zaproponuj artykuł

Instytucje i organizacje

Geoportale

 
ORSIP - Geoportal Województwa Śląskiego
ORSIP - Moduł Przyroda
BioGeo Silesia
 
Geoportal RDOŚ Katowice
geoportal.gov.pl

Biblioteki cyfrowe

 
Kolekcja "Natura" ŚBC
 

Infografiki

Infografika Kleszcze
Kleszcze

Budowa hałd

Ogólna charakterystyka zwałów skały karbońskiej

Powstawanie zwałów

Zwały górnicze wraz z odpadami innych gałęzi przemysłu, głównie hutnictwa metali i zakładów przetwórczych, tworzą nieużytki poprzemysłowe. Nieużytki, to grunty, które nie nadają się do produkcji leśnej lub rolnej z powodu niskiej wartości produkcyjnej lub złych warunków fizyko-chemicznych.

Przemysłem, który ma na Śląsku długą (kilkuwiekową tradycję) jest eksploatacja węgla kamiennego. Z działalnością tego przemysłu, wiąże się istnienie zwałów, powstałych z fragmentów skał wydobytych na powierzchnię wraz z węglem kamiennym. Zwały te nazywa się hałdami, zwałowiskami odpadów powęglowych, zwałami skały płonnej lub zwałami skał karbońskich.

Polska znajduje się w światowej czołówce krajów, które eksploatują największe ilości węgla kamiennego. Każdy kraj eksploatujący pokłady węgla produkuje rocznie znaczne ilości odpadów, których rodzaj i wymiary zależą od warunków geologicznych i sposobów wydobywania. Ilość wydobywanych wraz z węglem skał karbońskich jest różna. W Polsce według jednych źródeł są to 0,4 tony na tonę węgla, według innych źródeł, podobnie jak w Wielkiej Brytanii ilość wydobywanych skał karbońskich wynosi 0,6-0,7 ton na tonę wydobytego węgla. Interesującym jest, że we Francji wraz z jedną toną węgla wydobywano na powierzchnię ok. 2 tony skały odpadowej. Węgiel kamienny należy do najdłużej wydobywanych i najzasobniejszych nośników energii. Zasoby tej kopaliny wynoszą według jednych 500 miliardów Mg (ton), a pozyskiwanie jej (na obecnym poziomie) możliwe będzie przez około 200 lat. Według innych, ilość węgla jeszcze nie wydobytego wynosi 660 miliardów Mg (ton) (225 razy więcej niż roczne światowe wydobycie).

Część wydobytej skały karbońskiej zostaje przetworzona lub wtórnie wykorzystana. Aktualnie odpadowe skały karbońskie wykorzystywane są jako: (1) materiał budowlany (konstrukcyjny), np. w budownictwie hydrotechnicznym, komunikacyjnym, morskim, górnictwie; (2) materiał do rekonstrukcji i rekultywacji terenów zdegradowanych (wyrobisk, zapadlisk, zwałowisk odpadów komunalnych; (3) surowiec do produkcji materiałów budowlanych lub odzyskiwania minerałów. Mimo rosnącego wtórnego wykorzystania wydobytej na powierzchnię skały karbońskiej, większa jej część jest składowana na zwałowiskach.

W województwie śląskim powierzchnię zajętą przez zwały skał karbońskich szacuje się na 3,5 tys. ha. Masę skały karbońskiej zalegającej na składowiskach ocenia się na ok. 600 mln Mg (ton).

Lokalizacja i ukształtowanie zwałów

Skały karbońskie, wydobyte wraz z węglem kamiennym, były dawniej gromadzone w bezpośrednim sąsiedztwie kopalń, a nawet w centrach gęsto zaludnionych miast, czy osiedli. Były to najczęściej zwały nadpoziomowe, stożkowe o stromych zboczach. Od pewnego czasu unika się sypania zwałów nadpoziomowych, a odpady lokowane są na płaskich, podpoziomowych zwałowiskach, najczęściej też z dala od kopalń i centrów miast, wykorzystując na ten cel powierzchnie nieproduktywne, jak np. wyrobiska. Wiele zwałowisk zlokalizowanych jest jednak niemal pośrodku kompleksów leśnych, np. zwałowisko centralne „Smolnica”.

