CC BY
34
5. Requirements to the vehicles of categories M1 and N1 intended for disabled persons (item 15. Appendices No. 3 to TR CU 018/2011).
УДК 622.831+502.604
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ГАЗОВ КАЛИЙНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
А.Н. Земсков, М.Ю. Лискова
Подземная разработка месторождений калийных солей практически во всем мире осложняется выделениями природных газов. Первые сведения о наличии газов в калийных солях датируются 1851 г. Однако несмотря на достигнутые успехи, практика ведения горных работ в калийных рудниках свидетельствует о том, что проблема газодинамических явлений и в настоящее время остается актуальной. Рассматриваются особенности формирования компонентного состава газов калийных месторождений. Приведенный анализ данных о выделении природных ядовитых газов в шахтах и рудниках показал недостаточную проработку этого вопроса, что предполагает продолжение системных исследований по определению газоносности калийных солей с целью обеспечения безопасных условий труда горнорабочих.
Ключевые слова: газоносность, газы, калийные месторождения, рудник, серо-водородсодержащие газы, безопасные условия труда.
В практике разработки калийных месторождений ведение горных работ на рудниках серьезно осложняется выделениями природных газов. Первые сведения о наличии газов в калийных солях приводятся в работе немецкого ученого Бунзена, датируемой 1851 г. Затем эти исследования были продолжены в 1906-1910 гг. Х. Претчем, Э. Эцдманном и другие, которыми, помимо получения данных о содержании газов в каменносоля-ных породах, были выдвинуты гипотезы об их происхождении [1, 2].
Работы по определению газоносности соляных пород и оценке газовой опасности при разработке калийных пластов были интенсифицированы в пятидесятых годах XX века после двух катастроф, происшедших в 1951 году на калийных рудниках Южного Гарца (Германия). Первые исследования газоносности соляных пород на Верхнекамском калийном месторождении были начаты в 1936 году Ю.В. Морачевским и А.А. Черепен-никовым [3]. В 1953 - 1959 гг. изучением газоносности солей занималась З.Н. Несмелова [4].
В 70 - 80-е годы значительные по объему исследования были проведены сотрудниками Пермского политехнического института (ныне Пермский национальный исследовательский политехнический университет) Г.Д. Поляниной, Н.Ф. Красюком и А.Н. Земсковым [5 -7].
Газы, находящиеся в породах калийных месторождений в свободном и микро включённом виде, - сложные смеси горючих, кислых и
инертных компонентов. Основные составляющие газов Верхнекамского (Россия) и Старобинского (Беларусь) месторождений - метан, его гомологи, азот, водород и углекислый газ.
Но если вопросы генезиса углеводородных и инертных газов, а также азота, водорода и углекислого газов, хорошо изучены, то вопросы происхождения природных ядовитых газов остаются дискуссионными до сих пор.
Еще 40 лет назад А.Н. Земсковым с соавторами были зафиксированы выделения сероводорода на Втором Соликамском руднике (СКР-2) производственного объединения «Сильвинит», а позднее на Третьем Соликамском руднике (СКР-3) и на Втором (БКР-2) и Четвертом (БКР-4) Бе-резниковских рудниках объединения «Уралкалий» [5-8]. Выделения природного угарного газа были отмечены на СКРУ-2 и Третьем Березников-ском (БКРУ-3) рудниках, а также в небольших количествах - на Солигор-ских рудниках производственного объединения «Беларуськалий».
Первые сообщения о выделениях сероводорода в калийных рудниках в научной литературе появились в 1912 г. (рудники Германии «Края -Золлштедт», затем «Нейеблейхерода», «Рейнхардструнн», «Кенигсхаль -Гинденбург») [9].
В небольших количествах - до 0,05 % - сероводород встречался в калийных солях и ангидридах в рудниках Польши [10].
Выделения сероводорода, а также угарного газа, отмечались и в калийном руднике «Блейхерода» (район Кленбодунген, Германия), причем содержание угарного газа было очень высоким - 2,2 %. [11] При этом, на следующий день после замера при отборе проб от удушья погиб горный мастер. Там же была отмечена концентрация этого газа около 1 %. Ввиду отсутствия признанных теорий образования угарного газа в калийных пластах, причина скопления этого газа была объяснена неполным его сгоранием при взрывных работах в предыдущие дни.
