CC BY
0
29. Selivanov D. A., Makarov A. B. An integrated approach to the geo-mechanical justification of mining design, based on structural-geological and tectonophysical analyses of the birthplace of Zhamanaybat (Zhomart mine) // Modern tectonophysics. Methods and results. 2019. pp. 222-229.
30. The choice of types and parameters of supports in the conditions of underground mining of apatite-nepheline deposits / V. S. Onuprienko [et al.] // Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2023. No. 2 (156). pp. 56-70.
31. Bushkov V. K., Shemetov R. S. Determination of stability and justification of mine workings fastening systems during the transition to the development of the Olympi-adinsky deposit by underground method // Mining information and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2020. No. 9. pp. 40-54.
32. Protosenya A. G., Vilner M. A., Sotnikov R. O. Forecast of stability of rock outcrops located in structurally disturbed massifs of mines of CF JSC "APATIT" // Modern educational technologies in training specialists for the mineral and raw materials complex. 2020. pp. 1569-1575.
33. Effect of layered joints on rockburst in deep tunnels / M. He [et al.] // Int J Coal Sci Technol. 2022. 9, 21. https://doi.org/10.1007/s40789-022-00489-x .
34. Peng Xiao, Huanxin Liu, Guoyan Zhao Characteristics of Ground Pressure Disaster and Rockburst Proneness in Deep Gold Mine // Lithosphere 2023; 2022 (Special 11): 9329667. doi: https://doi.org/10.2113/2023/9329667.
35. Mechanisms of Rock Burst in Horizontal Section Mining of a Steeply Inclined Extra-Thick Coal Seam and Prevention Technology / J. Cao [et al.] // Energies. 2020. 13. 6043. https://doi.org/10.3390/en13226043.
УДК 622.8:622.411.34
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ИЗУЧЕНИЯ ГАЗОНОСНОСТИ СОЛЯНЫХ ПОРОД ПО ЯДОВИТЫМ ГАЗАМ
А.Н. Земсков, А.В. Николаев, М.Ю. Лискова
Практика разработки калийных месторождений свидетельствует о неоднократных случаях появления в атмосфере выработок природных ядовитых газов: сероводорода и угарного газа, что предполагает необходимость их обязательного учета при исследовании газоносности соляных пород и последующего учета при определении необходимого количества воздуха для проветривания выработок.
Ключевые слова: газоносность, ядовитые газы, сероводород, проветривание выработок.
В практике разработки осадочных месторождений полезных ископаемых, таких как каменный уголь, горючие сланцы, калийные соли и др., ведение горных работ серьезно осложняется выделением природных газов.
Данные по газоносности являются основным исходным материалом для определения газообильности горных выработок и расчета необходимого количества воздуха для их проветривания по газовому фактору.
Занижение величин газоносности пород приведет к ошибочному прогнозу газообильности выработок и их загазовыванию [1-3].
Появление в атмосфере выработок природных ядовитых газов приводит к массовым отравлениям горнорабочих, что имело место в конце семидесятых годов прошлого столетия на втором Соликамском калийном руднике, где отмечены и документально подтверждены десятки случаев конъюнктивита слизистой оболочки глаз из-за выделения сероводорода. В процессе исследования выявлено больше десятка серосодержащих газов, но учитывая их примерно одинаковую химическую активность, в дальнейшем мы будем оперировать термином «сероводород» [4].
Согласно сложившийся точке зрения, можно выделить несколько форм нахождения газов в соляных породах: свободные, микровключенн-ные (меж- и внутрикристаллические) и сорбированные газы [4-6].
Свободные газы, находящиеся в солях под давлением, заполняют пустоты, трещины и каверны. Они выделяются при вскрытии зон их скопления выработками, скважинами и шпурами или при достижении этих зон трещинами технологического происхождения.
Микровключенные и сорбированные (или связанные) газы повсеместно присутствуют в соляных породах. Чаще всего они находятся в микропустотах в газообразном состоянии под большим давлением, иногда совместно с рассолами. Давление газа в пустотах кристаллов соляных пород достигает 0,5...20 МПа [7].
