The influence of thermal transformation of coal mining wastes on their petrographic and mineralogical composition
 
 
 
More details
Hide details
1
Instytut Geologii Stosowanej, Politechnika Śląska
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2014;30(1):143–160
 
KEYWORDS
ABSTRACT
The excavation of hard coal is inseparably connected with the production of wastes. Many of these wastes are disposed of in waste dumps (tips). On the one hand this is a nuisance to the environment, while on the other hand – it represents a potential source of aggregates. Coal mining wastes disposed of in the dumps are exposed to hypergenic factors. In particular cases, self-ignition of these wastes may occur, even becoming the cause of endogenous fires. The combustion of organic substances and interaction with heat, which is an effect of this process, causes changes in the mineral composition of wastes and their structures and textures. Examinations conducted on coal mining waste dumps – which in previous years showed thermal activity – as well as an analysis of existing data allowed for the conclusion that the grade of thermal transformation of coal mining wastes is differentiated. The waste dumps were assigned the following zones: thermally untransformed zone, moderately thermally transformed zone, and intensively thermally transformed zone. Coal mining wastes from these zones vary in colour, the grade of conservation of the primary rock structure, and mineral composition. The colour of the thermally untransformed zone is grey and black, the wastes have preserved the primary structures of the rocks from which they originated, and the mineral composition indicated small changes connected with weathering processes. Moderately thermally transformed zones are characterized by an orange-red colour, implying the combustion of organic substances and oxidation of iron compounds. In spite of the influence of high temperature, the primary structures of the rocks are well preserved. Mineral composition distinctly changed; a part of the minerals (carbonates, clay minerals) were thermally altered. The wastes in intensively thermally transformed zones are characterized by partial or total melting of the rock material. As a result, transformations of the primary structures and textures occurred. The mineral composition has also been totally changed – new minerals originated which did not occur in the wastes at the time of their disposal in the waste dump. The occurrence of glaze as well as high-temperature minerals is characteristic for the wastes from intensively thermally transformed zones, most often originating under natural conditions as an effect of contact metamorphism.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Wpływ stopnia termicznego przeobrażenia odpadów powęglowych na ich skład mineralny i petrograficzny
odpad powęglowy, odpad pogórniczy, pożar zwałowiska, przeobrażenie termiczne, kruszywo sztuczne
Wydobycie węgla kamiennego nierozerwalnie związane jest z wytwarzaniem odpadów. Wiele z nich zdeponowanych zostało na zwałowiskach (hałdach) i stanowi z jednej strony źródło uciążliwości dla środowiska, z drugiej zaś potencjalne źródło kruszywa. Odpady powęglowe zdeponowane na zwałowiskach narażone są na oddziaływanie czynników hipergenicznych. W wyniku oddziaływania tlenu atmosferycznego może dojść do samozagrzewania tych odpadów, a nawet do powstania pożarów endogenicznych. Spalanie substancji organicznej oraz oddziaływanie ciepła będącego efektem tego procesu powoduje zmiany składu mineralnego odpadów, a także ich struktur i tekstur. Badania przeprowadzone na zwałowiskach odpadów pogórniczych, które w minionych latach wykazywały aktywność termiczną, a także analiza danych literaturowych pozwoliły stwierdzić, że stopień termicznego przeobrażenia odpadów powęglowych jest zróżnicowany. Na zwałowiskach wydzielono strefy: nieprzeobrażoną termicznie, umiarkowanie przeobrażoną termicznie oraz intensywnie przeobrażoną termicznie. Odpady powęglowe z tych stref różnią się barwą, stopniem zachowania pierwotnej struktury skał oraz składem mineralnym. Barwa stref nieprzeobrażonych termicznie jest szara do czarnej, odpady zachowały pierwotne struktury skał, z których powstały, skład mineralny uległ jedynie niewielkim zmianom związanym z procesami wietrzenia. Strefy umiarkowanie przeobrażone termicznie cechują się barwą pomarańczowo-czerwoną, wynikającą z wypalenia substancji organicznej i utlenienia związków żelaza. Pomimo oddziaływania wysokiej temperatury pierwotne struktury skał są dobrze zachowane. Skład mineralny uległ wyraźnej zmianie, część minerałów uległa przeobrażeniom termicznym (rozpadowi termicznemu uległy minerały węglanowe, w minerałach ilastych nastąpiła dehydroksylacja). Odpady w strefach intensywnie termicznie przeobrażonych cechują się częściowym lub całkowitym przetopieniem materiału skalnego. W wyniku tego doszło do przeobrażeń pierwotnych struktur i tekstur, całkowitej zmianie uległ także skład mineralny – powstały zupełnie nowe minerały, które nie występowały w odpadach w chwili ich deponowania na zwałowisku. Dla odpadów ze stref intensywnie termicznie przeobrażonych charakterystyczne jest występowanie szkliwa, a także minerałów wysokotemperaturowych (np. mullitu, kordierytu, sillimanitu, spineli i innych), które w warunkach naturalnych powstają najczęściej w wyniku metamorfizmu kontaktowego.
 
