CC BY
69
УДК 622.8
МЕРОПРИЯТИЯ ПО БОРЬБЕ С ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ЯВЛЕНИЯМИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНОГО РУДНИКА «УДАЧНЫЙ»
© А.В. Дроздов1, А.И. Мельников2
Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА», 678170, Россия, г. Мирный, ул. Ленина, 39. Институт земной коры СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.
Рассмотрена нефтегазовая обстановка и степень ее опасности на глубоких горизонтах месторождения алмазосодержащей трубки «Удачная». Оценены особенности и результаты аэрогазового контроля в подземных формированиях. На основе проведенного анализа предложены мероприятия по борьбе с газодинамическими явлениями при ведении горных работ во время строительства крупнейшего алмазодобывающего рудника акционерной компании «АЛРОСА». Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: нефтегазонасыщенность пород; подземный рудник; горные выработки; дренажные рассолы; аэрогазовый контроль.
MEASURES TO CONTROL GAS-DYNAMIC PHENOMENA WHEN BUILDING "UDACHNY" UNDERGROUND MINE A.V. Drozdov, A.I. Melnikov
Institute "Yakutniproalmaz" of «ALROSA» OJSC, 39 Lenin St., Mirny, 678170, Russia. Institute of the Earth Crust RAS SB, 128 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.
The article considers the oil and gas conditions and their hazard degree on deep horizons of the deposit of the diamon-diferous pipe "Udachnaya". The features and results of aerogas control in underground formations are estimated. Conducted analysis allows to propose the measures to fight gas-dynamic phenomena occurred when mining and building the largest diamond mine of "ALROSA" OJSC. 3 figures. 1 table. 7 sources.
Key words: oil-and-gas saturation of rocks; underground mine; mine workings; drainage brines; aerogas control.
Введение
Отработка глубоких горизонтов крупнейших алмазоносных трубок в Якутии связана с переходом на подземный способ добычных работ и возникновением при этом сопутствующих комплексных проблем освоения месторождений в экстремальных горногеологических и нефтегазовых условиях [1, 3 и др.]. Существует обширная информация о закономерностях газодинамических процессов при проведении подземных горных работ. Вопросы дегазации породных массивов и рудных блоков с созданием безопасных условий труда остаются одними из приоритетных на подземных рудниках АК «АЛРОСА». Это выдвигает необходимость решения конкретных задач еще на начальных стадиях освоения глубоких горизонтов месторождений, включающих выбор методов и средств обеспечения газобезопасности с обоснованием технических решений при строительстве подземных сооружений и последующей алмазодобыче.
Нефтегазонасыщенность Якутской алмазоносной провинции изучалась многими организациями поэтапно начиная с 60-х годов прошлого столетия и по настоящее время [1-5]. Влияние естественной нефте-газонасыщенности пород разрабатываемых массивов и распространенных на месторождениях высокоминерализованных подземных вод сказывается на ведении горных работ в виде выбросов газоводяных смесей и многочисленных возгораний свободных газовых потоков. Длительность существования газовых струй или выходов рассолонефтегазовых флюидов на отдельных участках и горизонтах в открытых и подземных горных выработках достигает нескольких недель и даже месяцев. Поэтому исследование флюидопрояв-лений и их состава считается важной задачей при освоении глубоких горизонтов подземных рудников АК «АЛРОСА».
При строительстве подземного рудника «Удачный» происходили случаи воспламенения (взрывы)
1Дроздов Александр Викторович, кандидат геолого-минералогических наук, зав. лабораторией, тел.: 4113692038, 89142517174, e-mail: DrozdovAV@alrosa.ru
Drozdov Alexander, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Head of the Laboratory, tel.: 4113692038, 89142517174, e-mail: DrozdovAV@alrosa.ru
2Мельников Александр Иванович, доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, тел.: 3952428273, e-mail: mel@crust.irk.ru
Melnikov Alexander, Doctor of Geological and Mineralogioal sciences, Leading Researcher, tel.: 3952428273, e-mail: mel@crust.irk.ru
газовоздушных смесей в стволах ВВС и СС, наклонных съездах и других горных выработках, что приводило к вынужденным простоям и дополнительным материальным затратам на восстановление нарушенных коммуникаций и сооружений. Данные инциденты, как правило, фиксировались при проходке подземных выработок в разломных зонах и на участках нефте-проявлений после производства взрывной шпуровой отбойки пород. На основании положений разработанных «Специальных мероприятий газового режима....» [6] при ведении горных работ на строящемся подземном руднике «Удачный», согласованных в Ростех-надзоре, ежеквартально готовятся и передаются заключения шахтостроителям с указанием классов и групп газонефтеопасности для всех подземных выработок.