В 1931 - 1948 гг. на калийном руднике «Фолькенрода-Петен» попутно рудой было добыто 82000 т нефти и 30 -106 м3 газа, в котором среди прочих компонентов постоянно отмечались следы угарного газа [9]. Незначительное содержание СО зафиксировано также при разработке калийных солей бассейна Зюдгарц [11].
Под серой соляной глиной рудника «Глюкауф» (Зондерсхаузен, Германия) находится твердая соль с гнездами крупного белого сильвинита с голубыми вкраплениями, при отбойке, которой постоянно ощущается запах сероводорода [9].
Содержание сероводорода в составе микро включённого газа из каменной соли, покрывающей слои сильвинита III горизонта Первого Соли-горского рудника, достигло 7,6 об.% [12], хотя в составе свободного газа он ни разу не был зафиксирован.
Первые массовые случаи обнаружения сероводорода и угарного газа в выработках Верхнекамских калийных рудников датируются 1973 -1974 гг., после перехода от буровзрывной добычи к комбайновой.
Выделения угарного газа были причиной продолжительных остановок комбайнов в ноябре 1976 г. на БКР-3. Максимальные концентрации угарного газа были зафиксированы на пласте АБ 4-й западной панели, которые составляли 0,01...0,0115 об. %, что в 6-7 раз превышает ПДК. При бурении дренажных шпуров в камерном блоке № 89 (3-я западная панель БКР-3) объемная доля СО составила 0,7 %. Для подтверждения правильности определения содержания угарного газа колориметрическим методом в Днепропетровском отделении ВНИИ горноспасательного дела на хромато-графическом газоанализаторе «СО-метр» были проведены контрольные измерения, которые подтвердили присутствие значительных концентраций угарного газа, причем в двух пробах содержание газа составило 0,02 и 0,034 об.% [6].
На СКР-2 сероводород присутствует в солях преимущественно в микро включённом виде, содержание его в сильвинитовых породах пластов В и АБ составляет соответственно (0,2.0,5)-10-4 и (0,1.0,3)-10-4
3/ 3
м /м .
Проведенный анализ условий образования сероводорода по некоторым теориям: биохимической, метаморфической, образования газа в результате природных химических реакций с условиями, предположительно имевшими место в период диагенеза [13], позволяет признать биохимическое образование сероводорода в калийных солях. Однако качественная и особенно количественная сторона процесса до недавних пор была практически не изучена.
За последние годы лишь уточнен компонентный состав серосодержащих газов. Кроме сероводорода, обнаружены сернистый газ (Б02), се-раорганические соединения, в которых атом Б находится в любой характерной для него степени окисления: Б (- 2), Б (+ 4) и Б (+ 6). Основные се-раорганические соединения: меркаптаны (тиоспирты), например, метил-меркаптан (СИ2ЗИ), тио фенолы и др. [14]
Возможно, сероводород, контактируя с влагонасыщенным ионизированным воздухом, и адсорбируются на обнаженных поверхностях пластов, представленных сложными минеральными композициями, превращается в другие газообразные соединения (диметилсульфиды, метилэтил-сульфиды и т.д.). Однако с позиции обеспечения безопасности работ в условиях выделения сероводородсодержащих газов, это не имеет принципиального значения, так как сероводород и наиболее широко представленные помимо него - меркаптаны - оказывают однонаправленное отравляющее воздействие на человека и имеют близкие показатели химической активности. В этой связи, замена в некоторых случаях термина «сероводо-родсодержащие газы» на «сероводород» вполне допустима.
Значительно сложнее дело обстоит с получением доказательств о наличии в калийных пластах оксида углерода (СО), во-первых, из-за его присутствия в солях в сравнительно незначительных количествах, во-вторых, по причине его менее ярко выраженного воздействия на человека.