REFERENCES (33)
1.
Borecki, M. i Strzeszowski, W. red., 1964. Systemy eksploatacji węgla kamiennego. Katowice: Wydawnictwo Śląsk.
 
2.
Buchta, D. i Molenda, T. 2007. Minerały stref ekshalacyjnych termicznie czynnych składowisk odpadów górnictwa węgla kamiennego. WUG: bezpieczeństwo pracy i ochrona środowiska w górnictwie. Nr 4.
 
3.
Burtan i in. 2008 – Burtan, B., Rak, Z. i Stasica, J. 2008. Priorytety rozwoju systemów wybierania złóż w polskim górnictwie węgla kamiennego. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management t. 24, z. 1/2.
 
4.
Chodyniecka, L. i Adamczyk, Z. 1997. Zmienność mineralogiczna odpadów powęglowych z KWK „Jankowice”. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Górnictwo, z. 235.
 
5.
Ćmiel, S. i Misz, M. 2005. Zmiany petrograficzne węgla spowodowane pożarami hałd odpadów węglowych. Geologia i zagadnienia ochrony środowiska w regionie Górnośląskim LXXVI Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Geologicznego Rudy k/Rybnika 14–16 września 2005 r.
 
6.
Dulewski i in. 2010 – Dulewski, J., Madej, B. i Uzarowicz, R. 2010. Zagrożenia procesami termicznymi obiektów zagospodarowania odpadów z górnictwa węgla kamiennego. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management t. 26, z. 3.
 
7.
Gazdecki, Ł. 2007. Wpływ przeobrażeń termicznych na skład mineralny oraz wybrane właściwości fizykomechaniczne odpadów KWK Mikulczyce. Kwartalnik Górnictwo i Geologia z. 1, t. 2.
 
8.
Gogola i in. 2012 – Gogola, K., Bajerski, A. i Smoliński, A. 2012. Modyfikacja metody oceny zagrożenia pożarowego na terenach lokowania odpadów powęglowych. Prace Naukowe GiG Górnictwo i Środowisko 2.
 
9.
Grapes, R.R. 2006. Pyrometamorphism. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag.
 
10.
Gumińska, J. i Różański, Z. 2005. Analiza aktywności termicznej śląskich składowisk odpadów powęglowych. KARBO Nr 1.
 
11.
Hanak, B. i Nowak, J. 2008. Thermal altered coals in self-combusted mine dump from Upper Silesia Coal Basin. International Conference on Coal and Organic Petrology. Materiały konferencyjne. Oviedo.
 
12.
Hanak, B. i Nowak, J. 2010. Charakterystyka węgli ze zmienionych termicznie odpadów powęglowych KWK „Nowy Wirek”. Przegląd Górniczy 1–2.
 
13.
Hanak, B. i Porszke, A. 2006. Kierunki przeobrażeń minerałów w starych zwałowiskach odpadów powęglowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Górnictwo z. 272.
 
14.
Heffer i in. 2007 – Heffer, E., Reiners, P., Naeser, C. i Coates, D. 2007. Geochronology of clinker and implications for evolution of the Powder River Basin landscape, Wayoming and Montana. Geology of Coal Fires: Case Studies from Around the World. The Geological Society of America, Reviews in Engineering Geology, Volume XVIII.
 
15.
Jonczy i in. 2012 – Jonczy, I., Nowak, J., Porszke, A. i Strzałkowska, E. 2012. Składniki fazowe wybranych mineralnych surowców odpadowych w obrazach mikroskopowych. Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej.
 
