CC BY
2
28. Uniform safety rules for the development of ore, non-metallic and placer deposits by underground method: approved Gosgortehnadzor of the USSR 08/31/1971, Moscow: Nedra, 1977.
29. Uniform safety rules for the development of ore, non-metallic and placer deposits by underground method: approved. Gosgortehnadzor of Russia on 08/31/1995 (PB-06-111-95) M., 1995. [Book 2 continued to operate together with
30. Uniform safety rules for the development of ore, non-metallic and placer mineral deposits by underground method (PB-03-553-03). M., 2003.
31. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Safety rules for mining and processing of solid minerals": approved by order of Rostechnadzor dated 11.12.2013 No. 599.
32. Feinburg G.Z., Isaevich A.G. Analysis of microcirculation flows between microzones in the face of dead-end combine workings of potash mines with various methods of ventilation // Mining information and analytical bulletin. 2020. No. 3. pp. 58-73. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-3-0-58-73.
УДК 622.831.322
АНАЛИЗ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРОЯВЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГРЕМЯЧИНСКОГО ГОКА
С.С. Андрейко, В.О. Лядов, А.С. Папулов, В.И. Абашин
Гремячинское месторождение калийных солей обладает уникальными геологическими условиями. При этом стоит отметить, что разработка данного месторождения сопряжена с опасностью возникновения газодинамических явлений, в связи с чем необходимо тщательное исследование взаимосвязи геологических условий с происходящими в горных выработках калийного рудника газодинамических явлений. В данной работе проведен анализ зависимостей месторасположений произошедших газодинамических явлений от гипсометрии промышленного пласта и его газоносности, исследования которой велись в период с 2017 по 2023 г. Анализ показал преобладание фактора складчатости по отношению к газоносности в механизме формирования очагов газодинамических явлений. Проведен статистический анализ компонентного состава отобранных проб свободных газов, выделившихся из массива при исследованиях газоносности, в результате которого было выявлено статистическое различие по показателю содержания горючих газов в составе свободных газов.
Ключевые слова: газодинамическое явление, Гремячинское месторождение, геологические признаки, сильвинит, калийные соли, газоносность, складчатость.
Современные тенденции роста мирового населения и уменьшения площади пригодных к культивации земель вызывают стремительно возрастающий спрос на минеральные удобрения, используемые с целью повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Особое место среди множества видов минеральных удобрений занимают калийные соли, помогающие улучшить питательные свойства почвы, повысить её
устойчивость к неблагоприятным условиям и сократить потери урожая. В свою очередь, именно Российская Федерация является одним из крупнейших в мире производителей калийных удобрений, сосредоточив на своей территории порядка 31 % от общемировых запасов калийных солей, что обусловливает важность этой отрасли для экономики [1].
Как и в условиях многих других калийных рудников, разработка рассматриваемых месторождений осложняется возникновением газодинамических явлений (ГДЯ) в виде внезапных выбросов соли и газа, внезапных разрушений пород почвы, сопровождающихся газовыделениями и явлениями комбинированного типа, способных нанести весомые повреждения горной технике и травмировать горнорабочих. Несмотря на многие годы исследования данной проблематики, газодинамические явления сопровождают подземную разработку калийных месторождений, что опытные учёные связывают с человеческим фактором и введением в эксплуатацию новых, уникальных с точки зрения геологических условий, участков разрабатываемых шахтных полей и месторождений в целом [2]. Именно таким месторождением с уникальными геологическими условиями залегания является Гремячинское месторождение калийных солей, являющееся крупнейшим по запасам месторождением в европейской части России. Геологический разрез Гремячинского месторождения калийных солей представлен на рис. 1.
Характерной особенностью данного рудника является большая глубина ведения горных работ, составляющая от 1100 до 1300 метров, а также сложность процессов галогенеза, обуславливающая порядок залегания галогенных пород. Также данное месторождение приурочено к краевой части солеродного бассейна и характеризуется наличием обширных деформаций сжатия пород в районе Северо-Котельниковского надвига [4].
Известно, что зоны, опасные по газодинамическим явлениям, обладают схожими геологическими особенностями, на чем строится основа методов регионального и локального прогнозирования этих зон [5]. В этой связи целью данного исследования является выявление факторов газодинамической опасности в пределах шахтного поля рудника Гремячинского месторождения калийных солей для дальнейшего их использования в моделях регионального и локального прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям.
Опыт исследований проблематики газодинамических явлений в условиях Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей [6] указывает на большое значение складчатости как фактора газодинамической опасности.
