Мел относится к жестким палускальным породам. Его прочность во многом зависит от влажности. Временное сопротивление сжатию в воздушно-сухом состоянии изменяется от 1000 до 4500.

Сухой мел имеет модуль упругости от 3000 МПа (для рыхлого мела) до 10000 МПа (для плотного) и ведет себя как упругое тело. Угол внутреннего трения мела равен, сцепление в условиях  всестороннего сжатия достигает 700-800.

При увлажнении прочность мела начинает снижаться уже при влажности 1-2%, а при влажности 20-30% прочность на сжатие увеличивается в 2-3 раза, при этом появляются пластические свойства. Проявление вязко-пластических свойств природного мела с увеличением его влажности приводит к серьезным осложнениям в технологии при его переработке. От этого происходит налипание мела на элементы транспортных средств (ковш экскаватора, кузов самосвала, питатель, ленточный конвейер). Наблюдается залипание валковых зубчатых дробилок. Это приводит в некоторых случаях к отказу добычи мела с нижних обводненных горизонтов, хотя по качеству мел нижних горизонта относится к качественному мелу.

Природный мел практически не обладает морозостойкостью, после нескольких циклов замораживания и размораживания он распадается на отдельные кусочки размером 1-3 мм. Это явление в некоторых случаях является положительным фактором. Так, например, при использовании мела в качестве мелиоранта для раскисления почвы не обязательно его измельчать до крупности – 0,25 мм (известняковая мука), а можно вносить в почву дробленый мел до – 10 мм. При замораживании и размораживании с ежегодным перепахиванием почвы кусочки мела разрушаются и его действия по нейтрализации почвы сохраняются длительное время.

Как уже отмечалось, мел состоит  в основном из двух основных частей – карбонатная часть, растворимая в соляной и уксусной кислотах (карбонаты кальция, магния) и некарбонатная часть (глины, мергели, кварцевый песок, окислы металлов и др.) которые не растворяются в указанных кислотах. Карбонатная часть мела на 98-99% состоим из карбоната кальция. В небольшом количестве присутствуют карбонаты магния , которые образуют рассеянные в основной массе мела кристаллы магнезиального кальцита, доломита и сидерита.

Наиболее приемлемой является классификация  по содержанию карбонатов и маркам продуктов из мела.
 
 Классификация мела по содержанию карбонатов и маркам продуктов из него

Химическая характеристика мела некоторых месторождений России приведена в табл.4. Первоначально считалось, что мел это горная масса , которая по химическому составу и физическим свойствам одинакова по всему месторождению. Однако при длительной эксплуатации месторождения и особенно при переходе мелового предприятия на выпуск более качественной меловой продукции было установлено, что на различных участках (горизонтах)  мел отличается как по химическому составу, так и по физико-механическим свойствам. В этой связи на некоторых месторождениях  мела проводится геолого-технологическое картирование, при котором обозначаются участки качественного мела.

Месторождения мела Белгородской области отличаются низким содержанием нерастворимого остатка и высоким содержанием карбонатов. В таблице 1.5 приведены запасы и химический состав наиболее крупных месторождений Белгородской области.

Карбонат кальция (мел) в современной мировой индустрии является широко используемым материалом. Развитие отраслей резинотехнической и электротехнической, полимерной, лакокрасочной и др. промышленностей требует увеличения выпуска качественных наполнителей, к которым в первую очередь относится мел. Ежегодное потребление природного мела в кусковом, дробленом и измельченном виде в развитых странах превышает 150 млн.т. В США и Канаде ежегодно производится  свыше 7,5 млн. т. молотого мела и более 15 млн. т. в Европе.

Мел как широко доступный наполнитель приобретает исключительно важное значение для многих производств. Отличительная особенность этого природного материала связана с тем, что он легко добывается и перерабатывается при относительно небольших затратах. Добыча и переработка мела не вызывает серьезных экологических нарушений. Запасы мела практически неограниченны во многих Европейских странах, странах бывшего СНГ и в России.