Kształt zwałów uwarunkowany jest często wielkością powierzchni przeznaczonej pod składowisko i zależy przede wszystkim od technologii zwałowania odpadów, a zwłaszcza od rodzaju stosowanego transportu. Ze względu na kształt zwały dzielimy na: nadpoziomowe (wypukłe) i podpoziomowe (płaskie, centralne, zniwelowane). Ponadto, zwały nadpoziomowe podzielić można na: stożkowe, kopulaste, grzbietowe. W praktyce istnieje jeszcze wiele form pośrednich.

Składowany materiał

Na zwałowiskach gromadzony jest materiał skalny (tzw. skała płonna lub kamień dołowy) wraz z niewielkimi ilościami węgla. Odpady zawierają śladowe ilości metali ciężkich (zawartość metali w odpadach jest 10-krotnie mniejsza, niż w odpadach komunalnych), toteż zagrożenie skażenia metalami ciężkimi jest znikome.

Zwałowany materiał skalny można podzielić na dwie grupy. Większość materiału to iłowce i mułowce, resztę stanowią łupki węglowe, piaskowce i żwirowce. Sporadycznie występują wapienie i zlepieńce.

Skały ilaste (iłowce i łupki ilaste), to skały o strukturze masywnej. Występują one często w bezpośrednim sąsiedztwie pokładów węgla oraz w samych pokładach jako wkładki i przewarstwienia. W składzie mineralnym iłowców przeważają minerały grupy kaolinitu i illitu, jak również warstw mieszanych illitowo-montmorillonitowych. Właśnie, te ostatnie warstwy są najbardziej pęczniejącymi z minerałów ilastych.

Skały ilaste w zależności od struktury minerałów ilastych (uporządkowanej lub nieuporządkowanej) charakteryzują się różnym stopniem rozmywalności i niewielką plastycznością. Iłowce zwięzłe nie wykazują plastyczności. Natomiast mułowce to skały o strukturze i teksturze masywnej, zbitej, sporadycznie uwarstwionej. Ich skład mineralny jest zbliżony do drobnoziarnistych piaskowców o spoiwie ilastym.

Mułowce o spoiwie węglanowym zawierają pewną ilość dolomitu. Nie są rozmywalne w wodzie i charakteryzują się znaczną wytrzymałością mechaniczną. Łupki węglanowe reprezentują grupę skał węglanowych. Są zbudowane z naprzemianlegle spoczywających na sobie warstewek węgla i skały płonnej, głównie iłowców. Przy zawartości substancji węglowej większej niż 30% są palne. Piaskowce to skały okruchowe. Najczęściej spotykane są piaskowce kwarcowe i arkozowe (różnią się one zawartością skaleni). Piaskowce serii karbońskiej na ogół charakteryzują się dużą wytrzymałością mechaniczną.

Właściwości fizyczne, chemiczne, a także rozwój procesów erozyjnych zwałów determinowany jest głównie przez iłowce i mułowce. To one podlegają najszybszym i najsilniejszym zmianom. Na zwałach świeżo usypanych i nieprzepalonych, przeważa tzw. szkielet kamienny. Już w trakcie usypywania materiału skalnego na zwałach dochodzi do częściowej segregacji: materiał grubszy stacza się w dół zwałów, w wyniku, czego w dolnych partiach występują duże przestrzenie wypełnione powietrzem, natomiast w górnych partiach zwału dominuje materiał drobnoziarnisty. Ponadto, skład granulometryczny zwałów zmienia się wraz z wiekiem. Na zwałach świeżo usypanych przeważa szkielet kamienisty, a w starszych rośnie ilość części ziemistych.

Aktywność termiczna

Do podstawowych zagrożeń, związanych z składowaniem skał karbońskich zaliczyć należy pożary endo- i egzogeniczne. Pożary endogeniczne powstają w wyniku procesów samoczynnych, drugie natomiast w wyniku ingerencji zewnętrznej (np. rozpalanie ognisk).

Aktywność endotermiczna może być powodowana przez kilka czynników; należą do nich m.in.: właściwości gromadzonego materiału (materiał może zawierać pewną ilość węgla i pirytów), duża porowatość, która ułatwia przewietrzanie i dostęp tlenu, a także techniczna budowa zwałowiska (szczególnie narażone są tu zwały nadpoziomowe).

Ze względu na czynność termiczną zwałowiska dzieli się na:

  • termicznie aktywne (palące się),
  • termicznie nieaktywne, ale z możliwością zapalenia,
  • termicznie nieaktywne, albo już przepalone, albo bez możliwości zapalenia.

