CC BY
55
К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА»
^ Н.Г. Матвиенко, 2000 :
УДК 622.411.33
Н.Г. Матвиенко
ГАЗОБЕЗОПАСНОСТЬ ОСВОЕНИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
■ШИШ
З
а последние десятилетия проблема обеспечения газобезопасной разработки рудных месторождений, возникавшая ранее лишь эпизодически, как результат экзотического сочетания природных условий [1, 2], приобрела широкое распространение, стала для многих рудников постоянно действующей, требующей своевременного решения при планировании и ведении горных работ [3]. Так, при разработке 16-ти крупных рудных месторождений России, в том числе медноникелевых Норильского района, апатитовых Кольского полуострова, бокситовых Северного Урала, медноколчеданных и свинцовоцинковых Кавказа и Урала, полиметаллических Приморья, происходят выделения метана; освоение кимберлитовых трубок Якутии осложняется проявлениями сероводорода, метана, его гомологов и нефти; подземная добыча платины и хромитовых руд на Урале сопровождается поступлениями в выработки природных водородных газов; при эксплуатации ряда месторождений золота, железа, ртути, олова и других полезных ископаемых наблюдаются обильные притоки углекислого газа.
Поэтому стало настоятельно необходимым решение комплекса задач по выявлению причин, обуславливающих газоносность рудных месторождений и газопроявления при их освоении, и по созданию на этой основе методов прогнозирования газообиль-ности рудников и выбора инженерных средств, обеспечивающих эффективную и безопасную отработку запасов. Ряд из этих задач имели пионерный характер. Все это выдвинуло необходимость решения важной народнохозяйственной проблемы, связанной с
разработкой научных основ обеспечения высокопроизводительной эксплуатации рудных месторождений в условиях выделения природных газов.
На основе научного обобщения и многопланового анализа результатов многолетнего изучения газового фактора практически всех газоносных рудных месторождений мира удалось решить узловые вопросы этой проблемы. Экспериментальная часть работы выполнена на 25-ти подземных рудниках цветной и черной металлургии и по добыче горнохимического сырья в процессе исследования газоносности осваиваемых ими месторождений, установления закономерностей и особенностей газопроявлений в конкретных горнотехнических условиях, а также при испытании и внедрении разработанных мероприятий по обеспечению газобезопасности технологических процессов.
Научные и прикладные аспекты решения оригинальной проблемы обеспечения безопасного освоения месторождений руд цветных, черных и благородных металлов, драгоценных камней и сырья для производства минеральных удобрений в сложных условиях выделения взрывоопасных, токсичных и вредных газов в обобщенном виде изложены в данной статье.
Для условий широкого круга разнотипных месторождений установлены закономерности и особенности пространственного распределения природных газов, качественные и количественные характеристики их поступления в горные выработки. Показано определяющее влияние литологического состава и коллекторских свойств вмещающих рудные залежи массивов на происхождение газов, характер, приуроченность и интенсивность их проявления при ведении
горных работ. Создана новая система взглядов на существо и причинность связей процессов рудо- и газогенеза, что позволило заложить геологохимические и горнотехнические основы методологии изучения газоносности, прогнозирования и управления газопроявлениями при освоении рудных месторождений.
Установлены обусловленность газоносности рудных месторождений, как правило, газами, чуждыми самому полезному ископаемому и связанными с залеганием вблизи рудоносных формаций газогенерирующих и газоаккумулирующих толщ (преимущественно осадочных), и особенности локализации природных газов в недрах, а именно:
• приуроченность метана, нередко с примесями его гомологов и водорода, к регионам совместного залегания руд и осадочно-метаморфогенных пород, содержащих органические вещества, как концентрированные в виде угля и нефти (Норильск, Мирный, Ярега, СУБР, Никитовка и др.) и рассеянные (Уруп, Миндяк, Кривой Рог, Бестюбе, Дальнегорск) или к массивам магматических пород с газовыми включениями (Хибины, Ловозеро); углекислого газа - к районам молодых вулканических очагов и зон глубинного метаморфизма пород (Кавказ, Забайкалье, Приморье); сероводорода - к водоносным комплексам с застойным режимом и сероносным породам (Мирный, Средняя Азия); водорода -к районам ультраосновных дунитовых массивов (Урал) (табл.);
• неравномерность распределения природных газов по площади и разрезу рудного месторождения: газы локализуются в определенных типах вмещающих и продуктивных пород и структурных элементах их залегания; наиболее высокой газоемкостью обладают нефте- и угленосные отложения, а в некоторых условиях водоносные комплексы и зоны (горизонты) безугольных пород высокой пустотно-сти.