Мощный меловой пояс простирается через весь Европейский континент, включая север Франции, южную часть Англии, Польшу, проходит через Украину, Россию и смещается в Азию – Сирию и Ливийскую пустыню.

Запасы мела распределены по территориям неравномерно: около 48 – 50 % запасов качественного мела  с высоким содержанием карбоната кальция и магния, минимальным содержанием вредных примесей сосредоточены в России; около 32 – 33 % на Украине и немногим более 12 % в Белоруссии. Имеются небольшие по запасам месторождения в Казахстане, в Литве и Грузии. Общие балансовые запасы мела в России оцениваются в 3300 млн. т. при неограниченных прогнозных запасах.

Белгородская область имеет практически  неограниченные  прогнозные ресурсы мела. Всего в области разведано 29 месторождений мела с суммарными запасами 1000 млн. т. Наиболее крупными месторождениями мела являются Лебединское, Стойленское и Логовское. При этом на Лебединское и Стойленское месторождения приходится 75 % разведанных запасов мела Белгородской области. Эти два месторождения эксплуатируются по добыче железных руд, где мел является вскрышной породой.

Ежегодно на  перечисленных месторождениях добывается и вывозится в отвалы свыше 15 млн. т. мела, где он безвозвратно теряется. Только незначительная его часть (около 5,0 млн. т.) используется для производства цемента и получения молотого мела. Помимо традиционных потребителей мела за последние годы появились новые потребители, такие как целлюлозно-бумажная промышленность, где вместо каолина начали применять высокодисперсный мел. Также мел начали применять для раскисления кислых почв, было доказано, что его активность на 30 % выше, чем у известковой муки.

Мел карбонатная порода (разновидность известняка) почти полностью сложенная кальцитом (91-98,5%). Внешне это белая слабо цементированная, тонкозернистая, пачкающаяся порода, именуемая «белый писчий мел». В составе мела различают три основных форменных элемента кальцитового состава как биогенного, так и аутогенного происхождения. Органические остатки слагают обычно большую часть породы (до 75 %). В главной массе они представлены скелетными оболочками планктонных водорослей-кокколитофоридов, а также фораминифер (иногда до 40 %). Размер скелетных остатков составляет 5-10 мкм. Переменное, но иногда существенное значение (10-90%) имеет порошкообразный кальцит с частицами размером 0,5-2 мкм. Меньшее развитие принадлежит более крупным (5-10 % мкм.) хорошо Нограниченным кристаллам кальцита. Встречаются раковины иноцерамов (местами до 13 –20 %), остатки криноидей, морских ежей, кораллов. В незначительном количестве, обычно до 5, реже до 10-12 % присутствуют пелитоморфные некарбонатные примеси, в основном терригенного, реже аутогенного происхождения: кварц, полевые шпаты, глинистые минералы (глауконит, каолинит, гидрослюда, монтмориллонит), опал, халцедон, пирит и др. Местами встречаются конкрекции кремня.

В меловых толщах наблюдается развитие крупных выдержанных трещин – пластовых и вертикальных, заполненных меловой мукой. На поверхностных выходах сеть трещин сильно сгущается. При пропитке образцов мела маслом в них проявляются скрытые жильчатые структуры в виде переплетающихся мельчайших трещин, а также следы многочисленных ходов червей – илоедов.

Накопления белого писчего мела являются специфической особенностью позднемеловой эпохи и встречаются почти во всех ярусах верхнего мела, начиная от сеномана и до масстрахта включительно. Мелоподобные известняки распространены в третичных отложениях, в палеозое меловые накопления не сохраняются, преобразуясь в различные известняки. Возможности промышленного использования мела определяются как составом слагающих его компонентов, так и их структурными особенностями, от которых в основном зависят физико-механические свойства породы. Мел в своей основе – мономинеральная порода биохимогенного происхождения, сложенная кальцитом – CaCO3.

