Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных и

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

бурение 2 первых в России горизонтальных скважин с проходкой по угольному пласту (РН-11г и РН-12г) с попаданием в ствол третьей вертикальной скважины РН-10, ведется их поэтапное освоение. Закончены бурением 3 структурные скважины на Чалтокском участке промысла (СН-15 – СН-17).

Освоение и эксплуатация метаноугольных скважин ввиду специфических особенностей требуют принудительного откачивания попутной пластовой жидкости. Только при условии полного осушения, одновременно разрабатываемой группы продуктивных угольных пластов достигаются максимальные дебиты скважин.

Как правило, при завершении строительства скважин продуктивные пласты (до 8 эксплуатационных объектов в одной скважине) подвергаются дополнительной стимуляции посредством гидравлического разрыва пласта (ГРП). В связи с этим технология добычи метана из угольных пластов состоит из следующих основных этапов: обустройство промплощадки и бурение скважины, гидроразрыв угольного пласта, осушение угольного пласта, извлечение метана.

Строительство скважин производится на территории, не пригодной для сельскохозяйственного использования и не являющейся памятником природы, охраняемой и заповедной территорией.

Главный приоритет проекта – безопасность шахтерского труда. Добыча метана, которая будет вестись опережающе-параллельно с добычей угля, позволит существенно снизить высокую газоносность Кузбасских угольных пластов и минимизировать риск возникновения подземных взрывов.

При организации и проведении промысловой добычи метана из угольных пластов возможно решение экологических проблем, которые особенно актуальны

вугледобывающих регионах, где совместное влияние шахт, карьеров и промышленных предприятий, связанных с переработкой и использованием угля, существенно осложняет экологическую обстановку.

Развитие такого уникального проекта, как добыча метана угольных пластов

вКузбассе, в перспективе обеспечивает: охрану воздушного бассейна и улучшение экологической обстановки в регионе за счет сокращения выбросов в атмосферу метана и продуктов сгорания угля; гарантии восстановления плодородия земли после завершения деятельности газовых промыслов; комплекс предусмотренных мероприятий по охране поверхностных и подземных вод; уменьшение газоопасности будущей подземной разработки угольных пластов в результате заблаговременной дегазации; отсутствие негативных последствий промысловой добычи метана (с применением технологий гидроразрыва) на будущую шахтную разработку угольных пластов и устойчивость пород при проведении горных выработок; ожидаемые незначительные потери угля, несущественные по сравнению со значимостью промысловой добычи метана.

Принимая во внимание вышесказанное, а также большие возможности развития промысловой добычи метана угольных пластов, организация его широкомасштабной добычи в Кузбассе является необходимой и экологически целесообразной.

221

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Список литературы

1.О компании [Электронный ресурс]. – 2015. – URL:http://kuznetsk-doby- cha.gazprom.ru.

2.Кузнецкий бассейн – крупнейшая сырьевая база промысловой добычи метана из угольных пластов / А.М. Карасевич, В.Т. Хрюкин, Б.М. Зимаков [и др.] – М.: Изд-во Акад. горных наук, 2001. – 62 с.

3.Зимаков Б.М., Натура В.Г., Хрюкин В.Т. Геологические перспективы добычи метана в Кузнецком бассейне. – М.: Геоинформмарк, 1992. – 92 с.

4.Угольная база России / под ред. В.Ф. Череповского. – М.: Геоинформ-

центр, 2004. – Т. VI. – С. 430–453.

5.Андрейко С.С., Лялина Т.А. результаты оценки закономерностей распределения га-зодинамических явлений при бурении геолого-разведочных скважин

споверхности на Верхнекамском месторождении калийных солей // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2011. – № 1. – С. 105–120.

6.Андрейко С.С., Лялина Т.А. Оценка корреляционных связей между содержанием сульфата кальция и содержанием нерастворимого остатка в соляных породах Верхнекамского месторождения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и гор-

ное дело. – 2011. – № 1. – С. 94–104.

7.Разработка критериев текущего прогноза выбросоопасности при проходке горных выработок по пласту КРIII в условиях рудников ОАО «Уралкалий» / С.С. Андрейко, Т.А. Лялина, О.В. Иванов, Е.А. Нестеров // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2012. – № 5. – С. 97–106.

8.Андрейко С.С., Зверева Е.В. Прогнозирование зон, опасных по газодинамическим явлениям, на шахтном поле рудника СКРУ-3 ОАО «Уралкалий» на основе структурно-тектонического анализа строения пласта АБ // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2013. – № 7. – С. 79–88.

