CC BY
54
© Н.Г. Матвиенко, А.С. Ворошок, 2012
УДК 622.817
Н.Г. Матвиенко, А.С. Воронюк
ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОСВОЕНИЯ ГАЗОНОСНЫХ И СКЛОННЫХ К САМОВОЗГОРАНИЮ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Дано обобщение закономерностей выделения горючих газов, потерь кислорода атмосферой выработок и возникновения эндогенных пожаров при разработке рудных месторождений, содержащих газы и окисляющие на воздухе минералы. Изложены рекомендации по рациональным схемам и способам вскрытия, вентиляции, подготовки и отработки таких месторождений с выполнением специальных мероприятий по безопасности.
Ключевые слова: газоносность, окисление, вентиляция, газопожаробезопас-ность.
Освоение многих рудных месторождений осложняется поступлениями природных газожидкостных флюидов (взрывчатых, токсичных, вредных и радиоактивных газов, нефти и вод) и существенным обескислороживанием шахтной атмосферы с образованием вредных (СО2) и токсичных ^02) газов и возникновением эндогенных пожаров вследствие происходящих окислительных процессов [1-3]. Нередко происходит одновременное выделение многокомпонентных газовых смесей из твердых и жидких источников, содержащих в естественных условиях газы в свободном, растворенном, сорбированном и твердом (клатратном) состояниях и протекание окислительных процессов. При этом снижение содержания кислорода в атмосфере выработок происходит как вследствие разбавления выделяющимися природными газами, так и в результате поглощения его химически активными рудами и породами и машинами с двигателями внутреннего сгорания.
Несмотря на проведенные ранее целенаправленные исследования и богатый опыт горнодобывающей промышленности и в настоящее время необходимо развитие основ обеспечения комплексного безопасного освоения газопожароопасных рудных и нерудных месторождений с целью совершенствования методов прогнозирования обычных и аномальных флюидопроявлений, обескислороживания рудничной атмосферы, самовозгорания руд и
установления эффективных и безопасных схем и способов вскрытия, проветривания и технологий их освоения в сложных условиях газогидронефтеносности массивов и развития окислительных процессов при горных работах.
Ряд месторождений рудоносных регионов нашей страны опасны по выделению природных газов и самовозгоранию руд и вмещающих пород и обескислороживанию воздуха горных выработок. К ним следует отнести (табл.): крупномасштабные глубокоза-легающие медно-никелевые месторождения Норильско-Талнахского рудного региона, кимберлитовые месторождения Якутии, сульфидные и медные месторождения Урала, Кавказа, Сибири и Приморья, включая перспективное крупномасштабное медное Удоканское месторождение, а также рудники Кривого Рога [4].
Анализ геологического строения рудных месторождений, при освоении которых отмечены устойчивые выделения природных газов, показал, что их газоносность обусловлена, как правило, газами, чуждыми по генезису самому полезному ископаемому и связанными с залеганием вблизи рудоносных формаций газопроизводящих и газовмещающих толщ, преимущественно седиментационно-метаморфогенных, содержащих каменный уголь, битумы и флюиды (газ, нефть, вода), а пожароопасность - с окислительной активностью минералов руд и вмещающих пород.
Природные газы, осложняющие разработку рудных месторождений, связаны с определенными геологическими условиями:
- метан, нередко с примесями его гомологов и водорода, - с совместным залеганием руд и осадочно-метаморфогенных пород, содержащих органику, как концентрированную в виде угля и нефти (Якутия, Норильск, Средняя Азия, Ярега, СУБР, Никитовка и др.) так и рассеянную (Уруп, Кривой Рог, Миндяк, Бестюбе, Восток-2, Дальнегорск);
- существенно водородные газы - с массивами ультраосновных (дунитовых) пород (Нижний Тагил, Хромтау, Албания);
- углекислый газ - с районами альпийской складчатости (Карпаты, Кавказ, Забайкалье, Приморье);
- сероводород - с водоносными комплексами битуминозных пород с застойным режимом и месторождениями серных руд (Мирный, Средняя Азия).