В составе этого минерала теоретически содержатся 56,03 % CaO и 43,97 % СО2. Кальцит кристаллизуется в тригональной сингонии. Спайность совершенная по ромбоэдру. Твердость по шкале Мооса 3, плотность 2,72 г/ м3. Основной диагностический признак- «вскипание» от капли соляной кислоты (5-10 %), тем более бурная, чем меньше зерна кальцита. Цвет кристаллов бесцветный, белый. При нагревании на воздухе кальцит диссоциирует при температуре 800-900 ◦С.

Процентное содержание в меле карбонатов характеризует его качества, определяет технологию производства и пригодности меловой продукции для различных отраслей народного хозяйства. Изучению минералогического состава и текстурно-структурных составляющих посвящено много работ. По химическому составу меловые породы более однородны на месторождении и отличаются по основным составляющим элементам в незначительных пределах.

Карбонатная часть мела состоит из трех групп компонентов: органических остатков (растительные, животные); кристалликов кальция с четко выраженными гранями; порошкового кальцита.

Органические остатки - это основная составляющая мела и состоит из планктонов, кокколитофорид, фораминифер и др. Кокколитофориды- это одноклеточные известковые водоросли, от которых в теле сохранились кокколиты и рабдолиты. Последние в меле встречаются очень редко.

Кокколиты самой различной плоской формы и размеров, в пределах 2-5 мкм, есть во вех известковых отложениях мелового периода Днепровско-Донецкой впадины, чаще в виде плоских пластинок, блюдец, выпуклых дисков, иногда попарно соединенных перемычкой. Рабдолиты имеют вытянутую форму: форму трубочек, стерженьков, столбиков или палочек иногда с диском или раструбом на конце. Их содержание достигает 50 %. Порошковый кальцит-одна из составных частей мела и мергелей, его содержание в некоторых меловых породах достигает 60 %.

Некарбонатная часть чаще всего в меле представлена кварцем, полевыми шпатами, опалом, халцедоном и др. Содержание некарбонатных пород невелико, но они значительно усложняют технологию получения высококачественного мелового порошка.

Природный мел по физико-структурным признакам и составу подразделяются на 4 типа, характеристика которых приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Классификация меловых пород.

Крупные месторождения мела.

Наиболее крупные месторождения качественного мела находятся в Белгородской области. Разведано свыше 29 месторождений мела с утвержденными запасами 1,0 млрд.т. Прогнозные запасы мела практически не ограничены. К наиболее крупным разведанным месторождениям мела относятся Лебединское и Стойленское, где мел добывается как вскрышная порода. По Лебединскому месторождению утверждены запасы по категории А+В+С1 – 388млн.т., а  по Стойленскому по категории С1- 575млн.т. По оценке института «Центрогипроруда» добыча мело-мергельных пород на этих карьерах на период до 2005 года составит порядка 25 млн.т. ежегодно[10]. Из всего попутно добываемого мело-маргельного сырья только 5,0 млн.т. ежегодно потребляется Оскольским цементным заводом, а остальная часть вывозится в отвалы и теряется безвозвратно.

Другим крупным месторождением качественного мела является Шебекинское, Белгородской области. Детальные геологоразведочные работы были произведены на этом месторождении в 1951 году и позднее в 1972 году. Балансовые запасы на 1.01.1997г. составляют 23,5 млн.т., что при производственной мощности завода по переработке мела 350 тыс.т. составляет обеспеченность около 70 лет.

По условиям применяемой на заводе технологии переработки мела продуктивная толща мела при подсчете запасов разделена на верхнюю часть «сухого»  мела с естественной влажностью около 20% и нижнюю часть «влажного» мела с влажностью более 20%. Соотношение запасов «сухого» и «влажного» мела составляет 2,5. Верхний горизонт до абсолютной отметки 145-150м. меловой толщи характеризуется содержанием до 96-97,5% и нерастворимым остатком 1,5-2,5%. Нижний горизонт до абсолютной отметки 109 м. содержит 97,5-99% и 0,7-1,9% нерастворимого остатка. Мел на Шебекинском месторождении по химическому составу относится к высококачественному мелу и находит широкое применение в различных отраслях промышленности (лакокрасочной, резинотехнической, кабельной, бумажной и др.)