9.Андрейко С.С., Лялина Т.А. Оценка возможности развития газодинамических явлений в виде внезапных разрушений пород почвы горных выработок, сопровождающихся газовыделением, в условиях южной части Верхнекамского месторождения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2013. – № 7. –

С. 107–115.

10.Андрейко С.С., Зверева Е.В. Анализ структурно-тектонического строения пласта АБ юго-восточной части шахтного поля рудника СКРУ-3 ОАО «Уралкалий» // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2014. – № 10. –

С. 107–113.

222

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

11.Исследование газоносности соляных пород по связанным газам на новых участках шахтных полей рудников ОАО «Уралкалий» / С.С. Андрейко, Э.Р. Гайсина, К.А. Красильникова, В.В. Пачгин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и гор-

ное дело. – 2013. – № 8. – С. 86–100.

12.Некрасов С.В., Андрейко С.С. Вычислительная схема оценки напряжен- но-деформированного состояния кусочно-однородной трехмерной упругой среды на основе непрямого метода граничных элементов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтега-

зовое и горное дело. – 2015. – № 16. – С. 86–97.

223

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЗАКЛАДКИ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ ИЗ ОТХОДОВ КАЛИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

А.Л. Васильев, М.А. Васильева

Научный руководитель – д-р техн. наук, профессор В.И. Александров Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Рассмотрена технология ведения закладочных работ с применением твердеющих смесей с использованием отходов обогащения калийных солей. Также выполнен обзор схемы транспортирования данных материалов к месту закладки на примере Верхнекамского месторождения.

Ключевые слова: гидротранспорт, галит, гидравлическая закладка, калийные месторождения, солеотходы, обогащение.

Растущие потребности рынка в минеральных удобрениях вызывают увеличение производственных мощностей горнодобывающих предприятий. Наращивание объемов производства калийных удобрений требует вовлечения в отработку все больших запасов. В настоящее время большую часть залежей разрабатывают ка- мерно-столбовой системой с оставлением ленточных целиков. Это неизбежно приводит к большим потерям полезного ископаемого – до 65 %. В процессе обогащения образуется огромное количество отходов каменной соли, которые составляют 60–70 % от общего объема добытой руды [1]. Они складируются на поверхности и наносят вред плодородным землям и водному бассейну. Оставляемые целики пластичны, со временем происходит их разрушение, что, в свою очередь, приводит к оседанию земной поверхности. Учитывая наличие в налегающих породах опасных водоносных горизонтов, задача сохранения водозащитной толщи при добыче имеет большое значение. Из-за развития нарушений в налегающих породах уже затоплены два рудника на Верхнекамском месторождении. Длительное техногенное воздействие и большие площади обнажения также приводят к сейсмической активности районов отработки рудных залежей. На калийных рудниках зарегистрированы горные удары силой до 5 баллов.

Требованиям высокого уровня количественных и качественных показателей извлечения отвечают системы разработки с закладкой выработанного пространства. Их применение позволяет существенно увеличить извлечение руды, управлять горным давлением, сохранять водозащитную толщу пород, что повышает безопасность ведения горных работ.

Одна из основных характеристик гидравлической закладки это получаемая прочность закладочного массива, которая повышается одновременно с рассолоотдачей и снижением влажности. При гидрозакладке флотационные отходы укладываются настолько плотно, что вести работы можно уже через сутки после стока отстоявшегося рассола – сказывается влияние более прочной верхней корки слоя соли, толщина которой не превышает 3–5 мм, но прочность ее значительно отличается от прочности всего закладочного массива. Именно образование этой «корки» при-

224

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

водит к тому, что следующий слой закладки ложится как бы на почву, не нарушая и не изменяя свойств нижнего пласта. Поэтому рекомендуется возводить закладочный массив из чередующихся тонких слоев, что увеличивает прочность закладки, но приводит к необходимости иметь в закладке сразу несколько камер [2].

Одна из основных технологических операций гидрозакладки на калийных рудниках– транспортирование закладочной пульпы, ее транспортируют от узла пульпоприготовления, расположенного на земной поверхности, до закладываемых камер.