сз -800 п
юв
Масштабы: горизонтальный 1:25 ООО; вертикальный 1: 2000
Пермская система Средний отдел
р 1-, I Несоляные отложения -<К2 I к
J казанского яруса
Нижний отдел
__. Отложения верхней части
I Р,к I галогенной толщи с '-1-1 выщелоченной каменной солью
| Р,к-.\ [ Ерусланская ритмопачка
Условные обозначения
Антииовская ритмопачка ^к-УП-^ Пласт каменной соли
Ек-\'1Ы1 Назальный доломнт-ангндрнт-галнтовый 1 * *" I тает
Погожская ритмопачка
¡Рдк-У!^! Пласт перекрываюшей каменной соли
Пласт калийно-магниевых солей
Снльвинитовый слой
| Р,к-1Х | Долннная ритмопачка
| р 5+аг | Несоляные отложения сакмарского и I__I артинского ярусов
Сильвин-галитовый слой Карналлиг-галитовый слой Пласт галнтов
Ба ильный анпирнтовый пласт
[Р^-УШ] Пнгаревская ритмопачка
-* Верхняя граница ВЗТ
Рис. 1. Геологический разрез Гремячинского месторождения
калийных солей [3]
В период между 2019 и 2023 годом произошли 13 газодинамических явлений при проходке подготовительных выработок механизированным способом. Их можно разделить на два вида: ГДЯ, приуроченные к скоплению свободных газов в сильвинитовом слое и ГДЯ, приуроченные к приконтактной зоне сильвинитового и карналлитового слоев в результате вскрытия последнего в почве горных выработок и разрушения карналлита по поверхности ослабления. Примечательно, что подавляющее большинство газодинамических явлений произошло в западной части шахтного поля, где наблюдается высокая интенсивность складчатости промышленного пласта. Произошедшие случаи возникновения газодинамических явлений имеют следующие общие признаки: локальность проявления внезапных обрушений призабойной части пород, приуроченных к газоносному кар-наллит-галитовому слою; наличие во всех случаях высокой концентрации горючих газов, концентрация которых достигала 3,6...4 % при работающем вентиляторе местного проветривания; внезапность и высокая скорость
протекания газодинамических явлений. Приуроченные к сильвинитовому слою ГДЯ практически повсеместно сопровождаются поднятием или погружением сильвинитового слоя с углами более 12 градусов, и лишь в нескольких случаях ГДЯ на контакте сильвинита и карналлитовой породы было отмечено наличие предвестников, таких как отслаивания, шелушения и стреляния карналлитовой породы в бортах выработок. Формы полостей отрыва ГДЯ, произошедших в сильвините, имеют округлую форму, в свою очередь, ГДЯ на контакте сильвинита и карналлитовых пород имеют произвольную форму с округлыми стенками, с образованными концентрическими трещинами. Разрушенная карналлит-галитовая порода представлена мелкими фракциями и тонкими пластинами, расположенных по контуру полостей, что характерно для механизма послойного отрыва, по которому происходит разрушение пород при выбросах соли и газа.
Произошедшие на руднике Гремячинского горно-обогатительного комбината (ГОКа) газодинамические явления в основном сосредоточены в западной части шахтного поля, в свою очередь, современные методы сейсморазведки позволяют получить довольно точную картину гипсометрии целевого галит-сильвинит-карналлитового слоя, что позволяет сопоставить фактические данные гипсометрии пласта с местами возникновения газодинамических явлений. Структурная карта кровли галит-сильвинит-карналлитового слоя (по данным сейсморазведки от 2021 г. (Денисенко Ю.В., Вдовина Н.В. и др., ПАО "Волгограднефтегеофизика")) с месторасположениями произошедших газодинамических явлений представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная карта кровли галит-сильвинит-карналлитового слоя с местами возникновения газодинамических явлений (по данным сейсморазведки от 2021 г. (Денисенко Ю.В., Вдовина Н.В. и др., ПАО "Волгограднефтегеофизика"))
При сопоставлении структурной карты кровли промышленного пласта с местами зафиксированных газодинамических явлений наблюдается их приуроченность к осевым частям синклинальных складок (отрицательных пликативных структур). Данная зависимость может быть объяснена характером образования очагов газодинамических явлений в условиях рассматриваемого рудника, похожим на механизм формирования очагов газодинамических явлений в условиях Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей [7].
