Полный текст

Введение В настоящее время опасными по газодинамическим явлениям (ГДЯ) в условиях калийных рудников ОАО «Беларуськалий», помимо пород I и III калийных горизонтов, считаются и породы 12-й глинисто-карбонатной пачки [1-15]. В процессе проведения уклонов, вскрывающих IV калийный горизонт, будут пересекаться, помимо 12-й глинисто-карбонатной пачки, также 10-я и 8-я, которые по своему геологическому строению во многом схожи с геологическим строением 12-й глинисто-карбонатной пачки. Геологическое строение глинисто-карбонатных пачек в условиях Старобинского месторождения калийных солей характеризуется: частым чередованием прослоев глин с доломито-известковыми глинистыми породами, неслоистых и слабо слоистых пород; наличием слоев песчаников и алевролитов; наличием в верхней части пачек слоев каменной соли, играющих своего рода роль «газонепроницаемых экранов»; наличием в породах пачек органического вещества (до 1 %). Все эти особенности геологического строения глинисто-карбонатных пачек позволяют предполагать протекание в толще пород процессов образования свободных газов и, соответственно, формирование приконтактных и очаговых скоплений свободных газов, которые при ведении горных работ - проходке вскрывающих уклонов, могут быть очагами газодинамических явлений. Породы 11, 9-й и 7-й соляных пачек содержат слои и прослои несоляных пород - галопелитов, мощность которых колеблется от долей миллиметров до нескольких десятков сантиметров. К таким галопелитовым слоям и прослоям, как показывает практика ведения горных работ в калийных рудниках, могут быть приурочены приконтактные скопления свободных газов, которые также могут быть очагами таких газодинамических явлений, как внезапные обрушения (разрушения) пород кровли (почвы) горных выработок, сопровождающиеся газовыделением. Многолетняя практика ведения горных работ на пластах, опасных по газодинамическим явлениям, показывает, что только глубокое изучение газоносности и газодинамических характеристик глинисто-карбонатных и соляных пород позволит обосновать безопасные способы проходки горных выработок по газоносным горным породам [16-47]. Для обеспечения безопасности ведения горных работ были разработаны временные рекомендации по безопасному ведению горных работ при проходке вскрывающих уклонов по 12, 10-й и 8-й глинисто-карбонатным пачкам (ГКП) и 11, 9-й и 7-й соляным пачкам (СП) при вскрытии IV калийного горизонта на шахтном поле рудника Второго рудоуправления (2 РУ) ОАО «Беларуськалий», которые включают параметры профилактического дегазационного бурения, параметры буровзрывных работ для торпедирования и дегазации приконтурной части уклонов при появлении предвестников газодинамических явлений, а также рекомендации по контролю предупредительных признаков и предвестников газодинамических явлений. Кроме этого в процессе проходки вскрывающих уклонов предусмотрено научное сопровождение, заключающееся в проведении научно-исследовательских работ по изучению газоносности и газодинамических характеристик пород 12, 10-го и 8-го глинисто-мергелистых и 11, 9-го и 7-го соляных горизонтов для своевременной корректировки и уточнения мероприятий по обеспечению безопасной проходки уклонов, вскрывающих IV калийный горизонт на шахтном поле рудника 2 РУ. Геологическое строение 12, 10, 8-й глинисто-карбонатных и 11, 9, 7-й соляных пачек Геологическое строение толщи пород, разделяющей III и IV калийные горизонты, на участке проходки вскрывающих уклонов представлено на рисунке (а) [48-50]. Как видно из данных рисунка, мощности глинисто-карбонатных пачек - 12, 10-й и 8-й - составляют 22,7; 19,4; 32,1 м соответственно, а мощности соляных пачек - 11, 9-й и 7-й - 28,2; 44,6 и 28,5 м соответственно. В пределах Старобинского месторождения калийных солей 12-я ГКП вскрыта скважинами, расположенными в основном в западной части месторождения и в краевых околоконтурных его частях. Отличительной особенностью пачки является ее значительная