Технологическая схема закладочного комплекса, применяемая на Верхнекамском месторождении, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Надземная часть закладочного комплекса: 1 – сборный конвейер; 2 – распределительная течка; 3 – конвейер на солеотвал; 4 – ленточный фильтр;

5 – пульпоотделитель; 6 – задвижка; 7 – весы; 8 – смесительная воронка; 9 – плотномер; 10 – индукционный расходомер; 11 – баки с рассолом; 12 – конвейер на воронке

Гидрозакладочная пульпа состоит из солеотходов и насыщенного рассола. Обычно гидротранспорт обеспечивается за счет движущего напора, создаваемого весом столба пульпы в стволе. Если движущий напор меньше требуемого, то по трассе трубопровода устанавливают пульпоперекачные станции. Удельные потери напора пульпы зависят от технологических параметров гидрозакладки (диаметра трубопроводов, плотности и скорости пульпы) и коэффициента гидравлического трения, определяемого с учетом шероховатости внутренней поверхности трубопровода и вязкости смеси. Удельные потери напора пульпы солеотходов составляют от 0,03 до 0,09 м вод. ст./м в зависимости от типа и диаметра трубопровода [3, 4].

225

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Применяя на калийных рудниках камерную систему с твердеющей закладкой, такую технологическую схему можно использовать для заложения камер второй, третьей очереди (рис. 2, 3). Прочностные характеристики закладочных массивов устанавливаются в зависимости от ожидающих их нагрузок, соответственно, веса закладочного массива, веса всего столба вышележащих пород. В данный момент на Верхнекамском месторождении применяются следующие параметры системы разработки: ширина хода камеры зависит от типа применяемого оборудования, она постоянна и, например, для комбайна Урал – 20А равна 5,1 м [1].

Рис. 2. Двухстадийная выемка (соответственно по оси целика и на контакте целика с закладкой)

Рис. 3. Трехстадийная выемка (при ширине целика 10,2 м и соответственно при ширине целика менее 10,2 м)

Для приготовления твердеющей смеси в условиях калийных рудников могут быть использованы такие материалы, как отходы калийного производства в качестве заполнителей, песок, щебень, галечник, породы вскрыши и солеотвалов; в качестве вяжущих веществ – доменные гранулированные отходы ТЭЦ и ГРЭС, добавки из гипса и хлористого кальция. Исходными материалами для создания твердеющей закладки могут служить бишофит, магнезиальный цемент, каустический магнезит, керамзит, пустые породы и бедные руды, добываемые в руднике, и др.

Применение на калийных рудниках закладки из твердеющих смесей на основе отходов обогащения повышает безопасность ведения горных работ, позволяет утилилизировать отходы обогащения калийных солей в отработанное пространст-

226

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

во, к тому же за счет формирования прочного закладочного массива в отработанной камере увеличивается извлечение запасов калийной руды. Таким образом, на Урале накоплен большой опыт применения гидрозакладки, который необходимо использовать при разработке месторождений.

Список литературы

1.Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках Верхнекамского калийного месторождения. – М.: Недра, 1992.

2.Вотяков М.В. Повышение полноты извлечения запасов калийных руд на основе закладки выработанного пространства галитовыми отходами: автореф. дис… канд. техн. наук. – М., 2009.

3.Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках ОАО «Сильвинит» / ОАО «Галургия». – Новосибирск: Наука, 2011. – 478 с.

4.Исследование транспортабельности закладочных смесей из отходов калийного производства и хлористого кальция / М.И. Русаков, Б.А. Борзаковский, А.В. Шилов, В.В. Тарасов, В.С. Пестрикова // Изв. ТулГУ. Науки о земле. – 2014. – Вып. 1.

227

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ОБЩИЙ ПОДХОД К СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

А.К. Кирсанов, Д.А. Грибанова

Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Г.С. Курчин Сибирский федеральный университет, г. Красноярск

Отражаются основные факторы, влияющие на эффективность взрывной отбойки. Дано описание перспективных методик расчета параметров буровзрывных работ при проходке горных выработок.

Ключевые слова: буровзрывные работы, параметры шпуров, методика расчёта, заряд, взрыв.

Считается, что в течение ближайших десятков лет буровзрывные работы (БВР) останутся наиболее востребованным и безальтернативным способом разрушения горной породы для добычи полезных ископаемых [1–4], однако на данный момент количество современных теорий о действии взрыва настолько велико, что не приходится говорить о каком-то едином мнении среди исследователей касательно признания одной из таких теорий единой. По сей день не разработано единой методики расчета параметров БВР, которая смогла бы достаточно полно объяснить механизм разрушения породы взрывом.

Современный уровень взрывных технологий при проходке горизонтальных и наклонных горных выработок характеризуется использованием преимущественно эмпирических формул, в расчете которых зачастую присутствуют коэффициенты с весьма широким диапазоном изменения. Принимаемые к расчету значения в большей мере зависят от уровня подготовки и интуиции специалиста, выполняющего расчеты. Таким образом, параметры БВР устанавливают по усредненным значениям, что отрицательно сказывается на эффективности ведения взрывных работ (ВР) в целом.

