Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

гическим ущербом. Большой вклад в решение проблемы газодинамиче­ ских явлений в условиях Индерского месторождения внесли П. В. Долгов, Н. И. Захаров, Н. Н. Кантарбаев, Н. А. Карев, Н. Ф. Красюк, А. Г. Крив­ цов, Г. Д. Полянина, В. А. Разумов, Е. И. Рогов, Д. М. Шередекин и мно­ гие другие.

В странах Западной Европы (Англии, Испании, Италии, Польше, ФРГ) и Северной Америки (Канаде и США) газодинамические явления, в том или ином виде, происходят практически на всех месторождениях ка­ лийных солей, разрабатываемых подземным способом. В работах К. Баара, Т. Вигиера, Дж. Вудса, В. Гимма, Р. Гизеля, В. Драйера, Г. Духрова, Д. Еккарта, К. Зальцера, Дж. Камерона, А. Литонски, П. Марграфа, Дж. Мартинеса, Дж. Милна, Б. Мишеля, О. Оельснера, Г. Панезука, Дж. Робинсона, А. Свидзиньского, К. Тома, Р. Томаса, Ж. Файна, Ф. Чельтона, К. Харриета и многих других ученых накоплен и обобщен большой фактический материал, решены важные практические задачи, связанные с прогнозированием и предотвращением газодинамических явлений в ка­ лийных рудниках. Вместе с тем ряд вопросов, связанных с прогнозирова­ нием и предотвращением ГДЯ, требует своего решения.

Таким образом, анализ геологических и горнотехнических условий разработки месторождений калийных солей подземным способом пока­ зал, что практически на всех месторождениях добыча калийных руд ос­ ложняется газодинамическими явлениями. Несмотря на определенные успехи, проблема ГДЯ еще далека от своего окончательного решения.

1.2. Гипотезы механизма образования очагов газодинамических явлений в массиве соляных пород

Впервые с проблемой газодинамических явлений при разработке калийных месторождений столкнулись в 1895 г., когда произошел вне­ запный выброс соли и газа при проходке шахтного ствола на месторож­ дении Верра в Германии. С тех пор ученые пытаются гипотетически представить механизм образования очагов газодинамических явлений

вмассиве соляных пород. Первые гипотезы появились в Германии. Так,

вкалийном районе Верра газодинамические явления при ведении гор­ ных работ происходили по всему стратиграфическому разрезу свиты пластов. По мнению немецких ученых, газодинамические явления на этом месторождении имеют ярко выраженную зональность [33-35]. Они

происходили только в зонах, где наблюдался термальный метаморфизм, а на горизонтах соляных пород, первичного фациального состава их не было. Участки массива соляных пород, на которых происходили ГДЯ, всегда находились вблизи зон тектонических нарушений, относящихся к молодой рейнской тектонике смещений. На основании этих фактов О. Оельснером была разработана гипотеза механизма образования оча­ гов газодинамических явлений для условий калийного бассейна Верра (рис. 1.8). По мнению О. Оельснера, на разных горизонтах месторожде­ ния из зон тектонических нарушений в соляные породы проникали газо­ содержащие рассолы [34]. Вследствие неодинаковой растворимости со­ ляных пород зоны метаморфизма в пределах горизонтов распространя­ лись на различные расстояния: расстояние было значительно больше в карналлитах и наименьшее в калийной солит В сильвинитах величина данного расстояния принимала промежуточное значение. Гипотеза ме­ ханизма образования очагов газодинамических явлений по О. Оельснеру сводится к следующим основным положениям. Газосодержащие рассо­ лы поднимались по зонам разрывных тектонических нарушений вместе с водяными парами при активизации глубинных субвулканов. Воздейст­ вие термальных газосодержащих рассолов приводило к метаморфизму первичных солей и их перекристаллизации. Газы принимали активное участие в формировании минералогического состава соляных пород. Часть газов отлагалась в самой соли, т. е. включалась при перекристал­ лизации в состав соляных пород и становилась связанной. Другая часть газов постепенно накапливалась в свободном состоянии, находясь в поровом и трещинном пространстве между отдельными минеральными зернами и конгломератами. Количество свободных газов, содержащихся

