Study of the Gas Factor during the Development of a Carnallite Deposit by the Underground Solution Method in the Territory of the Verkhnekamskoye Potassium-Magnesium Salt Deposit

Abstract


Underground dissolution technology allows for the development of water-soluble ore deposits in areas with complex geological structures, where mining does not meet safety requirements. In the area of the Verkhnekamskoye potassium-magnesium salt deposit, productive layers are characterized by a shallow depth and increased gas content. This article is devoted to the study of the gas factor at the design stage of pilot industrial tests of the technology of underground dissolution of a carnallite deposit under the conditions of the Verkhnekamskoye salt deposit. At this site, it is planned to test the hydraulic cutting technology using a double dissolution chamber and stepwise development of the deposit. Preliminary assessments of potential gas emissions into the underground dissolution chamber were conducted. The most probable gas composition and phase states at each stage of testing were determined. It was found that the gas fraction will predominantly consist of methane, hydrogen and nitrogen, of which the first two are dangerous, as they have flammable properties. Studies of gas solubility in brine, both in the underground chamber and on the surface, showed that most of the gases will be free, accumulating under the roof of the underground chamber. A significantly smaller portion will be dissolved in the brine. It is possible that they are present in brine and in a blanket (diesel fuel) in a bubbly form. An analysis of the most probable scenarios for gases entering the hydraulic network of a surface brine production complex from an underground chamber was carried out. Dissolved and bubbly gases may enter the brine extraction line and accumulate in receiving tanks. The greatest danger is the entry of free gases into the diesel fuel line during its extraction from the underground chamber in the process of a changeover of the operating stage, followed by accumulation in the separation tank. Sections have been identified where it is advisable to limit the spread of gases along the hydraulic network paths. Technical safety barriers have been developed, which, in combination with organizational measures, will reduce the risk of negative gas factor manifestations and ensure the necessary safety of work.