Помимо сероводорода, реже оксида углерода в атмосфере калийных рудников иногда встречаются окислы азота. На рис.1. приведены данные о частоте обнаружения угарного газа и оксиды азота в производственной атмосфере Второго Березниковского рудника. С определенной долей вероятности можно предположить, что помимо остаточных содержаний в воздухе выхлопных газов от ДВС присутствуют и природные ядовитые газы.
р, %
40 30 20 10 о
0001 0,002 СО,
Рис. 1. Вероятность Р появления различных концентраций оксида углерода (1) и оксидов азота (2) в атмосфере выработок Второго Березниковского рудника
О природе образования окиси углерода в породах осадочных месторождений имеются лишь ограниченные сведения. Отмечается лишь, что в осадочной оболочке Земли «возможно образование окиси углерода за счет отщепления группы СО при деструкции органического вещества и нефти в процессе пиролиза» [15].
Обнаружение природных ядовитых газов, ранее не обнаруживаемых и не учитываемых (окислы углерода и азота) при подсчете необходимого количества воздуха для проветривания выработок калийных рудников, представляет опасность ввиду следующих обстоятельств. Еще сорок лет назад А.Н. Земскову стоило огромных трудов убедить техническое руководство ПО «Уралкалий» в наличии большого содержания сероводорода в породах пластов Верхнекамского калийного месторождения [14]. Ни работниками службы вентиляции рудников, ни работниками ВГСЧ сероводород даже не определялся, и это не было прописано в соответствующих
инструкциях. И только десятки случаев отравления и госпитализации горнорабочих в конце семидесятых годов прошлого столетия на Втором Соликамском руднике привели к признанию и учету этого фактора при определении необходимого количества воздуха при проветривании выработок по пластам АБ и В сильвинитового состава. Более того, данный фактор стал определяющим при проведении подобных расчетов и уже не у кого наличие сероводорода в солях Верхнекамского месторождения сомнений не вызывало и не вызывает.
Поэтому, по мнению авторов, следует периодически определять содержание природных газов: окиси углерода и окислов азота в калийных солях, чтобы их появление (как было с сероводородом) не оказалось неожиданным и опасным фактором и не были бы известны меры предотвращения их вредного влияния на горнорабочих.
Главной опасностью появления угарного газа в производственной атмосфере является отсутствие у него запаха, поэтому выявить его наличие и оценить концентрацию во вдыхаемом воздухе без приборов невозможно. Попадая в кровь, угарный газ вытесняет кислород из связи с дыхательным белком гемоглобином, вызывая тем самым острое кислородное голодание тканей.
При наличии значительных содержаний оксидов азота (прежде всего N02) происходят изменения в организме, приводящие в конечном итоге к отеку легких. Особенностью диоксида азота является то, что порог обнаружения этого газа всего 0,23 мг/м . При пребывании более 10 минут в среде с невысоким содержанием газа исчезает способность организма обнаруживать N02, при этом ощущается чувство сухости и першения в горле.
Принципиальная схема формирования газовой среды в породах калийных месторождений (в пространственно -временных координатах), сформулированная в работах А.Н. Земскова и Л.Г. Травниковой по генетическому признаку, включает газы: реликтовые, захваченные породой из солеродного бассейна при кристаллизации, аутигенные^образовавшиеся на месте (в пласте) во время существования породы и эпигенетичные, проникшие в соляные породы извне, уже после их формирования [16-17].
Сотрудники Горного института Уральского отделения РАН, много лет занимающиеся изучением газоносности калийных месторождений, приводят новые интересные данные о влиянии нижележащих нефтеносных структур на компонентный состав связанных (микро включённых - авт.) газов на Ново-Соликамском участке Верхнекамского месторождения [18].
Под Ново-Соликамским участком (шахтное поле Третьего Соликамского рудника) имеются три нефтяных структуры, приуроченные к рифовым структурам девонского периода. Пробы солей, для извлечения из них связанных газов, были отобраны на участках пластов, находящихся над нефтеносной структурой, в зоне влияния нефтеносных структур (рас-
стояние в 1,5 км вдоль границ нефтеносных структур) и вне зоны их влияния. Результаты анализов приведены в таблице.