Как показали микроскопические и рентгеноскопические исследования газовых включений, проведенные ранее [8], около 6 % газа находится внутри кристаллической решетки минералов, а остальная часть заключена между кристаллами.
Сорбированные газы, находясь на поверхности кристаллов, при попадании породы в условия атмосферного давления переходят в свободное состояние, а в связанном состоянии остается лишь их незначительная часть.
Методы определения газоносности соляных пород можно разделить на две группы.
1. Методы определения общей газоносности без дифференцирования на свободный и связанный (микровключенный) газ (преимущественно косвенные методы).
2. Методы раздельного определения свободного и микровклю-ченного газов (прямые методы).
Применение методов косвенного определения газоносности целесообразно в ряде случаев в связи с необходимостью быстрого получения результатов: на участках замещения пород одного минерального состава другим, при появлении в атмосфере выработок ранее не обнаруживаемых газов и т.д.
Известен целый ряд работ, в которых газоносность определяется в результате газовых съемок в процессе ведения горных работ [5, 9].
При раздельном определении свободного и микровключенного газов в солях, содержание свободного газа определяется шпуровым методом [5, 6], а для извлечения из пород микровключенных газов могут быть применены следующие методы: химический, термический, вакуумный и термовакуумный, механический, а также метод растворения [4].
Каждый из методов извлечения микровключенного газа характеризуется различной величиной погрешности при определении качественных и количественных показателей газоносности. Докт. геол.-мин. наук Рогозиной Е.А. было выполнено контрольное извлечение газа из одних и тех же пород различными методами (табл. 1) [10].
Следует отметить, что метод, приемлемый для большинства компонентов газовой смеси, может оказаться неподходящим при извлечении какого-то конкретного газа.
Как свидетельствуют данные табл. 1, при растворении резко занижается содержание углекислого газа вследствие его высокой растворимости в водных растворах. Еще более различаются результаты анализов при определении количества сероводорода различными способами (табл.2). Как показывают данные, количества сероводорода, выделенного при нагревании породы до 400 оС, оказались больше чем при растворении в среднем в 85 раз по галиту и в 13 раз по сильвиниту, что свидетельствует о необходимости жестких и обоснованных требований к методикам определения газоносности пород по различным газам.
Таблица 1
Соотношение объемов различных газовых компонентов в зависимости от способа их выделения
Газ Способы дегазации сильвинита
плавление измельчение растворение
СН4 1,1...1,7 1,3 0,6.0,9
N2* 100 100 100
02 2,5.7,7 2,0.7,4 3,2.4,2
С02 100.240 0,6.2,4 0,03.0,06
А 0,2.0,5 0,6.0,9 0,7.0,8
*Для удобства сопоставления результатов отсчет проводится при 100 %-ном содержании азота для всех способов дегазации
Учитывая сравнительно невысокое содержание сероводорода в соляных породах, потеря такого количества газа сильно исказит результат определения.
Таблица 2
Общее количество газа и отдельно сероводорода в калийных солях Первого Березниковского рудника, выделенного из пород при растворении и нагревании
Исходная руда Растворение Нагревание (400 оС)
Общее количество газа, мл/кг Количество И2Б, мл/кг Общее количество газа, мл/кг Количество И2Б, мл/кг
Галит 88,6. 106,2 0,1.1,6 546,0.566,8 28,9.108,4
Сильвинит 115,4. 121,0 1,2.10,4 214,0.223,0 34,2.43,2
При плавлении образцов наряду с образованием при этом опасного для дыхания ядовитого хлористого водорода получается явно завышенные показатели содержания кислых газов, вследствие термического воздействия на карбонаты и органическое вещество.
Промежуточные результаты между методами растворения и плавления получаются методом измельчения (табл. 1).
Если для большинства газов коэффициент растворимости составляет сотые доли объема газа, растворяющегося в единице объема воды, то для кислых газов, особенно для сероводорода, он значительно выше. Даже при температуре 70...75 °С, при которой осуществляется процесс растворения, в объеме воды растворяется более одного объема сероводорода.
