Petrological study of self-heated coal wastes from the Bytom dump, Upper Silesia, Poland

Coal waste dumps are prone to self-heating due to weathering and oxidation of the organic matter. External and internal factors such as the coal rank and moisture, dump shape and size, the contained minerals, etc., influence self-heating and self-ignition processes. The current study aims to charact...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Γεωργία, Πετράτου
Άλλοι συγγραφείς: Georgia, Petratou
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/15448
id nemertes-10889-15448
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Coal waste
Bytom dump
Self-heating
Απορρίμματα γαιάνθρακα
Εξωτερικές αποθέσεις
Αυτοθέρμανση
spellingShingle Coal waste
Bytom dump
Self-heating
Απορρίμματα γαιάνθρακα
Εξωτερικές αποθέσεις
Αυτοθέρμανση
Γεωργία, Πετράτου
Petrological study of self-heated coal wastes from the Bytom dump, Upper Silesia, Poland
description Coal waste dumps are prone to self-heating due to weathering and oxidation of the organic matter. External and internal factors such as the coal rank and moisture, dump shape and size, the contained minerals, etc., influence self-heating and self-ignition processes. The current study aims to characterize the petrographic and geochemical alterations in coal wastes underwent self-heating in the Bytom dump, Upper Silesia. Coal wastes derived from the pre-mining and mining activities at the Radzionków Mine, had been dumped there from 1980 till 1995. About 18 coal waste samples obtained at a depth of 0.3 m from the surface of the Bytom dump were macroscopically described, whereas the temperature at several locations on the surface and beneath the surface of the dump was measured. Proximate and ultimate analyses were conducted to determine moisture, ash yield, loss on ignition (LOI), and inorganic/organic carbon contents. Furthermore, petrographic, X-ray diffraction and fluorescence (XRD, XRF), and Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) analyses were conducted to determine alterations in the organic and inorganic matter. Temperatures beneath the dump surface range from 30-922oC. The self-heated coal samples are solid, hard and have a dark brown-grey colour, while the inherent moisture is 1-2 wt.%, and the ash yield 65.9-87.8 wt.%. The petrographic analysis under the microscope proves that mineral matter dominates most of the samples (50.0-86.8 vol.%), while the organic matter, particularly vitrinite, reveals signs of alteration such as irregular cracks, devolatilisation pores, oxidation rims, etc. The most common mineral phases contained in the samples are quartz, dolomite, kaolinite, and illite. Additionally, the contents of 10 major and minor elements (Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe), and 20 trace elements (S, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ba, Hf, W, Pb, La, Ce, Th) are determined. The vitrinite reflectance values (Rr) range from 0.57-2.12%. Extract yield in the coal waste samples varies from 0.010-10.113 wt.% depending on the thermal influence. The main groups of chemical compounds are n-alkanes, hopanes, and light aromatic hydrocarbons. iv The results prove that self-heating is the dominating process altering the coal wastes in the Bytom dump. Alterations of the organic matter are visible in both the petrographic and the geochemical properties of the samples. The samples experienced a high heating rate up to temperatures >500oC. Lastly, based on the aromatic hydrocarbon indexes the samples are distinguished into two groups, those with Rr<1.1% not showing any correlation between biomarker indexes and the vitrinite reflectance, and those with Rr>1.1% correlating to each other. Specifically, DNR, TNR-1, TNR-2 show a decrease with increasing reflectance >1.1%. The remaining indexes show low concentration of compounds, mainly due to the leaching of the coal wastes, thus, these indexes are less reliable to make any conclusion.