мощность и закономерное постепенное изменение. Максимальные значения мощности пачки (45,73-46,02 м) наблюдаются в северной и северо-восточной частях Старобинского месторождения. В южном и юго-западном направлении происходит постепенное понижение мощности: сначала до 35,60-38,90 м, затем до 28,0-33,41 м и, наконец, в западной периферийной части месторождения и в южной половине центральной площади месторождения мощность пачки снижается до 23,95-25,0 м. Минимальную мощность (20,95 м) пачка имеет в южной части западной периферийной области и в южной части основной площади. Таким образом, с северо-востока на юго-запад мощность пачки сокращается более чем в два раза: с 45,78-46,02 до 20,95 м. В геологическом разрезе 12-й глинисто-карбонатной пачки выделяются, как правило, четыре слоя. Отличительной особенностью этой пачки является наличие мощных прослоев песчаника в основании некоторых слоев, а также общее увеличение песчанистых и алевритистых фракций в составе терригенных пород. Первый (нижний) слой имеет среднюю мощность 4,0-5,0 м. Несколько увеличенная его мощность (7,5-6,0 м) наблюдается в северной и северо-восточной части месторождения. В южной и юго-восточной части месторождения определяется уменьшенная мощность первого слоя (2,0-3,5 м). Нижняя часть первого слоя сложена чередованием тонких слоев (от нескольких мм до 2-3 см) доломитового мергеля и глины различной степени карбонатной. Имеются миллиметровые прослои желтовато-серого алевролита и карбонатно-ангидритовой и пелито-ангидритовой породы. Верхняя часть первого слоя сложена темно-серым мергелем, плотным, неясно слоистым с прослоями песчаника. Второй слой отличается от первого наличием в нижней своей части слоя песчаника, имеющего мощность от 1,5 до 6,0 м. Мощность слоя песчаника, так же, как и общая мощность слоя, увеличивается с юга на север. Песчаник имеет желтоватый или коричневато-серый цвет тонко- и мелкозернистый, с включениями крупных зерен кварц-полевошпатового состава. Текстура песчаника слоистая. Цементом является галит. В верхней половине слоя определяется большое количество гнезд ангидрита. Выше слоя песчаника залегает пестроцветная глина, прослоями переходящая в доломитовый мергель. Редко встречаются прослои ангидрита мощностью до нескольких сантиметров. Заканчивается пачка глинисто-мергелистыми породами с прослоями каменной соли и редкими прослоями ангидрита. Мощность второго слоя изменяется от 5,6-7,0 м в юго-восточной и западной части месторождения до 11,0-15,2 м в северной части площади месторождения. Третий слой в основании имеет также слой песчаника, который в западной периферийной и северной части месторождения переходит в алевролит. Мощность слоя составляет 0,4 м в западной части месторождения, 1,7-2,2 м в южной и юго-восточной части и 6,2 м в северной части месторождения. Песчаник имеет розовато-серый и серый цвет, цемент галитовый. Выше песчаника залегает зона переслаивания глины с доломитовым мергелем. Мощность слоев глин от 1 мм до 10 см, мергеля - от 1 мм до 20 см. В некоторых случаях глина песчанистая. В верхней части слоя глина переходит в глинисто-мергелистую породу, неяснослоистую, иногда алевритовую. Встречаются единичные прослои алевролита (мощностью до 2 см) реже прослои ангидрита (мощностью до 0,5 см). Третий слой завершается слоем каменной соли, имеющим мощность 2,0-3,6 м. В западной периферической части площади месторождения слой каменной соли отсутствует. Мощность третьего слоя также резко изменяется: в южной и западной периферической части месторождения мощность составляет 7,2-9,6 м; в северной и северо-восточной частях - 14,6-17,0 м. В третьем слое происходит сокращение мощности в основном за счет несоляной ее части и лишь в западной периферической части месторождения - частично за счет отсутствия слоя каменной соли в кровле слоя. В четвертом (верхнем) слое пачки лишь в северной и западной периферической части месторождения удается выделить верхнюю и нижнюю