Рядом исследователей [4, 8] также подчеркивается целесообразность использования механического разрушения осадочных пород для извлечения из них газа. При измельчении пород возможно выделение газа из замкнутых пор, чего невозможность достичь, например, вакуумным методом даже с подогревом породы.
Вышеизложенный анализ различных способов дегазации пород свидетельствует, что наиболее подходящим для извлечения из калийных солей химически активных газов является способ механического разрушения. Для определения газоносности пород по широкому спектру мик-ровключенных газов наиболее предпочтительным является использование методов растворения и механического измельчения в высоковакуумных установках.
Если выделения горючих газов, азота и углекислого газа, их происхождение и свойства подробно описаны и проанализированы в научно-технической литературе, то случаи обнаружения и выделения в калийных
рудниках серосодержащих газов и окиси углерода нуждаются в систематизации и более подробном изучении и описании.
Многие авторы считают, что сероводород в осадочных породах накапливается главным образом при биохимических процессах: в результате взаимодействия органического вещества с сульфатами и различными солями под влиянием сульфатредуцирующих бактерий [10-13].
Проведенный Земсковым А.Н. анализ условий образования газа по некоторым теориям: биохимической, метаморфической, образования сероводорода в результате природных химических реакций [11], с условиями, предположительно имевшими место в период диагенеза, позволяет признать преимущественно биохимическое образование сероводорода в калийных солях.
Восстановителями сульфатов на разных стадиях формирования минерального вещества могут быть органическое вещество, метан и водород. Однако участие последних, в частности, метана, маловероятно. Как показали опыты по восстановлению сульфатов до сероводорода с помощью газообразных метана и водорода в различных культурах бактерий, ни в одном случае «в присутствии метана не наблюдается сколько-нибудь существенного накопления сероводорода» [14].
Против способности сульфатносстанавливающихся бактерий использовать метан для восстановления сульфатов до сероводорода свидетельствует и теоретические определения свободной энергии (ДР) реакций
[14]:
80]' + СН4 ^ 82- + С032- + 2Н + + Н20,
ЛР ° = 26,57 ккал / моль. (1)
298° У 7
(° = 32,21 ккал / моль - для восстановления сульфата кальция до сульфида);
2 _
- восстановление ионаSO4' молекулярным водородом:
SO42- + 4H2 ^ S 2- + CO32- + 4H2O, AF o =-29,42 ккал / моль. (2)
298o v 7
При положительном значении AF она не может быть использована бактериями как источник энергии, так как энергия потребляется, в то время как для реакций, идущих с поглощением свободной энергии (AF отрицательна), эта энергия может быть использована на нужды биосинтеза.
Сообщения о выделениях сероводорода в калийных рудниках в научной литературе появилось еще более 100 лет назад с 1912 г. (рудники Германии «Края-Золлштедт», а затем «Нейеблейхерод», «Рейнхард-сбрунн», «Кенигсхаль-Гиндербург»). Отмечались неоднократные случаи отравления рабочих сероводородом.
Высокое содержание сероводорода - 0,1 % - было обнаружено в атмосфере одного из рудников бассейна Верра через несколько часов после внезапного выброса породы и газа [17].
В небольших количествах - до 0,05 % - сероводород встречается в составе соленосных пород (калийных и ангидрида) в рудниках Польши [18].
З.Н. Несмеловой при изучении состава газов калийных солей Первого Березниковского рудника как в свободном (шпуровом), так и мик-ровключенном газе был обнаружен сероводород [5]. Точное содержание сероводорода в породах осталось неизвестным, так как кислые газы (И2Би С02) определялись суммарно.
На основании исследований Вахромеевой В.А., проведенных с образцами карналлита из пластов Б и В Верхнекамского месторождения калийных солей, сделано предложение, что микровключенный сероводород встречается лишь в пестром сильвините [19].
В составе свободного газа, выделяющегося из покровной каменной соли нижнего калийного горизонта Первого Солигорского рудника, сероводород не был обнаружен, хотя содержание его в микровключенных газах достигало 7,6 % [20].
О содержании другого ядовитого газа - окиси углерода в природных газах имеются лишь единичные сведения [15, 16]. Отмечается, что в осадочной оболочке «возможно образование окиси углерода за счет отщепления группы СО при деструкции органического вещества и нефтей в процессе пиролиза» [15].
