автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Синергетика процессов безопасной разработки газоносных и выбросоопасных пластов калийных месторождений

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

УДК 622.817.4+ 622.831.32

^ Г 5 Оп

ЗЕМСКОВ Александр Николаевич 1

- 1 ФЕЗ

СИНЕРГЕТИКА ПРОЦЕССОВ БЕЗОПАСНОЙ РАЗРАБОТКИ л ГАЗОНОСНЫХ И ВЫВРОСООПАСНЫХ ПЛАСТОВ ^ КАЛИЙНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

05.15.11 - Физические процессы горного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Минск 2000

Работа выполнена в открытом акционерном обществе "Белорусский научно исследовательский и проекшо-конструкторскин институт горной и химической промышленное™" (ОАО "КЕЛГОРХИМПРОМ"), г.Солигорск.

Защита диссертации состоится 8 февраля 2000 т в " " час иа заседании совета по защите диссертаций Д.02.05.11 при Белорусской государственной политехнической академии по адресу: Минск, пр Ф.Скорины, 65, корп 1, т. 239-92-34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской шеу дарственной политехнической академии

Автореферат разослан " 5" января 2000 I

Научные консультанты: доктор технических наук,

профессор [Поляшша jVt]t доктор физико-математических наук, профессор Журавков М.А.

Официальны« оппоненты: академик РАН,

доктор технических наук, профессор Шемякин E.II.,

доктор технических наук, профессор Шувалов Ю.В.,

доктор технических наук, профессор Лазарснков A.M.

Оппонирующая opi ашнации Пермский государственный

технический университет.

Ученый секретарь совета, к т.н

if) Земскив А Н ,1999

иыдля ХАРАКТЕРИСТИКА РЛКОТЫ Актуальность темы диссертации

В настоящее время в странах. С! 1Г подземным способом разрабатывается более десятка месторождений калийных и каменных солей В Республике Беларусь - Старобинское месторождение калийных солен (4 рудника с обшей производственной мощностью около 25 млн. тонн руды в год): в России -Верхнекамское калийное месторождение (6 рудников мощностью 30 млн. тонн руды в год); на Украине - Калушское и Стебниковское калийные месторождения, Артемовское, Соль-Илеикое и Солотвинское месторождения калийных солей; в Казахстане - Индерское борно-калийное месторождение; в Азербайджане и Армении - Нахичеяанское н Лвзпское месторождения калийных солей к т.д. В перспективе планируется отработка Петриковского (Беларусь), Непского (Россия), Гаурдакского (Туркмения) и других калийных месторождений.

Ведение горных работ на катиных и соляных месторождениях осложнено газовмделениямн и газодинамическими явлениями. Загачование рабочих выработок приводит к вспышкам, взрывам и загораниям горючих газов, отравлениям горнорабочих природными ядовитыми газами; газодинамические явления в форме внезапных выбросов соли и газа, обрушений пород кровли с последующим газовыделением - к выводу из строя горно-шахтного оборудования, разрушению и деформированию неликов, травмированию и гибели горняков. Загазования забоев, иногда продолжающиеся неделям^, и отработка выбросоопасных зон, выполняемая по специальным проектам, ведут к резкому снижению производительности добычных участков и ухудшению технико-экономических показателей работы рудников.

Исследованиям различных аспектов проблемы безопасной разработки газоносных и выбросоопасных калийных пластов посвящены работы Фивега. М.П., Медведева И.И., Несмеловой З.Н., Александровича Х.М., Проскурякова Н.М., Подлинной Г.Д., Красноштейна А.Е., Матвиенко П.Г., Копнина В.И., Шемякина Е.И, Ковалева О.В., Шаманского Г.П., Кириченко A.C., Винокура Б.Ш., Галкина В.И., Лаптева Б.В., Травниковой Л.Г..Шувалова Ю В., Крясюка Н.Ф., Долгова ПВ., Мохирева H.H., Коротаева В.Ф., Файнбурга Г.З., Мещерякова В В., Захарова Н.И., Смычника А Д., Пылино Л В., Жихарева С Я.. Андрейко С.С., Журавкова М.А., Сиренко Ю Г., Смпрнякова В В. и других ученых.

Однако, несмотря на более чем шестидесятилетнюю историю разработки газоносных и выбросоопасных солей, широкий спектр изученных горногеологических и горно-технических условий отработки пластов, ра!работчнки недр и ученые постоянно сталкиваются с новыми проблемами. Зональность распределения газов, приуроченность горных катастроф (внезапных выбросов породы и газа, горных ударов и т.д.) к определенным геологическим структурам, изменение напряженного состояния порол пол действием как

внешних (космологических), так и внутренних (зоны ослабления, 1рещииоватости н пр.) факторов предопределяют сложность проводимых исследований.

Ряд таких принципиально важных позиции, как и зменение (и прогноз) количественного и качественного состааа газов с глубиной, построение црогкозных шлей газораспределения по площади месторождений, сопоставление теоретических газовых балансов с фактическими данными по пластам и некоторые другие вопросы до «¡к пор остаются без ответа.

Если на рудниках Верхнекамсшго калийного месторождения повсеместно применяется камерная система разработки солей, то на рудниках ыробнискою месторождения ти года в год растет доля добычи руды д.шиныдш очистными забоями. Использование столбовой системы разработки с полным обрушением пород кроили ведет к образованию огромных, аэродинамически связанных выработанных пространств, в кошрых велика вероятность образова/шл взрывоопасных концентрации горючих газов. Аэродинамика выработанных пространств, особенности процессов истечения газов из них в рабочие выработки мало изучена

Все вышеперечисленное свидетельствует о недостаточности исходной базы данных для разработки мероприятий по борьбе с газопроявлениями и 1 азодинамическими явлениями.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью решения проблем, возникающих при отработке газоносных и внбросоонасных пластов калийной и каменной соли, с целью обеспечения безопасных условий труда горнорабочих и повышения эффективности добычи руды

связь работы с крупным» научным» программами и темами

Исследования проводились в соответствии с пятилетними координационными штанами Минхнмпрома СССР, Минудобреннй СССР, Мшшуза РСФСР, в частности, в рамках ¡\ШП Минвуза-РСФСР "Человек и окружающая среда'" (1981-83 г г - темы 2.7.31 и 2.7..42; 1984-85 г г - темы 3.1! 6 и 3.2.1.12; 1985-90 гг. - тема 03.01.0.27 № ГР 81029272, 810872.63 и лр ), но отраслевой целевой комплексной программе по проблемам аэрологии ка.-шйпых рудников СССР на период до 1ОД5 1 (ГЗ № 0001411, 00039Н и др ), по траслевым профаммам Госкомпрома и концерна Белнефтехим Республики Беларусь ( № ГР01Ш021125, 199-166, 1995523 и др.).

Диссертационная работа является обобщением НИР, выполненных в период 1976-1999 г г автором и прп его участии, а с 1987 г - под его руководством по тематике Пермского полти ехнического института (ЦПУ) и Ьелорусского филиала ВНИИГалур! и и (ОАО "БЕЛГОРХИМПРОМ").

Цель и задачи исследовании

Цель исследовании - развитие теории происхождения природных газов шурине особенностей их распределив и соляных толщах и выделения из разрушаемых пород, разработка методов прогноза и эффективных способов

управления газодинамическими процессами для безопасной разработки газоносных и выбросоопасных пластов.

Задачи исследовании включали:

развитие теории образования газон каляйиых месторождений на основе собственных исследований и обобщения известных данных о генезисе газов;

установление закономерностей изменения содержания газов в породах и их компонентною состава в пределах шахтных полей и но разрезу продуктивных толш Верхнекамского и Сларобинскою месторождений;

теоретическое обоснование * новых методов прогноза газодинамических явлений п калийных -рудниках па основе изучения структурных особенностей и свойств выбросоопасных пород;

установление особенностей формирования газовой обстановки в рабочих пространствах выработок при камерной и столбовой системах разработки полезного ископаемого и разработка аппаратуры для прогноза газовмделеннй;

развитие синергетнческого комплексного подхода к проблеме безопасной разработки газоносных и выбросоопасных пластов калийных месторождений;

обоснование базы технических решений и средств нейтрализации природных ядовитых газов в атмосфере горных выработок;

учет планетарных георитмов при осуществлении производственных процессов, осложняющихся возникновением подземных аварий и катастроф;

разработку новых и усовершенствование ранее применявшихся средств индивидуальной защиты органов дыхания горняков в условиях выделения природных ядовитых газов.

ОБЪЕКТ И ПРГДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект исследования - газоносные и выбросоопасиые породы калийных пластов Старобипского и Верхнекамского месторождений.

Предмет исследования - геомеханические, химические и физико-химические процессы, протекающие при вскрытии и яыемке газоносных и выбросоопасных пород калийных месторождений, в результате которых создаются аварийные ситуации и возникает угроза для жични людей

ГНПОТЕИ.1

♦ Газоносность пород обусловлена их генезисом, содержанием а них органического вещества и его хпрактеркстиками (окисленпостью бнтумоидоа элементным составом органики и др.).

♦ Свободные газы способны мигрировать по породам ядер антиклинальных складок в сторону восстания даже при небольшом угле наклона пластов и наличии экранирующих глинистых прослоев п их кровле

♦ Выбросоопасность калийных плпстов определяется фа юным составом микровключений в породах н их соответствующим)! структурным» физико-механическими характеристиками. Выбросооиаснме геологические

структуры сложены породами вторичного прочсхождения и характеризуются наличием эпигенетичкых газов

♦ Горные катастрофы и аварии (массовые обрушения пород кровли на больших площадях, внезапные выбросы соли и газа, взрывы, вспышки и загорания горючих газов), их частота и периодичность во многом обусловлены влиянием гелиофизических (космоиогическцх) факторов.

♦ Имеющие место в выработках калийных рудников естественное связывание ядовитых газов влажным воздухом и их поглощение обнаженными поверхностями пластов, представленными хлоридами калия и натрия, могут бить усилены искусственным поглощением газов в аппаратах газоочистки.

♦ Нормализация состава рудничного воздуха во всем объеме подзем пых. пространств сопряжена с большими материальными затратами и невысокой эффективностью профилактических мероприятий из-за неравномерности расположения газощсыщенных зон и источников пылевыделеиш. В этой связи первоочередное значение приобретают современные средства индивидуальной защиты органов дыхания горняков.

Методологии и методы проведения исследований

Методология исследований обусловлена системностью подхода к предмету изучения - процессам газообразования и газовыделений под влиянием целого ряда геологических, геохимических, космологических и технологических факторов. В работе использованы следующие методы исследований:

методы прикладного статистического анализа и обработки данных для установления особенностей режимов газовыделения,'

методы механики деформируемого твердого тела д.1я определения зон концентрации напряжений вокруг шпурос и вырзботок, а также динамики процессов формирования обрушенного пространства лав, влияющих на режим

газовыдеденлн;

методы физического моделирования в услоьи.чх лабораторных экспериментов для имитации процессов разрушения калийных солей и оценки степени высвобождения газов при механическом измельчении пород;

микрохимические методы определения микровключений газа в соляных породах с помощью омегатронного масс-спектрометра ИПДО-2А, химического масс-спектрометра МХ-7303 и др.;

методы газовой и газожидксстной хромаюграфии для определения компонентного состава природных те зов;

методы натурного шахтного эксперимента для определения газоносности пород и газообилыюсти выработок;

методы лабораторного эксперимента на химических установках для оптимизации процессов нейтрализации ядовитых природных газов и подбора сорбсшов для газопыяезащитных респираторов;

опытно-промышленные испытания способов прогноза и средств борьбы с газоныделениямн и газодинамическими явлениями.

Научная нопшиа и значимость полученных плулылчои

Научная новизна работы заключается в следующем:

установлены закономерности распределения природных газов по площади шахтных полей и по разрезу продуктивных толш Верхнекамского и Сгаробинского калийных месторождений;

впервые получены данные о содержанки природных ядовитых газов в силъвинитовых пластах Верхнекамского и Сгаробинского месторождений и установлена зависимость содержания сероводорода от содержания органического вещества в породах;

разработана методика определения газоносности пород на новых горизонтах (для условий Сгаробинского месторождения) на основании предварительных балансовых газовых расчетов;

разработан способ прогноза газовыделений, основанный на взаимосвязи изменения метеофакторов с интенсивностью выделения газов из выработанных пространств, при столбовой и камерной системах разработки;

доказана взаимосвязь количества газовыделений, газодинамических явлений и природных катастроф с изменением метеорологических факторов и планетарными георитмами;

установлена причина выбросоопасностн геологически осложненных структур (мульд погружения) на Старобинском месторождении калийных солей и предложены новые оригинальные технические решения по прогнозированию выбросоопасных зон (патент Российской Федерации № 2130556 и др.);

теоретически обоснованы и доведены до стадии практического использования ранее не применявшиеся на калийных рудниках методы оценки напряженного состояния пород по выходу штыба при бурении шпуров (а с. СССР №1645554) и по изменению его влажности; усовершенствован и адаптирован к условиям отработки пластов длинными очистными забоями электрометрический метод опенки напряженного состояния ириконтурной части массива (а.с. СССР №1 739022);

разработаны технические решения, положенные в основу создания первого в бывшем СССР автономного защитного индивидуального комплекта АЗИК для зашиты органов дыхания горняков от газов и пыли ( плгенг Российской Федерации №2022579 и др. ).

Нрактичрхкая значимость полученных результатов

В результате выполненных исследований предложены научно обоснованные методики, технические и технологические решения, применяемые при разработке газоносных и выбросоопасных пляс гон;

разработана методика извлечения из пород серосодержащих 1атв, что позволило определить необходимое количество воздуха для нрпнетрнпшшя выработок Верхнекамских рудников по фактору "сероводород".

разработаны и испытаны в шахтных условиях конструкции устройств, необходимых для опенки напряженного состояния прикштрного массива горных выработок;

разработал прибор прогноза i а.ювыдеденнй, реализующий установленную взаимосвязь изменения барометрического давления с интенсивностью выделения тазов из выработанных пространств лав;

для перераспределения воздуха в пределах длинных очистных забоев рудников ПО "Беларуськалий" разработаны конструкции и проведены опыпю-промьшленные испытанна подземных вспомогательных вентиляторных установок, на которые получены все необходимые разрешительные документы в Лроматомладзоре и Госстандарте Республики Беларусь;

для обеспечения безопасных условий труда при выделении природных ядовитых газов, предложен комплекс технологических, вентиляционных и специальных мероприятий;

разработан способ искусственной нейтрализации природных ядовитых газов с помощью экономичных, технологически простых и компактных нейтрализаторов, устанавливаемых в непосредственной близости от мест выделение газов. .Нейтрализаторы серосодержащих газов лопастного пша, выпускаемые Губахинскнм опытно-механическим заводом, используются на рудниках АО "Сильвинит";

составлен каталог "Средства индивидуальной защиты органов дыхания для работников нефтехимической промышленности" (Минск-Солигорск, 1996 г.), включающий оригинальные авторские разработки;

для защиты органов дыхания, лица и глаз от сероводорода, выхлопных газов ДВС и пыли в калийных и каменносоляных рудниках, на обогатительных фабриках разработан автономный защитный индивидуальный комплект АЗНК. который серийно выпускаатся НПО "Неорганика" (г .Электросталь Московской обл.)