Таблица
КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗОНОСНЫХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПО ПРИЗНАКАМ «ХАРАКТЕР КОЛЛЕКТОРА» И «СОСТАВ ГАЗОВ»
Класс месторождения Характер коллектора Основные газы Состояние газов
Рудонефтяные нефтегазоносные трещиноватопористые породы СН4, ТУ*, Н2 растворенные, свободные
Рудоугольные угольные пласты, угленосные породы СН4, Н2, ТУ сорбированные, свободные
Рудосланцевые осадочные с рассеянной органикой о н н свободные, сорбированные растворенные, свободные, кристал-логидратные
Рудоводогазоносные водоносные комплексы ОН4, H2S
С газовыми включениями в изверженных породах изверженные породы ОН4, Н2 микровключенные, свободные
Водородоносные Массивы ультраосновных пород Н2 свободные
Углекислотоносные обводненные массивы 002 растворенные, свободные
* ТУ - тяжелые углеводородные газы (гомологи метана).
Как правило, состав природных газов рудных месторождений сложный, а происхождение каждого из основных компонентов отличается полигенностью. Обзор современных представлений о процессах метаморфизма органических остатков
вскрытию газоносных зон и отбойке газоносных пород;
• зависимость характера газовыде-лений от типа коллектора и вида его газонасыщения, при этом наблюдаются практически все возможные формы выделений: выбросы газов, иногда с
Разработанная классификация рудных месторождений по признаку основных природных условий, предопределяющих состав и современное распределение газов (см. табл.), является основой для прогнозирования газоносности рудоносных
гумусового состава показывает, что при этом могут генерироваться все основные газы (метан, его гомологи, водород, углекислый газ и, возможно, сероводород), осложняющие освоение ряда рудных залежей. Состав и количество газов, образующихся при процессах углефикации органики, зависят от стадии и вида (региональный, локально-
термальный) метаморфизма. Современная газоносность рудных месторождений определяется конкретными условиями генезиса и состояния (свободное, растворенное, сорбированное, микровключенное, кристаллогидрат-ное) газов и коллекторскими свойствами содержащих их толщ. Так, например, метаноносность углистых пород пропорциональна содержанию угля, стадии его метаморфизма и сорбционной емкости в конкретных баротермовлажностных условиях.
Установлены основные закономерности и особенности газопроявлений в рудниках:
• приуроченность в пространстве к отдельным, нередко ограниченным, участкам шахтного поля и выработкам первой очереди проходки (скважины, капитальные и подготовительные выработки), а во времени - к
жидкостями (вода, нефть); выбросы газов, углей и пород; газовые струи, включая суфляры; дегазация разрушенной горной массы; газоотдача излившихся жидкостей; истечение через обнаженные поверхности массива;
• зависимость интенсивности газо-выделения от типа коллектора, вида и степени его газонасыщения: наиболее значительны дебиты метана на месторождениях, связанных с угленефтегазоносными отложениями (при выбросах до 30-42 тыс. м3/сут., при обычных выделениях 1,5-8,0 тыс. м3/сут.), а на месторождениях с рассеянной органикой, газонасыщенными водами и газово-жидкими включениями метанообильность рудников не более 100-120 м3/сут.; сероводородо- и углекислотообиль-ность рудников определяется притоком и газонасыщением вод и составляет 8-30 тыс. м3/сут. по С02;
• выработки первой очереди проходки (скважины, капитальные, подготовительные и нарезные выработки) значительно дегазируют рудный и вмещающий массивы, что нередко приводит к отсутствию газовыделений при очистных работах;
• не отмечается зависимости газо-обильности от количества добываемой горной массы.
