CC BY
17
газационной подготовки шахтного поля защищены авторскими свидетельствами, апробированы на шахтных полях и показали свою эффективность и работоспособность.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. № 1164256. Состав для обработки угольного пласта /Бурчаков А.С., Ярунин С. А., Королева В.Н., Муравьева В.М. и др. — БИ № 24, 1985.
2. А.с. № 1239364. Способ профилактической обработки газоносных и вы-бросоопасных угольных пластов с малоустойчивыми кровлями /Бурчаков А. С., Ярунин С.А., Королева В.Н., Анпилогов Ю.Г. и др. — БИ № 23, 1986.
3. А.с. № 1245716. Способ профилактической обработки высокогазоносных и выбросоопасных угольных пластов / Бурчаков А.С., Ярунин С.А., Королева В.Н., Анпилогов Ю.Г., и др. — БИ № 27, 1986.
4. А.с. № 1298404. Способ дегазации угленосной толщи / Бурчаков А.С., Ильюшенко В.Г., Курносов В.Г., Королева В.Н. и др. — БИ № 11, 1987.
5. А.с. № 1320451. Способ профилактической обработки незащищенных угольных пластов с малоустойчивыми кровлями /Бурчаков А. С., Ярунин С. А., Королева В.Н., Анпилогов Ю.Г. и др. — БИ № 24, 1987.
6. А.с. №1479682. Способ дегазации угленосной толщи в зоне геологических нарушений разрывного характера. / Анпилогов Ю.Г., Касимов О.И., Конарев В.В., Королева В.Н. и др. - БИ №18, 1989.
7. А.с. №1479683. Способ дегазации угленосной толщи. /Бурчаков А.С., Гуревич Ю.С., Красюк Н.Н., Королева В.Н. и др. - БИ №18, 1989.
8. А.с. №1566045. Способ региональной гидравлической обработки выбросоопасных пластов. /Буханцов А.И., Анпилогов Ю.Г., Кошевой В.В., Королева В.Н. и др. - БИ №19, 1990.
9. А.с. № 1566046. Способ дегазации свиты угольных пластов. /Буханцов А.И., Лукаш A.C., Анпилогов Ю.Г., Королева В.Н. и др. - БИ №9, 1990. ГГШ
— Коротко об авторах -
Королева В.Н., Анпилогов Ю.Г. — Московский государственный горный университет.
--^^ — © Н.Г. Матвиенко, 2008
Н.Г. Матвиенко
ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОСВОЕНИЯ ГАЗОНОСНЫХ РУДНЫХ
302
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ
Лроблема борьбы с выделениями природных взрывоопасных и токсичных газов при разработке рудных месторождений, возникавшая иногда как крайне редкое явление [1, 2], приобрела в середине прошлого столетия актуальность в связи с бурным ростом добычи урановых руд в Средней Азии и меднони-келевых руд в Норильском регионе в сложных геологических условиях. Поэтому для решения этой проблемы потребовались систематические исследования, начатые в ИПКОН РАН в 50-х годах прошлого столетия и продолжающиеся в настоящее время.
Для решения проблемы применен традиционный комплексный метод, включающий научное обобщение, анализ геотектонического строения месторождений, экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях газосодержания пород, их коллекторских свойств, приуроченности, состава и интенсивности газопроявлений, применение математического и физического моделирования газоотдачи пород, перемещения флюидов, разработку классификаций, широкую промышленную проверку результатов и рекомендаций. Натурные наблюдения выполнены в СССР на 40 подземных рудниках цветной и черной металлургии и по добыче уранового, алмазоносного и горнохимического сырья. Кроме этого, были проанализированы опубликованные материалы по газопроявлениям в 18 зарубежных рудниках, в том числе по выделениям метана при освоении золото-урановых месторождений Южной Африки, сульфидных Канады, США, Германии, Польши, Румынии, Японии, железорудных Великобритании.