W sprzyjających warunkach działalność termiczna nasila się, przeradzając się w otwarty ogień. Najczęściej do samozapłonów dochodzi w zwałach nadpoziomowych, najrzadziej w zwałach płaskich.

Następstwem działania wysokiej temperatury jest częściowe lub nawet całkowite zniszczenie materii organicznej i szaty roślinnej występującej na powierzchni zwału, przeobrażenie minerałów, zmiana odczynu, a także zwiększenie porowatości gromadzonego materiału. Skutkiem aktywności termicznej zwałów jest również zanik cząstek mających zdolność do pęcznienia, w wyniku czego, zmieniają się warunki wodne na zwale.

Przyczyną pożarów bywa również fakt, że iłowce nie są całkowicie rozlasowane, umożliwiają wówczas dostęp powietrza do głębi zwału, co stwarza ryzyko podziemnych ognisk pożarowych. Nawet po odcięciu dopływu tlenu do istniejących ognisk może nastąpić zmiana dróg dostępu powietrza do wnętrza zwału i powstanie nowych miejsc samozapłonu. W przypadku palenia się hałdy uwalniają się do atmosfery gazy pożarowe, które mogą stanowić (lokalnie) zagrożenie.

Istotną cechą zwałów jest to, że materiał na powierzchni nagrzewa się znacznie pod wpływem promieniowania słonecznego, w wyniku czego na powierzchni panują wysokie temperatury. Bardzo wysokie temperatury rzędu 50-55oC na powierzchni wierzchowiny zwałów były odnotowywane wielokrotnie. Szybkie nagrzewanie się materiału skalnego na powierzchni zwału związane jest z wysoką wartością współczynnika przewodzenia ciepła tych skał.

Warunki wodne

Warunki wodne na hałdach najczęściej są niekorzystne dla rozwoju roślinności. Rośliny mogą korzystać z wody opadowej, ale ze względu na porowatość materiału, woda ta szybko przenika w głębsze warstwy zwału, przez co wierzchnie partie szybko przesychają. Najgorsze warunki wodne panują na wierzchowinie oraz na południowych stokach, na skutek działania wiatru oraz działania promieni słonecznych.

Warunki wodne są korzystniejsze na zwałach przepalonych i na tych, na których zwietrzelina powstała jako wynik wietrzenia fizycznego. Podłoże posiada wtedy większą kapilarność, dzięki czemu wierzchnie partie gruntu są zasilane w wodę. Ze względu na całkowity brak wody gruntowej, roślinność korzysta z wody opadowej w postaci kapilarnej. Na zwałach nieprzepalonych, zwłaszcza świeżo usypanych, większa jest porowatość niekapilarna powodując, że woda opadowa w znacznej części przesiąka w głąb bądź spływa po zboczach. W wyniku tego górne warstwy szybko przesychają.

Korzystniejsze warunki panują na zwałowiskach z wewnętrzną czynnością termiczną, co spowodowane jest dwukierunkowym ruchem wody. Woda opadowa przenika ruchem grawitacyjnym do wewnętrznych warstw, silnie nagrzewanych. Pod wpływem wysokiej temperatury tworzy się para, przedostając się ku górze zwału. Ochładzająca się para ulega skraplaniu, nawilgacając kolejne warstwy.

Tak więc, specyficzną cechą materiału zwałów skały karbońskiej jest tendencja do szybkiego przesuszania się powierzchniowej ich warstwy. Ponadto, dochodzi również do zaskorupiania silnie zwietrzałych partii na skutek uwalniania się dużych ilości sodu.

Skład chemiczny

Ze składu mineralnego skał występujących na zwałach wynika ich skład chemiczny. Zwały skał karbońskich odznaczają się bardzo wysoką zawartością soli rozpuszczalnych w wodzie. Jeśli składowane są one w stanie niezagęszczonym, infiltrująca je woda opadowa może powodować rozpuszczenie soli mineralnych, w tym również chlorków, a wynikłe stąd zasolenie (niejednokrotnie wyższe niż zasolenie wody morskiej), może poważnie wpłynąć na czystość wód powierzchniowych i podziemnych.

Największe zasolenie występuje na świeżo usypanych zwałach, a także na tych zwałach, które znajdują się pod wpływem wewnętrznej czynności termicznej. Poza tym, młode zwały cechują się znaczną zmiennością rozmieszczenia soli. Podczas, gdy w układzie poziomym zasolenie szybko ulega wyrównaniu, wskutek działania procesów wietrzenia i ługowania, w układzie pionowym długo utrzymują się różnice stężeń soli.