части, сложенные различными типами пород. В южной части месторождения этого сделать не удается. Поэтому в описании последних фигурирует только глина алевритистая с прослоями каменной соли. В северной и западной периферических частях месторождения такими глинами сложена верхняя часть четвертого слоя, а в нижней части встречаются прослои доломито-ангидритовой породы и прослои песчаника. Мощность верхнего слоя пачки изменяется от 2,7-3,0 м в юго-восточной части месторождения до 3,2-7,6 м в южной и западной частях. В северной и северо-восточной частях мощность четвертого слоя пачки увеличивается до 7,9-12,0 м. В целом изменение мощности каждого слоя пачки в отдельности подчиняется общей закономерности - увеличению мощности с юго-запада на северо-восток. Изменение мощности 12-й глинисто-карбонатной пачки происходит из-за изменения мощности каждого слоя, а количество слоев в пачке при этом остается одинаковым на всей площади ее распространения. Расположенные ниже по геологическому разрезу 10-я и 8-я глинисто-карбонатные пачки вскрыты ограниченным числом скважин, расположенных в западной половине месторождения и в околоконтурных северной и южной его частях. На всей этой площади (за исключением юго-восточной части) мощность 10-й глинисто-карбонатной пачки остается более или менее постоянной и составляет 19,4-23,7 м, и лишь в юго-восточной части увеличивается до 27,5-30,3 м, а в юго-западной части площади (скв. № 142) - уменьшается до 17,0 м. В строении 10-й и 8-й глинисто-карбонатных пачек принимают участие три слоя, поэтому эти пачки, как и 12-я, относятся к «сложным» по геологическому строению. Как правило, нижняя часть первого слоя этих пачек сложена чередованием глин с доломито-известково-глинистыми породами и слагает примерно 40-50 % общей мощности слоя. Выше следуют глинисто-мергелистые неслоистые и слабослоистые породы. Мощность их составляет 30-40 % от общей мощности слоя. Нередко к верхней части этих пород присоединяются слои песчаников и алевролитов. Самая верхняя часть слоя (10-15 % от общей мощности) слагается породами с повышенным содержанием сульфата кальция, доломита и кальцита. В целом порода нижней части имеет слоистую структуру. Верхние части слоев сложены глинисто-мергелистыми породами, почти неслоистыми или слабослоистыми, в которых встречаются лишь единичные прослои глинисто-известковистых доломитов, доломито-известковистых мергелей и глин. Верхние части глинисто-карбонатных пачек имеют более однородный состав. Первый (нижний) слой пачки в западной периферической части характеризуется мощностью 8,7-10,0 м. В северной, северо-восточной и центральной частях месторождения мощность первого слоя составляет 6,7-8,4 м, а в восточной - уменьшается до 3,2 м. Нижняя часть первого слоя мощностью 3-5 м сложена темно-серыми с зеленоватым оттенком глинами, прослоями карбонатно-ангидритовых пород. По данным скв. № 396 мощность 10-й глинисто-карбонатной пачки составляет 19,4 м. Пачка представлена чередованием массивной глины темно-серого, зеленовато-серого и буровато-коричневого цвета. В интервалах 60,6-60,8 и 66,9-67,2 м отмечены прослои мелкозернистых песчаников. Мощность 8-й глинисто-карбонатной пачки - 32,10 м; пачка Рис. III и IV калийные горизонты: а - геологический разрез толщи пород, разделяющей III и IV калийные горизонты, на участке проходки вскрывающих уклонов на шахтном поле рудника 2 РУ: 1 - каменная соль; 2 - переслаивание глин и мергелей; 3 - песчаники; б - газоносность пород и начальная скорость газовыделения в скважинах по разрезу толщи пород между III и IV калийными горизонтами сложена чередующимися прослоями массивной глины темно-серого и буровато-коричневого цвета с прослоями мергеля зеленоватосерого цвета. В интервалах 120,55-120,59; 143,20-143,40 и 144,55-144,90 м отмечены прослои тонкозернистых песчаников. Соляные пачки 11, 9-я и 7-я представлены, главным образом, каменной солью, содержащей слои и прослои несоляных пород - галопелитов, мощность