16.
Krieger,W. i Sroga, C. 2002. Odpady z górnictwa i przeróbki kopalin w Krajowym Planie Gospodarki Odpadami. Przegląd Geologiczny vol. 50, nr 12.
 
17.
Łączny i in. 2011 – Łączny, M. J., Olszewski, P., Gogola, K. i Bajerski, A. 2011. Czynniki wpływające na wybór technologii prewencyjnych, profilaktycznych i gaśniczych stosowanych na obiektach uformowanych z odpadów powęglowych. Prace Naukowe GiG Górnictwo i Środowisko 4.
 
18.
Masalehdani i in. 2007 – Masalehdani, M., Black, P. i Kobe, H. 2007. Mineralogy and petrography of iron-rich slags and paralavas fordem by spontaneous coal combustion, Rotowaro coalfield, North Island, New Zeland. Geology of Coal Fires: Case Studies from Around the World. The Geological Society of America, Reviews in Engineering Geology, Volume XVIII.
 
19.
Mazurkiewicz,M. 1990. Technologiczne i środowiskowe aspekty stosowania stałych odpadów przemysłowych do wypełniania pustek w kopalniach podziemnych. Zeszyty Naukowe AGH nr 152.
 
20.
Nowak, J. 2006. Zmienność składu mineralnego odpadów pod wpływem procesów zachodzących na składowisku nr IV KWK Nowy Wirek. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej.
 
21.
Nowak, J. 2008. Skład mineralny samoczynnie spieczonych odpadów powęglowych ze Zwałowiska Nr IV KWK „Nowy Wirek”. Materiały konferencyjne. Pierwszy Polski Kongres Geologiczny, Kraków.
 
22.
Nowak, J. 2011. Wpływ stopnia przeobrażeń termicznych odpadów powęglowych na ługowanie substancji do środowiska. Kwartalnik Górnictwo i Geologia z. 4, t. 6, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej.
 
23.
Nowak, J. i Frejowski, A. 2007. Mine waste management in Upper Silesian Coal Basin (USCB). Zapiski Gornowo Instituta, Petersburg.
 
24.
Porszke, A. 2003. Wpływ zmienności parametrów geotechnicznych odpadów powęglowych ze składowiska KWK „Siemianowice” na możliwość ich wykorzystania w budownictwie drogowym. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Górnictwo z. 257.
 
25.
Różański, Z. 2003. Pozyskiwanie ciepła ze składowisk odpadów powęglowych podlegających naturalnym procesom utleniania. Praca doktorska. Politechnika Śląska, Gliwice.
 
26.
Smith, A. i Ward, A. 1984. Pollution potential from the reclamation of coal washery discard and waste dumps. Symposium on the Reclamation Treatment and Utilization of Coal Mining Wastes. Durham.
 
27.
Szczepańska, J. i Krawczyk, J. 1993. Zanieczyszczenie środowiska wodnego siarczanami tworzącymi się na składowiskach odpadów górnictwa węgla kamiennego. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management t. 9, z. 3.
 
28.
Szczepańska, J. 1987. Zwałowiska odpadów węgla kamiennego jako ogniska zanieczyszczeń środowiska wodnego. Zeszyty Naukowe AGH, Geologia nr 35.
 
29.
Twardowska, I. 1981. Mechanizm i dynamika ługowania odpadów karbońskich na zwałowiskach. Polska Akademia Nauk, Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska.
 
30.
Urbański, H. 1983. Rekultywacja techniczna usypisk odpadów kopalnianych ze szczególnym uwzględnieniem zwalczania pożarów. Materiały szkoleniowe. Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa, Zarząd Oddziału w Katowicach.
 
31.
Vapnik i in. 2007 – Vapnik, Y., Sharygin, V., Sokol, E. i Shagam, R., 2007 – Paralavas in combustion metamorphic complex: Hatrurim Basin, Israel. Geology of Coal Fires: Case Studies from Around the World. Reviews in Engineering Geology XVIII, The Geological Society of America.
 
32.
Wagner, M. 1980. Przemiany termiczne węgla kamiennego w strefach pożarów hałd kopalnianych. Geologia t. 6, z. 2.
 
33.
Zorychta, A. i Burtan, Z. 2008. Uwarunkowania i kierunki rozwoju technologii podziemnej eksploatacji złóż w polskim górnictwie węgla kamiennego. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management t. 24, z. 1/2.
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953