Введение
Старобинское месторождение калийных солей открыто в 1949 году Белорусcким геологическим управлением. Геологоразведочные работы проводились в 1949 - 1952 и 1958 - 1961 годах.
В 1962 году был введен в эксплуатацию Первый калийный комбинат. В настоящее время добыча калийных солей ведется 4-мя рудоуправлениями на 4-х шахтных полях.
Добыча минеральных солей и продуктов их переработки непрерывно возрастает как на мировом уровне в целом, так и в отдельных станах.
Одной из важнейших задач сегодня и в перспективе на будущее является необходимость развития производства и полного обеспечения потребности народного хозяйства в минеральных удобрениях.
Каждый килограмм калийных удобрений, внесенных в почву, позволяет дополнительно получить до 5 кг зерна, 50 кг картофеля, 40 кг сахарной свеклы, 20 кг томатов, 2 кг хлопка-сырца.
Ежегодно необходимо вносить в почву 40-200 кг калийных удобрений на 1 га посевных площадей для восполнения питательных веществ. Поэтому потребность в калийных удобрениях очень велика, а, следовательно, и добыча калийных руд.
Более 95% всех калийных солей добывается шахтным способом на двух месторождениях: Старобинском и Верхнекамском.
Жёсткая конкуренция на рынках сбыта заставляет искать новые организационные подходы к проблеме реализации продукции. Созданная калийными предприятиями Беларуси и России Международная калийная компания успешно работает в этом направлении. Удалось преодолеть сложности на мировом рынке, связанные с дисбалансом между производственными мощностями и реальным производством, определяемым спросом на калийную продукцию.
Постоянно наращиваются объемы выпуска пользующейся спросом вновь освоенной на предприятиях объединения продукции: обеспыленых мелкозернистых калийных удобрений, пищевой и кормовой соли, полностью удовлетворяется потребность населения в высококачественных удобрениях, выпускаемых в расфасованном виде. Одним ив важнейших условий увеличения добычи руды является эффективное использование оборудования.
Для горнодобывающих отраслей промышленности особую актуальность приобретают создание и внедрение машин и агрегатов высокого технического уровня, обладающих значительной производительностью, большой единичной мощностью при одновременном уменьшении их габаритов, снижение металлоемкости, энергопотребления на единицу конечного продукта и повышения надежности и долговечности.
Создание современных машин высокого технического уровня предполагает использование новых прогрессивных методов проектирования, отказ от большинства традиционных методов расчета и широкое применение при конструировании современных ЭВМ.
Анализ горно-геологических условий калийных месторождений и горнотехнических условий добычи калийных руд, а также учет состояния и тенденции развития горного машиностроения позволили определить форму такого перехода, а именно: выемка комбайновыми комплексами на базе машин большой единичной мощности.
Широкое внедрение усовершенствованного оборудования и технологии выемки полезного ископаемого в перспективе позволит значительно улучшить качество добываемой руды, повысить безопасность работ, снизить объемы отходов производства, уменьшить негативные последствия оседания земной поверхности, повысить извлечение полезного ископаемого из недр и др.
Внедрению в производство перспективной технологии селективной выемки калийных пластов Второго калийного горизонта с закладкой выработанного пространства посвящена данная работа.
1.Геологическая часть
1.1 Общие сведения о шахтном поле
Шахтное поле Третьего рудоуправления расположено в северо-восточной части Старобинского месторождения калийных солей. На западе оно непосредственно примыкает к шахтному полю Второго рудоуправления, на юге и юго-востоке к шахтным полям Первого и Четвертого рудоуправлений. Общая площадь горного отвода с учетом принятых изменений ранее существующих контуров составляет 95690.0 тыс.м2 по II и 93100.0 тыс.м2 по III калийному горизонту.
В геологическом строении рудного поля принимает участие следующие литолого-стратиграфические образования (сверху-вниз):
а) четвертичные, отложения, представленные плотными разнозернистыми песками с незначительной примесью валунов и гальки;
б) отложения неогена, представленные плотными глинами и мелкозернистыми песками с остатками флоры. Встречаются линзы бурого угля;
в) отложения палеогена, представленные глауконитовыми мелкозернисты и песками с содержанием хорошо окатанного мелкозернистого гравия;
г) верхнемеловые отложения, представленные писчим мелом и мелкозернистым песчаником;
д) отложения верхнего девона, представленные глинами, мергелями, доломитами и песчаниками с хорошо выдержанными пластами каменной соли и глинисто-карбонатных пород. Эти породы объединяются в две свиты: глинисто-мергелистую и соленосную. К отложениям последней приурочены горизонты калийных солей.
На шахтном поле Третьего рудоуправления 2-й и 3-й калийные горизонты имеют повсеместное распространение. Глубины их залегания колеблются от 480 до 648 м для второго калийного, горизонта и от 670 до 856м - для третьего.
Горные работы ведутся в пределах Центрального блока ограниченного с запада Северо-Западным с севера Северным и с востока Центральным тектоническими нарушениями. На юге Центральный блок ограничен зоной выклинивания калийных горизонтов. По Северо-Западному нарушению амплитуды смещений подсолевых пород у зоны сочленения с Северным нарушением достигают 200-З00м; в центральной его части амплитуды смещений составляют 100-150м. Вверх по разрезу соленосной толщи амплитуды смещений уменьшаются. На уровне III калийного горизонта они изменяются от 100-200м в северной части нарушения, до 50-100м - в центральной. На уровне II калийного горизонта амплитуды смещений пород составляют до 50м в центральной части нарушения. Углы падения плоскости сместителя колеблются в пределах 50-70°.
Зона Северного субширотного нарушения ограничивает с севера зону распространения соленосной толщи и калийных горизонтов. Амплитуда смещений пород по Северному нарушению составляет 50м на уровне Третьего калийного горизонта. К востоку нарушение подвержено виграции.
Южная его ветвь прослеживается в поле распространения соленосных отложений до Центрального нарушения, северная - вдоль контура выклинивания соленосной толщи. Амплитуды смещения пород по нарушению в центральной части составляют: на уровне подсолевых отложений 140-160м, на уровне IV калийного горизонта 110м и между II и III калийными горизонтами порядка 70м. Угол падения плоскости сместителя – 60° Азимут падения 180-190 град. Зона Северного нарушения характеризуется ступенчатым строением с максимальными значениями амплитуд сбросов в западной части 350-400м. По мере удаления на восток амплитуды уменьшаются на 1 - 2 порядка.
По Центральному тектоническому нарушению амплитуды смещения подсолевых пород составляют 50-200м, наиболее значительны они у зоны Северного нарушения. В пределах распростанения калийных горизонтов в северной части нарушения значения амплитуд 75-150м, в южной – 50-100м. Угол падения плоскости сместителя 50-70 ° Азимут падения от 90 до 130 град . В пределах Третьего калийного горизонта в западной части шахтного поля имеет место распространение сети трещин малоамплитудного (МАН) широтного тектонического нарушения. Амплитуда сброса на уровне нижней промышленной сильвинитовой пачки колеблется от 0.1 до 2 метров. Угол падения 45-60 град. Азимут падения 190 град юз. Отмечаются места осложнения линии тектонического нарушения структурами «мульда погружения», что увеличивает амплитуду сброса до 2.8-3.0 метров. Протяженность МАН составляет 2 км. Видимые признаки МАН теряются в районе охранного целика скважины №19.
В пределах Старобинского месторождения выделяются следующие водоносные горизонты и комплексы:
водоносный комплекс кайнозойских отложений.
водоносный горизонт туронских отложений верхнего мела.
водоносный комплекс отложений сеноманского яруса верхнего мела и средней юры.
водоносный горизонт в песчаниках ГМТ верхнего девона.
Водоупорные породы ГМТ верхнего девона.
Водоупорные породы соленосной толщи верхнего девона
Водоносный комплекс в карбонатных породах верхнего девона.
Водоносный комплекс в терригенных породах верхнего и среднего девона и в песчаниках верхнего протерозоя.
Водозащитная толща в пределах шахтного поля имеет повсеместное распространение и представлена водоупорными породами ГМТ и соленосной толщи. Максимальная мощность ее (до 400 м) приурочена к центральной части. Минимальная - установлена в северо-западной и юго-восточной частях шахтного поля по 260 и 350м соответственно.
Водоупорные породы ГМТ по литологическому составу подразделяются на 2 подтолщи:
нижнюю - гипсово-мергельно-глинистую (сульфатную);
верхнюю - глинисто-мергелистую (бессульфатную).
представлены мергелями и аргиллитоподобными глинами с прослоями доломитов, реже алевролитов, песчаников, известняков и конгломератов. Кровля глинисто-мергелистой свиты неровная, размытая, залегает с угловым и стратиграфическим несогласием.
Гидрогеологические условия ГМТ на Старобинском месторождении довольно детально исследовались при проходке шахтных стволов 4-х рудоуправлений и в ряде поисковых , разведочных и специальных скважин. Этими исследованиями установлено, что ГМТ в пределах шахтных полей обводнена только в верхней своей части на глубину 50-100м. Средняя и нижняя части толщи безводны и водоупорны. Водоносный горизонт, заключенный в верхней части ГМТ ,относится к трещинно-пластовым и обладает напором. Пьезометрические уровни устанавливаются на глубинах 7.8-23.3 м. Дебит с глубиной уменьшается и составляет от 3.2м3/сут до 0.013м3/сут.
Воды солоноватые с минерализацией 7.1 г/л, по преобладающим компонентам сульфатно-хлоридно-натриевые.
Исключение составляет северо-западная часть месторождения, где в нижней части ГМТ, в пределах границ распространения третьего калийного горизонта, выявлены локальные скопления рассолов, приуроченные к тонким прослоям песчаников и сульфатно-карбонатных пород. Дебиты скважин изменяются от 0.48 до 8.6 м3/сут. Пьезометрические уровни устанавливаются вблизи земной поверхности или выше ее. Интервалы обводненных пород содержат высококонцентрированные рассолы, хлоридно-натриевые, с минерализацией 21-354 г/л.
Водоупорные породы соленосной толщи, подстилающие породы ГМТ , представлены переслаивающими пачками каменной соли и карбонатно-глинистых пород . В пределах шахтных полей и на примыкающих площадях они безводны и водоупорны.
Падение пластов преимущественно северо-восточное, угол падения моноклинали 1-3°. На отдельных локальных участках углы падения и воздымания достигают 6-7° и возможно приурочены к малоамплитудным нарушениям в подсолевых отложениях. Значительное усложнение гипсометрического залегания продуктивных пластов имеет место в притектонической зоне Северного сброса, где углы воздымания превышают 24° без существенного изменения в строении и качественном составе сильвинитовых слоев. Горизонты калийных солей достаточно изучены, запасы утверждены в ГКЗ и ЦКЗ в разные годы по промышленным категориям.
Пласт второго калийного горизонта (гор.-420м) состоит из верхнего и нижнего сильвинитовых слоев и межпластовой каменной соли. Средняя мощность пласта по шахтному полю составляет 2,67 метра, среднее содержание КС1-26, 95%,нерастворимого в воде остатка - 6,67%.Неравномерно по всему горизонту встречаются площади пониженного содержания КСl - зоны замещения. Они имеют различные размеры (от 2-3 до 200-250 м) и изометрические очертания в плане, характеризуются частичным или полным замещением пластов сильвинита каменной солью. Обычно в таких зонах руда бывает некондиционной (содержание КСl менее 16%) и выемке не подлежит. Оконтуривание зон замещения вызывает определенные трудности в прогнозировании качества полезного ископаемого при существующей плотности горных выработок и разведочных скважин.
Пласт III калийного горизонта (гор.-620м) состоит из 4-х сильвинитовых слоев и заключенных между ними слоев каменной соли. Первый и четвертый сильвинитовые слои не по всей площади горизонта включены в подсчет запасов, т.к. по отдельным разведочным скважинам не соответствуют утвержденным кондициям. Таким образом, суммарная мощность продуктивного пласта колеблется от 2.18м до 5,93м. Среднее содержание KCl по горизонту, утв. в ГКЗ СССР составляет 26,83%, нерастворимого в воде остатка – 6, 64%. Неравномерно, по всей площади третьего калийного горизонта встречаются воронкообразные прогибы слоев, т.н. "мульды погружения". Эти геологические аномалии являются аккумуляторами газов под большим давлением и тем самым создают опасность газодинамических выбросов и недопустимую концентрацию горючих газов в выработках при эксплуатации горизонта.
Кроме этого имеют место: обрушения пород кровли, сопровождающихся газовыделениями; отжимы призабойной части пород сопровождающегося звуковым эффектами, иногда разрушением и выносом разрушенной породы в горную выработку.
Вмещающие породы и разрабатываемые пласты обоих горизонтов содержат в микровключенном и свободном виде природные газы, в состав которых входят: метан, тяжелые углеводороды, водород и др. Скопление свободных газов встречается в двух формах: приконтактные (прикоржевые) и гнездовые (очаговые), давление газа в очаговых скоплениях достигает 9МПа. Распределение газов, их количественный и качественный состав в пределах выемочных полей, пластов, участков крайне неравномерны и носят локальный характер. Газоносность пород по горючим газам колеблется от 0 до 0,3-0,4 мЗ. При вскрытии гнездовых скоплений газов шпурами, горными выработками и т.д. возможны внезапные выделения газа, в т.ч. и выбросы соли. Скопления газа возможны также в зонах обрушения и в отработанном пространстве. Поэтому пласты калийных горизонтов отнесены (в установленном порядке) к числу опасных по горючим газам.
На обоих горизонтах на площадях, приуроченных к выемке продуктивного пласта длинными очистными столбами, как правило, ожидается приток отжимных седиментационных рассолов высокой плотности
Рассолопроявления при разработке калийных залежей на руднике наблюдаются в подземных горных выработках. Они связаны с отжатием защемленных остатков поровых растворов из карбонатно-глинистых пород соленосной толщи. Дебиты подземных восстающих скважин, вскрывших карбонатно-глинистую пачку над вторым калийным горизонтом на полную мощность, составляют 0.5-1 л/сут.
Минерализация рассолов 430-520г/л, По преобладающим компонентам они хлоридно-кальциево-магниевые и относятся к метаморфизованным седиментационным водам, сохранившимся в пористом коллекторе глинистых пород соленосной толщи.
По II калийному горизонту притоки рассолов достигают значительных объемов (до 5 м3 /сутки по отдельным режимным пунктам наблюдения), что требует дополнительных затрат для отвода и захоронения избыточных вод.
По III калийному горизонту приток рассолов незначителен (до 0.1м3/сутки) и не препятствует технологическому процессу.