РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ВОДЫ В
ОСНОВНЫХ ЭТАПАХ ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ.
2.1. Термодинамический анализ углевмещающих пород и шахтных отвалов
Расчетные диаграммы термодинамики позволяют выделить парагенезисы минералов и
границы полей их устойчивости по вмещающим породам угледобычи, рассмотреть
фазовые соотношения в некоторых системах, определить положение линий
равновесия, а также рассмотреть условия минералообразования и закономерности
замещения одних ассоциаций минералов другими [74].
Термодинамические расчеты основных реакций, описывающих образование минеральных
парагенезисов аргиллизированных пород, содержатся в работах Р.К. Гаррелса, С.А.
Кашика, В.Д. Пампуры, И.П. Иванова. Следуя этим работам, установлены границы
полей устойчивости главнейших парагенезисов аргиллизированных пород и показано
влияние водородного показателя их растворов (рН), активностей калия и натрия.
Результаты расчета реакций для аргиллитов в стандартных условиях
анализировались в координатах (К+) – рН и (еСО2) – рН. На диаграммах нашли
отражение семь полей: анортита, калиевого полевого шпата, мусковита, каолинита
и трех последних минералов в ассоциации с кальцитом.
Исходная ассоциация, представленная анортитом, оказывается устойчивой при рН не
менее 11,0 и (К+) < 10-5,5, а (еСО2) < 10-3, т.е. в условиях, вряд ли
реализуемых в природной среде. По мере возрастания кислотности раствора и
концентрации в нем калия и углекислоты анортит замещается в растворимой
последовательности карбонатосодержащими или бескарбонатными ассоциациями
калиевых алюмосиликатов.
Одной из основных причин образования колонки аргиллизированных пород служит
изменение кислотности щелочного раствора. В частности, возрастание этого
параметра в интервале рН от 5,0 до 10,0 должно привести, в случае преобладающей
активности калия в растворе, к последовательному замещению каолинита
мусковитом, который, в свою очередь, сменяется калиевым полевым шпатом. Если
при этом характеризуется повышенной активностью и углекислота, то при прочих
равных условиях становится возможным формирование кальцит-каолинового,
кальцит-мусковитового и кальцит-калишпатового парагенезисов. При взаимодействии
анортита или других алюмосиликатных минералов и их сочетаний с гидротермальными
растворами неустойчивого натриевого или натриево-углекислого профиля, в
подобных условиях возможно образование соответствующего каолинита, а затем
альбита или этих минералов в ассоциации с кальцитом.
Следует отметить, что интервал большинства физико-химических параметров,
охваченный расчетными данными, значительно превосходит возможные условия
природного минералообразования. В частности, данные полученные при изучении
газово-жидких включений целого ряда минералов гидротермального генезиса, а
также результаты анализа вод различной степени минерализации и температуры
свидетельствуют о том, что рН раствора, соприкасающегося как с карбонатными,
так и с силикатными породами, обычно изменяется в пределах от 4 до 8 и только в
исключительных случаях достигает 9,5–10. Активность натрий- и калий-ионов в
природных средах обычно не превышает 10-2 – 10-1 г/л.
Алевриты и песчаники представлены на термодиаграммах четырьмя полями,
соответствующими калиевому полевому шпату, мусковиту, каолиниту и хлориту.
Расчеты свидетельствуют о том, что необходимым и главным условием образования
хлорита в стандартных условиях, следует считать довольно высокую щелочность
обусловивших образование его растворов, в то время как величины активностей
калий-магний-ионов не играют решающей роли.
Повышение кислотности раствора в системах с преобладанием активности калия
должно привести к замещению хлорита калишпатом, мусковитом или каолинитом. В
системах с преобладанием активностей натрия и аналогичной ситуации можно
ожидать реализации реакций замещения хлорита альбитом или каолинитом, которые
при достаточной активности углекислоты могут образоваться совместно с
карбонатами.
Оксиды, сульфиды и карбонаты железа широко распространены и составляют
определенную часть вмещающих пород.
Анализ диаграмм, приведенных в работе [86] показывает, что в стандартных и
относительно низкотемпературных условиях при принятых ограничениях устойчивы
все четыре минерала: гематит, магнетит, сидерит и пирит. Магнетит в
низкотемпературных условиях может существовать лишь в сильно восстановительных
средах с резко выраженной щелочной реакцией. Возрастание Еh при прочих
одинаковых условиях обусловливает замещение магнетита гематитом, а уменьшение
Еh приводит к развитию пирита или сидерита за счет магнетита. Повышение
температуры отрицательно сказывается на устойчивости сульфида и карбоната
железа, вместе с тем значительно расширяет поле устойчивости гематита и
особенно магнетита, образование которого при принятых ограничениях возможно в
более широком интервале значений рН.
В работе [8] приведены реакции, иллюстрирующие преобразование карбонатов железа
и магния под действием дождевых вод в окислы (гематит) и гидроокислы (гетит) с
изменением рН среды в кислую сторону, а также реакции разрушения пирита с
образованием карбонатов. При этом дождевые воды становятся кислыми.
Образование ассоциаций калиевый полевой шпат и карбонат становится возможным в
условиях, характеризующихся, с одной стороны, сравнительно высокой щелочностью,
а с другой – максимальными активностями в них калий-иона и углекислоты (рис.
2.1). Наиболее обширное поле, охватывающее соответственно максимальный диапазон
(еСО2), (К+) и рН, отмечается для ассоциаций калиевого полевого шпата и
кальцита, возник
- Київ+380960830922