Выделения сероводорода и окиси углерода (с высоким содержанием 2,2 %) отмечались в руднике «Блейхерода» (Германия).
Следы угарного газа фиксировались в руднике «Фолькенрода-Петен», где в период с 1931 по 1948 г. вместе с калийной рудой велась попутная добыча нефти и газа, а также в рудниках Южного Гарца [21].
Первые массовые случаи обнаружения сероводорода и угарного газа в комбайновых выработках Верхнекамских рудников, выделившихся из разрабатываемых пород, датируются 1973 - 1974 гг.
Выделение угарного газа в горные выработки были причиной продолжительных остановок комбайнов в ноябре 1976 г. на Третьем Березни-ковском руднике и, как уже было отмечено ранее, вызвано снижение нагрузки на комбайновые комплексы и обусловило массовые отравления сероводородом на Втором Соликамском руднике.
Неоднократные случаи обнаружения сероводорода в больших концентрациях отмечены в выработках Третьего Соликамского рудника и рудника «ЕвроХим-Усольский калийный комбинат» и в настоящее время.
Исходя из вышеизложенного, следует отметить безусловную необходимость определения содержания природных ядовитых газов в породах калийных рудников и в атмосфере горных выработок. Между тем, анали-
зируя данные последних исследований газоносности пород по пласту Красный-II «ЕвроХим-Усольский калийный комбинат» [22] и по керново-му материалу геологоразведочных скважин по Восточно-Талицкому участку Верхнекамского месторождения [23] наличие природных ядовитых газов (сероводорода и угарного газа) в образцах не определялось, что следует считать методической недоработкой. Однако в настоящее время согласно технологического регламента по организации проветривания рудников [24] количество воздуха, необходимого для проветривания при-забойного пространства выработки должно рассчитываться по каждому из факторов как «взрывоопасные газы», так и «сероводород». Учет вышеизложенных факторов позволит повысить степень безопасности ведения горных работ.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 20-45-59602.5
Список литературы
1. Мохирев Н.Н., Радько В.В. Инженерные расчеты вентиляции шахт. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. 324 с.
2. Kychkin A., Nikolaev A. IoT-based Mine Ventilation Control System Architecture with Digital Twin // 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). 2020. № 9111995. 5 p. DOI: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9111995.
3. Factors defining value and direction of thermal pressure between the mine shafts and impact of the general mine natural draught on ventilation process of underground mining companies / A.V. Nikolaev [et al.] // IOP Conference. Series: Earth andEnvironmental Science. 2017. Vol. 87. № 052020. P. 561-566. DOI: 10.2991/aime-17.2017.91.
4. Земсков А.Н., Кондрашев П.И., Травникова Л.Г. Природные газы калийных месторождений и меры борьбы с ними. Пермь: ИД «Типография купца Тарасова», 2008. 414с.
5. Несмелова З.Н. О газах в калийных солях Березниковского рудника. Л.: ВНИИГ, 1959. 313 с.
6. Медведев И.И., Полянина Г.Д. Газовыделения на калийных рудниках. М.: Недра, 1974. 168 с.
7. Проскуряков Н.М. Внезапные выбросы породы и газа в калийных рудниках. М.: Недра, 1980 264 с.
8. Oelsner O. Ergebnisseneuer Untersuchungen an CO2 - führendenSalzen des Werrareviers // Frieberger Forschungs. Hf. 1961. A. 183. S.5 - 19.
9. Способ определения полной газоносности соляных пород в забое подготовительной горной выработки а.с. №834359 СССР / О.В. Ковалев, В.В. Мещеряков. Бюл. № 20.
10. Рогозина Е.Ф. Газообразование при катагенезе органического вещества: дис. ... д-ра геол.-мин. наук. Л.: ВНИГРИ, 1980. 351 с.
11. Белоусов В.В. Очерки геохимии природных газов. Л.: ОНТИ-Химтеорет, 1937. 144 с.