формаций, характера и состава возможных газопроявлений и определения мероприятий безопасности при их освоении.
В порядке уменьшения сложности ются значительные примеси (до 5-6%) pH і 8 выделение сероводорода прак-
обеспечения газобезопасности рудные водорода к углеводородным газам. тически не происходит.
Генезис газов Месторождения
метаморфизм органики, миграция алмазные Якутии, урановые и серные Средней Азии, титановые Ухты, медноникелевые Норильска
метаморфизм угля медноникелевые Норильска, ртутные Донбасса, полиметаллические Кавказа и Приморья
метаморфизм органики железорудные Кривого Рога, золоторудные Миндяк (Урал) и Бестюбе (Казахстан)
метаморфизм органики, миграция алмазные Якутии, полиметаллические Кавказа и Дальнего Востока, серные Средней Азии
эндогенный или метаморфизм органики апатитовые и редкоземельные Хибин
метаморфизм дунитовых пород хромитовые (Кемпирсай) и платиновые (Нижний Тагил) Урала
дегазация вулканических очагов, метаморфизм осадочных пород золотые Забайкалья (Балей), полиметаллические Кавказа, Карпат, Приморья
месторождения можно ранжировать следующим образом: газонефтеводо-носные, газонефтеносные, газоугленосные, газоводоносные и содержащие микровключенные газы в изверженных породах.
Наиболее газоопасным является освоение месторождений, газоносность которых обусловлена сочетанием нескольких факторов, а именно: газонефтеводоносностью рудоносных и вмещающих их формаций, содержащих метан и его гомологи, водород и сероводород [2-4]. К таким исключительно газоопасным месторождениям относятся подмерзлотные горизонты алмазных трубок Мирнинского региона Якутии, урановые залежи Ма-лисайского района Киргизии (уже отработанные) и сероносные пласты района Шор-Су Узбекистана (также уже отработанные). Наиболее сложным по обеспечению взрыво-, пожаро- и токсикобезопасности горных работ было освоение указанных урановых и серных месторождений Средней Азии вследствие одновременного выделения нефти с углеводородными газами и минерализованных вод с сероводородом. Более легким представляется обеспечение газобезо-пасности освоения алмазных месторождений Якутии вследствие разобщенности и изолированности друг от друга разнотипных газоносных горизонтов, а именно: подмерзлотный водоносный горизонт с растворенными в водах сероводородом и метаном отделены от залегающих на больших глубинах газонефтеносных пластов мощной толщей каменной соли. Однако здесь осложняющим фактором для обеспечения газовзрывобезопасности явля-
При освоении рудных месторождений в условиях только газонефте-носности вмещающих и продуктивных массивов наибольшую опасность представляют горные работы по вскрытию пластов, содержащих легкую нефть при высоких давлениях и температурах. Поступление метановых газов из обнаженных нефтегазоносных пород по объему обычно на 12 порядка выше притока нефти.
Метанообильность рудоугольных месторождений определяется их угленосностью, газоносностью угля и масштабами горных работ в газоносных породах. Интенсивные и длительные (до 10-15 лет) поступления метана наблюдаются в выработках, пройденных по угольным пластам и вмещающим их пористо-
трещиноватым породам. Характер и закономерности газоотдачи угольных пластов и вмещающих их пород в рудниках аналогичны таковым в угольных шахтах.
При освоении обводненных газоносных месторождений масштабы га-зовыделений определяются притоком вод, их газонасыщенностью, составом газов. Наиболее значительны объемы поступлений в горные выработки хорошо растворимого углекислого газа. Выделения метана не велики и приурочены практически к местам излива вод в выработку. Водоносные породы отдают в выработки на 1-2 порядка больше жидкости по объему, чем метана. Наибольшую опасность представляет выделение из вод сероводорода вследствие его токсичности. Га-зоотдача сероводородных вод существенно зависит от их кислотности: при
Выделения существенно водородных газов отмечаются в массивах ультраосновных пород с платиновым и хромитовым оруденением, при этом интенсивность газовыделения низкая. Например, водородообильность хромитовой шахты «Молодежная» не превышает 15-20 м3/сут.