В период 1956-1957гг. было разведано новое месторождение мела в Белгородской области – Петропавловское, расположенное в 3-х км. от ст. Беломестное Юго-Восточной железной дороги. По качеству мел не уступает мелу Шебекинского месторождения, а по некоторым показателям даже превосходит его. Полезная мощность меловой толщи составляет 30 м. Мел выходит почти на поверхность и мощность вскрыши составляет всего 2-3м.

Высокое качество природного мела обеспечило на ЗАО «Мелстром» производство высококачественной продукции для многих отраслей промышленности (лакокрасочной, резинотехнической, полимерной и др.). На базе собственного мела организовано производство  красок, шпаклевок и др. материалов.

Одним из старейших месторождений мела, эксплуатируемых уже несколько десятилетий, является Белгородское, расположенное практически в черте города. В геологическом строении месторождения принимают участие, кроме верхней толщи мела, третичные и четвертичные отложения. На базе этого месторождения работает Белгородский комбинат строительных материалов (БКСМ), который производит известь, силикатный кирпич и порошковый мел. По своим химическим свойствам мел этого месторождения можно отнести к качественному, но он имеет более плотную структуру и при измельчении без классификации получить кондиционный продукт не представляется возможным.

Из других разведанных месторождений Белгородской области с высоким качеством мела можно отметить Волоконовское, Чернянское, Фироновское, Чураевское. К месторождениям с запасами менее качественного мела Белгородской области можно отнести Валуйское, Заслоновское, Знаменское, Казацкие бугры и Корочанское. Мел этих месторождений содержит относительно низкие показатели (82-87%) и засорены другими примесями. Из этого мела без глубокого обогащения получить качественную продукцию не представляется возможным. Без обогащения этот мел может быть использован для производства извести и применяться в сельском хозяйстве как мелиорант для раскисления почвы.

Месторождения мела Воронежской области относятся к туронконьякскому возрасту. Мел имеет высокое содержание (до98,5%) и низкое содержание некарбонатных примесей – менее 2%, обогащен амфорным кремнеземом, принесенным, очевидно, из сантонских отложений. Залегает мел в непосредственной близости к поверхности и прикрыт элювием мела или четвертичными отложениями. Характерной особенностью мела месторождения Воронежской области является его водонасыщенность. Содержание влаги в меле достигает 32%, что вызывает серьезные затруднения при его добычи и переработке. К наиболее крупным месторождениям Воронежской области можно отнести Копанищенское, Бутурлинское,  Крупренниковское и Россошанское.

Меловая толща на Копанищенском месторождении колеблется в пределах 16,5-85 м.(средняя 35 м.). Вскрыша представлена почвенно-растительным слоем и составляет всего 1,8-2,0 м.  По вертикали толща мела разделяется на две пачки, из которых нижняя содержит до 98%, а верхняя несколько меньше (96-97,5%).

Бутурлинское месторождение с предельно однородным белым мелом турунского яруса с мощностью от 19,5 до 41м.  мощность вскрыши доходит до 9,5 м. и представлена растительным слоем,  мергелями, песчаниками и песчано-глинистыми образованиями. Содержание карбонатов кальция и магния достигает 99,3%, при относительно небольшом количестве некарбонатных составляющих.

Применение мела

Мел природный обработанный в соответствии с требованиями к различным степеням чистоты, является необходимым сырьем для различных отраслей промышленности.
Производство мела располагается в Белгородской области, так как здесь находятся большие запасы этой горной породы. В связи с этим областной центр и получил свое название-Белгород.

Использование мела в производстве в качестве наполнителя, позволяет существенно снизить себестоимость готовой продукции и улучшить ее качество. Потому что, несмотря на дешевизну, мел  является привлекательной  комбинацией высокой белизны, яркости, низкой твердости, цены и практически отсутствием  реактивных примесей.