Отличительной особенностью данного месторождения является наличие газоносного карналлит-галитового слоя в почве отрабатываемого сильвинитового слоя. Вследствие воздействия сжимающих и растягивающих напряжений при образовании пликативных структур в соответствующих областях складки образуются трещины, аккумулирующие свободные газы при их миграции. Исходя из пониженной прочности карналлита по отношению к сильвиниту можно судить о большем объеме образующихся трещин, что в совокупности с повышенной газоносностью приводит к аккумуляции большого объема свободных газов в достаточно малых полостях образованных трещин на контакте с сильвинитовым слоем, что и становится потенциальными очагами газодинамических явлений. Модельная схема формирования очагов газодинамических явлений в условиях рудника Гремячинского горно-обогатительного комбината представлена на рис. 3.
Л + Л + Л л Л Л Л Л + Л + Л Л Л + Л + ^ Л Л + + Л + + Л Л + л + + + Л + л + А А + л + л + л + . л + л + ^ л
О ° Л + '----... Л + + + Л + л + Л - Л л + Л + _______ + Л +| _
о о ^ЙЗгйп'-. ° 0°0Э О о о\®!»\ О О с о/■ :: ;Чр о О о о.........3-......... о с С ~ - О о О о о о о С п О О О О о □ с о ° о О ------Щ:- оо о ° 0
о о о о о Л-'й ° ° о о 1Ц1 О О О О с о — 0°0 о о ° с ?!'■ о О • о ________ о^о о о о ° /Ш\ оо •■,;■:••
+ - + о о о О О о о ОоО 0°0 О о 00 ООО + С о у о о о о ¡от о о с о 0 о 0 о с О о'лГ о о о ос ост- с ° о°о ........— - - + +
+ + + о°с + + ; • Со О О О о О ° О -• . . \0 О со + + +
+ + + + + + + + +
+ + + + + + + +
Условные обозначения
Свободный газ 1л+л1 Базаньыый доломит-ангидрит-1+++1 Пласт галитов галитовый пласт
( ) Места потенциального формирования очагов 1ДЯ — Области формирования трещин 1 1 Сильвин-галитовый слой 1 1 Сильвинитовый слой 1 1 Карналлит-галитовый слой
Рис. 3. Модельная схема формирования очагов газодинамических явлений в условиях рудника Гремячинского горно-обогатительного комбината в пределах синклинальной складки
Подавляющее большинство зафиксированных газодинамических явлений в рассматриваемом руднике произошло именно при вскрытии контакта сильвинитового слоя с карналлит-галитовым. Однако, высокая газоносность сильвинитового слоя может также указывать на опасность возникновения ГДЯ, поскольку в зонах пликативных структур также имеет место трещинообразование, хоть и менее выраженное по сравнению с кар-наллитовыми породами. Трещины, образующиеся схожим образом, служат аккумулирующими полостями для мигрирующих свободных газов, при достаточном объеме которых способен образоваться очаг ГДЯ в сильвинито-вом слое, что проявлялось в нескольких случаях при проходке подготовительных выработок.
Исходя из вышесказанного, важным показателем газодинамической опасности является непосредственно газоносность пород. По известной методике в период с 2017 по 2023 год были проведены 49 серий исследований газоносности сильвинитового слоя по свободным газам в горных выработках Гремячинского горно-обогатительного комбината, позволяющие отразить картину распределения газоносности промышленного пласта в пределах южной части шахтного поля [8]. Важно отметить, что некоторые серии исследований проводились после произошедших газодинамических явлений, повлекших за собой дегазацию массива, что наблюдается на представленной карте распределения средней газоносности сильвинитово-го пласта на рис. 4.
Условные обозначения (3 Место возникновения ГДЯ
О Место проведения исследований газоносности Средняя газононсность сильвинитового пласта, м7м3
0,05 ОД
0,2 0,25 0,3 0,35
Рис. 4. Карта распределения средней газоносности сильвинитового пласта в пределах южной части шахтного поля
Принимая во внимание дегазацию массива вследствие происходящих ГДЯ, можно сделать вывод о повышенной средней газоносности сильвинитового пласта в западной части шахтного поля по сравнению с его восточной частью. Однако, высокие показатели газоносности в восточной части шахтного поля не привели к возникновению большого количества газодинамических явлений, которые мы можем наблюдать в западной части шахтного поля. Данный факт указывает на ведущую роль интенсивной складчатости западной части шахтного поля в качестве фактора газодинамической опасности.
