02Buchta_Molenda - History of Mining

dr Dorota Buchta
dr Tadeusz Molenda
Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi
Minerały stref ekshalacyjnych termicznie czynnych składowisk odpadów
górnictwa węgla kamiennego
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono procesy termiczne zachodzące na zwałowisku odpadów górniczych
KWK „Marcel" w Radlinie, w wyniku których powstają nowe minerały. Zaliczyć możemy do
nich siarkę i salmiak.
1. Wstęp
Gospodarcza działalność człowieka może prowadzić do istotnych zmian w rzeźbie
terenu. Spektakularnym przejawem tych zmian jest powstanie nowych, nie występujących
uprzednio, antropogenicznych form rzeźby. Zaliczyć możemy do nich między innymi
składowiska odpadów przemysłowych potocznie zwanych hałdami. Na obszarze Polski
największa liczba tego typu obiektów zlokalizowana jest na obszarze Górnośląskiego Okręgu
Przemysłowego (GOP). Są to głównie składowiska związane z eksploatacją węgla
kamiennego. W sumie na obszarze konurbacji górnośląskiej zlokalizowano 136 składowisk
odpadów na których zgromadzone jest ponad 750 mln Mg materiału odpadowego. Zajmują
one powierzchnię ponad 3500 ha. Znaczna liczba składowisk związana jest z dużą masą
odpadów jakie wytwarzane są w trakcie eksploatacji złóż węgla kamiennego. Jak podają
Gresza i Morawski (1970) na l t wydobytego węgla przypada około 0,4 t odpadów. Zwały
odpadów kopalnianych są znacznie zróżnicowane pod względem kształtu, kubatury i
wysokości. Najczęściej spotyka się zwały płaskie lub stożkowe. Wysokości względne tych
ostatnich mogą przekraczać 100 m. Chociaż składowiska odpadów są tworami
antropogenicznymi, to jednak od momentu zaistnienia zaczynają podlegać takim samym
procesom morfogenetycznym, biologicznym i geochemicznym jak obiekty naturalne.
Następstwem spontanicznych procesów sukcesji jest wytworzenie pokrywy roślinnej, która w
przypadku najstarszych hałd może mieć charakter leśny. Hałdy podlegają również procesom
morfogenetycznym, głównie erozji wodnej prowadzącej do pojawienia się na ich powierzchni
szeregu bruzd i rowków. Jednak najbardziej spektakularne są procesy geochemiczne
zachodzące w obrębie składowisk termicznie czynnych – palących się. W niniejszej pracy
przedstawione zostaną procesy zachodzące na jednym z tego typu składowisk.
2. Lokalizacja obszaru badań
Obiekt badań stanowi stare zwałowisko odpadów górniczych KWK „Marcel" w
Radlinie (rys. 1 – ilustracje znajdują się w cyfrowej wersji artykułu zawartej na płycie CD
dołączonej do bieżącego numeru Miesięcznika WUG). Pod względem podziału
fizycznogeograficznego Polski, obiekt badań położony jest na Płaskowyżu Rybnickim.
Obecnie na zwałowisku prowadzone są prace rekultywacyjne. Część hałdy jest rozbierana, a
materiał po procesie sortowania wykorzystywany jest jako tworzywo znajdujące
zastosowanie w pracach inżynieryjnych. Deponowane są również świeże odpady.
3. Metody badań
Próby skał do analiz pobrano w miejscu ekshalacji gazów. Do analiz pobrano okruchy
skał karbońskich, na powierzchni których znajdowały się naskorupienia minerałów. Z
naskorupień przygotowano preparaty, które poddano środowiskowym badaniom
skaningowym (SEM). Badanie wykonano na mikroskopie skaningowym Philips XL 30
ESEM/TMP z przystawką analityczną EDS (EDAX typu Sapphire). W mikroobszarach
badanych preparatów wykonano fotografie w trybie BSE (Back–Scattered Elektron). Skład
pierwiastkowy oraz wstępną identyfikację minerałów oparto na analizie widm EDS (Elektron
Dispersive Scanning).
3. Dyskusja i wyniki badań
Jak już wcześniej wspomniano, badany obiekt jest termicznie czynny. Zdolność do
palenia się hałd wynika ze znacznej ilości substancji węglowej, której zawartość na starych
zwałowiskach może dochodzić do 30%. Pożar hałdy może być zarówno następstwem
procesów egzogenicznych, o ile został zapoczątkowany na skutek działania zewnętrznego
źródła ciepła, lub endogeniczny, powstały samoistnie na skutek utleniania substancji
aktywnych do tlenu, któremu towarzyszy wydzielanie znacznych ilości ciepła (Cebulak,
Langier-Kuzniarowa, 1997).