12. Капченко Л.Н. Связь нефти, рассолов и соли в земной коре. Л.: Недра, 1974. 184 с.
13. Земсков А. Н., Лискова М. Ю., Шарипзянова Г. Х. Закономерности изменения газодинамической и геомеханической обстановки на калийных рудниках // Устойчивое развитие горных территорий. 2021. Т. 13, № 3(49). С. 426-432.
14. Сорокин Ю. И. К вопросу о способности сульфатвосстанавли-вающих бактерий использовать метан для восстановления сульфатов до сероводорода // Доклады Академии наук СССР. 1957. Т. 115. № 4. С. 816-818
15. Природные газы осадочной толщи / А.Н. Воронов [и др.]. Л.: Недра, 1976. 344 с.
16. Суббота М.И., Сарддонов Н.М. О генезисе газа, состоящего из азота, окиси углерода и водорода некоторых межгорных впадин Северного Тянь-Шаня // Геохимия. 1968. № 5. С.612-617.
17. Hoffman K. Gasanalytische Untersuchungen des SalsgasedesSudharz und Werragebiets // Bergakademie, 1963. Р. 83- 87.
18. Poborski G., Poborski J. Über die Untersuchungen in gasführenden Gesteinenim Kujawy - Revier. Vortrag, III Jnternation // Kolloqu. Plötzl. Ausbrüche. Bergakademie. 1965. № 17. S.250-252.
19. Вахрамеева В.А. О генезисе пестрых сильвинитов Верхнекамского месторождения. Л.: Госхимиздат, 1954. С.129 - 142.
20. Черепенников А.А., Рогозина Е.А. О газах Старобинского месторождения калийных солей. Л.: Недра, 1964. 320 с.
21. Schräder P., Achermann R., Grund Y. Entwicklung von methoden-zuz Bestimung des Gasgehaltes in Salzen // Bergakademie, 1960. № 10. Р.543 - 551.
22. Папулов А. С. Результаты исследования газоносности по свободным газам пород пласта КР11 и его кровли на шахтном поле рудника ООО "Еврохим-Усольский калийный комбинат" // Горное эхо. 2022. № 2(87). С. 129-133.
23. Иванов О. В. Оценка газоносности соляных пород по керново-му материалу геологоразведочных скважин Восточно-Талицкого участка Верхнекамского месторождения солей // Горное эхо. 2022. № 3(88). С. 68-74.
24. Технологический регламент по организации проветривания рудников ПАО «Уралкалий». Пермь: Соликамск-Березники, 2016. 117 с.
Земсков Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Николаев Александр Викторович, д-р техн. наук, доц., проф., nikolaev0811@,mail.ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Лискова Мария Юрьевна, канд.техн. наук, доц., [email protected], Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
TOPICAL ISSUES OF STUDYING THE GAS CONTENT OF SALT ROCKS
FOR POISONOUS GASES
A.N. Zemskov, A.V. Nikolaev, M.Yu. Lyskova
The practice of development of potash deposits indicates the repeated occurrence of natural poisonous gases in the atmosphere of workings: hydrogen sulfide and carbon monoxide, which implies that they must be taken into account when studying the gas content of salt rocks and then taken into account when determining the required amount of air for ventilation of workings.
Key words: gas content, poisonous gases, hydrogen sulfide, ventilation of workings.
Zemskov Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Nikolayev Alexander Viktorovich, doctor of technical sciences, associate professor, professor, [email protected] , Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Leskova Maria Yuryevna, candidate of technical sciences, associate professor, [email protected] , Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University
Reference
1. Mohirev N.N., Radko V.V. Engineering calculations of mine ventilation. Construction. Reconstruction. Operation. M.: LLC "Nedra-Businesscenter", 2007. 324 p.
2. Kychkin A., Nikolaev A. IoT-based Mine Ventilation Control Sys-tem Architecture with Digital Twin // 2020 International Conference on In-dustrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). 2020. № 9111995. 5 p. DOI: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9111995.
3. Factors defining value and direction of thermal pressure between the mine shafts and impact of the general mine natural draught on ventila-tion process of underground mining companies / A.V. Nikolaev [et al.] // IOP Conference. Series: Earth andEnvironmental Science. 2017. Vol. 87. No. 052020. P. 561-566. DOI: 10.2991/aime-17.2017.91.