author2 Georgia, Petratou
author_facet Georgia, Petratou
Γεωργία, Πετράτου
author Γεωργία, Πετράτου
author_sort Γεωργία, Πετράτου
title Petrological study of self-heated coal wastes from the Bytom dump, Upper Silesia, Poland
title_short Petrological study of self-heated coal wastes from the Bytom dump, Upper Silesia, Poland
title_full Petrological study of self-heated coal wastes from the Bytom dump, Upper Silesia, Poland
title_fullStr Petrological study of self-heated coal wastes from the Bytom dump, Upper Silesia, Poland
title_full_unstemmed Petrological study of self-heated coal wastes from the Bytom dump, Upper Silesia, Poland
title_sort petrological study of self-heated coal wastes from the bytom dump, upper silesia, poland
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/15448
work_keys_str_mv AT geōrgiapetratou petrologicalstudyofselfheatedcoalwastesfromthebytomdumpuppersilesiapoland
AT geōrgiapetratou petrologikēmeletētōnautothermainomenōnaporrimmatōngaianthrakaapotēnapothesētoubytomanōsilesia
_version_ 1771297218185134080
spelling nemertes-10889-154482022-09-05T14:02:13Z Petrological study of self-heated coal wastes from the Bytom dump, Upper Silesia, Poland Πετρολογική μελέτη των αυτοθερμαινόμενων απορριμμάτων γαιάνθρακα από την απόθεση του Bytom, Άνω Σιλεσία Γεωργία, Πετράτου Georgia, Petratou Coal waste Bytom dump Self-heating Απορρίμματα γαιάνθρακα Εξωτερικές αποθέσεις Αυτοθέρμανση Coal waste dumps are prone to self-heating due to weathering and oxidation of the organic matter. External and internal factors such as the coal rank and moisture, dump shape and size, the contained minerals, etc., influence self-heating and self-ignition processes. The current study aims to characterize the petrographic and geochemical alterations in coal wastes underwent self-heating in the Bytom dump, Upper Silesia. Coal wastes derived from the pre-mining and mining activities at the Radzionków Mine, had been dumped there from 1980 till 1995. About 18 coal waste samples obtained at a depth of 0.3 m from the surface of the Bytom dump were macroscopically described, whereas the temperature at several locations on the surface and beneath the surface of the dump was measured. Proximate and ultimate analyses were conducted to determine moisture, ash yield, loss on ignition (LOI), and inorganic/organic carbon contents. Furthermore, petrographic, X-ray diffraction and fluorescence (XRD, XRF), and Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) analyses were conducted to determine alterations in the organic and inorganic matter. Temperatures beneath the dump surface range from 30-922oC. The self-heated coal samples are solid, hard and have a dark brown-grey colour, while the inherent moisture is 1-2 wt.%, and the ash yield 65.9-87.8 wt.%. The petrographic analysis under the microscope proves that mineral matter dominates most of the samples (50.0-86.8 vol.%), while the organic matter, particularly vitrinite, reveals signs of alteration such as irregular cracks, devolatilisation pores, oxidation rims, etc. The most common mineral phases contained in the samples are quartz, dolomite, kaolinite, and illite. Additionally, the contents of 10 major and minor elements (Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe), and 20 trace elements (S, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ba, Hf, W, Pb, La, Ce, Th) are determined. The vitrinite reflectance values (Rr) range from 0.57-2.12%. Extract yield in the coal waste samples varies from 0.010-10.113 wt.