Обеспечение газобезопасности освоения рудных месторождений зависит от особенностей их газоносности, состава, геологической и горнотехнологической приуроченности и интенсивности газовыделений. На основе многолетних исследований и практического опыта обоснован и внедрен в рудниках страны принцип обеспечения газобезопасности выполнением дополнительных мероприятий, учитывающих конкретные условия месторождения, рудника или его части, что позволяет дифференцированно подходить к выбору рациональных положений газового режима без отнесения всего рудника (шахты) к какой-либо категории по газу. Применение мероприятий позволяет вводить газовый режим только в газоопасной части рудника и использовать при соблюдении определенных условий непредохранительные взрывчатые вещества и машины в нормальном рудничном исполнении. Такой путь регламентирования безопасности узаконен Правилами [5, 6], в разработке «Типовых специальных мероприятий газового режима на подземных рудниках и объектах горнорудной и нерудной промышленности» которых автор принимал непосредственное участие. При определении мероприятий газового режима рудников использован весь богатый арсенал обеспечения
газобезопасности горных работ, накопленный угольной, газовой, нефтяной и калийной отраслями горнодобывающей промышленности, столкнувшимися с этой проблемой ранее и успевшими решить многие ее аспекты.
При интенсивных поступлениях газов целесообразно применять специальные способы: дегазация газоносного массива скважинами, пробуренными с поверхности и из выработок, заблаговременно пройденными капитальными и подготовительными выработками, осушение с изолированным отводом газированных жидкостей, нейтрализация токсичных газов и т.п. Наиболее рациональным направлением борьбы с газовыделе-ниями является комплексное освоение месторождений твердых полезных ископаемых с предварительным извлечением газа и газоносных составляющих (угля, нефти, конденсата, газонасыщенных вод).
Однако до сих пор остается нерешенной для всех отраслей горной промышленности, а в особенности для горнорудной, проблема водорода, который иногда в значительных концентрациях и чаще всего кратковременно обнаруживается в составе выделений углеводородных газов. Причины таких явлений пока для многих случаев не нашли удовлетворительного объяснения. А присутствие водорода в составе горючих газов имеет принципиальное значение, так как при его концентрации более 9-10% газовые смеси становятся более легко воспламеняющимися в воздухе и должны быть отнесены во П-ую категорию взрывоопасности газовых сред, для которой не выпускается горное оборудование во взрывобезопасном исполнении. Поэтому в таких условиях приходится вводить дополнительные мероприятия по предварительной дегазации массива, усиленному про-
ветриванию выработок и специальному автоматическому, оперативному и лабораторному контролю содержания горючих газов, включая водород, в атмосфере выработок.
Надлежащее обеспечение газобезопасной разработки месторождений твердых полезных ископаемых возможно только при своевременном и квалифицированном изучении газового фактора на всех этапах их освоения: при геологической разведке, проектировании, ведении горнокапитальных и очистных работ, ликвидации производства. Наиболее эффективно проблема газового режима в горнорудной промышленности решается при создании в объединении исследовательского подразделения для изучения газовыделений и уточнения мероприятий с привлечением специалистов центральных институтов.
1. Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. - М., Л.: Углетехиздат, 1953. - 632с.
2. Мельников Н.В. К вопросу о специальном режиме разработки месторождений серных руд. - Безопасность труда в горной промышленности. 1937, N 12. - с.14-21.
3. Матвиенко Н.Г. Выделение природных газов при освоении рудных месторождений. - М.: Наука, 1988. - 230с.
4. Цыгалов М.Н. Исследования основных особенностей и изыскание путей усовершенствования подземной разработки сложных
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
рудных нефтегазоносных месторождений. / Авторереф. дисс. канд.техн.наук. - Магнитогорск, 1961. - 22с.
5. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. / Книга 1- М.: НПО ОБТ, 1996. - с.50-53, 236.
6. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. / Книга 2- М.: НПО ОБТ, 1996. - с.91-109.
Матвиенко Н.Г. — профессор, доктор технических наук, зав. лабораторией, Институт проблем комплексного освоения недр РАН (ИПКОН).