Мел как наполнитель используют в производстве краски и эмульсии. Это марки:
RC, М-3 (МНБК-3), М-5, М-90,  МТД-1, МТД-2, ММС-2, М-10, М-20, М-40, М-60, Высокодисперсный, СТМ-10, СТМ-20, СТМ-40, Мел тонкодисперсный синтетический марки «К» и «С», Мел химически осажденный.

В производстве строительных и отделочных материалов, сухих смесей, шпатлевок. Это марки: RC, BL-50, М-40, СТМ-10, СТМ-20, СТМ-40, МТД-1, МТД-2, ММС-1, ММС-2, Мел сыромолотый, МД-2, ММ-2.

 Удобрения, комбикормов. ММЖП, FILLER, МД-2, ММ-2, МК-1, Мел сыромолотый, Мука известковая для производства комбикормов и подкормки животных и птиц (фр.1-4 мм)

Резиновых и пластмассовых изделий: М-5, М-90, М-90Т, М-40, МТД-1, МТД-2, ММС-1, ММС2,  ММОР.

Использование мела в бумажной промышленности.

В бумажной промышленности в качестве наполнителя и отбеливателя применялся каолин, месторождения которого находятся на Украине и Казахстане. В связи с распадом СССР эти месторождения остались за пределами России. Качество поставляемых каолиновых глин резко ухудшалось при возрастании цен на них. Это поставило перед бумажной промышленностью России вопрос о замене каолиновых глин на карбонат кальция – мел. В пользу этого говорит тот факт, что за последнее десятилетие бумажная промышленность Западной Европы освоила использование мела и объем его потребления неуклонно увеличивается.

Использование мела в качестве наполнителя и пигмента в производстве бумаги и картона может быть при условии выполнения требований к этому виду сырья, прежде всего в отношении оптических свойств и гранулометрического состава.

Уровень белизны природного карбоната кальция, используемого за рубежом в качестве пигмента, составляет 90 – 95 % (по Эльрефо). Для наполнителя бумаги применяют природный карбонат кальция с белизной 85 – 95% и выше. В бумажной промышленности используется измельченный природный карбонат кальция высокой степени дисперсности. Средний размер частиц карбоната кальция (пигмента) по зарубежным данным  составляет 0,7 – 1,0 мкм с содержанием частиц:
менее 2 мкм – 90 %;
менее 1 мкм – 60 %;
менее 10 мкм – 35 %.

По тем же зарубежным данным наполнитель высококачественный бумаги характеризуется средним размером частиц 1,5 – 2,0 мкм. При этом содержание частиц менее 2 мкм – 40 %, а частиц 10 мкм – 95 %. Некоторые сорта природного карбоната кальция для наполнения бумаги имеют средний размер частиц 5,0 – 7,0 мкм, однако не содержат фракцию свыше 20 мкм, а содержание частиц 10 мкм составляет 95 – 99 %.

Высокая дисперсность измельченного карбоната кальция положительно влияет на гладкость, пористость, печатные и оптические свойства бумаги, снижается абразивность продукта. Это имеет важный момент, так как абразивность природного карбоната кальция значительно превышает абразивность каолина, что приводит к преждевременному износу дорогих узлов и деталей бумагоделательного оборудования. Технические требования на мел для бумажной промышленности приведены в таблице.

Таблица

Технические требования на дробленый мел для бумажной промышленности.

Таблица

Показатели качества образцов бумаги для офсетной печати.

Использование мела в животноводческой отрасли

Значительная часть мела используется в животноводческой отрасли для подкормки с/х животных и приготовления комбикормов. Специальных ГОСТов на кормовой мел не существует. Министерством Сельского хозяйства еще в 1970 году были утверждены временные технические условия (ВТУ), которые действуют до настоящего времени. В таблице приведены технические требования на кормовой мел.