WĘGIEL + O2 -> CO2 + ciepło
Powstanie pożaru endogenicznego możliwe jest w przypadku, gdy spełnione są
następujące warunki (Szafer 1999): obecność w zwale dostatecznej ilości materiałów o
odpowiedniej aktywności chemicznej w stosunku do tlenu atmosferycznego; łatwy dopływ
powietrza do wnętrza zwału; możliwość akumulacji ciepła w zwale, czyli taka sytuacja, w
której ilość ciepła powstającego przewyższa ilość ciepła odprowadzanego na zewnątrz zwału
w tym samym czasie.
Pożary hałd w istotnym stopniu utrudniają prowadzenie robót rekultywacyjnych, są
również istotnym emiterem gazów i dymów spalinowych. Obecnie w regionie górnośląskim
istnieje co najmniej kilkanaście składowisk wykazujących aktywność termiczną. Dotyczy to
w szczególności starych składowisk, gdzie podczas depozycji materiału nie prowadzono
zabiegów mających na celu ograniczenie możliwości zapalenia materiału (zagęszczanie,
zmniejszenie w materiale odpadowym substancji aktywnych do tlenu). Szczególnie podatne
na procesy termiczne są hałdy stożkowe, w których nie prowadzono zagęszczenia materiału.
Sypanie materiału z „góry na skarpę” spowodowało bardzo niekorzystną segregację ziarnową.
U podstawy hałdy zgromadzony jest bowiem materiał grubo frakcyjny ułatwiający łatwy
dostęp powietrza do wnętrza zwału. Ze względu na zaawansowanie procesów termicznych
zwały dzielimy na przepalone i nieprzepalone.
Procesy termiczne zachodzące na zwałach prowadzą do istotnych zmian właściwości
fizyczno–chemicznych zdeponowanych odpadów. Oddziaływanie termiczne na odpady
powęglowe makroskopowo zaznacza się zmianą zabarwienia z szarego (w różnych
odcieniach) na beżowe, ceglastoczerwone, brązowe i szarobrunatne, występowaniem żużli
powstałych z częściowego lub całkowitego przetopienia materiału skalnego oraz zespolenia
poszczególnych fragmentów ze sobą (Hanak, Porszke 2006; Nowak 2006). Jak wskazuje
praca Hanaka i Porszke (2006) przeobrażenia skał wewnątrz bryły zwałowiska mogą
zachodzić w szerokim zakresie temperatur od 850 do l4000 C.
Procesy termiczne zachodzące na zwałowiskach sprzyjają tworzeniu się nowych
minerałów. Mogą one powstawać zarówno wewnątrz bryły zwałowiska jako wynik
wysokotemperaturowego przeobrażenia minerałów, jak również na powierzchni w formie
naskorupień. W niniejszej pracy przedstawione zostaną minerały tworzące się na powierzchni
zwałowisk.
Jak już wcześniej wspomniano, pożar hałd może przejawiać się aktywnością
płomieniową (płomienie ognia widoczne na powierzchni hałdy), któremu towarzyszy znaczna
emisja dymów i gazów spalinowych. Do głównych gazów ulatniających się do atmosfery w
wyniku pożaru hałd zaliczyć możemy: dwutlenek siarki (SO2), tlenek węgla (CO), dwutlenek
węgla (C02), siarkowodór (H2S), amoniak (NH3), chlor (Cl) oraz parę wodną (H2O). Stężenia
tych gazów zależą od różnych czynników, m.in. intensywności pożaru oraz dostępu
powietrza. Wyżej wymienione składniki emisji ulegają w powietrzu atmosferycznym
różnorodnym przemianom fizyczno-chemicznym, mogą być również tworzywem nowych
minerałów tworzących się na powierzchni hałd.
Do nowych minerałów powstałych na hałdzie zaliczyć możemy siarkę (S), oraz
salmiaki (NH4Cl). Minerały te zostały stwierdzone w strefach ekshalacji (wyziewów) gazów
analizowanej hałdy. Tworzą się one bezpośrednio na skałach odpadowych zdeponowanych w
strefie szczelin ekshalacyjnych. Zaobserwować można zarówno monomineralne skupiska
kryształów siarki jak i salmiaków, jak również sytuację narastania kryształów chlorku amonu
na siarce oraz odwrotnie – siarki na salmiakach. Ich identyfikacji dokonano na podstawie
analizy widm EDS, co prezentują rysunki 2 i 3. Obserwacja za pomocą SEM dostarczyła
informacji o morfologii powierzchni kryształów (fot. 1, 2).