которых колеблется от долей миллиметров до 0,15 м. Так, 11-я соляная пачка мощностью 28,20 м представлена каменной солью от светло-серого до темно-серого цветов. Темно-серый цвет каменной соли обусловлен примесью глинистого материала. Каменная соль средне- и крупнокристаллическая. По всей мощности пачки встречаются прослои глины темно-серого цвета мощностью от нескольких миллиметров до 0,10 м. Нижележащая 9-я соляная пачка мощностью 44,60 м представлена чередованием прослойков каменной соли серого и темно-серого цвета, средне- и крупнокристаллической. Во второй половине интервала мощности появляются прослои каменной соли желтовато-сероватого цвета, мелкокристаллической. По всей мощности 9-й пачки встречаются прослойки глины темно-серого цвета мощностью от нескольких миллиметров до 0,15 м. Верхняя часть 7-й соляной пачки мощностью 5,83 м представлена каменной солью серого цвета с прослойками глины темно-серого цвета. Наличие в породах соляных пачек глинистых слоев и прослоев мощностью до 0,15 м свидетельствует о возможных приконтактных скоплениях свободных газов. Методика исследования газоносности и газодинамических характеристик пород 12, 10, 8-й глинисто-карбонатных и 11, 9, 7-й соляных пачек Газоносность пород слоя подстилающей каменной соли (СПКС), 12, 10, 8-й глинисто-карбонатных (ГКП) и 11, 9, 7-й соляных пачек (СП) изучалась путем отбора проб и замеров характеристик, выделяющихся из исследовательских скважин газов [51, 52]. По мере проходки уклонов, вскрывающих IV калийный горизонт, скважины бурились поинтервально в почву выработки, нормально к напластованию пород. Интервал бурения составлял 1,0 м. Затем буровой став извлекался, и скважина герметизировалась на глубине 0,5 м от ее забоя. Газ, выделяющийся из стенок и забоя загерметизированной части шпура (скважины), поступает в газоотводящий штуцер, к которому подключается прецизионный портативный цифровой манометр DPI-740, предназначенный для работы в лабораторных и «полевых» условиях. Высокие точность и временная стабильность прибора позволяют при необходимости использовать его в качестве образцового барометра или индикатора абсолютного давления. С помощью DPI-740 определяется начальная скорость газовыделения в скважине по давлению, создаваемому газом, проходящим через откалиброванное отверстие капилляра, а также приращение давления газов в скважине в течение 30 с после ее герметизации, то есть начальное газовое давление. По этой величине с помощью заранее построенных графиков зависимости Х = f(Pг), где Х - газоносность пород, м3/м3; Рг - величина начального газового давления, определяются показатели газоносности [21]. Результаты экспериментальных исследований газоносности и газодинамических характеристик пород при поинтервальной проходке вскрывающих уклонов на шахтном поле рудника 2 РУ При проходке транспортного, конвейерного и вентиляционного уклонов, вскрывающих IV калийный горизонт на шахтном поле рудника 2РУ, пробурено 14 скважин с целью определения газоносности и газодинамических характеристик пород слоя подстилающей каменной соли и 12-й глинисто-карбонатной пачки, а также пять комплектов по три скважины в каждом для исследования газоносности пород 10, 8-й глинисто-карбонатных и 11, 9-й соляных пачек. Всего в процессе научного сопровождения проходки вскрывающих уклонов было пробурено 29 исследовательских скважин. Распределение показателей газоносности пород по свободным газам и начальной скорости газовыделения в исследовательских скважинах по геологическому разрезу толщи пород между III и IV калийными горизонтами на шахтном поле рудника 2 РУ представлено на рисунке, б. Как видно из данных рисунка, в интервале глубин 0,5-1,0 м газоносность составила 0,54 м3/м3. На этой глубине бурения находится контакт слоя подстилающей каменной соли и 12-й глинисто-карбонатной пачки. Начальная скорость газовыделения свободных газов в этом интервале глубин составила 0,62 л/мин, а давление свободного газа на этой глубине - 0,196 МПа. На глубине 1,5 м, что соответствует глубине герметизации 1,0-1,5 м, газоносность пород почвы составила 2,44 м3/м3, начальная скорость газовыделения - 1,33 л/мин, а давление свободного газа в массиве пород почвы - 0,23 МПа. На данной глубине бурения располагается четвертый (верхний) слой 12-й глинисто-карбонатной пачки мощностью 6,1 м, который представлен переслаиванием темно-серого мергеля и глины темно-серой, плотной, неяснослоистой. Открытая пористость пород этого слоя 12-й ГКП изменяется от 5,6 до 11,0 % при среднем значении 8 %. В этом слое пород экспериментальные работы в исследовательских скважинах подтвердили высокую вероятность нахождения скоплений свободных газов. Дальнейшее бурение и исследования газоносности и газодинамических характеристик пород показало, что ниже по геологическому разрезу в породах 12-й глинисто-карбонатной пачки (ГКП) газоносность не превышает 0,21 м3/м3, начальная скорость газовыделения не более 0,16 л/мин, а давление свободного газа не более 0,19 МПа. В породах 11-й соляной пачки газоносность по свободным газам изменялась от 0,1 до 0,29 м3/м3, а начальная скорость газовыделения - от 0,05 до 0,33 л/мин. При этом максимальное значение газоносности (0,29 м3/м3) и начальной скорости газовыделения (0,33 л/мин) зафиксировано в средних слоях 11-й соляной пачки и относится к галопелитовым прослойкам. Давление свободных газов в массиве пород 11-й соляной пачки не превышает 0,192 МПа. По геологическому разрезу 10-й ГКП газоносность и газодинамические характеристики пород изменяются неравномерно: газоносность по свободным газам изменяется от 0,10 до 0,25 м3/м3; начальная скорость газовыделения свободных газов - в пределах от 0,03 до 0,41 л/мин; давление свободных газов в массиве не превышает 0,192 МПа. Наиболее газоносными являются породы, залегающие в интервале 4,0-5,0 м от кровли 10-й ГКП. В пределах этого интервала геологического разреза пачки газоносность пород по свободным газам изменяется от 0,21 до 0,25 м3/м3. К этому же интервалу приурочены максимумы начальной скорости газовыделения и давления свободных газов в массиве пород 10-й ГКП. Экспериментальные исследования газоносности и газодинамических характеристик пород 9-й соляной пачки показали, что породы - малогазоносны, газоносность по свободным газам изменяется от 0,1 до 0,18 м3/м3, начальная скорость газовыделения свободных газов - от 0,03 до 0,15 л/мин. Давление свободных газов в массиве пород 9-й соляной пачки не превышает 0,19 МПа. Газоносность по свободным газам пород 8-й глинисто-карбонатной пачки изменяется от 0,10 до 0,14 м3/м3. При этом начальная скорость газовыделения свободных газов - в пределах от 0,03 до 0,13 л/мин. Давление свободных газов в массиве пород не превышает 0,19 МПа. На контакте 9-й соляной и 8-й ГКП не выявлено приконтактных скоплений свободных газов. Газоносность пород 8-й ГКП на контакте с 9-й соляной пачкой значительно меньше таковой по свободным газам пород 12-й ГКП, опасной по газодинамическим явлениям на шахтном поле рудника 2 РУ более чем в 10 раз. Результаты исследований газоносности и газодинамических характеристик пород при проходке уклонов, вскрывающих IV калийный горизонт на шахтном поле рудника 2 РУ, показали, что наиболее газоносными являются породы четвертого (верхнего) слоя мощностью 6,1 м 12-й ГКП, отнесенной к опасным по газодинамическим явлениям. В этом слое пород 12-й ГКП высока вероятность нахождения скоплений свободных газов, которые в соответствующих горнотехнических условиях могут представлять собой очаги газодинамических явлений. На основании результатов исследований газоносности и газодинамических характеристик пород соляных и глинисто-карбонатных пачек для обеспечения безопасности ведения горных работ разработана технология проходки вскрывающих уклонов по 12, 10-й и 8-й ГКП и 11, 9-й и 7-й соляным пачкам (СП) при вскрытии IV калийного горизонта на шахтном поле рудника 2 РУ ОАО «Беларуськалий», которая