Изучением взрывного воздействия на разрушаемый породный массив от детонирующего заряда взрывчатого вещества (ВВ) занимаются ученые со всех концов света, начиная с момента использования его в горном деле, так как решение этого вопроса имеет важное научно-практическое значение.

Исследование явления взрыва только аналитическими методами является довольном сложной задачей, так как само понятия «взрыв» заключает в себе множество процессов, требующих дополнительного изучения. Согласно накопленному опыту ведения ВР на работу взрыва существенное влияние оказывают такие обобщенные факторы, как:

горно-геологические и горнотехнические показатели разрушаемой породы;

тип и характеристика используемого ВВ;

диаметр заряжаемого шпура (скважины);

плотность заряжания.

Необходимые фундаментальные теоретические основы действия взрыва в породе были заложены десятками выдающихся отечественных и зарубежных

228

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

ученых. Таким образом, можно подчеркнуть, что исследования по совершенствованию методов расчета рациональных параметров БВР играют очень важную роль в современной горной науке.

Но для того чтобы создавать некий алгоритм расчета для ведения ВР или осуществлять практические рекомендации, необходимо разобраться в самом механизме и последовательности процессов, происходящих в момент действия взрыва.

Детонация взрывчатого вещества в шпуре приводит к генерации высокого давления и температуры в результате быстрого протекания химических реакций. Скорость химической реакции обозначается как скорость детонации. Как правило, после детонации ВВ и высвобождения большого количества энергии под высоким давлением в массиве образуется взрывная волна, движущаяся во всех направлениях.

Оказываемое ударной волной давление на горную породу вызывает сжимающие и растягивающие напряжения, которые намного выше, чем прочность породы, за счет чего и происходит ее деформация [5]. Под действием ударной волны в горной породе, вблизи расположения шпура с зарядом ВВ образуется зона смятия (зона раздавливания), где происходит сильное мелкодисперсное дробление породы (рис. 1). По мере удаления от центра взрыва эти ударные волны затухают и переходят в зону трещинообразования (рис. 2).

Рис. 1. Формирование зоны смятия вокруг заряда ВВ

Рис. 2. Формирование зоны трещинообразования вокруг заряда ВВ

229

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Последние из рассматриваемых процессов (зона смятия и зона трещинообразования) представляют собой особой интерес для изучения, так как на основе их достоверного определения можно разработать методику расстановки сетки шпуров по площади забоя горной выработки [0, 0].

Такие методики существенно отличаются от традиционных, где в первую очередь определяется удельный расход ВВ, а затем все остальные параметры паспорта БВР.

Воснову методик на основе зон разрушения породного массива под действием энергии взрыва заряда ВВ положено утверждение, что если расположить заряды на некоем расстоянии друг от друга, но в пределах рассчитанной заранее зоны разрушения, то можно достигнуть наиболее эффективного действия взрыва.

Однако в создании такой методики также существуют свои сложности, которые обусловливаются разнообразием горно-геологических условий на разрабатываемых месторождениях, трещиноватости и вязкости разрушаемого массива, типу и качеству используемого ВВ и т.д. Изменение одного из этих параметров может привести к ухудшению показателя взрыва, что повлечет за собой дополнительные материальные и нематериальные затраты в виде экстренного составления нового паспорта БВР и проведения опытных взрывов.

Всвязи с этим есть основания полагать, что создаваемая методика на современном этапе развития технологий должна включать в себя все основные параметры, влияющие на эффективность ВР, а также предполагать создание специализированной программы для персонального компьютера с набором необходимых данных и выводом готового паспорта БВР на печать.

Работа в этом направлении ведется коллективом кафедры «Шахтное и подземное строительство» в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых ученых-кандидатов наук – МК-5475.2015.8.

Список литературы

1.Расчет конструкции прямого призматического вруба / С.А. Вохмин, Г.С. Курчин, А.К. Кирсанов, Д.А. Грибанова // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – №1. – URL: http: //www.science-education.ru/121-17267 (дата обращения: 23.10.2015).

2.Разрушение горных пород сближенными зарядами / С.Д. Викторов, Ю.П. Галченко, В.М. Закалинский, С.К. Рубцов. – М.: Научтехиздат, 2006. – 276 с.

3.Викторов С.Д., Закалинский В.М. Взрывное разрушение горных массивов

вРоссии // Взрывное дело. – 2012. – № 107-64. – С. 181–190.

4.Викторов С.Д. Взрывное разрушение массивов горных пород – основа прогресса в горном деле //Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2015. – № S1. – С. 63–75.

230