В рамках публикации проведено обобщение имеющихся данных по разным видам газовых проявлений во вскрываемом разрезе, показателей изменения газовой обстановки в горных выработках рудника по степени опасности нефтегазовой обстановки, охарактеризованы результаты газового мониторинга при существующей схеме проветривания рудника, а также представлены рекомендации, обеспечивающие безопасное производство горных работ. Одной из задач проводимых исследований является создание моделей процесса газовыделений из разных природных форм их нахождения на всех этапах проходческого цикла и в целом по месторождению. Для исключения возможных аварийных ситуаций при существующих схемах вентиляции и связанных со вскрытием высокопроницаемых зонах, а также увеличением газо- и во-допритоков в процессе строительства рудника «Удачный» продолжаются исследования и мониторинг по оценке нефтегазовой обстановки в горных выработках, отслеживаются изменчивость и проницаемость разрывных зон в разрезе и по площади вблизи ким-берлитовых трубок, оцениваются фильтрационные сопротивления различных интервалов рудных тел и вмещающих пород и т.д.
Общая характеристика горно-геологических условий месторождения
Месторождение трубки «Удачная» расположено в Далдыно-Алакитском алмазоносном районе, которому свойственны сплошное распространение ММП, непрерывность криогенной толщи, значительная ее мощность (до 1500 м) и высокие значения отрицательных температур (до 16°С) [3]. Район в мерзлотно-геотермическом отношении выделяется как аномальный и не укладывается в рамки географической зональности. На глубине 2,0 км температура пород не превышает 14—16°С, а градиент температур в интервале 0,9-1,4 км составляет 0,9 °С/100 м. Теплофизи-ческие свойства геологических разрезов вблизи месторождения определяются многими их особенностями, при этом, в первую очередь, составом пород, слагающих криогидрогеологические структуры, а также степенью их водообильности. Криогенная толща в районе имеет трехъярусное строение (табл. 1). Верхний ярус слагают ММП, содержащие воду в виде льда, заполняющего поры, каверны, трещины. Нижний ярус
слагают охлажденные породы, пустоты которых заполнены солеными водами и рассолами с отрицательной температурой - криопэгами. Промежуточное значение занимает ярус морозных пород с мощностью до 50 м.
Кимберлитовая трубка «Удачная», состоящая из двух сопряженных тел (западного и восточного), расположена на границе разнофациальных криогидро-геологических структур [3]. В верхней части разреза осадочного чехла оба тела соприкасаются друг с другом, однако, начиная с глубины 250-270 м, они разобщены в земном пространстве. В рудной структуре месторождения установлено 8 кимберлитовых жил и 3 небольших сателлитных тела (до 5-10 м), структурно увязанных в две системы направлений с азимутами 63-65° и 85°. В 450 м северо-восточнее восточного тела трубки вскрыто жильное тело, сложенное калиевым щелочным трахитом, прорывающее одну из кимберлитовых жил [4]. К настоящему времени считается доказанным, что в той или иной форме существует пространственная связь между глубинными разломами и кимберлитовым магматизмом. Механизм формирования кимберлитовых трубок в верхней части литосферы обычно связывают с процессами растяжения, которые являются типичными проявлениями тектоники при рифтообразовании [5]. Наиболее благоприятными для внедрения кимберлитов являлись участки пересечения и оперения глубинных разломов, то есть разломные узлы. В пределах палеорифтовой зоны кимберлиты проникали в верхние горизонты земной коры по системам мелких скрытых каналов-трещин. Эти системы закладывались в областях пересечения глубинных выклинивающихся вверх по разрезу крупных зон растяжения, называемых кимберлитоконтро-лирующими структурами, и поперечных зон трансформных разломов.
Эксплозивные процессы сопровождались деструкцией локальных участков верхних частей консолидированной коры, изменением физико-механических свойств толщ пород и увеличением газо- и водопроницаемости отдельных зон. К примеру, вскрытие в северо-восточном борту карьера «Удачный» кимберлитоконтролирующей зоны на горизонте +5 абс. м привело к увеличению водопритоков на 60-70% от всего подземного стока, что позволило сделать вывод о прямой связи между нижераспространенным (на 200 м) наиболее водообильным сред-некембрийским водоносным комплексом и открытой горной выработкой. Через зону тектонических нарушений рассолы водоносного комплекса мигрировали в отрабатываемое пространство карьерного поля из сопряженных областей, обладающих высокими филь-трационно-емкостными показателями отложений [5].
Дизъюнктивные деформации, пронизывающие толщи пород независимо от литологической и стратиграфической принадлежности, соединяют водогазона-сыщенные пласты в единую гидравлическую систему. Поэтому кимберлитовые трубки и прилегающие зоны разрывных дислокаций в блоках пород осадочного чехла могут являться своеобразными «гидравлическими окнами». Но существует ряд неопределенно-
Таблица 1
Строение криолитозоны на трубке «Удачная» с характеристикой газовой составляющей
Название толщи (мощность, м) Состояние распространенных газов Тип газов по составу Второстепенные компоненты
Верхняя часть литосферы Ярус (по С.М. Фотиеву [1971]) Водоносная
Криолитозона (720-1050) Мерзлых пород (60-250), встречаются охлажденные (5-10) Встречается межмерзлотная (5-10) Свободное, сорбированное, газогидратное Углекисло-азотные СН4, Н23
Морозных пород (10-50) Отсутствует Свободное, газогидратное, сорбированное Углекисло-азотные СН4, Н23
Охлажденных пород (430-780) Верхнекембрийский комплекс Растворенное, сорбированное, свободное Азотно-углеводородные С02 Не, ТУ
Газогидратное, сорбированное, свободное Углеводородные ТУ, СО2 Н2, Не
Средне-кембрийский комплекс Растворенное, сорбированное, свободное Углеводородные ТУ, СО2, Н2, Не
стей, выраженных в характере раскрытости и проницаемости дизьюнктивов как для подземных вод, так и для газов по вертикали и латерали. Кроме этого, вторичные гидротермальные процессы (кальцитизация, сульфитизация и др.) наложили свой отпечаток на существующие зоны нарушений в кимберлитовых телах и во вмещающих осадочных толщах. Прежде чем оценивать роль разрывных нарушений в загазирова-нии горных выработок, необходимо детально отследить структурно-тектонические показатели разных участков кимберлитовой трубки и прилегающих массивов пород. В основном проницаемые разломы рассматриваются как структуры наложенные и подновляемые, которые обладают определенными для них особенностями (глубина, протяженность, степень раскрытия) и аномальными показателями (водообиль-ность, химсостав, газонасыщенность подземных вод). Общеизвестно, что открытые тектонические нарушения осадочного чехла играют роль каналов миграции флюидов с различных глубин и пространств. Это особо негативно проявляется в спонтанных газопроявлениях разной степени интенсивности, наблюдаемых на большинстве месторождений региона.
Нефтегазонасыщенность месторождения, геохимия газов и причины возгораний
Газовая составляющая на месторождении трубки «Удачная» представляет собой сложные смеси газов воздушного, химического, метаморфического, магма-
тического и радиогенного происхождения с тремя основными типами разновидностей нахождения: свободной, сорбированной и растворенной [1, 3 и др.]. Отмечена в криогенных толщах района и гидратная форма существования газов. Сорбированные газы содержатся в отдельных порах, кавернах, напрямую не связанных между собой, и при разрушении горного массива высвобождаются, переходя в свободное состояние. Свободные газы менее прочно связаны с породой и мигрируют при изменении газо- и гидродинамических условий. Распределение газов во вмещающих породах и в кимберлитовых трубках носит сложный характер. Состав, масштабы, интенсивность газопроявлений зависят, в первую очередь, от вещественного состава пород, структурно-тектонической обстановки вблизи месторождения и в той или иной его части, а также от других природных показателей.
По составу основных компонентов природные газы подразделяются на азотные и углеводородные с их вариациями (табл. 1). Суммарное содержание сорбированных и свободных газов во вмещающих породах месторождения варьирует от несколько десятков до 7000 см3/кг. Причем среднее содержание сорбированных газов, как правило, выше, чем свободных. В составе как сорбированных, так и свободных газов основное место в верхних частях разреза принадлежит азоту (30-60 %, абс) и углеводородам (24-45 %, абс), в некоторых случаях содержания углеводородов гла-
венствуют; в подчиненных количествах представлены СО2 и Н2. Их содержания в свободных газах, как правило, не превышают первые проценты. Однако встречались газовые ловушки и трещинные зоны в кимбер-литовых телах трубки, где концентрации водорода в смеси спонтанных газов превышали содержания метана. Так, при вскрытии апикальной части второй водоносной зоны в Восточном теле произошел выброс спонтанного газа с содержанием водорода до 52% и суточным дебитом около 100 тыс. м3 [2].
Для стратиграфических толщ осадочного чехла в районе месторождения характерна тесная взаимосвязь между газо- и битумонасыщенностью пород вскрываемого разреза, что свидетельствует о генетическом родстве углеводородных газов (УВГ) и битумо-идов [3]. Выделено три основных типа битумонасы-щенности пород, каждому из которых соответствуют определенные диапазоны содержаний УВГ. Максимальные значения содержаний УВГ в осадочных толщах со сплошной битумной пропиткой пород приурочены к верхней части известняково-доломитовой толщи среднего кембрия и низам мархинской свиты верхнего кембрия, что отвечает глубинам 520-780 м. Отложения данного интервала разреза представлены оолито-сферолито-комковатыми известняками, мелкозернистыми известковистыми доломитами и доломитами с полигональной межзерновой пористостью.
В интервалах с неравномерным насыщением эпи-битуминоидами содержания УВГ в осадочных породах значительно ниже (до сотен см3/кг). Для таких интервалов характерно пятнистое, межпластовое либо трещинное насыщение БВ. Эти образования, в основном, находятся в средней части мархинской свиты и нижней части известняково-доломитовой толщи. Для толщ пород, где отсутствуют макровключения битуми-ноидов, характерен широкий разброс содержаний УВГ, хотя абсолютные значения невысоки (десятки см3/кг). Этой категории, в большей мере, отвечают интервалы удачнинской свиты средне-нижнего кембрия. Под-мерзлотным рассолам месторождения свойственна повсеместная газонасыщенность УВГ. Распространенные рассолы насыщены данным типом газовых компонентов с абсолютными содержаниями до 1 м3/м3 (среднее - 0,6) (рис. 1). Доля метана в газовой смеси составляет 75-85%, концентрации тяжелых углеводородов возрастают до 1,9-10%, содержание азота падает до 2-10, углекислого газа < 2,8, водорода 0,1-1,2, гелия 0,2%.
Изотопный состав углерода метана растворенных газов изменяется от -32,0 до -35,9 %о [3]. Высокие концентрации гомологов метана связаны с многочисленными нефте- и битумопроявлениями в толщах осадочного чехла. В целом газы и битуминоиды, содержащиеся в подземных водах и осадочных породах месторождения, по своей природе являются продуктами преобразования органического вещества (ОВ). Изучение природной газоносности алмазоносных трубок показало, что в составе газовой смеси всех форм нахождения присутствует постоянно водород. В кимберлитах выделяется две его генерации - эпигенетическая и сингенетическая. Образование водорода на
больших глубинах или в магматических очагах обусловлено различными реакциями, в которых наибольшее значение отводится воде, выступающей в роли донора. При окислении закисного железа, углерода, окиси углерода или углеводородов происходит восстановление водорода. Это подтверждается многими исследованиями, посвященными геохимии газов [2]. Образование свободного и растворенного водорода также связывается с воздействием магматического расплава на ОВ осадочных толщ чехла, электрохимическими реакциями или бактериальным брожением нефти.
Внутри и вблизи рудных тел алмазных месторождений разные формы нахождения водорода сопряжены со значительными изменениями кимберлита в процессе карбонатизации и серпентинизации внутреннего вещества трубок [3]. Данное генетическое представление об этом компоненте вполне увязывается с временной (фазовой) этапностью внедрения кимберлито-вых расплавов, в частности по трубке Удачная-Восточная. Здесь ураганные содержания водорода приурочены к третьей фазе внедрения кимберлитов, которой свойственны несерпентинизированные разности пород с натровыми карбонатами поздней гидро-термально-метасоматической стадии становления [2]. Сорбированные и свободные газы в замкнутых коллекторах этой части рудного тела с неизмененным оливином можно рассматривать как сингенетичные, т.е. образованные совместно с длительным формированием трубок в процессе многофазного внедрения кимберлитового расплава на месторождении. Изотопный состав углерода метана спонтанного выделения из этого участка трубки колебался от -2,04 до -2,44 %, что свидетельствует об его эндогенной природе образования [1].
В процессе внедрения кимберлитовой брекчии третьей фазы на этой трубке произошло уплотнение вышележащих пород с образованием слабопроницаемого экрана и формированием куполообразной структуры с аномальным составом распространенных флюидов. Химический состав рассолов и газов этого изолированного участка трубки имел совершенно иные показатели и соотношение химических компонентов. При рассмотрении состава газов серпентини-зированных кимберлитовых разновидностей рудных тел можно отметить совершенно иную картину. Так, в породах трубки Удачная-Западная до глубины 750 м содержание водорода не превышает 0,15% и только ниже повышается до 0,86%. Концентрации водорода в подземных водах вблизи месторождения характеризуются своей полигенностью. Повышенные и ураганные содержания этого компонента (10,31-37,45% объемных) в газовой составляющей рассолов отмечены на северном фланге со стороны Далдынской флексуры. По зонам разломов наблюдается тенденция увеличения содержания водорода с глубиной, что указывает на глубинную природу происхождения этого газообразного компонента и возможность его миграции по разрывным нарушениям в верхние горизонты при снятии гидродинамического давления во время отработки глубоких горизонтов месторождения.
0,1 0,2
газовый фактор, м3/м3 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
100
200
300
400
я Я
а »о
ч и-
500
600
700
у = 348,63х3 - 467,52х2 + 754,06х + 142,76 Я2 = 0,7437
Рис. 1. Изменение газонасыщенности подземных вод с глубиной по трубке «Удачная»
В кимберлитовых телах спонтанные выделения горючих газов приурочены, в основном, к зонам вскрытия эндогенной трещиноватости на контактах разных фаз внедрения магматического вещества и локальным газовым ловушкам. Помимо общих закономерностей величина газоносности отдельных проницаемых участков, прилегающих к рудным телам, тесно связана с их тектонической нарушенностью, т.е. возможностью миграции флюидов и в настоящее время из глубинных интервалов подземного прилегающего пространства. Это наглядно подтверждалось спонтанными водогазопроявлениями или газовыми потоками на полотне карьера при вскрытии кимберлито-контролирующих и приконтактовых зон рудных тел с вмещающими породами. Такие газоводяные выбросы высотой до 15 м наблюдались в течение нескольких месяцев и обладали цикличным характером интенсивности, завися от многих причин: атмосферного и пластового давления, динамики подтока рассолов и т.д.
Вскрытие подземными выработками нефтегазона-сыщенных участков сопровождалось газодинамическими явлениями с фиксацией повторных взрывов воздушно-газовой смеси в забоях после проведения взрывной шпуровой отбойки. Рассмотрим основные причины возникновения данных негативных ситуаций. Шпуровое взрывание для дробления горной массы
априори сопряжено с выделением значительных объемов взрывоопасной смеси за счет перехода большей части сорбированных газов из породы в свободные. При этом за счет неполного сгорания взрывчатого вещества или при возгорании нефти создается источник для возможного последующего воспламенения взрывоопасной смеси. В случае образования горючих газовых компонентов с критическими концентрациями в воздушном пространстве выработки происходит повторное взрывание, обладающее значительной разрушительной силой, что и отмечается через несколько секунд (до первых десятков) периодически в разных забоях рудника. Дополнительным источником повышения концентрации взрывоопасной смеси является дегазация породного массива и дренажных рассолов, поступающих в подземные выработки.
Раскроем суть и свойства поровых флюидов, находящихся в слабопроницаемых толщах осадочного чехла. В процессе образования отложений разреза и в постседиментационных условиях часть ОВ оказалась захваченной в межкристаллической решетке и отрезанной от прилегающих частей породы. Последующее уплотнение за счет гео-и гидростатических нагрузок привело к концентрированию напряжений внутри системы и приобретению палеогидродинамических свойств поровых флюидов. В низкопроницаемых породах поры и пустоты гидравлически плохо связаны
0
между собой. При отсутствии прямой связи между составными элементами емкости породных блоков, горючие газы оказались законсервированы. Опережающее бурение дегазационных скважин и даже шпуров не позволяет, в большей мере, разгрузить вскрываемый массив от существующих поровых флюидов. Поэтому после шпурового взрывания высвобождается большой объем горючих газов, приводящих к газодинамическим явлениям, т.е. повторному взрыву в горных выработках.
Резюмируя данные показателей газового состава всех форм нахождения, интенсивности газопроявлений, можно сделать определенный вывод. В настоящее время водород не является главной причиной взрывания газовоздушных смесей в забоях подземных выработках на данных участках горных массивов строящегося рудника. При осушении месторождения от поступающих газонасыщенных рассолов происходит снятие давления в подземной гидросфере с формированием вокруг основных горных выработок (карьер, рудник) депрессионной воронки, форма которой зависит от проницаемости прилегающего массива пород и региональных структурообразующих разрывных дислокаций в районе. Газы, как наиболее подвижные элементы флюидной системы в недрах Земли, по открытым нарушениям движутся к области, обладающей минимальным гидростатическим давлением, в частности, к горным выработкам.
Расчет взрывоопасности рудничной атмосферы производится по сумме горючих газов [6]. Зона взры-ваемости газов определяется площадью, заключенной внутри «треугольника», вершинами которого служат нижний и верхний пределы взрываемости смеси и пик воспламенения. Существует две наиболее применяемые классификации взрывоопасных смесей. Первая классификация принята в странах, признающих Европейские стандарты CENEI.EC, вторая - в США и Канаде. Отличия между ними незначительные. Россия придерживается Европейской классификации, согласно которой все взрывоопасные смеси разделяются на четыре категории. В качестве основных классификационных параметров используются БЭМЗ (безопасный экспериментальный максимальный зазор) и соотношение МТВ (минимальных воспламеняющих токов). В настоящее время состав природных газов на руднике оценивается по категории их взрывоопасности в соответствии с методикой ИПКОН РАН [6]. Степень взрывоопасности газовоздушной смеси определяется в % от нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР). Степень взрывоопасности рудничного воздуха может быть определена как прямыми измерениями, так и расчётом по результатам анализа компонентного состава горючих газов в воздухе.