2 Наиболее известные газоносные и склонные
к самовозгоранию рудные месторождения
Месторождение, рудник Основ-ные газы Основные источники Формы газовыделения Опасные случаи
Норильское медноникелевое, рудник «Заполярный» СН4, SO2 угольные пласты, окисление руд суфляры, газо-отдача углей, руд и пород взрыв метановоз-душной смеси, "мертвый" воздух
Талнахское медноникелевое, рудники «Маяк», «Комсомольский», «Скалистый», «Октябрьский», «Таймырский» СН4, SO2 угольные пласты, окисление руд выброс угля и газа, суфляры, газоотдача углей, руд и пород выброс и взрыв газовоздушной смеси при проходке стволов, "мертвый" воздух
Уральские медноколчеданные, рудник «Дегтярский» и другие СО2, SО2 окисление руд, разложение карбонатных пород газоотдача руд и пород пожары, "мертвый" воздух
Криворожский железорудный бассейн, рудники СО2 То же газоотдача руд, пород и воздуха "мертвый" воздух, образование серной кислоты Н»£О4
Текелийское медноколчеданное, рудник «Текели» СО2 То же То же пожары, "мертвый" воздух
Якутия, крупнейшее в России Депутатское месторо-ждение оловоруд-ное SО2, СО2 То же газоотдача руд и пород образование серной кислоты H2SO4
Омсукчанское оловорудное, «Галимый» СН4 угольные пласты газоотдача угля и пород Воспламенение метана
* "Мертвый" воздух - воздух с пониженным (менее допустимых правилами безопасности 20%) содержанием кислорода
Обескислороживание атмосферы с выделением вредных (СО2) и ядовитых да, S02) газов и пожары происходят при освоении химически активных руд (как правило сульфидных) и вмещающих пород (обычно углесодержащих).
Как правило, состав природных газов рудных месторождений сложный, а происхождение каждого из основных компонентов отличается полигенностью, но в основном обусловлено метаморфизмом органики в различных термодинамических условиях.
Распределение природных газов по площади и разрезу рудных месторождений характеризуется, как правило, неравномерностью, локальной приуроченностью скоплений к газогенерируюшим и га-зоконсервирующим литологическим и структурным элементам.
Многолетними наблюдениями установлены и теоретически обоснованы закономерности и особенности газопроявлений и окислительных процессов в рудниках:
- приуроченность интенсивных газопритоков в пространстве к отдельным, нередко ограниченным газоносным участкам шахтного поля и выработкам первой очереди проходки - разведочным и осушительным скважинам, капитальным и подготовительным выработкам, а во времени - к периоду выполнения технологических процессов по бурению и отбойке руд и пород;
- зависимость характера и интенсивности газовыделений от типа насыщения (свободные, сорбированные или растворенные газы) и его параметров (давление и состав флюида, проницаемость и пустотность коллектора);
- высокое дегазирующее воздействие на породный массив выработок первой очереди проходки, приводящее, как правило, к отсутствию или низкой интенсивности выделения газов при очистной выемке.
- окислительные процессы в рудниках происходят, в основном, в очистных забоях и смежных выработках и в выработанных и обрушенных пространствах, а также в остальных выработках выемочных участков;
- интенсивность окислительных процессов определяется химической активностью руд и пород, их объемом, доступностью воздуха и временем контакта с ним реагирующего материала.
Показателем химической активности рудничных материалов (угля, руды, пород, деревянного крепления) в России принято считать кинетическую константу скорости сорбции кислорода (и,
мл/г.час), предложенную еще полвека назад профессором Веселов-ским В.С. [5]. В настоящее время известен этот показатель для углей, руд и пород большинства осваиваемых месторождений стран СНГ [2-5]. Константа скорости сорбции кислорода определяется в лаборатории и является универсальной характеристикой различных материалов, показывающей их склонность к окислению и самовозгоранию и позволяющей определить тепловые балансы и концентрацию кислорода в окружающем воздухе за определенное время.
Окислительные процессы в рудниках оказывают многогранное влияние на состав атмосферы и состояние взаимодействующих с ней материалов от изменения химического содержания до образования новых минералов. Так, сульфиды пирротин и халькопирит могут выделять не только сернистый газ, но и при определенных термовлажностных условиях образовывать серную кислоту, которая разлагает карбонаты с выделением углекислого газа. При этом атмосфера не только теряет кислород, но и обогащается углекислым газом. Именно такие процессы происходили в железных рудниках Кривого Рога, что потребовало применения специальных мероприятий по обеспечению надлежащего состава атмосферы в действующих выработках [4]. Похожие явления и эндогенные пожары происходили в колчеданных рудниках Урала [6]. Следует отметить, что окислительные процессы на рудах и породах, включая техногенные отходы обогатительных фабрик, длятся очень долго (годами), поэтому их следует учитывать при перевозке сульфидных руд [2] и при оценке экологического состояния промышленных территорий обогатительных фабрик и рудников [3, 8].
