Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

УДК 622.831.322 ББК 33.14

А65

Рецензенты:

д-р техн. наук, директор по проектам ООО «ЗУМК-Инжиниринг»

А. Н. Земсков

д-р техн. наук, профессор А. А. Барях (Горный институт Уральского отделения РАН)

Андрейко, С. С.

А65 Механизм образования очагов газодинамических явлений в со­ ляном породном массиве: моногр. / С. С. Андрейко.— Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008.— 196 с.

ISBN 978-5-88151-991-9

Рассмотрены геологические и горнотехнические условия разработки месторо­ ждений калийных солей, дан анализ состояния проблемы газодинамических явле­ ний в калийных рудниках. Представлены основные понятия и положения теории механизма образования очагов газодинамических явлений в соляном породном мас­ сиве. Подробно описан механизм образования очагов газодинамических явлений различного типа в условиях Верхнекамского и Старобинского месторождений ка­ лийных солей. Предложены гипотезы механизма образования очагов газодинамиче­ ских явлений в условиях других калийных месторождений мира.

Книга предназначена для научных, инженерно-технических работников науч­ но-исследовательских и проектных институтов, горных предприятий калийной и соляной промышленности, преподавателей, аспирантов и студентов вузов горно­ го профиля, обучающихся по специальностям «Подземная разработка месторожде­ ний полезных ископаемых» и «Физические процессы горного производства» на­ правления подготовки дипломированных специалистов «Горное дело».

УДК 622.831.322 БКК 33.14

Издано в рамках инновационной образовательной программы ПГТУ «Создание инновационной системы формирования профессиональ­ ных компетенций кадров и центра инновационного развития регио­ на на базе многопрофильного технического университета».

ISBN 978-5-88151-991-9 © ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет», 2008

ВВЕДЕНИЕ

Подземная разработка месторождений калийных солей в подавляю­ щем большинстве случаев весьма осложняется газодинамическими яв­ лениями, которые происходят при ведении подготовительных и очист­ ных горных работ в виде внезапных выбросов соли и газа, обрушений по­ род кровли (разрушений пород почвы), явлений комбинированного типа

иотжимов призабойной части пород. Газодинамические явления пред­ ставляют реальную угрозу жизни шахтеров, разрушают дорогостоящее проходческое и очистное оборудование, приводят к значительным поте­ рям уже подготовленных к отработке запасов руды, выводят из строя горные выработки различного назначения и нарушают ритмичность ра­ боты калийных рудников. В процессе эксплуатации Верхнекамского

иСтаробинского месторождений калийных солей произошло более 500 газодинамических явлений, которые приводили в отдельных случа­ ях к летальным исходам и нанесли значительный материальный ущерб предприятиям. Решение научно-технической проблемы, связанной с га­ зодинамическими явлениями, имеет большое экономическое и социаль­ ное значение для калийной промышленности. Актуальность и сложность

ее решения постоянно возрастают из-за усложнения геологических и горнотехнических условий отработки калийных пластов, а также кон­ центрации и интенсификации горных работ. Подобное положение харак­ терно для всех месторождений калийных солей, в пределах которых ве­ дется отработка пластов, опасных по газодинамическим явлениям.

Современные тенденции развития горной науки требуют проводить изучения газодинамических явлений (ГДЯ) с использованием результатов фундаментальных наук и в первую очередь физики. Законы механики га­ зов, гидромеханики и термодинамики должны стать органичной частью теории механизма образования очагов газодинамических явлений, а зако­ ны, методы и средства физической химии и физики твердого тела необхо­ димо использовать для решения частных вопросов и уточнения отдельных нюансов. В теории механизма образования очагов ГДЯ необходимо

использовать геологические данные о тектоническом строении, литоло­ гии, петрофизических характеристиках горных пород, химическом и фа­ зовом составе флюидов в недрах. В связи с этим синтез результатов иссле­ дований фундаментальных и геологических наук весьма эффективно мо­ жет быть использован при генетических построениях моделей механизма образования очагов газодинамических явлений.

Проблема газодинамических явлений в калийных рудниках весьма сложная и многогранная. Научные исследования, проводимые в прошед­ шие годы И. И. Медведевым, Г. Д. Поляниной, Н. М. Проскуряковым, О. В. Ковалевым, А. С. Кириченко, Б. В. Лаптевым и другими учеными, были направлены на изучение процессов возникновения и развития газо­ динамических явлений, создание научно обоснованной их классифика­ ции, разработку основных принципов прогноза и предотвращения ГДЯ. При этом собственно механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном породном массиве оставался как бы на периферии на­ учных исследований. Таким образом, сегодня горная наука и практика остро нуждаются в публикации, отражающей основные достижения в исследовании механизма образования очагов газодинамических явле­ ний в соляном породном массиве, тем более что научных изданий, посвя­ щенных этому вопросу, вообще не было.

Следует отметить, что применяемый в научной литературе и норма­ тивной документации термин «газодинамические явления» отражает не только сложность, но и общность этих природных явлений, которые име­ ют тенденцию напоминать друг друга при одинаковых внешних воздейст­ виях. По сути своей все типы ГДЯ в соляном породном массиве представ­ ляют собой очень быструю разгрузку геологически связанных скоплений свободных газов, в ходе которой вместе с газом выносится и часть вме­ щающей его породы. Следовательно, независимо от типов газодинамиче­ ских явлений механизм образования их очагов должен подчиняться одним и тем же закономерностям. Такая концепция генетического подхода к раз­ работке теории механизма образования очагов ГДЯ предполагает разли­ чия в типах явлений несущественными и обусловленными только нюанса­ ми аккумуляции свободных газов в соляном породном массиве.

Представленная монография написана на основе результатов много­ летних исследований по изучению механизма образования очагов газо­ динамических явлений в условиях Верхнекамского и Старобинского ме­ сторождений калийных солей, которые автор проводил в период науч­

ной деятельности в Уральском филиале ВНИИГ (ОАО «Галургия», 1976-1985 гг.), Белорусском филиале ВНИИГ (ОАО «БелГОРХИМПРОМ», 1985-1999 гг.) и Горном институте УрО РАН (после 1999 г.). Разделы 3.2,3.3 и 3.5 написаны автором совместно с д. г.-м. н. А. И. Куд­ ряшовым. Глубокую признательность автор выражает к. т. н. О. В. Ива­ нову и Л. В. Андрейко за помощь, оказанную при обработке исходных материалов и подготовке рукописи к печати.

Монография является первым систематизированным исследовани­ ем механизма образования очагов газодинамических явлений в соляном породном массиве; автор представляет всю сложность освещения этой проблемы и с благодарностью примет все замечания и пожелания.

I. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ

ПРОБЛЕМ Ы ГАЗОДИНАМ ИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

ВКАЛИ ЙНЫ Х Р УД Н И К АХ

1.1.Геологические и горнотехнические условия разработки

месторождений калийных солей

Калийные соли представляют собой группу генетически связанных легкорастворимых в воде калиевых и калиевомагниевых минералов и пород, в химическом составе которых основную роль играют катионы калия, магния и анионы хлора. Вместе с каменной солью калийные соли образуют горные породы, залегающие в виде пластов мощностью от не­ скольких сантиметров до десятков метров и распространенные на пло­ щадях от нескольких до тысяч квадратных километров. По примерным подсчетам, геологические запасы калийных солей составляют около 0,01 % запасов вмещающей их каменной соли. В геологическом про­ шлом месторождения калийных солей возникали практически во все пе­ риоды развития Земли — от позднего докембрия (900 млн лет) и кембрия до плестоцена (1 млн лет) включительно. Калийные месторождения об­ наружены в пределах всех континентов за исключением Антарктиды. Пространственно месторождения калийных солей расположены внутри континентов и на их окраинах. О происхождении месторождений калий­ ных солей в теории галогенеза существуют различные гипотезы: мор­ ская («баровая»), «промежуточных бассейнов», континентальная, конти­ нентально-морская («стадия сухого озера»), эндогенная, метасоматическая, эксгаляционно-осадочная [1-14]. Дискуссии о происхождениЬ месторождений калийных солей продолжаются и в настоящее время.

В мире разрабатывается и находится в стадии эксплуатационной разведки более 30 месторождений калийных солей (рис. 1.1). Общие ми­ ровые запасы оцениваются в 100 млрд т К20 , из них на территорию стран СНГ приходится около 25 млрд т, на территорию Канады —

14 млрд т, ФРГ — 0,5 млрд т, США — 0,3 млрд т. Более 95 % добывае­ мых калийных солей используется для производства калийных удобре­ ний, остальная часть — для производства различных химикатов. Впер­ вые подземная разработка месторождения калийных солей была начата в 1861 г. на небольшом руднике около Страсфурта в Германии. С этого времени началось быстрое развитие калийной промышленности, снача­ ла в Германии, а затем в бывшем СССР, Франции, США, Канаде, Ита­ лии, Англии. В странах СНГ основными производителями являются Рос­ сийская Федерация и Республика Беларусь, которые производят более 6,0 млн т К20.