Full Text

18

About the authors

S. S Andreiko

Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

A. V Zaitsev

Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

A. V Pugin

Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

V. O Lyadov

Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

D. V Popovichev

JSC VNII Galurgii

References

  1. Поиск эффективных технологий разработки маломощных калийных пластов способом подземного растворения / В.С. Войтенко, С.Ф. Шемет, А.М. Гречко, С.Г. Шутин // Горный журнал. – 2014. – № 2. – С. 33–36.
  2. Каратыгин, Е.П. Проблемы разработки месторождений бишофита подземным растворением / Е.П. Каратыгин, Ф. Валькхофф, В.А. Ермаков // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2004. – Сем. 14. – С. 246–253.
  3. Underground hydrogen storage in salt caverns: Recent advances, modeling, approaches, barriers, and future outlook / B.A. Oni, Sh.O. Bade, S.E. Sanni, O.D. Orodu // Journal of Energy Storage. – 2025. – Vol. 107. – 114951. doi: 10.1016/j.est.2024.114951
  4. Tightness of an underground energy storage salt cavern with adverse geological conditions / T. Wang, L. Ao, B. Wang, Sh. Ding, K. Wang, F. Yao, J. J. K. Daemen // Energy. – 2022. – Vol. 238. – Part. C. – 121906. doi: 10.1016/j.energy.2021.121906
  5. Study on dissolution kinetics of rock salt in the construction of underground energy storage salt cavern / T. Wang, D. Xie, Yo. Liao, K. Xie, T. He // Chemical Engineering Science. – 2025. – Vol. 309. – 121508. doi: 10.1016/j.ces.2025.121508
  6. Underground Hydrogen Storage in Salt Cavern: A Review of Advantages, Challenges, and Prospects / X. Qian, Sh. You, R. Wang, Yu. Yue, Q. Liao, J. Dai, Sh. Tian, X. Liu // Sustainability. – 2025. – Vol. 17. – 5900. doi: 10.3390/su17135900
  7. Fliß, T. Solution mining — emission-free mining operation for a sustainable utilization of natural resources / T. Fliß, J. Bach, W. Ramm. – K-UTEC AG Salt Technologies. Germany.
  8. Chang, J. The self-healing property of rock salt damage in underground gas storage: A review / J. Chang, Ya. Qi, R. Yang, T. Hao // Results in Engineering. – 2025 – Vol. 27. – 106098. doi: 10.1016/J.RINENG.2025.106098
  9. Mathematical model of salt cavern leaching for gas storage in high-insoluble salt formations / J. Li, X. Shi, Ch. Yang, Yi. Li, T. Wang, H. Ma // Scientific reports. – 2018. – Vol. 8. – 372. doi: 10.1038/s41598-017-18546-w
  10. A Study on the Dissolution Characteristic of Salt Rock Using an Extended Rapid Cavity Creation Device / Ch. Zha, R. Pang, W. Wang, G. Liu // Energies. – 2025. – Vol. 18. – 737. doi: 10.3390/en18030737
  11. Mikhalyuk, A.V. Acceleration of cavity washout process in rock salt deposits for creating underground storage facilities / A.V. Mikhalyuk, V.V. Zakharov, P.A. Parshukov // Journal of Mining Science. 1999. – Vol. 35. – P. 77–83. doi: 10.1007/BF02562449
  12. Coupled thermos-hydro-mechanical-chemical processes in salt formations for storage applications / R. Habibi, Sh. Zare, A. Asgari, M. Singh, S. Mahmoodpour // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2023. – Vol. 188. – 113812. doi: 10.1016/j.rser.2023.113812
  13. Пьянкова, А.А. Бактериальное сообщество рассолов, извлекаемых при подземном растворении калийно-магниевых солей Якшинского месторождения (Республика Коми) / А.А. Пьянкова, Е.Г. Плотникова, С.Н. Шанина // Ученые записки Казанского университета. Серия естественные науки. – 2022. – Т. 164 кн. 3. – С. 457–474. doi: 10.26907/2542-064X.2022.3.457-474
  14. Microbial life in salt caverns and their influence on H2 storage – Current knowledge and open questions / N. Dopffel, B.A. An-Stepec, P. Bombach, M. Wagner, E. Passaris // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 58. – P. 1478–1485. doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.01.334
  15. Газоносность по свободным газам пород сильвинитовой и сильвинито-карналлитовой зон Верхнекамского месторождения / С.С. Андрейко, О.В. Иванов, Т.А. Лялина, Е.А. Нестеров // Горная промышленность. – 2021. – №. 4. – С. 125–133.
  16. Малюков, В.П. Особенности строительства подземных выработок-емкостей для хранения газонефтепродуктов в каменной соли с большим содержанием газа / В.П. Малюков // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. – 2012. – № 3. – С. 36–48.
  17. Смайльс, Н.Ю. Газодинамические явления и внезапные выбросы рассола и газа на скважинах подземного растворения каменной соли / Н.Ю. Смайльс // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2000. – № 7. – С. 177–179.
  18. Зильбершмидт, В.Г. Разрушение соляных пород / В.Г. Зильбершмидт, В.В. Зильбершмидт, О.Б. Наймарк. – М.: Наука, 1992. – 144 с.
  19. Барях, А.А. Деформирование соляных пород / А.А. Барях, С.А. Константинова, В.А. Асанов. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1996. – 180 с.
  20. Асанов, В.А. Деформирование соляных пород при длительном нагружении / В.А. Асанов, И.Л. Паньков, В.В. Аникин // Физ.-тех. проблемы разработки полезных ископаемых. – 2011. – № 4. – С. 50–56.