Źródłem powstawania siarki może być siarkowodór (H2S). Związek ten w reakcjach
jest utleniony do siarki lub siarczanu. Siarka występuję nie tylko w trzech stanach skupienia,
ale w stanie stałym tworzy kilka odmian alotropowych, do których należy: siarka rombowa
Sα (tworząca żółte kryształy trwałe w temperaturze pokojowej) oraz siarka jednoskośna
Sβ, którą można zaobserwować na omawianej hałdzie (fot. 3). Ta postać siarki ma również
barwę żółtą, topi się w temperaturze 1190 C, kryształy mają formę wydłużonych pryzmatów
jednoskośnych, stąd zwana jest często siarką pryzmatyczną.
Minerałem towarzyszącym siarce jest należący do halogenków- SALMIAK, czyli
chlorek amonu (NH4Cl). Jego kryształy sublimują po ogrzaniu i mają różne postaci: ziarniste,
ziemiste, naloty oraz naskorupienia (fot. 4) na skałach karbońskich. W warunkach
normalnych chlorek amonu stanowi biały proszek albo krystaliczne, bezbarwne ciało stałe.
Zarówno siarka jak i salmiak wykazują dużą kruchość, i nawet pod wpływem niewielkiego
nacisku lub uderzenia ulegają zniszczeniu.
4. Podsumowanie
Niewątpliwie, aktywność termiczna hałd poważnie utrudnia ich rekultywację oraz
przyczynia się do emisji wielu gazów zanieczyszczających atmosferę. Dlatego też podejmuje
się szereg działań które mają na celu ugaszenie istniejących pożarów. Metody jakie stosowane
są w gaszeniu składowisk opisano między innymi w pracy (Drenda 2006).
Najprawdopodobniej w niedalekiej przyszłości zostaną ugaszone wszystkie płonące
składowiska. Część z nich zostanie również rozebrana, gdyż traktowane są one jako złoża
antropogeniczne, z których odpady można wykorzystać do różnych celów gospodarczych.
Zwałowiska termicznie czynne, na których przebiegają procesy tworzenia nowych
minerałów (siarki i salmiaków) są antropogenicznymi odpowiednikami wulkanicznych
solfatarów. Najbliższe naturalne obiekty tego typu znajdują się na wyspach Liparyjskich
(południowe Włochy). Być może warto rozważyć ochronę jednego z tego typu obiektów jako
specyficznego terenowego laboratorium procesów geochemicznych.
Literatura
Cebulak S., Langier- Kuzniarowa A., 1997: Application of oxyreactive thermal analysis to the
examination of organic master associated with rocks. J. Therm. Anal. 50, 175–190.
Drenda J., Różański Z., Słota K., Wrona P., 2006: Likwidacja zapożarowania elementem rekultywacji
składowiska odpadów powęglowych w Siemianowicach Śląskich–Bańgowie, Zesz. Nauk. Polit.
Śl., Górnictwo z. 272, Gliwice, 31–39.
Gresza J., Morawski S. 1970: Zagospodarowanie nieużytków górnictwa węglowego. Liga Ochrony
Przyrody.
Hanak B., Porszke A. 2006: Kierunki przeobrażeń minerałów w starych zwałowiskach odpadów
powęglowych. Zesz. Nauk. Polit. Śl., Górnictwo z. 272, Gliwice, 51–60.
Nowak J. 2006: Zmienność składu mineralnego odpadów pod wpływem procesów zachodzących na
składowisku nr IV KWK Nowy Wirek. Pr. Nauk. Inst. Górn. Polit. Wr. 116, Seria: Konferencje
47, Wrocław.
Szafer M. 1999: Nowe metody prewencji pożarowej i rekultywacji technicznej zwałów odpadów
kopalnianych, Przegl. Górn. Nr 9 (745) T. 41 (LXXXI), 299–302.
Minerals of the exhalation zones on thermal active main waste dump
The paper presents thermal process taking place on the mine waste dump of the „Marcel” Mine,
thereupon are new minerals, for instance sulfur and ammonium chloride.