4. Zemskov A.N., Kondrashev P.I., Travnikova L.G. Natural gases of potash deposits and measures to combat them. Perm: Publishing house "The typography of merchant Tara-sov". 2008. 414c.
5. Nesmelova Z.N. On gases in potash salts of the Bereznikovsky mine. L.: VNIIG, 1959. Issue 35. pp.206 - 313.
6. Medvedev I.I., Polyanina G.D. Gas emissions at potash mines. M.: Nedra. 1974.
168 p.
7. Proskuryakov N.M. Sudden emissions of rock and gas in potash mines. M.: Nedra, 1980 264 p.
8. Oelsner O. Ergebnisseneuer Untersuchungen an CO2 - führenden-Salzen des Werrareviers // Frieberger Forschungs. Hf. 1961. A. 183. S.5 - 19.
9. A method for determining the total gas content of salt rocks in the bottom of the preparatory mining a.s. No.834359 USSR / O.V. Ko-valev, V.V. Meshcheryakov. Byul. No. 20.
10. Rogozina E.F. Gas formation during catagenesis of organic matter: dis. ... Dr. geol.-min. of sciences. L.: VNIGRI. 1980. 351 p.
11. Belousov V.V. Essays on the geochemistry of natural gases. L.: ON-TI-Chemteoret. 1937. 144 p.
12. Kapchenko L.N. The connection of oil, brines and salt in the Earth's crust. L.: Subsoil. 1974. 184 p.
13. Zemskov A. N., Liskova M. Yu., Sharipzyanova G. H. Regularities of changes in the gas-dynamic and geomechanical situation at potash mines // Sustainable development of mountain territories. 2021. Vol. 13, No. 3(49). pp. 426-432.
14. Sorokin Yu. I. On the question of the ability of sulfate-reducing bacteria to use methane to reduce sulfates to hydrogen sulfide // Reports of the Academy of Sciences of the USSR. 1957. Vol. 115. No. 4. Pp. 816-818
15. Natural gases of sedimentary strata / A.N. Voronov [et al.] //L.: Nedra. 1976.
344 p.
16. Saturday M.I., Sarddonov N.M. On the genesis of a gas consisting of nitrogen, carbon monoxide and hydrogen in some intermountain depressions of the Northern Tien Shan // Geochemistry. 1968. No. 5. pp.612-617.
17. Hoffman K. Gasanalytische Untersuchungen des SalsgasedesSudharz und Wer-ragebiets // Bergakademie, 1963. pp. 83- 87.
18. Poborski G., Poborski J. Über die Untersuchungen in gasfuhrenden Gesteinenim Kujawy - Revier. Vortrag, III Jnternation // Kol-loqu. PlöTzl. Ausbrüche. Bergakademie. 1965. № 17. S.250-252.
19. Vakhrameeva V.A. On the genesis of variegated silvinites of the Verkhne-Kama deposit. L.: Goskhimizdat. 1954. pp.129 - 142.
20. Cherepennikov A.A., Rogozina E.A. On the gases of the Starobinsky deposit of potash salts. L.: Nedra. 1964. Issue 45. pp.277-281.
21. Schräder P., Achermann R., Grund Y. Entwicklung von methodenzuz Bestimung des Gasgehaltes in Salzen // Bergakademie, 1960. No. 10. P.543 - 551.
22. Papulov A. S. The results of a study of gas content by free gases of rocks of the KRI formation and its roof at the mine field of the ore of LLC Eurochem-Usolsky Potash Plant // Gornoe Echo. 2022. No. 2(87). pp. 129-133.
23. Ivanov O. V. Assessment of the gas content of salt rocks from the core material of exploration wells of the Vostochno-Talitsky section of the Verkhnekamsk salt deposit // Gornoe Echo. 2022. № 3(88). Pp. 68-74.
24. Technological regulations on the organization of ventilation of mines of PJSC Uralkali. Perm: Solikamsk-Berezniki. 2016. 117 p.
УДК 553.179