Установлено, что в основе самовозгорания лежит окисление кислородом воздуха углей, руды, крепежного материала и других окисляющихся материалов. В процессе окисления химическая энергия угля, руд и других окисляющихся материалов преобразуется в тепловую. Когда образующееся тепло не успевает рассеиваться в окружающем пространстве, то угли, сульфидные руды и другие горючие материалы самовозгораются.
Профессор В.С.Веселовский отмечает, что современная теория рассматривает самовозгорание как физико-химический процесс, протекающий в промышленном объекте (шахте, руднике, в трюмах судов). Самовозгорание сложный процесс, составными частями которого служат химические реакции, приток кислорода и теплофи-зические соотношения [5].
В предлагаемой В.С.Веселовским и его учениками теории самовозгорания, основным соотношением является тепловой баланс для скоплений окисляющихся материалов "Тепловой баланс есть частный случай одного из самых фундаментальных физических законов - законов сохранения энергии и количественно описывает распределение образующегося тепла между участвующими в процессе телами" [5].
В теории самовозгорания основным - доминирующим фактором соотношений является тепловой баланс для скоплений окисляющихся материалов (угля, руд, древесины).
Тепловой баланс для самонагревающихся скоплений, способных окисляться при низких температурах, слагается из следующего:
Приходную часть баланса представляет генерация тепла за счет окисления. Это тепло поступающее на нагревание окисляющегося материала, вмещающих пород и воздуха, протекающего через них.
Может происходить расход тепла на испарение воды. Чтобы сделать расчет баланса тепла, следует выразить его составляющие такими физическими величинами, которые можно измерить. Так, должны определять размеры скоплений окисляющихся материалов, их химическую активность, количество протекающего воздуха и температуру [5].
Совершенствование устойчивости и повышение эффективности проветривания пожароопасных рудников следует осуществлять для условий выработок очистных забоев и выемочных участков [7], а газоопасных рудников, прежде всего в капитальных и подготовительных выработках.
Воздух, необходимый для жизнеобеспечения работающих в подземном руднике, проходит длительный путь при значительных утечках и больших изменениях своего состава.
Чем рациональней (с позиции борьбы с газо-, пожаро- и взры-воопасностью) осуществлены на руднике вскрытие и подготовка и приняты порядок и системы разработки запасов в выемочном участке, очистных забоях и в целом в шахтном поле, тем меньше потребуется объем противогазовых и противопожарных мероприятий и как следствие меньше газо- пожаро и - взрывоопасность и затраты на их предупреждение.
Способы и схемы вскрытия, подготовки запасов и проветривания, то есть скелет совокупности вскрывающих, вентиляционных, танспортных и других коммуникационных выработок рудника, шахты, являются главными факторами их стабильного и безопасного функционирования.
В зависимости от горногеологических условий и технологических особенностей подземной разработки рудных месторождений осуществляются обоснования и принимаются решения по выбору рациональных способов и схем вскрытия, подготовки, порядка выемки запасов руды в шахтном поле и выемочных участках и систем разработки. Все это вместе взятое оказывает доминирующее влияние на рудничную атмосферу в процессе эксплуатации подземных рудников.
В настоящее время при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных газо- и пожароопасных рудников недостаточно полно учитываются опасности выделения природных газов и окислительных процессов, обусловливающих снижение содержания кислорода, приводящее к образованию мертвого воздуха в атмосфере горных выработок и к самовозгоранию.
Каждое же рудное месторождение, зона оруденения имеет свои индивидуальные особенности, сложные горногеологические характеристики (особенно морфология) и структурно-геологические особенности, резкое изменение (по составу и количеству) полезных компонентов в рудных залежах, требующих частного решения вопросов вскрытия и подготовки, порядка и последовательности выемки запасов и схемы проветривания. Схемы вентиляции рудника формируются из отдельных схем проветривания выемочных участков в общую единую схему вентиляции рудников.