Результаты газового мониторинга на руднике и рекомендации по мероприятиям безопасного производства работ
Строящийся подземный рудник «Удачный» отнесен к газонефтеопасным объектам, где безопасность горнопроходческих работ регламентируется «Мероприятиями...» [6]. Газы, выделяющиеся из горных по-
род и подземных вод месторождения, по своему составу отнесены к I-ой категории взрывоопасных смесей. Все зоны, участки, блоки пород, в которых производится проходка подземных выработок, по уровню газоопасности подразделяются на три класса. Для выработок I класса газоопасности характерно суфляр-ное выделение горючих газов, для выработок II класса - диффузионное выделение, для III - горючие газы не фиксируются экспресс-методами. При уточнении взрывоопасной ситуации на руднике по нефтегазона-сыщенным участкам, блокам проводятся исследования разрывных зон, источников флюидопроявлений с оценкой их газодинамических показателей и состава. Используемая система аэрогазового контроля (АГК) «МИКОН-1Р» [6] на руднике предназначена для непрерывного автоматического контроля параметров рудничной атмосферы, передачи информации на диспетчерский пункт для её отображения, хранения и анализа в целях обеспечения безопасности горных работ и управления установками и оборудованием для поддержания аэрогазового режима в горных выработках. Основными функциями АГК являются: контроль метана и других газов в рудничной атмосфере; газовая защита; контроль расхода воздуха и управление работой главных вентиляторных установок и местного проветривания (ВМП); контроль положения дверей вентиляционных шлюзов; телесигнализация и телеизмерение контролируемых параметров рудничной атмосферы; телеуправление оборудованием поддержания безопасного аэрогазового режима в горных выработках.
Для исключения возможных аварийных ситуаций в процессе строительства рудника, необходимо осуществлять мероприятия, направленные на максимальную дегазацию рудных тел и вмещающих горных пород. При проходке газонасыщенных интервалов, имеющих повышенную концентрацию сорбированных газов, рекомендуется осуществлять буровзрывные работы (БВР) с уменьшенным объемом взрываемой горной массы [7], а при необходимости выполнять и двухфазное взрывание забоев. Использование этого способа позволило подобрать оптимальные параметры взрывания с учетом поступления в атмосферу определенного объема сорбированных газов с регулированием горючей смеси до невзрывоопасных концентраций. Вскрытие трещинных газо- и водопрово-дящих зон приводит к увеличению газообильности воздушной атмосферы подземных горных выработок. Характерная картина увеличения фонового содержания метана, к примеру, при вскрытии газообильного участка на горизонте -320 абс. м после проведения мелкошпуровой отбойки представлена на рис. 2. Выделяющиеся из рассолов горючие газы создают основной фон газонасыщенности в забоях, буровых нишах, тупиковых выработках и вблизи гидротехнических сооружений (зумпфов, насосных выработок и др.). Анализ полученных данных по концентрации горючих газов в одних и тех же горных выработках за 2013 г. (рис. 3) показал их общее снижение за счет существующей дегазации горного массива.
Рис. 2. Увеличение газообильности атмосферы при вскрытии газоносных зон после БВР
I ц ш IV Квартал
Рис. 3. Изменение содержания горючих газов в атмосфере горных выработок в 2013 г.
Характер свободных газовых проявлений струйного и суфлярного типов имеет спорадическое распространение во вскрываемых массивах с ярко выраженной нисходящей интенсивностью от сотен л/мин до нулевых значений. Как правило, длительность газопроявлений такого вида различна и в основном не превышает 0,5-1,0 часа. В то же время следует отметить, что аналогичные газопроявления на горизонте -380 абс. м имели более длительный период газовыделений, достигающий несколько недель и даже месяцев. Влияние газовых факторов на подземную отработку месторождения с сопутствующими газодинамическими явлениями зависит, в первую очередь, от интенсивности проветривания тупиковых забоев, степени обводненности, структурно-тектонической обстановки на участке строительства и эксплуатации, наличия нефтегазонасыщенных отложений и основных типов нахождения газовой составляющей в разрабатываемых породных массивах. Для юго-восточного фланга месторождения на участке строительства вер-
тикальных стволов отслежены и выделены потенциальные нефтегазоопасные интервалы разреза, связанные с кровельной (отм. -250...-310 абс. м) и подошвенной (отм. -510.-560 абс. м) частями известко-во-доломитовой толщи среднего кембрия.
Известные в отечественной и мировой практике способы предупреждения взрывов газовоздушных смесей в подземных горных выработках, проходимых по газоносным породам, разделяются на четыре группы. В состав первой группы входят профилактические мероприятия, в результате которых не допускается образование взрывоопасных концентраций горючих газов в атмосфере подземных выработок при их проходке. Наиболее известным и используемым из входящих в эту группу способов является предварительная дегазация газонасыщенных интервалов вскрываемого массива. Суть этого способа заключается в искусственном снижении содержаний взрывоопасных газов в породах путем бурения дегазационных скважин. В основном, в сферу влияния данных мероприя-
тий попадают свободные газы, распространенные в трещинных зонах на месторождении. При большой интенсивности газовыделений желательно выполнять принудительный газоотвод.