включает применение специальных режимов проходки уклонов с выполнением способов предотвращения газодинамических явлений в зависимости от геологических условий проходки: обычный режим проходки по слою подстилающей каменной соли; режим вскрытия забоем уклона 12, 10-го и 8-го глинисто-мергелистых горизонтов; режим пересечения уклоном 12, 10-го и 8-го глинисто-мергелистых горизонтов; режим проходки по 11, 9-му и 7-му соляным горизонтам; режим пересечения зон, опасных по газодинамическим явлениям, при появлении их предвестников [53, 54]. Специальные режимы проходки уклонов в зависимости от геологических условий предусматривают бурение разведочно-дегазационных скважин в забой уклонов, применение профилактического дегазационного бурения, буровзрывных работ для торпедирования и дегазации приконтурной части уклонов при появлении предвестников газодинамических явлений, а также рекомендации по контролю предупредительных признаков и предвестников газодинамических явлений. Заключение На основании результатов экспериментальных исследований газоносности по свободным газам и газодинамических характеристик глинисто-карбонатных и соляных пород толщи, разделяющей III и IV калийные горизонты, в уклонах, вскрывающих IV калийный горизонт на шахтном поле рудника 2 РУ, можно сделать следующие выводы: 1. Наиболее газоносными являются породы четвертого (верхнего) слоя 12-й глинисто-карбонатной пачки. В пределах этого слоя глинисто-карбонатных пород газоносность по свободным газам изменяется от 1,33 до 2,44 м3/м3, что в 12-20 раз превышает таковую в других слоях 12-й глинисто-карбонатной пачки, расположенных ниже по геологическому разрезу. К этому же слою приурочены максимумы начальной скорости газовыделения, которые превышают начальную скорость газовыделения других пород 12-й глинисто-карбонатной пачки, расположенных ниже по геологическому разрезу, в 5-8 раз. 2. Газоносность по свободным газам и газодинамические характеристики пород 10-й и 8-й глинисто-мергелистых пачек существенно ниже показателей 12-й глинисто-карбонатной пачки. Газоносность пород по свободным газам 10-й и 8-й глинисто-карбонатной пачки изменяется от 0,10 до 0,25 м3/м3. Начальная скорость газовыделения свободных газов варьируется в пределах от 0,03 до 0,41 л/мин. Давление свободных газов в массиве не превышает 0,192 МПа. 3. В породах 11-й и 9-й соляных пачек газоносность по свободным газам изменяется от 0,1 до 0,29 м3/м3, а начальная скорость газовыделения - от 0,03 до 0,33 л/мин. При этом максимальные значения газоносности (0,29 м3/м3) и начальной скорости газовыделения (0,33 л/мин) приурочены к галопелитовым прослойкам. Давление свободных газов в породах 11-й и 9-й соляных пачек не превышает 0,192 МПа. 4. На основании результатов исследований газоносности и газодинамических характеристик пород соляных и глинисто-карбонатных пачек для обеспечения безопасности ведения горных работ разработана технология проходки вскрывающих уклонов по 12, 10-й и 8-й глинисто-карбонатным пачкам и 11, 9-й и 7-й соляным пачкам при вскрытии IV калийного горизонта на шахтном поле рудника 2 РУ ОАО «Беларуськалий».

Об авторах

Сергей Семенович Андрейко

Автор, ответственный за переписку.
Email: rmpi@pstu.ru
Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29

заведующий кафедрой разработки месторождений полезных ископаемых, доктор технических наук, профессор

Дмитрий Александрович Бобров

Email: miner@mi-perm.ru
Россия, 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

младший научный сотрудник

Егор Анатольевич Нестеров

Email: mine_egor@mail.ru
Россия, 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

научный сотрудник, кандидат технических наук

Елена Владимировна Лукьянец

Email: LukyanecEV@yandex.ru
Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29

старший преподаватель кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 289

PDF (Russian) - 127

PDF (English) - 106

Ссылки

• Ссылки не определены.