Inaczej wygląda sytuacja na zwałach aktywnych termicznie. Większe stężenie soli występuje tam w warstwie przypowierzchniowej. Dzieje się tak, dlatego, że wydobywająca się z głębi para wodna, zawierająca związki mineralne, ulega w wierzchnich warstwach skropleniu. Wynikiem tego jest osadzanie się kryształków soli na powierzchni, często w postaci „wykwitów”.

Obok chlorków, bardzo często występującymi na zwałach solami są siarczany. Siarczany występują głównie w iłowcach, łupkach ilastych, mułowcach i w marglach w postaci soli wapnia, magnezu lub sodu. Jednak bez wątpienia główną postacią, w jakiej siarka może występować w skałach wydobywanych wraz z węglem jest piryt.

Odczyn

Świeży materiał skalny gromadzony na zwałach jest zazwyczaj chemicznie obojętny lub lekko zasadowy. W miarę wietrzenia kwasowość może wzrastać. Spowodowane jest to faktem, że piryt jak i skały zawierające piryt (głównie iłowce i łupki węglanowe, w których piryt występuje najczęściej w postaci nalotów) utleniają się nieprzerwanie na powierzchni zwałów. Utlenianie pirytów wewnątrz zwałowisk zależy od penetracji powietrza w głąb zwału, a to związane jest ze składem granulometrycznym materiału, ze stopniem jego zagęszczenia i wilgotnością. Produkty utleniania pirytów rozpuszczone w wodzie są silnie kwaśne, są one jednak neutralizowane w wyniku reakcji z innymi zasadowymi minerałami.

Wraz z postępującym procesem wietrzenia skał obserwowana była zmiana układu kationów. Miejsce wapnia zajmuje magnez lub sód. Obniżanie się odczynu na zwałowiskach wiąże się z wyczerpywaniem się jonów wapnia.

Jedną z typowych właściwości zwałowisk skał karbońskich jest duża zmienność pH w układzie poziomym i pionowym. Największe różnice w odczynie obserwuje się na młodych zwałach. Należy także dodać, iż wartość pH kształtuje się inaczej na zwałach przepalonych niż na nieprzepalonych.

Na zwałowiskach czynnych termicznie odczyn się szybko zmienia. Wysoka temperatura powoduje zakwaszenie podłoża, podobnie jak wietrzenie chemiczne. Ponadto, zwałowiska zawierają nieznaczne ilości CaO, niewystarczające do zobojętniania kwaśnego odczynu. Odczyn bardzo silnie kwaśny (pH<3,0) lub silnie alkaliczny (pH>8,5) wpływa toksycznie na większość roślin i najczęściej uniemożliwia wprowadzenie ich na zwały.

Kwaśny odczyn gleby sprzyja wymywaniu z niej składników mineralnych. Znajduje to odzwierciedlenie w niskich wartościach przewodnictwa elektrolitycznego.

Wietrzenie i erozja

Przebieg wietrzenia jest ściśle uzależniony od składu petrograficznego i mineralogicznego składowanego materiału. I tak skały ilaste wietrzejąc, tworzą płytki i cienkie blaszki. Wietrzejące mułowce tworzą ostrokrawędziaste bryłki i haczykowate płytki. Łupki węglanowe podczas wietrzenia tworzą cienkie pytki wzdłuż przewarstwień.

Świeżo usypywany materiał na zwałach to w głównej części drobna skała płonna, bez warstwy próchnicznej i materii organicznej. Są to pierwsze stadia rozwoju gleby. Szybkość rozkładu skał składowanych na zwałach zależy od intensywności procesu wietrzenia. Wskutek wietrzenia fizycznego następuje głównie rozkład łupków, zwietrzelina zaś ulega wypłukaniu w głąb lub przemieszcza się w dół zwału. Intensywny proces wietrzenia fizycznego okruchów skalnych zwiększa ich powierzchnię kontaktu z wodą, co powoduje nasilanie się procesu uwalniania łatwo rozpuszczalnych soli chlorkowych i siarczanowych oraz wzmaga ich migrację.

Wietrzenie chemiczne ma istotny wpływ na właściwości materiału zwałowanego. Podczas wietrzenia chemicznego na zwałowiskach przebiegają takie procesy, jak: reakcje utleniania i redukcji, hydratacja, hydroliza, karbonatyzacja.

