,

2. grzbietowe - o kształcie zbliżonym do grobli gdzie partia szczytowa jest wąska i długa a stoki strome,

3. stołowe - o płaskiej powierzchni szczytowej i stromych zboczach.

W przeszłości zwały odpadów były sypane w pobliżu kopalń i szybów wydobywczych tworząc tzw. zwały przyzakładowe typu nadpoziomowego. W ostatnich latach unika się sypania zwałów nadpoziomowych, natomiast tworzy się zwałowiska centralne. Zwały centralne gromadzą odpady z kilku kopalń. Są one większe (do 50 ha) i wypełniają najczęściej wyrobiska po eksploatacji piasku stosowanego do podsadzki górniczej.

Ze względu na stopień uspokojenia wyodrębniono:

1. Zwały czynne- współcześnie usypywane,

2. Zwały palące się- wszystkie zwały termicznie czynne bez względu na to czy dym lub płomień dobywa się z nich czy nie,

3. Zwały nieczynne- na których proces usypywania już został zakończony , a działalność termiczna bądź ustała i wówczas mowa o zwałach przepalonych bądź w ogóle się nie pojawiła i te nazwano nieprzepalonymi,

4. Zwały nieczynne- eksploatowane, rozbierane(do wtórnego przerobu).

SKŁAD PETROGRAFICZNY I MINERALNY

Petrografia skał związanych z węglem nie jest skomplikowana. W przypadku węgla kamiennego skały występujące w obszarze złożowym należą do grupy skał osadowych. Występują tutaj:

1. iłowce wśród których w składzie wyróżnić można różne minerały ilaste i kwarc. Wśród minerałów ilastych występuje: montmorylonit, kaolinit, illit,

2. mułowce będące skałami przejściowymi między piaskowcami a iłowcami, zawierają kaolinit i kwarc.

Mułowce stanowiące łącznie z iłowcami do 70% skał płonnych i mają decydujący wpływ na właściwości fizyczne, chemiczne oraz procesy wietrzenia i powstawania gleby. Wynika to z właściwości minerałów ilastych charakteryzujących się dużymi zdolnościami sorpcyjnymi zarówno w stosunku do H2O jak i kationów. Skały te łatwo ulegają wietrzeniu sprzyjając tworzeniu się dobrego środowiska glebowego.

3. piaskowce stanowiące do 30 % skał płonnych - zasadniczym elementem tych skał jest kwarc. Spoiwem najczęściej są minerały ilaste, węglany oraz matriks. Rzadziej jest to krzemionka pod postacią opalu, chalcedonu lub kwarcu. Towarzyszącymi minerałami jest kaolinit, K-skaleń, chloryt, muskowit i inne,

4. zlepieńce (żwirowce) stanowiące do 2-3% skał płonnych, w których głównym składnikiem jest kwarc,

5. odpady popłuczkowe stanowią drobnoziarnistą mieszaninę łupków, piaskowców i miału węglowego,

6. odpady z elektrowni: krzemionka, spalony węgiel,

7. skały węglanowe - najczęściej margle i wapienie, rzadziej dolomity stanowiące niewielką domieszkę skał płonnych, mające znaczenie w zmianie odczynu zwałowisk jednakże w niewielkim stopniu,

8. skały węglowe będące niewykorzystaną (ze względu na rozdział od skał płonnych - przerosty - strop i spąg pokładów węglowych) częścią złoża. Mają zdolność samozapalenia a tym samym powodowania procesów termicznych.

Pierwiastki śladowe występujące na zwałowiskach to najczęściej - Ge, Ga, Be, Ni, Co, Li, V, Cr,U, Mo, Ba, Pb, Zn, Mn, Cu.

Do „uciążliwych” minerałów odpadów należą sole (halit itp.) oraz siarczek żelaza - piryt - FeS₂. Sole po zdeponowaniu są przyczyną silnego zasolenia wód opadowych które następnie migrują wgłąb składowiska. Piryt natomiast jest składnikiem który przyczynia się do powstawania pożarów na zwałowiskach odpadów górniczych.