вкалийных пластах, вмещающих породах, трещинах, кавернах и других пустотах, во много раз больше, чем количество связанных газов, заклю­ ченных во внутрикристаллических пустотах. Только незначительная часть газа, содержащегося в метаморфизованных водах, отлагалась рав­ номерно во вторичных солях и создавала равномерное давление в соля­ ных породах. Некоторые уточнения в предложенную гипотезу внес К. Хоффман, указавший, что значительная часть газа могла проникать

всоляной массив в виде отдельных беспорядочных потоков газонасы­ щенных рассолов по разломам, трещинам и другим проницаемым зонам [36]. При перекристаллизации солей под действием газосодержащих рассолов создавались пустоты, в которых аккумулировался газ под боль­ шим давлением.

ходило в результате гидростатического выравнивания, при этом темпе­ ратура магматических интрузий была более 810 °С. В результате интен­ сивного выделения газа на фронтальной части интрузии образуется «паровая шапка», с продвижением которой растворяется соль и одновре­ менно образуется пустое пространство, в которое проникает магма. Вы­ свобождение жидкой фазы и образование «газовой шапки» происходит главным образом в пластах карналлитовых пород и частично в пластах, содержащих кизерит. Считается, что данные породы были насыщены маточными рассолами. Возникающие таким путем приконтактные с ин­ трузиями зоны по своему строению сходны с зонами замещения, сфор­ мированными за счет подъема рассолов, но отличаются тем, что имеют небольшую мощность, измеряемую несколькими сантиметрами. На пу­ тях миграции рассолов образуются микроинтрузии, которые могут пере­ ходить в достаточно мощные пластовые жилы. Приуроченность опреде­ ленных форм интрузий к различным по литологическому составу участ­ кам разреза соленосной толщи показана на рис. 1.9 [39]. Так, на рис. 1.9,

(I) изображены формы интрузий в соленосной толще, испытавшей незна­ чительные воздействия восходящих рассолов, а на рис. 1.9, (II) показаны формы интрузий в соленосной толще, которая была в значительной сте­ пени преобразована восходящими рассолами. При этом очаги газодина­ мических явлений (газовые скопления С 02) связываются с участками внедрения «газовой шапки» в рыхлые осадки с большим содержанием рассолов. Таким образом, оба варианта гипотезы механизма образования зон, опасных по газодинамическим явлениям в условиях месторождения Верра, предполагают воздействие на соляные породы восходящих газо­ насыщенных рассолов. При этом предполагается последующая аккуму­ ляция газов в образующихся при преобразовании соленосной толщи пус­ тотах. Некоторые отличия в деталях механизма и в настоящее время яв­ ляются предметами острых научных дискуссий.

На калийном месторождении Южный Гарц в Германии механизм образования зон, опасных по газодинамическим явлениям, также связы­ вается с воздействием на соляные породы восходящих газонасыщенных рассолов [40-42]. Зоны разрывных тектонических нарушений большой протяженности и интенсивности создали на месторождении Южный Гарц благоприятные условия для проникновения в соляные породы гид­ ротермальных газонасыщенных рассолов (рис. 1.10). Кроме этого, про­ никновению газонасыщенных рассолов в калийные пласты способство­ вала малая мощность подстилающих соляных отложений. Исследова-

сильвинитовые слои гидротермальных рассолов, поднимавшихся вместе с интрузиями, проявлялось в виде уменьшения мощности сильвинитовых слоев, селективном выщелачивании хлористого калия и замещения сильвинита галитом [45]. В зонах воздействия гидротермальных рассо­ лов на промышленный сильвинитовый пласт отмечались газодинамиче­ ские явления в виде выбросов соли и газа, суфлярных газовыделений и обрушений пород кровли. Внедрение гидротермальных рассолов и да­ ек анкаратрита в калийную залежь на месторождении Буггинген было связано с молодыми тектоническими движениями, которые сопровожда­ ли и сам процесс внедрения гидротермальных рассолов и интрузий. Об этом свидетельствует образование анкаратрит-каменносоляной брекчии на контакте с дайками, а также многочисленные трещины в дай­ ках, выполненные волокнистым галитом [44, 45].

Таким образом, анализ существующих гипотез механизма образова­ ния очагов газодинамических явлений в калийных пластах германских месторождений показывает, что, несмотря на ряд нерешенных частных вопросов, генезис очагов газодинамических явлений связан с восходя­ щей миграцией газонасыщенных гидротермальных рассолов в калийную залежь из подстилающей толщи пород по зонам разрывных тектониче­ ских нарушений и последующими эпигенетическими процессами в соля­ ных породах.

Разработка Эльзасского месторождения во Франции в период с 1919 по 1964 г. сопровождалась внезапными выбросами соли и газа, которые происходили в калийных рудниках «Амелия», «Фернан», «Теодор», «Мария-Луиза» и «Анна» (табл. 1.3).

Т а б л и ц а 1.3

Статистические данные о внезапных выбросах соли и газа в калийных рудниках на Эльзасском месторождении

Всего на месторождении было зарегистрировано 46 внезапных вы­ бросов соли и газа, которые сопровождались гибелью шахтеров, разру­ шением и выбросом значительных объемов соляных пород и выделени­ ем большого количества метана [47-49]. В результате таких газодинами­ ческих явлений в почве горных выработок образовывались кратерообразные полости, заполняемые разрушенными породами (рис. 1.11). Интенсивность внезапных выбросов соли и газа из почвы из­ менялась от 40 до 480 т выброшенной породы, при этом количество вы­ делившегося метана составляло 10000-т-100000 м3 Анализ случаев вне­ запных выбросов соли и газа из почвы показывает, что газовые скопле­ ния приурочены к наиболее проницаемым и пористым породам — мергелям, сланцам и ангидритам [49-50]. Гипотезы механизма образова­ ния очагов газодинамических явлений в условиях Эльзасского месторо­ ждения не разработаны. Однако такие факты, как пространственная при­ уроченность внезапных выбросов соли и газа к зоне главных и оперяю­ щих тектонических разломов субмеридионального простирания, наличие в местах выбросов соли и газа участков уменьшения мощности сильвинитовых слоев или их полного замещения каменной солью, появ­ ление вторичной («шпатовой») каменной соли, полное прекращение вне­ запных выбросов соли и газа при удалении горных работ от зоны разрыв­ ных нарушений, позволяют предполагать участие в формировании оча­ гов газодинамических явлений газонасыщенных рассолов, которые внедрялись в калийную залежь по системам разломов из подстилающей толщи пород (рис. 1.12).

Разработка калийного месторождения Дакс, расположенного на юго-западе Франции в пределах Аквитанского соленосного бассейна, также сопровождалась газодинамическими явлениями. Подземная добы­ ча калийных солей месторождения Дакс была начата сразу же после его открытия, и первая шахта дала руду в 1931 г. Калийные минералы на ме­ сторождении представлены карналлитом, сильвинитом и полигалитом [51]. Камерной системой отрабатывался до 1957 г. один калийный пласт, сложенный карналлитовыми и сильвинитовыми рудами. Промышлен­ ный пласт имел сложные условия залегания и на отдельных участках был интенсивно деформирован [52]. Газодинамические явления на ме­ сторождении Дакс происходили в виде суфлярных газовыделений, вы­ бросов соли и газа, обрушений пород кровли с газовыделениями. Участ­ ки пласта, в пределах которых происходили ГДЯ, характеризовались

зо