Таблица

Технические требования на кормовой мел.

Использование мела в резинотехнической отрасли

По количеству наполнителей, используемых в резиновой промышленности, мел занимает первое место. Это объясняется, с одной стороны, чисто экономическими соображениями – относительно не большой стоимости мела и возможностью без вреда для резиновых смесей вводить его в большом количестве, с другой стороны - технической целесообразностью, поскольку мел облегчает технологический процесс изготовления резиновых изделий: ускоряет процесс вулканизации резины и придает ее поверхности гладкость. Мел широко применяется так же для производства пористой и губчатой резины, кожзаменителей и др. продукции. Мел, используемый резиновой промышленностью, должен соответствовать требованиям ГОСТа 1208-66 и ТУ 21-01-143-68. Эти стандарты распространяются соответственно на мел природный обогащенный, представляющий собой порошкообразный продукт, который получается из природного мела методом мокрого или сухого обогащения, и на мел сепарированный, являющийся порошкообразным продуктом, получаемым из природного мела путем его дробления, просушки, размола и классификации по крупности в воздушных сепараторах. Технические требования для резиновой промышленности приведены в таблице.

Таблица

Технические требования на мел для резиновой промышленности.
(ГОСТ 12085-88)

Использование мела в стекольной отрасли.

Мел в числе других карбонатных пород в стекольном производстве применяется в качестве одного из компонентов шихты при варке стекла, вводимого в шихту в порошковом виде в количестве до 30 % от объема последней. Мел придает стеклу термическую стойкость, механическую прочность, устойчивость против химических реагентов и выветривания. Практика стекольных заводов показывает, что наиболее вредной примесью в карбонатном стекле (мел) являются окислы железа, которые придают стеклу нежелательную зеленую окраску и снижают его светопроницаемость. Вредными примесями являются и такие элементы как TiO2, Mh3O4 и Cr2O3, однако эти соединения в меле встречаются крайне редко. Примеси MgO, Al2O3 не являются вредными, но их количество должно быть по возможности постоянным, что обеспечивает стабильность шихты и готовой продукции. Мел, применяемый в шихте для варки оконного и технического стекла, должен удовлетворять следующим требованиям: содержание CaO должно быть не менее 53 %; содержание Fe2O3 –не более 0,1 %.

Кроме того, в стекольной промышленности мел используется для производства соды. Содержание CaCO3 (в сумме с 1,2 МgCO3) для дробленного мела установлено в пределах 90-97%, для товарного молотого мела 96-98%.

Использование мела в строительной промышленности

Одним из крупных потребителей мела является строительная промышленность, где мел используется для производства цемента, извести, различных шпаклевочных и малярных материалов. Используется мел для побелочных работ в виде растворимой меловой пасты и молотого порошка. Требования к мелу для производства побелочных работ приведено в таблице.

Требования к мелу для производства побелочных работ.

(ГОСТ 12085 - 88)

Для использования мела в цементной промышленности больших ограничений нет с учетом постоянного состава мела. Цементное сырье регламентируется предельным содержанием: оксида магния (не выше 4 %), серного ангидрида (1,3%), сумма оксидов щелочных металлов-1% и фосфорного ангидрида не более 0,4%.Превышение этих показателей следует ожидать только по фосфорному ангидриду.

Качество мела для производства строительной воздушной смеси регламентируется по содержанию CaCO3, которое должно быть не менее 95 %, а MgCO3 не более 2,5 %. Глинистых примесей в меле не должно быть выше 2 % (известь жирная). При большем содержании последних известь получается более тощая. Для производства строительной гидравлической извести с содержанием глинистых примесей более 8 %, пригоден «мергельный» мел. По кусковатости выделяют группы щебня мм: крупный с размером кусков 400-200, средний от 200 до 80 и мелкий от 80 до 15. Мелочи ниже допустимого предела не должно содержаться более 30 %.

 С анализом рынка мела Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок мела в России».

www.newchemistry.ru