Методическим принципами при разработки руд газо- и пожароопасных сульфидных, медно-колчеданных и урановых месторождений для регулирования устойчивой подачи в рудник достаточного количества воздуха, управления окислительными процессами и снижения пожароопасности должны быть:
- блоковое вскрытие, подготовку и разработку запасов с независимым проветриванием выработок;
- рациональное расположение и принятие конструктивных параметров (с позиции газо-пожаро и взрывобезопасности) выработок вскрытия и подготовки запасов выемочных участков, блоков и
очистных забоев и их примыкание к основным вскрывающим, транспортным и вентиляционным выработкам крыла, рудника;
- осуществление полевой подготовки запасов выемочных блоков. Для крупномасштабных месторождений применение полевой подготовки эксплуатационных горизонтов и шахтного поля в целом. Полевая подготовка выемочных участков и блоков значительно снижает проникновение воздуха в выработанное и обрушенное пространство и облегчает изоляцию отработанных и газопожароопасных действующих выемочных участков, очистных и подготовительных забоев и обеспечивает устойчивое проветривание;
- надежная изоляция выработанного и обрушенного пространства и естественных пустот;
- надежное управление величиной депрессионного давления рудничного воздуха в выемочных участках и шахтном поле (регулирующими устройствами);
- способы и схемы проветривания очистных забоев и выемочных участков должны обеспечивать минимальное поступление воздуха в отработанные, обрушенные пространства. Для рассмотренных выше условий наиболее целесообразно возвратноточное проветриваниие с дренажными выработками и естественной тягой.
- обратное направление отработки запасов в шахтном поле, большой длины выемочных участках, блоках;
- устанавливаемый режим проветривания очистных забоев и выемочных участков должен обеспечивать как можно меньшую разность давления воздуха поблизости от отработанных и обрушенных пространств и естественных полостей.
Рассмотренные закономерности генезиса и формирования зон оруденения, морфологии сульфидных, медноникелевых, меднокол-чеданных, оловянных, урановых месторождений и рудоносных участков и их влияние на газопроявление и на возможность возникновения эндогенных пожаров подтверждают необходимость и важность их выявления и учет при проектировании вариантов подземной разработки - вскрытия и подготовки запасов и проветривания выработок таких месторождений.
Раскройка при проектировании и освоении таких газо- и пожароопасных месторождений и зон оруденения на шахтные поля, выемочные участки, блоки с независимым проветриванием их выра-
боток и очистных забоев должны осуществляться с учетом следующего:
- установленные зоны оруденения, рудного поля должны иметь достаточные размеры, а их граница четко характеризоваться тектонической нарушенностью (сдвигов, разломов, смятий и др.) вмещающих пород и другими факторами;
- возможность применений рациональных вариантов способов и схем блокового вскрытия, подготовки и выемки запасов с самостоятельным проветриванием выработок, блоков, выемочных участков и очистных забоев (для конкретных условий);
- возможности рационального размещения промплощадок, транспортных, энергетических, тепловых и других коммуникаций и вспомогательных служб и объектов на поверхности (особенно а условиях Заполярья и горной местности), с учетом экологических требований.
Комплексное поэтапное освоение с единым шагом вскрытия заключается в поступательном - последовательном объединении близкорасположенных групп месторождений рудного поля, удаленных рудоносных участков месторождения, упрощении и уменьшении числа вентиляционных схем и технологических схем подземного и поверхностного транспорта, рудопотоков и пром-площадок и коммуникаций рудника, обеспечивающих технологическое совершенство, сокращение площадей земельных отводов, снижение негативного технологического воздействия на окружающую среду и повышение экономической эффективности и газо-и пожаробезопасности подземной разработки.
Анализ природных условий и горно-технологических факторов, предопределяющих комплексное поэтапное освоение, вскрытие и разработку рассматриваемых рудных месторождений, а также периодических коренных реконструкций отечественных и зарубежных рудников позволил получить исходные материалы и дать обоснование для установления методических основ комплексного поэтапного освоения, вскрытия и подготовки рудных запасов месторождений [9].
Основопологающими следует считать:
1. Проектирование освоения и вскрытия запасов и проветривания выработок для подземной разработки групп близкорасположенных месторождений рудного поля, удаленных рудоносных участков месторождения и отдельных крутопадаю-
щих и наклоннопадающих, распространяющихся на большую глубину рудных тел (в том числе кимберлитовых трубок и сульфидных месторождений), должно осуществляться комплексно и поэтапно - цикловыми пусками.
2. Этап освоения, вскрытия и подготовки запасов должен соответствовать природным и геологическим условиям, горным возможностям, прогрессивным тенденциям развития рациональных вентиляционных схем (самостоятельного блокового проветривания) и использования технологических средств и технологий, основываться на потребности в сырье и коньюктуре рынка и безопасной экономической эффективной подземной разработке.
3. Во избежание преждевременных периодических коренных реконструкций подземных рудников и для обоснования и прогнозирования периода времени, после которого необходимо осуществить на руднике техническое переоснащение и переход на более эффективную технологию подземной добычи можно использовать разработанные в ИПКОН РАН местодические основы и методы прогнозированя технического переоснащения подземных рудников
[9, 10].
4. В зависимости от очередности освоения, вскрытия и разработки запасов групп сближенных месторождений, удаленных рудоносных участков месторождений по этапам формируются и развиваются блоковые схемы вскрытия и проветривания выработок; технологические схемы подземного транспорта и рудопотоки; промышленные площадки и коммуникации; отчуждаются земельные площадки под промплощадки и коммуникации рудника.
5. Предпочтение первоочередному освоению, вскрытию и разработке запасов:
- групп близкорасположенных месторождений, удаленных рудоносных участков месторождения, залегающих в несложных и благоприятных условиях, представленных ценными или качественными рудами;
- отдельных зон оруденения и рудных тел месторождения с более ценными или качественными рудами, расположенными ниже зон оруденения или рудных тел с менее ценными качественными рудами. Здесь целесообразно осуществить вскрытие запасов на всю глубину распространения более ценных и более качественных руд и производить выемку в восходящем порядке с закладкой выработанного пространства.
6. Инвестирование и использование капитальных затрат на строительство, а в последующем на развитие - наращивание (или поддержание) мощности подземного рудника должно производиться определенными суммами через соответствующие периоды времени, то есть поэтапно. Это позволит значительно снизить величину необходимых кредитов и увеличить экономическую эффективность работы и в последующем развитии рудника.
Для обоснования и разработки рациональных способов и схем вскрытия, подготовки и технологии разработки газоносных и склонных к окислению рудных месторождений и проветривания выработок выемочных участков и очистных забоев, технологических схем, порядка и последовательности освоения шахтного поля и выемочных участков, специальных мероприятий газового режима ведения горных работ необходимо изучение газоносности и химической активности руд и вмещающих пород месторождения на стадии разведки и всех этапах их освоения.
Только в результате систематического изучения природных и техногенных особенностей каждого газопожароопасного месторождения и знание богатого опыта рудодобывающей промышленности возможно безопасное и экологическое освоение его запасов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвиенко Н.Г., Зимаков Б.М. Основы безопасного освоения газоносных рудных месторождений. Горный журнал. - 2003, №4. - С. 78-80.
2. Лидин Г.Д., Пихлак А.А., Матвиенко Н.Г., Ильчук Н.Г. Процессы изменения состава воздуха при добыче, хранении и перевозке сульфидных руд. - Москва: Ротапринт Сектора физико-технических горных проблем ИФЗ АН СССР, 1972. -50 с.
3. Калабин Г.В., Кулов С.К., Титова А.В., Пихлак А.-Т.А. Земля живая. - М.: ВНИИгеосистем. 2010. - 410 с.
4. Слюсаренко В.Г. Исследования газовыделений и способов их устранения на шахтах Криворожского бассейна. Автореферат докт. диссертации. М.: Сектор горных проблем Института физики Земли АН СССР, 1972, - 42 с.
5. Веселовский В.С. Физические основы самовозгорания угля и руд. - М.: Наука, 1972. - 148 с.
6. Бухман Я.З. Исследование вентиляции медноколчеданных рудников по кислородному фактору. Автореферат канд. диссертации. Днепропетровск: 1964. -18 с.
7. Воронюк А.С., Матвиенко Н.Г. Особенности способов и схем вскрытия, подготовки запасов и проветривания газо- и пожароопасных рудников. ГИАБ.. Отдельный выпуск «Аэрология». - 2008. - ОВ 5. - С. 233-242.
8. Чантурия В.А., Макаров В.А., Макаров Д.В. Экологические и технологические проблемы переработки техногенного сульфидосодержащего сырья. Апатиты, 2005. - 217 с.
9. Воронюк А.С., Макишин В.Н., Иванов В.И. Научные основы и методы определения рационального вскрытия рудных месторождений. Владивосток ДВГ-ТУ, 2011.
10. Воронюк А.С. Вскрытие и разработка запасов рудных месторождений с учетом периодического технического переоснащения подземных рудников. //Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР. Материалы Второй международной научной конференции. - г. Владивосток. Издание ДВГТУ, 2006. ЕШ'
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Матвиенко Н.Г., Воронюк А.С. - Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (УРАН ИПКОН РАН), [email protected]