Суть существующих мероприятий второй группы заключается в разбавлении горючих газов до невзрывоопасных концентраций атмосферным воздухом, т.е. использование локального проветривания в основном тупиковых горных выработок вентиляторами местного проветривания с интенсивностью, исключающей создание опасной атмосферы по газовому фактору. В третью группу входят способы, суть которых заключается в недопущении проявления в подземной выработке источников инициирования взрыва. К профилактическим мероприятиям такого рода относятся: использование взрывозащищенного оборудования; меры, препятствующие образованию открытого огня; меры безопасности при ведении взрывных работ. Сущность предупредительных мероприятий четвертой группы заключается в создании инертной среды на участке, где возможно образование взрывоопасной газовой смеси. В данную группу мероприятий входят: использование ингибиторов горения (ИСТО-1, СИНВ-Ш, УРсБ), создание водонасыщенной среды из мелкодисперсных капель, заблаговременная подача в газоопасную зону инертных газов (азота, углекислого газа и др.).
При подходе и вскрытии региональных трещинных зон северо-восточного и северо-западного простираний следует ожидать проявления повышенных водо-притоков (до 50-80 м3/ч) газированных рассолов и свободных (струйных и суфлярных) газовыделений. Поэтому необходимо предусматривать все мероприятия, способствующие снижению водопритоков, динамических газопроявлений суфлярного и струйного характера. Особое внимание требуется уделять дополнительному бурению опережающих дегазационных и дренажных скважин. В то же время интенсивность свободных газопроявлений в целом для месторождения невелика, хотя может достигать 400-500 л/мин, при этом величины свободных газовых потоков, выделяющихся из разрывных нарушений, будут со временем в забоях снижаться. Для разделения мигрирующих газонасыщенных флюидов необходимо производить возмущение всей газогидродинамической подземной системы с выделением и перехватом газов как наиболее подвижной их фазы. Поэтому опережающая откачка рассолов из скважин за пределами горных выработок, в первую очередь, с северо-восточного и юго-западного флангов приведет к предварительной дегазации обводненного массива и частичному перехвату подтока газонасыщенных флюидов из смежных областей. Взрывы сорбированных газов требуют принятия также дополнительных мер по предварительной дегазации разрабатываемых породных массивов. Для этого предлагается осуществлять принудительное трещинообразование во вскрываемом интервале пу-
тем щадящего взрывания 2-3 дегазационно-дренажных скважин диаметром 90-100 мм по забою подземных выработок с опережением на 10-15 м. Это позволит частично дегазировать породные блоки по трассе горных выработок и снижать вероятность повторных взрывов в забоях. Выполнение всех вышеперечисленных мероприятий значительно уменьшит проявления разного рода газодинамических явлений и обеспечит безопасность производства подземных работ на месторождении.
Заключение
Подземный рудник «Удачный» отнесен к нефтега-зоопасным объектам, где безопасность горнопроходческих работ регламентируется «Специальными мероприятиями.», согласованными с Ростехнадзором. В настоящее время большая часть подземных горных работ на руднике «Удачный» осуществляется в наиболее нефтегазонасыщенном и высоководообиль-ном интервале среднекембрийского водоносного комплекса (-280.-580 абс. м), с чем и связаны основные проблемы строительства подземных сооружений, разного типа газодинамические явления, подтопление выработок газонасыщенными рассолами и другие осложнения. Газы, выделяющиеся из горных пород и подземных вод месторождения, по своему составу обоснованно отнесены к !-ой категории взрывоопасных смесей. Наибольшую сложность при подземной добыче алмазов будут представлять тектонические зоны, имеющие повсеместное распространение на месторождении. Поэтому при вскрытии региональных трещинных зон северо-восточного и северо-западного простираний следует ожидать проявления повышенных водопритоков газированных рассолов и свободных (струйных и суфлярных) газовыделений с сопутствующими осложнениями подземных горных работ.
По результатам автоматизированного газового контроля установлено влияние растворенных компонентов в подземных водах на состав атмосферы, оценена газовая обстановка в горных выработках рудника при разных режимах и остановках проветривания. Предложен ряд рекомендаций по дегазации породных и рудных массивов для обеспечения газобезопасности, включающий проходку газонасыщенных интервалов с фазными этапами и уменьшенными зарядами при БВР, методы увеличения газоотдачи массива, такие как: бурение удлиненных разведочных и дегазационных скважин, опережающее водопонижение для удаления растворенных газов, искусственное раскрытие трещин методом сотрясательного взрывания, вибросейсмическое воздействие на горные массивы и др. В дальнейшем необходимо продолжить совершенствование технических решений, направленных на снижение газоопасных факторов, влияющих на подземное освоение крупнейшего месторождения алмазов, разработку эффективных способов дегазации породных и рудных массивов с созданием безопасных условий производства подземных горных работ.