Наряду с исследованием газоносности проводились исследования компонентного состава выделяющихся из массива свободных газов. Для обнаружения сходств и различий между параметрами газоносности, содержания горючих газов и содержания тяжелых углеводородных газов в отобранных пробах был проведен статистический анализ, где две выборки данных (в западной и восточной частях шахтного поля соответственно) принимались независимыми. Для оценки статистически значимых различий между двумя независимыми выборками использовался непараметрический и-критерий Манна-Уитни [9]. Данный критерий используется при отклонениях от нормального распределения в исследуемых выборках и при малом числе наблюдений [10]. Выборками, по которым проводилось сравнение, являлись точки исследования газоносности в западной и восточной частях шахтного поля Гремячинского ГОКа.
Параметрами, по которым проводилось определение статистически значимых различий, являлись «Газоносность», «Горючие газы» и «Тяжелые углеводородные газы». Результаты сравнительного анализа по и-критерию Манна-Уитни представлены в таблице.
Результаты сравнительного анализа по и-критерию
Параметр п (запад) п (восток) Р и статистика
Газоносность 19 21 0,649 182,5
Горючие газы 9 14 0,013 24,0
Тяжелые углеводородные газы 9 14 0,305 46,0
п - количество наблюдений.
Как видно из таблицы, статистически значимые различия выявлены только по параметру «Горючие газы», т.к. достигнутый уровень значимости (р = 0,013) не превышает критического уровня значимости (р = 0,05). Данный факт может указывать на различия в формировании свободных газов в массиве при протекании эпигенетических процессов.
Данные, полученные в ходе исследования, позволяют выдвинуть гипотезу о значительном влиянии складчатости на механизм формирования очагов газодинамических явлений, а также явное различие факторов, воздействовавших на формирование свободных газов в исследуемом массиве, условно делящее шахтное поле на две части (западную и восточную). В дальнейшем полученные данные будут использованы для создания критериев отнесения зон к опасным или не опасным по газодинамическим явлениям.
Список литературы
1. Калийная промышленность России: проблемы рационального и безопасного недропользования / А.А. Барях, Э.В. Смирнов, С.Ю. Квиткин, Л.О. Тенисон // Горная промышленность. 2022. №1. С. 41-49.
2. Андрейко С. С. Современное состояние проблемы газодинамических явлений на действующих и вводимых в эксплуатацию калийных рудниках // Горное эхо. 2019. №. 2. С. 82-89.
3. Кутырло В.О. Особенности строения калийной залежи Гремячин-ского месторождения // Лггасфера. 2009. № 1 (30). C. 86-94.
4. Московский Г. А., Свидзинский С. А., Петрик А. И. Условия формирования галогенных пород района Гремячинского месторождения сильвинитов // Изв. Сарат. ун-та. Сер. Науки о Земле. 2008. Т. 8. №. 1. С. 75-85.
5. Андрейко С. С. Разработка математической модели метода прогнозирования газодинамических явлений по геологическим данным для условий Верхнекамского месторождения калийных солей // Недропользование. 2016. Т. 15. №. 21. С. 345-353.
6. Лукьянец Е. В. Прогнозирование складчатых структур сильвини-тового пласта АБ, опасных по газодинамическим явлениям, в условиях шахтного поля рудника БКПРУ-2 ПАО «Уралкалий» // Горное эхо. 2023. №. 2. С. 104-110.
7. Андрейко С. С., Нестеров Е. А., Бобров Д. А. Модели механизма дегазации пласта Б смешанного состава в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2023. Вып. 1. С. 507-514.
8. Лядов В. О., Папулов А. С. Результаты исследований полной газоносности пород продуктивного пласта Гремячинского месторождения калийных солей // Проблемы недропользования. 2023. №. 2 (37). С. 99-111.
9. Mann H. B., Whitney D. R. On a test of whether one of two random variables is stochastically larger than the other // The annals of mathematical statistics. 1947. P. 50-60.
10. Nachar N. The Mann-Whitney U: A test for assessing whether two independent samples come from the same distribution // Tutorials in quantitative Methods for Psychology. 2008. Т. 4. №. 1. P. 13-20.