  21. Агенко, В.А. Исследование реологических свойств каменной соли / В.А. Агенко // Известия Уральского государственного горного университета. – 2019. – № 1. – С. 115–120.
  22. Здановский, А.Б. Галургия / А.Б. Здановский. – Л.: Изд-во «Химия», 1972. – 528 с.
  23. Подземное растворение соляных залежей (проблемы, моделирование, управление) / Е.П. Каратыгин, А.В. Кубланов, Л.М. Пустыльников, В.П. Чанцев. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1994. – 221 с.
  24. Аренс, В.Ж. Физико-химическая геотехнология: учеб. пособие / В.Ж. Аренс. – М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2001. – 656 с.
  25. Калабин, А.И. Добыча полезных ископаемых подземным выщелачиванием / А.И. Калабин. – М.: Атомиздат, 1969. – 369 с.
  26. Барях, А.А. Горнотехнические аварии: затопление Первого Березниковского калийного рудника / А.А. Барях, А.Е. Красноштейн, И.А. Санфиров // Вестник Пермского федерального исследовательского центра. – 2009. – №. 2. – С. 40–49.
  27. Laouafa, F. Underground Rock Dissolution and Geomechanical Issues / F. Laouafa, J. Guo, M. Quintard // Rock Mechanics and Rock Engineering. – 2021. – Vol. 54. – P. 3423–3445. doi: 10.1007/s00603-020-02320-y
  28. Salt exploration by dissolution – and alternative method to reduce post-closure risks / D. Moisuc-Hojda, M. Lazar, F. Faur, I.-M. Apostu // Matec Web of Cinferences. – 2024. – Vol. 389. – 00076. doi: 10.1051/matecconf/202438900076
  29. Mineralogy, microstructures and geomechanics of rock salt for underground gas storage / V. Vandeginste, Yu. Ji, F. Buysschaert, G. Anoyatis // Deep Underground Science and Engineering. – 2023. – Vol. 2. – P. 129–147. doi: 10.1002/dug2.12039
  30. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых». Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 08.12.2020 № 505. – М., 2020.
  31. Инструкция по безопасному ведению работ и охране недр при разработке месторождений солей растворением через скважины с поверхности РД 03-243-98. УТВЕРЖДЕНА Госгортехнадзором России Постановление от 26.11.98 N 68. – М., 1998.
  32. Sorensen, H. Modeling of gas solubility in brine / H. Sorensen, K.S. Pedersen, P.L. Christensen // Organic Chemistry. – 2002. – Vol. 33. – P. 635–642. doi: 10.1016/S0146-6380(02)00022-0.
  33. Smith, S.P. The solubility of noble gases in water and in NaCl brine / S.P. Smith, B.M. Kennedy // Geochimica et Cosmochimica Acta. – 1983. – Т. 47, vol. 3. – P. 503–515.
  34. Crozier, T.E. Solubility of hydrogen in water, sea water, and sodium chloride solutions / T.E. Crozier, S. Yamamoto // Journal of Chemical and Engineering Data. – 1974. – Т. 19, vol. 3. – P. 242–244.
  35. Schumpe, A. The estimation of gas solubilities in salt solutions / A. Schumpe // Chemical engineering science. – 1993. – Т. 48, № 1. – С. 153–158.
  36. Кудряшов, А.И. Верхнекамское месторождение солей / А.И. Кудряшов. – Пермь: ГИ УрО РАН, 2001. – 429 с.
  37. Указания (мероприятия) по защите рудников ПАО «Уралкалий» от затопления и охране объектов на земной поверхности от вредного влияния подземных разработок на Верхнекамском месторождении солей: утв. ПАО «Уралкалий». – Пермь, Березники, 2022. – 118 с.
  38. Смайльс, Н.Ю. Закономерности формообразования подземной камеры при подземном растворении пластов каменной соли / Н.Ю. Смайльс // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2001. – № 9. – С. 163–166.
  39. Салохин, В.И. Влияние гидродинамических процессов в камере подземного растворения на осаждение и вынос нерастворимых включений / В.И. Салохин, А.С. Хрулев, Д.В. Каналин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2002. – № 12. – С. 122–125.
  40. Calculation of IFT in porous media in the presence of different gas and normal alkanes using the modified EoS / S. Hamidpour, A. Safaei, Y. Kazemzadeh, A. Hasan-Zadeh, A. Khormali // Scientific Reports. – 2023. – Vol. 13, № 1. – 8077. doi: 10.1038/s41598-023-35320-3
  41. Travalloni, L. Phase equilibrium of fluids confined in porous media from an extended Peng–Robinson equation of state / L. Travalloni, M. Castier, F.W. Tavares // Fluid Phase Equilibria. – 2014. – Vol. 362. – P. 335–341.
  42. Ahlers, J. Development of an universal group contribution equation of state: I. Prediction of liquid densities for pure compounds with a volume translated Peng–Robinson equation of state / J. Ahlers, J. Gmehling // Fluid Phase Equilibria. – 2001. – Т. 191, vol. 1-2. – P. 177–188.
  43. Намиот, А.Ю. Растворимость газов в воде под давлением / А.Ю. Намиот, М.М. Бондарева. – М.: Гостоптехиздат, 1963 – 147 с.
  44. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.
  45. Дегазация жидкости при течении в трубе в условиях падения давления / Э.Л. Китанин, Е.Ю. Кумзерова, А.С. Чернышев, А.А. Шмидт // Письма в ЖТФ. – 2007. – Т. 33, вып. 16. – С. 65–71.

Statistics

Views

Abstract - 2

PDF (Russian) - 1

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2025 Andreiko S.S., Zaitsev A.V., Pugin A.V., Lyadov V.O., Popovichev D.V.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies