Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

6

Рис. 1.11. Внезапный выброс соли и газа из почвы выработки в калийных рудниках Эльзас­ ского месторождения: а — вид в плане; б — разрез по линии А-А; 1 — выбросоопасная зо­ на; 2 — разрушенные целики; 3 — кратер после выброса; 4 — камера шириной 4,5 м; 5 — целик шириной 2,9 м; 6 — разрушенная и выброшенная калийная соль; 7 — породы кров­ ли; 8 — породы почвы; 9 — полость кратера

Рис. 1.12. Схематический план Эльзасского месторождения калийных солей:

1 — граница концессии калийныхт шахт Эльзаса; 2 — рудники, действующие в 1974 г.; 3 — рудники, действующие в 1964 г.; 4 — главные разломы; 5 — участки отработки калийных солей

пережимами, раздувами, развитием брекчированных зон, интенсивной складчатостью. В большинстве случаев газодинамических явлений от­ мечались вторичные изменения минералов. Так, к местам ГДЯ были при­ урочены локальные участки уменьшения мощности сильвинитовых и карналлитовых слоев, зоны замещения сильвинитовых слоев каменной солью, а в карналлитовых слоях — появление участков сильвинита и ка­ менной соли. Кроме этого, были зарегистрированы трещины определен­ ной ориентации, залеченные вторичными минералами, а также незначи­ тельные выделения рассолов на стенках горных выработок. Эти факты позволяют предполагать формирование очагов газодинамических явле­ ний на путях миграции газонасыщенных рассолов в калийную залежь из подстилающей толщи пород.

Газодинамические явления происходят в Испании, на месторожде­ ниях калийных солей в Каталонии и Наварре [53, 54]. Обрушения пород кровли, суфлярные газовыделения и внезапные выбросы соли и газа при­ урочены к карналлитовым породам, которые располагаются в кровле от­ рабатываемого камерно-столбовой системой сильвинитового пласта мощностью 5,7-6,1 м. Газодинамические явления приурочены к зонам брекчированных карналлитовых пород, средняя мощность которых со­ ставляет 8,0 м. На уровне разрабатываемого сильвинитового пласта вы­ бросоопасные зоны представлены в виде участков уменьшения мощно­ сти сильвинитовых слоев или их полного замещения каменной солью, появляются крупные и гигантообразные кристаллы галита. В линзах, сложенных перекристаллизованным галитом, практически отсутствуют сильвин и глина. В таких зонах каменная соль имеет брекчевидную структуру, отмечается избыток содержания CaS04, локальные прогибы слоев и незначительные выделения рассолов. В литературных источни­ ках не приводятся гипотезы механизма образования очагов газодинами­ ческих явлений на месторождениях Испании, однако анализ приведен­ ных фактов позволяет предполагать участие в образовании очагов газо­ динамических явлений газонасыщенных рассолов, поступавших из подстилающей толщи пород по зонам повышенной проницаемости в ка­ лийную залежь.

В рудниках, расположенных на территории Польши, в калийных рай­ онах Кияви и Величко-Бохненском, газодинамические явления происхо­ дят с начала их эксплуатации (рис. 1.13). При ведении подземных горных работ, неоднократно наблюдались суфлярные выделения горючих

газов — метана и водорода в рудни­ ках «Величка» и «Бохня» [55-57]. Горючие газы выделялись из битуминизированных солей и пористых песчаников, а в 1949 г. на руднике «Бохня» произошел классический выброс породы и газа. Внезапный выброс произошел из вмещающих пород и сопровождался катастрофи­ ческими последствиями. Было вы­ брошено несколько сотен тонн мел­ кораздробленного песчаника, про­ изошел взрыв горючих газов, и пламя от взрыва газов было выбро­ шено через шахтный ствол на по­

верхность. Внезапный выброс привел к гибели нескольких шахтеров [56]. Сведения о внезапных выбросах соли и газа приведены в табл. 1.4.

Т а б л и ц а 1. 4

Статистические данные о внезапных выбросах соли и газа в калийных рудниках Республики Польши

В настоящее время газодинамические явления происходят на рудни­ ках «Кладова» и «Инвроцлав», где зарегистрировано соответственно 190 и 4 выброса соли и газа [57]. Геология калийных месторождений Польши характеризуется весьма сложными тектоническими условиями. Соле­ носные отложения состоят из 10 соляных блоков, самый большой из ко­ торых имеет размеры 2,0 х 26,0 км. В этом блоке залегают калийно-маг­ ниевые соли, чистая каменная соль, загрязненная каменная соль и ангид­ рит. Тектоника блока характеризуется сколом антиклинальных частей

ядра, прорывом отложений более древних солей, выклиниванием и нару­ шением последовательности напластования. Положение в геологиче­ ском разрезе зон, опасных по газодинамическим явлениям, во многом определяется тектоническими условиями. Газодинамические явления локализуются в зоне, граничащей с древними и молодыми солями. Эта зона разрывных тектонических нарушений расположена вдоль главного разлома. В пределах этой зоны из древней каменной соли выходит свита нефтеносных доломитов, содержащих следы битумов. Статистические данные свидетельствуют о том, что более 90 % от общего числа газоди­ намических явлений приурочено к этой зоне. В этой зоне при ГДЯ в ком­ понентном составе выделяющихся газов преобладали углеводородные газы. Состав газов был следующим: СН4 — 73,05 %, N2 — 20,9 %, С2Н6 — 3,32 %, С3Н8 — 1,58 %, С4Н10 — 0,84 % и С5Н12 — 0,31 % [57]. Выбросы соли и газа, при протекании которых выделяются главным об­ разом метан и азот, связаны с локальными участками, представленными нарушенными, брекчированными, слоистыми глинисто-соляными поро­ дами. В таких местах иногда отмечались незначительные притеки рассо­ лов из массива. Анализ литературных источников показывает, что для условий калийных месторождений Польши в настоящее время отсутст­ вуют гипотезы механизма образования очагов газодинамических явле­ ний. В научных работах, как правило, констатируется факт наличия в массиве зон повышенной газоносности и пониженной прочности без указания возможных механизмов формирования таких зон.

В Англии газодинамические явления происходят при добыче калий­ ной руды на руднике «Баулби», который работает с 1973 г. и принадле­ жит компании «Кливленд Поташ Лимитед» (рис. 1.14). Ежегодно в руд­ нике регистрируется несколько сотен газодинамических явлений раз­ личной интенсивности [58]. Газодинамические явления интенсивностью от нескольких килограммов до 1000 т происходят на глубине примерно 1100 м из забоя и кровли горных выработок. Очаги ГДЯ расположены в пределах пласта «карналлитового мергеля», который залегает в кровле разрабатываемого сильвинитового пласта (рис. 1.15). В пласте «карнал­ литового мергеля» фактически отсутствуют карбонаты, что делает тер­ мин «карналлитовый мергель» не совсем корректным [59, 60]. Здесь соответствующим действительности будет термин «глинисто-соляные породы». Глинисто-соляные породы ослаблены многочисленными кру­ топадающими перегибами и раздувами, отсутствием физической связи

повреждена вентиляторная установка на поверхности [64]. Материалы по газодинамическим явлениям были собраны и систематизированы ко­ миссией по атомной энергии, осуществляющей проект «Уинфилд» по за­ хоронению радиоактивных отходов в соляных куполах (рис. 1.16). Ана­ лиз данных показывает, что при ГДЯ выделяется газ следующего соста­ ва: С02 — 47 %, пары Н20 — 17 %, N2 — 18 %, 0 2— 4,4 %, S02— 3,7 %,

Н2 — 1,8 %, СН4 — 6,3 %, С2Н2 — 0,4 %, тяжелые углеводородные га­ зы — о,4 %, Аг — 0,4 % [65, 66]. Содержание компонентов свободного газа может значительно изменяться в пределах площадей соляных купо­ лов, при этом может возрастать содержание N2 и СН4 в компонентном со­ ставе свободного газа. В формах полостей, образующихся в результате выбросов соли и газа, преобладают трубообразные, представляющие со­ бой уходящие в кровлю вертикальные или наклонные отверстия высотой от 2,0 до 65,0 м и диаметром от 0,5 до 10,0 м. Другие полости имеют фор­ му, близкую к полусферической. Американские ученые рассматривают выбросы соли и газа как мегаскопические явления, которые связаны с крупномасштабными тектоническими нарушениями в соляных куполах. Однако при этом ни в одной из научных работ не приводятся гипотезы механизма образования очагов газодинамических явлений [62-69].

На месторождении Кейн-Крик, расположенном в штате Юта, камер­ но-столбовой системой разрабатывались три калийных пласта мощно­ стью от 3,0 до 30,0 м. Продуктивные пласты залегают на глубине около 1000 м в сложных тектонических условиях и участками интенсивно смяты в складки [70]. Газодинамические явления наблюдались из кровли, забоя и стенок горных выработок. Интенсивность газодинамических явлений достигала в отдельных случаях более 3000 т. Очаги газодинамических яв­ лений были приурочены к участкам развития вторичных минералов, ло­ кальным зонам замещения продуктивных слоев каменной солью и зонам интенсивного дробления соляных пород. Гипотезы механизма образова­ ния очагов ГДЯ для условий месторождения Кейн-Крик в литературных источниках отсутствуют. В связи со сложными геологическими условия­ ми разработки в 1969 г. была проведена перестройка предприятия на отра­ ботку калийных руд методом подземного выщелачивания.

С 1929 г. подземным способом ведется разработка Карлсбадского месторождения калийных солей, расположенного в пределах штата Нью-Мексико. Камерно-столбовой системой на семи калийных рудни­ ках разрабатывается нижняя рудная зона мощностью от 1,5 до 4,0 м. Све­ дения о газодинамических явлениях весьма незначительны. В литера-

ные породы интрузий [45,71 ]. В местах газодинамических явлений отме­ чались трещины, выполненные волокнистым галитом и полигалитом с примесью пиритов и гидрокарбонатов, перекристаллизованная и обес­ цвеченная каменная соль, участки выщелачивания сильвина и его заме­ щение каменной солью, появление кристаллов голубого галита. Все эти изменения, вероятно, обусловлены воздействием термальных растворов, которые поступали в соленосную толщу при внедрении интрузий. Гипо­ тезы механизма образования очагов газодинамических явлений для ус­ ловий Карлсбадского калийного месторождения в литературных источ­ никах отсутствуют.

Значительные объемы добычи калийных солей подземным спосо­ бом приходятся на Канаду, где в настоящее время действует 10 калий­ ных рудников. При подземной разработке на глубинах 945-1050 м при­ меняется камерная система [74-76]. Сведения о газодинамических явле­ ниях в калийных рудниках месторождения Саскачеван весьма отрывочны. Обрушения и суфлярные газовыделения происходят из по­ род кровли. Высота полостей обрушений может достигать значительной величины — десятков метров. В составе газа, выделяющегося при ГДЯ, преобладают азот, метан и его гомологи. Газодинамические явления приурочены к участкам интенсивного развития тектонических трещин и каверн в массиве соляных пород. Развитие на отдельных участках сети трещин и каверн, заполненных карналлитом, свидетельствует о мигра­ ции рассолов в массиве соляных пород [74]. Публикации о возможных гипотезах механизма формирования очагов ГДЯ отсутствуют.

На юго-востоке Канады расположено еще два месторождения ка­ лийных солей — Кловер Хилл и Пенобксвис. Месторождение Кловер Хилл расположено в провинции Нью-Брансуик и приурочено к синкли­ нали Марчбанк. Сильвинитовая залежь на месторождении вытянута вдоль простирания оси синклинали на 6,5 км при ширине до 3,2 км. Под действием соляной тектоники калийная залежь приняла сложную форму и на части месторождения уничтожена в результате эрозии. Кровля соля­ ных отложений залегает на глубинах 450-915 м, а калийные соли в ин­ тервале 610-1037 м. Месторождение разрабатывается компанией Denison Mines Ltd. с 1979 г. В процессе проведения разведочных и под­ готовительных выработок, а также при ведении очистных работ проис­ ходили газодинамические явления в виде внезапных разрушений пород кровли, сопровождающихся газовыделениями. Возможный механизм образования очагов ГДЯ данного типа на месторождении в литератур-