Procesy wietrzenia zachodzą szybciej na zwałach nieprzepalonych, niż na przepalonych. Po przepaleniu, materiał staje się bardziej odporny, zwłaszcza na wietrzenie fizyczne.

Wskaźnikiem intensywności wietrzenia jest obecność pirytów, które mogą pozostawać chemicznie aktywne. Czynniki takie, jak: wytrzymałość poszczególnych okruchów skalnych, warunki klimatyczne, wiek zwałowisk itp., będą miały znaczny wpływ na stopień wietrzenia chemicznego odpadów, czyli zaawansowania rozkładu (dekompozycji) minerałów, których przeobrażenia w ostatecznej formie mogą doprowadzić do powstania gruntów ilastych.

W procesie wietrzenia chemicznego, wiązane w strukturach warstwowych illitu jony potasu, oraz wiązane w strukturach montmorillonitu jony magnezu, mogą być wymywane. Wymywanie obu wymienionych składników ułatwia tworzenie się struktur typu kaolinitu, mniej korzystnych ze względu na proces formowania się gleby na odpadowych skałach karbońskich. Przemiany chemiczne przebiegają w odmienny sposób zależnie od tego, czy materiał skalny zwałów jest obojętny, zasadowy, czy kwaśny. Przebieg procesów chemicznych zależy także od koncentracji poszczególnych kationów w wodzie.

Aktywność mikrobiologiczna

Powszechny jest pogląd o niskiej aktywności biologicznej podłoża zwałów poprzemysłowych. W badaniach nad aktywnością biologiczną gruntów, stwierdzono obecność bakterii Azotobacter w gruntach zwałowisk surowych, jak i rolniczo rekultywowanych. Liczebność tej bakterii jest zróżnicowana. Bakteria ta była najliczniejsza w próbach o pH zbliżonym do obojętnego, natomiast w próbach o kwaśnym odczynie (pH około 3), nie stwierdzono jej obecności.

Niska koncentracja soli amonowych w badanych gruntach zwałowisk, może być stymulatorem aktywności tej bakterii. Bowiem w obecności wysokiej koncentracji tych soli w podłożu glebowym Azotobacter traci zdolność wiązania wolnego azotu i korzysta z azotu glebowego. Występowanie asymilatorów azotu ma ogromne znaczenie dla inicjalnego stadium procesu glebotwórczego. Niektórzy autorzy uważają, że ilość związanego z atmosfery azotu na drodze biologicznej, wynosi dla surowego materiału zwałowisk około 0,14 mgN/100g gruntu/rok. Dodać należy jeszcze, że pewna ilość azotu dostaje się na zwałowisko wraz z opadami atmosferycznymi.

Pojawienie się materii organicznej z obumarłych części pierwszych roślin i obecność bakterii oznaczają, że może dochodzić do nagromadzenia się i transformacji substancji organicznej, a to zjawisko jest stymulatorem wszystkich procesów biologicznych, w tym również glebotwórczych.

O stronie

Serwis o przyrodzie województwa śląskiego opracowywany jest przez Centrum Dziedzictwa Przyrody Górnego Śląska we współpracy ze specjalistami z różnych dziedzin przyrodoznawstwa. Wszystkich zainteresowanych, zarówno amatorów, jak i profesjonalistów, zapraszamy do współredagowania oraz wzbogacania jego zawartości.

dr Jerzy B. Parusel

Centrum Dziedzictwa Przyrody Górnego Śląska jest jednostką organizacyjną Samorządu Województwa Śląskiego.

      logo CDPGS small logo slaskie kolorowe rgb

Newsletter

Informacje o bieżących wydarzeniach.

Zapisując się do newslettera zgadzasz się na postanowienia zawarte w naszej Polityce prywatności. Po zapisaniu prześlemy e-mail potwierdzający dopisanie do newslettera. Prosimy o potwierdzenie subskrypcji.

Zbiorcze RSS | Kalendarz RSS

© 2020 Centrum Dziedzictwa Przyrody Górnego Śląska |
Design by PF / FreshSeo
sponsorzy


Na naszej stronie internetowej używamy plików cookie. Niektóre z nich są niezbędne dla funkcjonowania strony, inne pomagają nam w ulepszaniu tej strony i doświadczeń użytkownika (Tracking Cookies). Możesz sam zdecydować, czy chcesz zezwolić na pliki cookie. Należy pamiętać, że w przypadku odrzucenia, nie wszystkie funkcje strony mogą być dostępne.