% depending on the thermal influence. The main groups of chemical compounds are n-alkanes, hopanes, and light aromatic hydrocarbons. iv The results prove that self-heating is the dominating process altering the coal wastes in the Bytom dump. Alterations of the organic matter are visible in both the petrographic and the geochemical properties of the samples. The samples experienced a high heating rate up to temperatures >500oC. Lastly, based on the aromatic hydrocarbon indexes the samples are distinguished into two groups, those with Rr<1.1% not showing any correlation between biomarker indexes and the vitrinite reflectance, and those with Rr>1.1% correlating to each other. Specifically, DNR, TNR-1, TNR-2 show a decrease with increasing reflectance >1.1%. The remaining indexes show low concentration of compounds, mainly due to the leaching of the coal wastes, thus, these indexes are less reliable to make any conclusion. Οι εξωτερικές αποθέσεις απορριμμάτων από την εκμετάλλευση γαιανθράκων είναι επιρρεπείς σε αυτοθέρμανση λόγω της αλλοίωσης και της οξείδωσης του οργανικού υλικού. Εξωγενείς και ενδογενείς παράγοντες, όπως ο βαθμός ενανθράκωσης, η υγρασία, το σχήμα και το μέγεθος του σωρού, τα περιεχόμενα ορυκτά κ.ά., επηρεάζουν τις διαδικασίες αυτοθέρμανσης και αυτανάφλεξης. Η τρέχουσα μελέτη στοχεύει στον χαρακτηρισμό των πετρογραφικών και γεωχημικών μεταβολών των απορριμμάτων της εκμετάλλευσης γαιανθράκων που υποβλήθηκαν σε αυτοθέρμανση στην εξωτερική απόθεση του Bytom, Άνω Σιλεσία. Τα απορρίμματα εκμετάλλευσης γαιανθράκων προήλθαν από προ-εξορυκτικές και εξορυκτικές δραστηριότητες στο ορυχείο Radzionków και αποτίθονταν εκεί από το 1980 μέχρι το 1995. Περίπου 18 δείγματα απορριμμάτων από την εκμετάλλευση γαιανθράκων συλλέχθηκαν σε βάθος 0,3 m από την επιφάνεια της απόθεσης Bytom περιγράφηκαν μακροσκοπικά, ενώ μετρήθηκε η θερμοκρασία σε διαφόρες θέσεις στην επιφάνεια και κάτω από την επιφάνεια της εξωτερικής απόθεσης. Διεξήχθησαν προσεγγιστικές και άμεσες αναλύσεις για τον προσδιορισμό της υγρασίας, της τέφρας, της απώλειας πύρωσης και της περιεκτικότητας σε ανόργανο/οργανικό άνθρακα. Επιπλέον πραγματοποιήθηκαν πετρογραφικές εξετάσεις, αναλύσεις με περιθλασιμετρία και φθορισιμετρία ακτίνων Χ (XRD, XRF) και Αεριοχρωματογραφία – Φασματοσκοπία Μάζας (GC-MS) για τον προσδιορισμό των μεταβολών στο οργανικό και το ανόργανο υλικό. Οι θερμοκρασίες κάτω από την επιφάνεια της εξωτερικής απόθεσης κυμαίνονται από 30-922oC. Τα αυτοθερμαινόμενα δείγματα είναι συμπαγή, σκληρά και έχουν ένα σκούρο καστανό-γκρίζο χρώμα, ενώ η περιεχόμενη υγρασία κυμαίνεται από 1-2% κ.β., η τέφρα σε 20-35% κ.β. με παρόμοια ποσοστά απώλειας πύρωσης. Η πετρογραφική ανάλυση με τη βοήθεια του ανθρακοπετρογραφικού μικροσκοπίου έδειξε ότι η ανόργανη ύλη είναι αυτή που επικρατεί στα περισσότερα δείγματα (50,0-86,8% κ.ό.), ενώ η οργανική ύλη αποκαλύπτει σημάδια αλλοίωσης όπως ακανόνιστες ρωγμές, πόρους διαφυγής αερίων, στεφάνια οξείδωσης κ.ά. Οι πιο κοινές ορυκτές φάσεις στα δείγματα είναι ο χαλαζίας, ο δολομίτης, ο καολινίτης και ο ιλλίτης. Επιπροσθέτως προσδιορίστηκε το ποσοστό 10 κύριων και δευτερευόντων στοιχείων (Na, Mg, vi Al, Si, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe), και 20 ιχνοστοιχείων (S, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ba, Hf, W, Pb, La, Ce, Th). Η ανακλαστικότητα του βιτρινίτη κυμαίνεται από 0.57-2.12%. Η απόδοση εκχύλισης στα δείγματα ποικίλλει ανάλογα με την επίδραση της θερμότητας από 0,010-10,113% κ.β. Οι κύριες ομάδες χημικών ενώσεων που διαπιστώθηκαν, είναι τα n-αλκάνια, τα χοπάνια, ελαφρείς αρωματικοί υδρογονάνθρακες. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι η αυτοθέρμανση είναι η επικρατέστερη διαδικασία που αλλοιώνει τα απορρίμματα εκμετάλλευσης γαιανθράκων στην εξωτερική απόθεση του Bytom. Οι μεταβολές της οργανικής ύλης είναι ορατές τόσο στις πετρογραφικές, όσο και στις γεωχημικές ιδιότητες των δειγμάτων. Τα δείγματα υποβλήθηκαν σε υψηλό ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας μέχρι και σε θερμοκρασίες >500oC. Τέλος, με βάση τους δείκτες αρωματικών υδρογονανθράκων, τα δείγματα διακρίνονται σε δυο ομάδες, σε αυτά με Rr<1,1% που δεν δείχνουν κάποια συσχέτιση μεταξύ των δεικτών βιοδεικτών και της ανακλαστικότητας του βιτρινίτη, και σε αυτά με Rr>1,1% που φαίνεται να συσχετίζονται μεταξύ τους. Συγκεκριμένα οι δείκτες DNR, TNR-1, TNR-2 παρουσιάζουν μείωση με την αύξηση της ανακλαστικότητας για τιμές >1,1%.Οι άλλοι δείκτες δείχνουν χαμηλή συγκέντρωση των ενώσεων, κυρίως λόγω της έκπλυσης των απορριμμάτων της εκμετάλλευσης, επομένως καθίστανται λιγότερο αξιόπιστα για την εξαγωγή οποιουδήποτε συμπεράσματος. 2021-10-26T06:48:24Z 2021-10-26T06:48:24Z 2021-09-17 http://hdl.handle.net/10889/15448 en application/pdf