Андрейко Сергей Семенович, д-р техн. наук, проф.; зав. лабораторией, [email protected], Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет; Горный институт Уральского отделения Российской академии наук -филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН»,
Лядов Владимир Олегович, ассистент, инженер, minevladimir1 @,gmail.com, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет; Горный институт Уральского отделения РАН - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН»,
Папулов Артем Сергеевич, ассистент, мл. науч. сотр., aspapulov@,gmail.com, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет; Горный институт Уральского отделения РАН - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН»,
Абашин Василий Иванович, зам главного геолога, [email protected], Россия, Котельниково, ООО «ЕвроХим-ВолгаКалий»
ANALYSIS OF GEOLOGICAL CONDITIONS OF OCCURRENCE OF GAS-DYNAMIC PHENOMENA IN CONDITIONS OF THE GREMYACHINSKYMINING COMPLEX
S.S. Andreiko, V.O. Liadov, A.S. Papulov, V.I. Abashin
The Gremyachinskoe potassium salt deposit has unique geological conditions. At the same time the development of this deposit is associated with the danger of occurrence of gas-dynamic phenomena, therefore, a thorough study of the relationships between geological conditions and gas-dynamic phenomena occurrence in the mine headings of a potash mine is necessary. This paper analyzes the correlations between the locations of occurred gas-dynamic phenomena with the hypsometry of a potassium salts formation and its gas content, studies of which were carried out in the period from 2017 to 2023. The analysis showed the predominance of the folding factor in relation to gas content of the formation in mechanics of forming of gas-dynamic phenomena. A statistical analysis of the component composition of samples of free gases released from the massif during gas content studies was carried out, as a result of which a statistical difference was revealed in the content of flammable gases in the composition of free gases.
Key words: gas dynamic phenomenon, Gremyachinskoye field, geological features, silvinite, potash salts, gas content, folding.
Andreiko Sergey Semyonovich, doctor of technical sciences, professor; head. the laboratory, ssa@mi-perm. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University; Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences - branch of the Federal State Budgetary Institution of Science «Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences»,
Lyadov Vladimir Olegovich, ass. of the department; engineer, minevladi-mir1@,gmail. com, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University; Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences - branch of the Federal State Budgetary Institution of Science «Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences»,
Papulov Artyom Sergeevich, ass.; jr. scientific. officer, aspapulov@,gmail.com, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University; Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences - branch of the Federal State Budgetary Institution of Science «Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences»,
Abashin Vasily Ivanovich, deputy chief geologist, [email protected], Russia, Kotelnikovo, «EuroChem-VolgaKaliy» LLC
Reference
1. Potash industry of Russia: problems of rational and safe subsoil use / A.A. Baryakh, E.V. Smirnov, S.Y. Kvitkin, L.O. Tenison // Mining industry. 2022. No. 1. pp. 41-49.
2. Andreiko S. S. The current state of the problem of gas-dynamic phenomena at existing and commissioned potash mines // Gornoe echo. 2019. No. 2. pp. 82-89.
3. Kutyrlo V.O. Possibilities of building a potash zone of the Gremenchinsky metro // Literature. 2009. № 1 (30). C. 86-94.
4. Moskovsky G. A., Svidzinsky S. A., Petrik A. I. Conditions of formation of halogen rocks of the Gremyachinsky silvinite deposit area // Izv. Sarat. un-ta Nov. Ser. Earth Sciences. 2008. Vol. 8. No. 1. pp. 75-85.
5. Andreyko S. S. Development of a mathematical model of a method for predicting gas-dynamic phenomena based on geological data for the conditions of the Verkhnekamsk potassium salt deposit // Subsurface use. 2016. Vol. 15. No. 21. pp. 345-353.
6. Lukyanets E. V. Forecasting of folded structures of the silvinite formation of AB, dangerous by gas-dynamic phenomena, in the conditions of the mine field of the BKPRU-2 mine of PJSC Uralkali // Gornoe Echo. 2023. No. 2. pp. 104-110.
7. Andreyko S. S., Nesterov E. A., Bobrov D. A. Models of the mechanism of degassing of the B formation of mixed composition in the conditions of the Verkhnekamsk potassium salt deposit // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2023. Issue 1. pp. 507514.
8. Lyadov V. O., Papulov A. S. The results of studies of the total gas content of rocks of the productive formation of the Gremyachinsky deposit of potash salts // Problems of subsoil use. 2023. No. 2 (37). pp. 99-111.
9. Mann H. B., Whitney D. R. On checking whether one of two random variables is stochastically larger than the other // Annals of Mathematical Statistics. 1947. pp. 50-60.
10. Nachar N. Mann-Whitney test U: A test to assess whether two independent samples come from the same distribution // Textbooks on quantitative methods in psychology. 2008. Vol. 4. No. 1. pp. 13-20.