Анализ геологического строения рудных месторождений, при освоении которых отмечены устойчивые выделения природных газов, показал [3], 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 седиментацион-но-метаморфогенных, содержащих органику. Природные газы, осложняющие разработку рудных месторождений, связаны с определенными геологическими условиями (таблица):
303
- 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 (Мирный, 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, Ал-бания);
- углекислый газ - с районами альпийской складчатости (Карпаты, Кавказ, Забайкалье, Приморье);
- сероводород - с водоносными комплексами битуми-нозных пород с застойным режимом и месторождениями сер-ных руд (Мирный, Средняя Азия).
Как правило, состав природных газов рудных месторож-дений сложный, а происхождение каждого из основных ком-понентов отличается полигенностью, но в основном обусловлено метаморфизмом органики в различных термодинамических условиях.
Коллекторские свойства пород, слагающих газоносные рудные месторождения, характеризуются большим разнообразием. Наиболее высокой газоемкостью обладают угленосные и битуминозные отложения, газонасыщенные водоносные комплексы и отдельные горизонты и зоны, отличающиеся повышенной пустотно-стью. Для различных типов коллекторов значимость отдельных форм состояния газов (свободное, растворенное, сорбированное, микровключенное, кристаллогидратное) различны. Для безугольных сухих пород основное значение имеет свободный газ, для угленосных - сорбированный, для водо- и нефтеносных -растворенный, для некоторых изверженных и соляных - мик-ровключенный, а для отдельных участков трещиновато-пористых пород тер-ритории распространения вечной мерзлоты - кристаллогидратный.
304
Типизация газоносных рудных месторождений [3]
Тип месторождения, регион Основ-ные газы Характер коллектора Формы газовыделений Газообильность рудников, тыс. м3/сут Меры газобезопас-ности
Рудонефтегазоносные: алмазные (Якутия), титановые (Коми), урановые и серные (Средняя Азия) СН4, С2Н6, Н2 Нефтегазоносные трещи-новато-порис-тые породы Газонефтеприток, суфляры, выбросы, дегазация нефти 1,5-30 Опережающая добыча нефти и газа, дегазация, специальные мероприятия
Рудоугольные: медно-никеле-вые (Норильск), полиметалл-лические (Кавказ и Приморье), золоторудные (ЮАР) СН4 Угольные пласты, угленосные породы Газоотдача угольных пластов и пород, суфляры, выбросы 0,6-15 Дегазация, специальные мероприятия
Рудосланцевые: боксито-вые и золоторудные (Урал, Казахстан) СН4 Породы с включениями угля Мелкие струи, газоотдача отбитых пород 0,5 Специальные мероприятия
Рудоводогазоносные: алмазные (Якутия), серные (Средняя Азия и др.) СН4, Н2В Водоносные комплексы Газоводоприток, газоотдача вод 0,2-3 Осушение, нейтрализация Н2Б,вентиляция
С газовыми включениями в изверженных породах: апатитовые (Хибины), редкоме-тальные (Ловозеро) СН4, Н2 Изверженные породы Мелкие струи, газоотдача отбитых пород до 0,1 Специальные мероприятия
Водородоносные: хромито-вые и платиновые (Урал, Албания) Н2 Массивы ультраосновны х пород Газовые струи до 0,1 Специальные мероприятия
Углекислотоносные: золоторудные, сульфидные (За-бай-калье, Приморье, Карпаты, Кавказ) СО2 Обводненные массивы альпийской складчатости Газовые струи, газоотдача вод до 12 Осушение, вентиляция
Распределение природных газов по площади и разрезу рудных месторождений характеризуется, как правило, неравномерностью, локальной приуроченностью скоплений к га-зогенерирующим и газоконсервирующим литологическим и структурным элементам. Газовая зональность определяется пространственным расположением газоносных и экранирующих горизонтов, дегазирующих элементов и рудоносных формаций.
На ряде месторождений происходит существенное изме-нение состава и содержания природных газов по глубине залегания пород. Так, на кимберлитовых месторождениях Мирнинского района Якутии на глубинах 300-500 м располагается зона азотно-метано-сероводородных газов в подмерзлотном водоносном комплексе, а на более глубоких горизонтах - зона углеводородных газов. На Октябрьском месторождении Норильского района на глубинах 300500 м находится зона метановых газов в угленосных отложениях, на глубинах 500-600 м - зона углеводородных газов в битуминозных породах, а на глубинах 800-1200 м - зона азотнометановых газов в обводненных изверженных породах. Причем в последнем случае газоносность пород существенно снижается по мере перехода на более глубокие горизонты.
В результате проведенного изучения и обобщения разработана классификация газоносных рудных месторождений по признаку "характер основного газового коллектора" (см. таблицу). Этим признаком предопределяется генезис и состав газов, приуроченность их скоплений и форма нахождения, а также характеристики газопроявлений и меры борьбы с ними.
Анализ и обобщение результатов многолетнего и многопланового изучения газового фактора практически всех 30-ти отечественных газоносных рудных месторождений, осваиваемых 40 рудниками и шахтами, позволили установить закономерности приуроченности, характера и интенсивности выделений природных газов при их освоении:
- газопроявления в рудниках происходят не повсеместно, а лишь в пределах локальных участков или горизонтов, содержащих газы или газированные жидкости, и отмечаются, как правило, при работах первой очереди: бурение скважин, шпуров, проходка выработок;
- в рудниках наблюдаются практически все возможные формы газовыделений: быстрая дегазация разрушенной при отбойке гор-
306
ной массы; газовые струи, включая суфляры; истечение через обнаженные поверхности пород; газоотдача жидкостей; выбросы газов, а также газов и жидкостей; выбросы газов, углей и пород. В каждом конкретном случае характер выделения определяется типом коллектора и видом его насыщения;
- интенсивность газовыделений изменяется в широком диапазоне: газообильность рудников колеблется от 40-80 м3/сут до 30-42 тыс. м3/сут. Наиболее значительны дебиты метана на месторождениях, связанных с угле- и нефтегазоносными отложениями (при выбросах до 30-42 тыс. м3/сут, при обычных выделениях 1,5-8,0 тыс. м3/сут). На месторождениях, газоносность которых обусловлена рассеянной органикой, газово-жидкими включениями или газонасыщенными водами, метанообильность рудников значительно ниже (не более 800-1200 м3/сут.). Углекислотообильность рудников колеблется от 8 до 30 тыс. м3/сут.
- не отмечается зависимости газообильности рудников от их производительности.
При разработке рудогазонефтеносных месторождений наибольшую опасность представляют горные работы по вскры-тию пластов, содержащих легкую нефть в условиях высоких давлений и температур [4]. Поступления метана из обнаженных нефтегазоносных пород по объему обычно на 1-2 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. Закономерности газоотдачи угольных пластов и вмещающих их пород в рудниках аналогичны таковым в угольных шахтах.
При освоении обводненных газоносных месторождений масштабы газовыделений определяются притоком вод, их газонасыщенностью, составом газов. Наиболее значительны объемы поступлений в горные выработки хорошо растворимого углекислого газа. Интенсивные выделения метана отмечаются при вскрытии напорных газоводоносных скоплений. Водоносные породы отдают на 1-2 порядка больше жидкости по объему чем метана. Газоотдача сероводородоносных вод существенно зависит от их кислотности: при рН > 8 выделение сероводорода практически не происходит.
307
Объемы выделений метана из изверженных пород с газо-выми включениями крайне ограничены, газовыделения проис-ходят при дроблении пород и вскрытии редко встречающихся газоносных трещин.
Выделения существенно водородных газов отмечаются в массивах ультраосновных пород с платиновым и хромитовым оруде-нением, интенсивность газовыделения низкая, водородо-обильность хромитовой шахты "Молодежная" не превышала 15-20 м3/сут.
В порядке уменьшения сложности обеспечения безопас-ности освоения газоносные рудные месторождения можно ранжировать следующим образом: газонефтеносные, газоугленосные, газоводоносные и содержащие микровключенные газы в изверженных породах.
Методы прогнозирования газообильности рудников определяются характером газового коллектора. Для оценки газовыделений рудоугольных месторождений следует пользоваться методами, разработанными для угольных шахт. Прогнозирование притоков газа в горные выработки из газовых , нефтегазоносных и водогазо-носных породных коллекторов заключается в постановке и аналитическом или численном решении задач одно- и двухфазной фильтрации, отвечающих условиям проходки выработок по безугольным породам, насыщенным свободным газом или газированной жидкостью. Показано существенное влияние характера газонасыщения природного массива на его газоотдачу. Так, начальная интенсивность газовыделения из коллектора газопроницаемостью 10 мД при давлении 10 МПа, содержащего в естественных условиях насыщенный раствор газа в нефти, примерно в 16 раз меньше, чем из коллектора с теми же характеристиками, но содержащего только свободный газ.