Статья поступила 11.04.2014 г.
Библиографический список
1. Геология, гидрогеология и геохимия нефти и газа южно- кий, Г.С. Фрадкин и др. Якутск: Изд. ЯФ СО АН СССР, 1986. го склона Анабарской антиклизы / Е.И. Бодунов, В.Л. Белец- 176 с.
2. Дроздов А.В. Влияние природной газоносности трубки «Удачная» на ход строительства крупнейшего алмазного рудника // Горный журнал. 2009. № 6. С. 71-74.
3. Дроздов А.В., Иост Н.А., Лобанов В.В. Криогидрогеоло-гия алмазных месторождений Западной Якутии. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. 507 с.
4. Дроздов А.В., Мельников А.И. Оценка структурно-тектонической обстановки - основа газогидрогеодинамиче-ского районирования месторождения (на примере трубки «Удачная») // Маркшейдерия и недропользование. 2011. №
4. С. 35-39.
5. Дроздов А.В., Мельников А.И. Роль разрывных нарушений в обводнении алмазных месторождений Якутии газона-
сыщенными рассолами // Геология, тектоника и металлогения Северо-Азиатского кратона: мат. Всероссийской научной конференции. Якутск, 2011. Т. 1. С. 244-248.
6. Специальные мероприятия газового режима при ведении горных работ на подземном руднике «Удачный» в условиях газонефтепроявлений на период строительства до выхода на проектную мощность. Мирный, 2013. Вып. 3. 170 с.
7. Патент РФ № 2439485. Способ ведения взрывных работ в шахтах, опасных по нефтегазоносности / А.В. Дроздов, Н.П. Крамсков, А.А. Бородин. Заявитель и патентообладатель АК «АЛРОСА» (ОАО) (RU). Заявл. 10.02.2010 г.; Опубл. 10.0.2012 г. 4 с.
УДК 331.436, 614.833
ОЦЕНКА АВАРИЙНЫХ РИСКОВ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ХЛОР В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
© С.С. Тимофеева1, Е.А. Хамидуллина2, О.А. Давыдкина3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрен технологический процесс обеззараживания природной воды с использованием хлора на станциях водоподготовки питьевой воды, обсуждены его достоинства и недостатки. Выполнено моделирование аварийных ситуаций разгерметизации емкостного оборудования с хлором с последующей оценкой индивидуального риска для людей, попавших в зону распространения облака, и построением поля потенциального территориального риска вокруг аварийных объектов. Моделирование осуществляли с помощью диаграмм причинно-следственной связи типа «дерево» и компьютерного программного комплекса ТОКСИ+РИСК (ГП «НТЦ «Промышленная безопасность»). На примере водоочистной станции г. Иркутска установлено, что риск для персонала не превышает допустимых величин, принятых для производственных условий (1 10-41/чел.год). Гибель населения маловероятна, но возможна при расположении станции в непосредственной близости от жилого массива, а также при неблагоприятном стечении обстоятельств. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: хлор; аварии технологического оборудования; водоочистные станции; сценарии; моделирование; расчет аварийного риска.
EMERGENCY RISK EVALUATION AT HAZARDOUS INDUSTRIAL FACILITIES USING CHLORINE
IN TECHNOLOGICAL PROCESSES
S.S. Timofeeva, E.A. Khamidullina, O.A. Davydkina
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article considers the technological process of natural water decontamination at drinking water treatment plants and discusses advantages and disadvantages of chlorine technologies. The emergencies involving the depressurization of tanks with chlorine with consequent assessment of individual risks for people occurred in the zone of cloud distribution are modelled. The field of potential territorial risk around emergency facilities is built as well. Modeling has been performed with the help of diagrams of cause-and-effect relations of a "tree"-type and a computer software system TOXI+RISK developed by "Group of Enterprises Scientific Technical Center "Industrial safety". On an example of Irkutsk water treatment plant it is proved that the risk for the staff does not exceed admissible values allowed for production conditions (1- 10-41/ person a year). Casualties in population are unlikely, but possible if water treatment plant is located in close proximity to a residential area or under unfavorable circumstances. 4 figures. 2 tbles. 8 sources.
Key words: chlorine; failure of process equipment; water treatment plants; scenarios; modeling; calculation of emergency risk.
Чимофеева Светлана Семеновна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: (3952) 405176.
Timofeeva Svetlana, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: (3952) 405176.
2Хамидуллина Елена Альбертовна, кандидат химических наук, доцент кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности.
Khamidullina Elena, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Industrial Ecology and Life Safety.
3Давыдкина Ольга, магистрант. Davydkina Olga, Master's degree student.