Przyczyna powstawania pożarów leży w dużej mierze w technologii stosowanej przy składowaniu odpadów górniczych bezpośrednio na powierzchni. Na terenach zwałowisk świeżo usypanych przeważa tak zwany szkielet kamienisty, który wraz z czasem wskutek wietrzenia skał i powstawania coraz większych ilości części ziemistych ulega przeobrażeniu. Drobne cząstki wskutek oddziaływania opadów dostają się w głąb zwałowiska. Materiał grubszy stacza się w dół zwałów, górne partie natomiast charakteryzuje obecność materiału ziemistego. W różnego rodzaju odpadach po górniczych na zwałowiska dostać się może do 25% węgla oraz do 1% pirytów. Dzięki obecności pirytów na zwałowisku może dochodzić do powstawania wewnętrznych pożarów. Ma to związek z utlenianiem się FeS₂, co wyzwala duże ilości ciepła. A to z kolei powoduje wzrost temp. i utlenianie węgla. Następnie dochodzi do rozprzestrzeniania się stref płonących. Najczęściej początkowo zjawisko to przebiega w sposób wolny, czasami osiągając jednak duże obszary zwałowisk łącznie z zewnętrznymi częściami hałd przeradzając się niekiedy w otwarty ogień Podczas pożarów zwałowisk materia organiczna ulega mineralizacji, minerały natomiast przeobrażają się w inne paragenezy mineralne, zmieniając jednocześnie właściwości fizyczne odpadów - zwiększa się porowatość utworów oraz zmniejsza zdolność pęcznienia i pojemności wodnej, poza tym zmieniają się właściwości chemiczne zwałów. W utworach przepalonych w temperaturach do 500 stopni C obserwuje się na ogół zwiększenie ilości rozpuszczalnych w H₂O składników chemicznych - kationów Ca, Mg, Mn, niekiedy Na i K oraz rozpuszczalnych w wodzie anionów SO₄ i HCO₃. Wyższe temperatury powodują zmniejszenie się rozpuszczalności utworów. Wraz z temperaturą zmienia się wartość pH zwałowisk, przy temp. 100-300 °C odczyn spada do wartości około pH=3 by następnie wzrastać do odczynu obojętnego a nawet alkalicznego.

Skały na zwałowisku podlegają wietrzeniu. Początkowo oczywiście głównie wietrzeniu fizycznemu, które zmniejsza fragmenty skał powodując powiększenie powierzchni reakcji i ułatwiając oddziaływanie dla wietrzenia chemicznego. Najłatwiej wietrzeniu ulegają różnego rodzaju łupki węglowe, trudniej łupki ilaste. Procesy wietrzenia łatwiej przebiegają na zwałach nie przepalonych. Na zwałach przepalonych procesy te są utrudnione ze względu na większą odporność materiału zwłaszcza na wstępnym etapie wietrzenia fizycznego. Wietrzenie chemiczne jakiemu podlegają skały na zwałowiskach powoduje zwykle wypłukanie przez opady atmosferyczne łatwo rozpuszczalnych związków ze skał. Wskutek rozkładu pirytu i obecności kwaśnych siarczanów żelaza i glinu dochodzi do zwiększenia kwasowości gruntów.

W obecności powietrza powstaje kwas siarkowy:

FeS₂ + 3.5 O₂ + H₂O => FeSO₄ + H₂SO₄ (siarczan żelaza II)

a następnie mogą powstawać inne toksyczne związki (siarczan żelaza III powodujący scementowanie warstw w kształtujących się profilach glebowych, wodorotlenek żelaza)

W rejonach przemysłowych dodatkowo następuje zakwaszenie zwałów spowodowane emisją SO₂ dostającego się na zwały wraz z opadami atmosferycznymi, pH na zwałowisku może wahać się w granicach 3,4 do 11,6. Niwelacja samoistna kwaśnego odczynu na zwałowisku jest często utrudniona wskutek braku większych ilości Ca. Na zwałowiskach zwłaszcza w początkowych fazach ich istnienia występować może dość duże zasolenie utworów (liczne chlorki), co może przejawiać się nawet powstawaniem wykwitów bezpośrednio na powierzchni zwałowisk.

Poziom fosforu na zwałach jest najczęściej bardzo niski, natomiast poziom azotu jest zmienny, wartości te jednak są na tyle niskie że podczas rekultywacji niezbędne staję się wprowadzenie do gleby odpowiednich ilości N i P.

Gospodarka wodna na zwałach najczęściej ma charakter opadowy. Dotyczy to głównie zwałów nadpoziomowych. Wraz z upływem czasu charakter zwałów zmienia się z korzyścią dla roślin jednak poziom wodonośny nie występuje co oznacza że w obrębie zewnętrznych 20-30 cm zwału występuje ciągły deficyt wodny.

Składowanie odpadów jest ostatecznością, jednak wciąż w wielu wypadkach jest to jedyne rozwiązanie problematyki odpadowej.

Literatura:

1. Maciak Franciszek: „Ochrona i rekultywacja środowiska”, SGGW, Warszawa 2003

2. Halina Bartkiewicz, Janusz Radecki-Mikulicz: „Człowiek a środowisko przyrodnicze województwa katowickiego”, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1972

3. www.kamienie.alte.pl/ziel/odpady_kam.htm

4. www.ellaz.pl/polska/ksia-odpady.htm

1

---