Обосновано, нашло признание (вошло в Правила безопасности [5]) и широкое использование положение о необходимости дифференцированного подхода к выбору рациональных методов борьбы с природными газами в рудниках в зависимости от конкретных условий газоносности. Предпочтительными системами и технологией разработки газоносных рудных месторождений являются такие, которые обеспечивают вскрытие и оконтуривание капитальными и подготовительными выработками газоносных участков с достаточным для дегазации массива опережением добыч-
308
ных работ во времени, дистанционное ведение взрывных работ и бурения опережающих скважин, минимальное сдвижение вмещающих пород, обуславливающее ограниченные притоки газов из них, а также устойчивое сквозное проветривание необходимой интенсивности. Разработаны методические положения по выбору эффективных мероприятий газобезопасности горных работ применительно к типовым условиям газоносности и соответствующим им особенностям газовыделений. Применение рекомендованных мероприятий позволяет использовать непредохранительные ВВ и самоходное дизельное оборудование в нормальном исполнении во многих рудниках с выделением метана.
Для каждого газового рудника или группы рудников разрабатываются специальные мероприятия газового режима ведения работ, учитывающие местные условия газоносности и газопроявлений [5]. После согласования с органами Ростехнадзора они вводятся в действия и регламентируют газовый режим горных работ на данных предприятиях, при этом предусматривается ежегодное уточнение мероприятий. Специальными мероприятиями обеспечивается газобезопасность подземной разработки всех газоносных рудных месторождений страны (рудники Якутии, Норильска, Хибин и др.).
Это направление конкретного регламентирования газобезопасности горных работ в настоящее время принято в качестве основного для всех отраслей горнодобывающей промышленности, включая угольную. В соответствии с Федеральным законом "О техническом регулировании" разрабатывается технический регламент " О безопасности производственных процессов добычи, обогащения и переработки твердых полезных ископаемых" [6]. После утверждения в Госдуме Регламент должен заменить действующие правила безопасности. Предполагается, что на основании Регламента для каждого пред-приятия будет разработан Стандарт безопасности, полностью учитывающий его конкретные природные и технологические условия и развивающий элементы такого подхода действующих Правил безопасности (категории угольных шахт) по метану, мероприятия газового режима рудников и др.).
Надлежащее обеспечение газобезопасного освоения месторождений твердых полезных ископаемых возможно только при своевременном, квалифицированном и систематическом изучении газового фактора на всех этапах их освоения: при гео-
309
логической разведке, проектировании, ведении горнокапитальных и добычных работ, ликвидации производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. М.-Л.: Углетехиз-дат, 1959. - 632 с.
2. Мельников Н.В. К вопросу о специальном режиме разработки месторождений серных руд. //Безопасность труда в горн. пром-ти. 1937. № 12. - С. 14-21
3. Матвиенко Н.Г. Газобезопасность освоения рудных месторождений. Москва, ГИАБ, 2000, №7. -С.31-34
4. Цыгалов М.Н. Исследования основных особенностей и изыскание путей усовершенствования подземной разработки сложных рудных нефтегазоносных месторождений. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Магнитогорск, 1961. -22 с.
5. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03-55303). - М.: Госгортехнадзор России, 2003. - 200 с.
6. Красноштейн А.Е. Революция в техническом нормировании безопасности ведения горных работ. Горное эхо. Вестник Горного института Уральского отделения РАН, 2006, №2 (24). - С.2-6. ЕШ
— Коротко об авторе -
Матвиенко Н.Г. - профессор, доктор технических наук, ИПКОН РАН.
Н.Г. Матвиенко
ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАЗОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ОСВОЕНИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В УСЛОВИЯХ МНОГОФАЗНОГО ФЛЮИДОНАСЫЩЕНИЯНЕДР
© Н.Г. Матвиенко, 2008
310