Верхнекамское месторождение калийных солей расположено в цен­ тральной части Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба на территории Пермской области в районе г. Березники и г. Соликамска. В меридиональном направлении калийная 'залежь прослеживается на 150 км, при ширине до 40 км, при этом площадь месторождения составля­ ет 3500 км2. Месторождение делится поперечными тектоническими структурами Боровицкого и Дуринского прогибов на три части: северную, центральную и южную. Глубина залегания кровли калийной залежи в пре­ делах месторождения изменяется от 150 до 500 м. По запасам калийных солей Верхнекамское месторождение находится в ряду крупнейших в ми­ ре, а разведанные запасы К20 составляют 60 % от запасов стран СНГ. Геологические запасы К20 составляют 21,5 млрд т, каменной соли — 37 000 млрд т. Геологическая ценность месторождения возрастает за счет наличия в подсолевых породах нефтеносных структур, которые в плане совмещены с калийной залежью. Выявлено 13 перспективных на нефть структур и месторождений. Освоение Верхнекамского месторождения на­ чато в 1934 г., и в настоящее время добыча калийных руд ведется шестью рудниками, которые структурно входят в состав акционерных обществ (ОАО) «Сильвинит» и «Уралкалий». В составе ОАО «Сильвинит» дейст­ вует три рудника — СКПРУ-1, СКПРУ-2 и СКПРУ-3, которые отрабаты­ вают центральную часть месторождения. Южную часть месторождения отрабатывают рудники БКПРУ-1, БКПРУ-2 и БКПРУ-4, структурно вхо­ дящие в состав ОАО «Уралкалий».

Вопросы геологии Верхнекамского месторождения изучались мно­ гими известными учеными и нашли отражение в ряде работ [5, 10, 13-19]. Соляная толща снизу вверх подразделяется на подстилающую каменную соль, сильвинитовую и сильвинито-карналлитовую зоны, по­

кровную каменную соль (рис. 1.2). Подстилающая каменная соль в ниж­ ней части разреза представлена переслаиванием разнозернистой серой соли с пластами ангидрита и глинисто-мергелистой породы. В средней части соль более однородна, с прослоями мергелей и глин мощностью до 1 м. В верхней части подстилающей соли залегает хорошо выдержанный глинисто-доломито-ангидритовый прослой мощностью 1,5 м (марки­ рующий горизонт). Суммарная мощность подстилающей соли составля­ ет в среднем 300 м. Сильвинитовая зона средней мощностью 20,0 м представлена переслаиванием каменной соли с пластами красных и по­ лосчатых сильвинитов, которые снизу вверх обозначаются: Красный III, Красный II, Красный I и пласт А. Средние мощности пластов сильвинитовой зоны оставляют: Красный III — 6,5 м, Красный II — 5,5 м, Крас­ ный I — 1,3 м, пласт А — 1,4 м. Пласт Красный II является основным промышленным пластом на рудниках Верхнекамского месторождения. Сильвинито-карналлитовая зона состоит из девяти пластов калийно-маг­ ниевых солей, которые снизу вверх обозначаются буквами от Б до К. Нижний пласт Б сильвинито-карналлитовой зоны залегает непосредст­ венно на пласте полосчатого сильвинита А, составляя единый промыш­ ленный пласт АБ, мощностью в среднем 3,5 м и содержанием КС1 до 45 %. В карналлитовой зоне промышленным является пласт В, средняя мощность которого при карналлитовом составе 15,0 м. Остальные пла­ сты являются некондиционными ввиду малой мощности водозащитной толщи. Мощность сильвинито-карналлитовой зоны составляет около 60,0 м. Все пласты калийно-магниевых и калийных солей отделяются друг от друга межпластовой каменной солью мощностью 1,5-6,0 м. При общем пологом залегании, пласты в различной степени смяты в складки с амплитудой до 25,0-30,0 м. Покровная каменная соль залегает непо­ средственно на кровле пласта К сильвинито-карналлитовой зоны. Сло­ жена эта толща каменной солью с тончайшими глинисто-ангидритовы­ ми прослойками. Мощность покровной каменной соли составляет 18,0-22,0 м. Выше залегает соляно-мергельная толща, средняя мощ­ ность которой составляет 110,0 м.

Рудниками на Верхнекамском месторождении разрабатываются два или три пласта: Красный II, сложенный красным сильвинитом, пласт АБ, представленный полосчатым (пласт А) и пестрым сильвинитом или сме­ шанными солями — сильвинитом и карналлитом (пласт Б). На рудниках СКПРУ-1 и БКПРУ-1 разрабатывается также и пласт В карналлитового