Среднее содержание углеводородных газов в выделенных зонах [18]
Пласт Зона Содержание газов, % об
СН4 С2Н6 С3Н8 1С4Н10 ПС4Н10 1С5Н12 ПС5Н12
Кр-П Вне зоны влияния 39,24 5,14 0,76 0,11 0,07 0,02 0
В зоне влияния 30,96 7,96 1,85 0,54 0,32 0,20 0,02
АБ Вне зоны влияния 15,65 1,54 0,44 0,38 0,22 0,44 0,11
В зоне влияния 30,96 7,96 1,85 0,54 0,32 0,20 0,02
В Над нефтеносной структурой 33,27 3,99 1,04 0,25 0,26 0,12 0,02
В зоне влияния 40,31 3,34 1,38 0,34 0,32 0,10 0,02
Проанализируем имеющиеся данные. За исключением нескольких показателей, в зоне влияния нефтеносной структуры имеют место самые большие значения тяжелых углеводородных газов-гомологов метана. В отдельных случаях зафиксированы очень высокие содержания этана (9,9 об. %) и пропана (5,9 об. %).
Отмечается очень значительное отличие (превышение) в содержании высших углеводородов для участков пласта Красный II (нижнего в свите пластов и наиболее близком к нижележащим нефтеносным структурам), находящихся в зоне и вне зоны влияния. Если различие в содержании этана составляет всего 1,5, то для пропана и бутана оно уже 2,4 и 4,8, а для изопентана превышение достигает десяти.
Для вышерасположенного по разрезу продуктивной толщи пласта АБ картина в целом аналогична Красному II: в зоне влияния нефтеносных структур выше содержания тяжелых углеводородных газов за исключением изопентана, что объясняется наличием аномального участка пород.
Для пласта В (верхнем в свите пластов) отличие в газоносности пород на участках в зоне влияния нефтеносных структур и над ними малосущественно.
Выводом из вышеприведенных данных является то, что явно прослеживается влияние нижележащих нефтеносных структур на газонасыщенность пород продуктивных калийных пластов по тяжелым углеводородным газам, особенно в зонах крупных геологических нарушений. Для условий шахтного поля Третьего Соликамского рудника это влияние Троицкого надвига, элементы которого служат путями миграции тяжелых углеводородных газов метанового ряда из нижележащих по отношению к калийной залежи нефтеносных структур и путями проникновения этих газов в соляные породы.
Нами подсчитаны коэффициенты «сухости» (отношение метана к тяжелым углеводородным газам - СН4 / ) для данных таблицы. Для
участков пласта Красный II, вне - и в зоне влияния нефтеносных структур коэффициент «сухости» составил, соответственно, 6,43 и 2,84. Для пласта АБ - 5,0 и 2,84. Более низкие показатели коэффициента «сухости» для участков пласта в зонах влияния нефтеносных структур свидетельствует о наличии «жирных» газов, сверхобычного насыщенных тяжелыми углеводородами.
Данные по коэффициентам «сухости» для пласта В более разбалан-сированы в связи с аномальностью участка исследования.
Возвращаясь к принципиальной схеме формирования газовой среды в породах калийных месторождений [17], в частности, к компонентному составу эпигенетичных газов, исходя из материалов полученных сотрудниками Горного института УрО РАН (г. Пермь) и своих новых данных, следует добавить тяжелые углеводородные газы (ТУ) в структуру принципиальной схемы (рис. 2).
Рис.2. Принципиальная схема образования газов в породах калийных
месторождений
В заключении следует отметить, что вышеприведенный анализ данных о выделении природных ядовитых газов в шахтах и рудниках показал недостаточную проработку этого вопроса и в настоящее время, что пред-
полагает продолжение системных исследований по газоносности калийных солей с целью обеспечения безопасных условий труда горнорабочих.
Список литературы
1. Precht H. Vozddeutsche Kaliindusril, Stassfurt, 1906. S.23-26.
2. Ezdmann E. Ber., deutsche chem. Geselit. XLIII, 1910. S. 777-782.
3. Морачевский Ю.В., Черепенников А.А., Самарцоева А.Г. Газоносность толщи калийных солей Верхнекамского месторождения // Калий. 1937. № 7. С. 12-21.
4. Несмелова З.Н. О газах в калийных солях Березниковского рудника // Труды ВНИИГ. Л., 1959. Вып. 35. С. 206-313.
5. Земсков А.Н., Красюк Н.Ф. Газоносность пород Третьего Березниковского рудника// Разработка соляных месторождений. Пермь: ППИ, 1976. С. 140-142.
6. Земсков А.Н., Полянина Г.Д., Красюк Н.Ф. О выделении ядовитых газов на Верхнекамских калийных рудниках // Вентиляция шахт и рудников. Л: ЛГИ, 1979. Вып. 6. С. 83-86.
7. Земсков А.Н., Полянина Г.Д. Газоносность пород и закономерности распределения газонасыщенных зон на Верхнекамских рудниках// Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело (науч. -техн.реф.сб.). М.: ЦНИЭИуголь, 1981. № 10. С. 9-10.
8. Земсков А.Н. Определение содержания ядовитых газов в рудничной атмосфере с помощью газоопределителя ГХ-4 // Разработка калийных месторождений. Пермь: ППИ, 1982. С. 134-138.
9. Stolle E. Gasuorcommen in Kallibergwerken des Sudharrgebiets.// Bergbautechnik, 1954.Т.4. S. 46-52.
10. Poborski G., Poborski J. UberdieUntersuchungen in GasfuhrendenGesteinenimKujawy-Revier. Vortrag, III Internation. Kollogu. plotzl. Ausbruche. Bergakademie, 1965. № 17. S. 250-252.
11. Schrader R., Achermann, G., Grund H. Entwicklung von Methoden-zurBestimmung des Gasgehaltes in Salzen // Bergakademie. 1960. № 10. S. 543-551.
12. Микровключенные газы и влага в природных калийных солях / Х.М. Александрович, М.М. Павлюченков, А.Д. Маркин, М.И. Поворознюк, В.А. Лабецкий // Калийные соли и методы их переработки. Минск: Изд-во АН БССР, 1963. С. 82-93.
13. Страхов Н.М. Основы теории литогенеза. М.: АН СССР, 1962. Т. 3. 550 с.
14. Земсков А.Н. Исследование природных ядовитых газов в рудниках Верхнекамского калийного месторождения и меры борьбы с ними: ав-тореф. дис.... канд. техн. наук. Л.: ЛГИ, 1983. 23 с.
15. Природные газы осадочной толщи/ А.Н. Воронов [и др.]. Л.: Недра, 1976. 344 с.
16. Земсков А.Н. Синергетика процессов безопасной разработки газоносных и выбросоопасных пластов калийных месторождений: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Минск, 1999. 40 с.
17. Земсков А.Н., Кондрашев П.И., Травникова Л.Г. Природные газы калийных месторождений и меры борьбы с ними. Пермь. 2008. 414 с.
18. Трошков А.А., Литвиновская Н.А. Влияние нефтеносных структур на компонентный состав связанных газов шахтного поля Третьего Соликамского калийного рудоуправления Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей // Актуальные проблемы охраны труда и безопасности производства, добычи и использования калийно-магниевых солей. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. С. 24-25.
Земсков Александр Николаевич, д-р техн. наук, доц., a. zemskov@kkanexgroup. ru, Россия, Пермь, ОСП Группы КАНЕКС,
Лискова Мария Юрьевна, канд. техн. наук, доц. mary. 18.02@mail. ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
FEA TURESFORMA TIONOFCOMPONENTCOMPOSITIONOFGASES
OF POTASH FIELDS
A.N. Zemskov, M. Yu. Liskova
Underground mining offields of potash salts almost around the world is complicated by releases of natural gases. The first data on availability of gases in potash salts are dated 1851. However, despite the achieved success, practice of conducting mining operations in potash mines demonstrates that the problem of the gasdynamic phenomena remains relevant also now. In article features offormation of component structure of potash fields are considered. The provided analysis of data in mines and mines showed insufficient study of this question in article about release of natural poisonous gases that assumes continuation of system researches on gas content ofpotash salts for the purpose ofproviding safe working conditions of miners.
Key words: gas content, gases, potash fields, mine, serovodorodsoderzhashchy gases, safe working conditions.
Zemskov Alexander Nikolaevich is Dr. tehn. sciences, as-soc.a.zemskovakanexgroup.ru. Russia, Perm, OSPo f KAHEKC Group,
Liskova Maria Yurevna, PhD. tehn.science, assoc. mary. 18.02@mail. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University
Reference
1. Precht H. Vozddeutsche Kaliindusril, Stassfurt, 1906. S. 23-26.
2. Ezdmann E. Ber., deutsche chem. Geselit. XLIII, 1910. S. 777-782.
3. Morachevsky Yu.V., Cherepennikov A. A., Samartsoyeva A. G. Gas content of thickness of potash salts of the Verkhnekamsky field//Potassium. 1937. No. 2. 7. Page 12-21.
4. Nesmelova Z. N. About gases in potash salts of the Berezniki mine//Works VNI-IG. L., 1959. Issue 35. Page 206-313.
5. Zemskov A. N., Rasyuk N. F. Gazonosnost of breeds of the Third Berezniki mine//Development of salt fields. Perm: PPI, 1976. Page 140-142.
6. Zemskov A. N., Polyanina G. D., Krasyuk N. F. O release of poisonous gases on Verkhnekamsky potash mines/ / Ventilation of mines and mines. L: LIE, 1979. Issue 6. Page 83-86.
7. Zemskov A. N., Polyanina G. D. Gas content of breeds and regulation of distribution of gas-saturated zones on Verkhnekamsky mines//Safety measures, labor protection and mine-rescue business (scientific. - tekhn.ref.sb.). M.: Tsnieiugol, 1981. No. 2. 10. Page 9-10.
8. Zemskov A. N. Determination of content of poisonous gases in the miner atmosphere by means of GH-4 gas-determinant//Development of potash fields. Perm: PPI, 1982. Page 134-138.
9. Stolle E. Gasuorcommen in Kallibergwerken des Sudharrgebiet.// Bergbautechnik, 1954.Vol. 4. S. 46-52.
10. Poborski G., Poborski J. UberdieUntersuchungen in GasfuhrendenGesteinen-imKujawy-Revier. Vortrag, III international. Kollogu. plotzl. Ausbruche. Bergakademie, 1965. No. 17. S. 250-252.
11. Schrader R., Achermann, G., Grund H. Entwicklung von Methoden-zurBestimmung des Gasgehaltes in Salzen // Bergakademie. 1960. No. 10. S. 543-551.
12. The microincluded gases and moisture in natural potash salts / H. M. Aleksan-drovich, M. Pavlyuchenkov, A. D. Markin, M. I. Povoroznyuk, V. A. Labetsky//Potash salts and methods of their processing. Minsk: BSSR AN publishing house, 1963. Page 82-93.
13. N. M. fears. Bases of the theory of a litogenesis. M.: Academy of Sciences of the USSR, 1962. T. 3. 550 pages.
14. Zemskov A. N. A research of natural poisonous gases in mines of the Verkh-nekamsky potash field and a measure of fight against them: autoref. yew .... Cand.Tech.Sci. L.: LIE, 1983. 23 pages.
15. Natural gases of sedimentary thickness / A. N. Voronov [etc.]. L.: Subsoil, 1976. 344 pages.
16. Zemskov A. N. Synergetrics of processes of safe development gas-bearing and cybrosoopasnykh of layers of potash fields: author. yew. ... Dr.Sci.Tech. Minsk, 1999. 40 pages.
17. Zemskov A. N., Kondrashev P. I., Travnikova L. G. Natural gases of potash fields and measure of fight against them. Perm. 2008. 414 pages.
18. Troshkov A. A., Litvinovskaya N. A. Influence of oil-bearing structures on component composition of the connected gases of the mine field of the Third Solikamsk potash mine administration of the Verkhnekamsky field of potassium-magnesium salts//Current problems of labor protection and safety of production, production and use of potassium-magnesium sales ahhh! Perm: Perm publishing house. national. research. Polytechnic. un-that, 2018. Page 24-25.