С помощью методики извлечения из пород миьровключенныч ядовпшх 1азов способом механического измельчения и усовершенствованной мешдики определения полной газоносности соляных пород впервые определена газоносность пластов Второго и Третьего Березниковских- (АО "Уралкалий"), Второго Соликамского (АО "'Сильвинит") рудников Верхнекамского калийного месторождения. Обобщены и дополнены данные но газоносности пород четырех шахтных полей Старобииского месторождения, в том числе впервые определена газоносность пород I калийного горизонта и горизонта каменной соли "-305 м" на руднике РУ-1 ПО "Беларуськачий".

Результаты выполненных исследований использованы в следующих отраслевых методических и нормативных документах.

1. Дополнительные мероприятия к правилам безопасности по соблюдению гашвото режима на подземных рудниках ПО "Уралкалий" Пермь, 1982.

2 Временная методика определения гачообильности вырлбокж по сероводороду Пермь, 1983.

3 Инструкция по расчет)' копнчесша в. и духа, необходимою для проветривания Верхнекамских калийных рудников. Пермь, 1985

4. Методика расчета газообильности лав для рудников ПО "Веларуськалий" по горючим газам. Солигорск, 1988.

5. Специальные мероприятия по безопасному ведению горных работ па калийных рудниках Старобинского месторождения в условиях газового режима. Солигорск, 1992.

6. Специальные мероприятия по безопасному ведению горных работ на Верхнекамском месторождении калийных солей в условиях газового режима. Пермь-Березники, 1993.

7. Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания калийных рудников. Солигорек-Минск, 1995.

8. Правила безопасности при разработке подземным способом соляных месторождений Республики Беларусь (2-е издание), Минск, 1998.

Результаты исследований используются при чтении курсов "Разработка калийных месторождений", "Управление состоянием массива горных пород", в учебно-исследовательском практикуме студентов специальности "Разработка месторождений полезных ископаемых" Пермского государственного технического университета, а тагже при подготовке проектной документации в АО "Галургия" (г.Пермь) и в ОАО "БЕЛГОРХИМПРОМ".

Экономический эффект от использования мероприятий по обеспечению безопасности работ в условиях газодинамически* явлений и природных, газовыделений на рудниках АО "Уралкалии" составил 350 тыс. руб. (а ценах 1984 года, что соответствовало приблизительно 250-330 тыс. американских долларов). Экономический эффект от внедрения аппаратов мокрой газоочистки на Втором Соликамском руднике АО "Сильвинит" составил 208,9 тыс. руб. (в ценах 1986 года, приблизительно 150-200 тыс. долларов).

Основные положения диссертация, пыног.имык на защиту

1. Генезис газов (газы реликтового, аутигеипого и эппгенетнчного происхождения) и их физико-химические свойства предопределяют формы преимущественного нахождения газов в соляных породах (различие по морфологическому типу) и характер их высвобождения из пород в процессе выемки полезного ископаемого.

2. Компонентный состав газов в породах калийных месторождений и в различных пластах одного месторождения обусловлен главным образом типом органического вещества и степенью его диагенетпческого преобразования.

3. Повышенное количество серосодержащих газов в породах Верхиекамского месторождения зафиксировано п четных (2, 4 и 6-й) слоях пласта В сильвинитового состава и в пласте Б, что вызвано повышенным содержанием в них органических веществ.

4. Расположение газонасьиценнмх участков но чдощади Старобинского месторождения имеет зональный характер и обусловлено рядом геохимических и горно-1 еолошческих факторов: повышенным содержанием н солях хлорида магния, органическопо вещества, в некоторых случаях - сульфата кальция и нерастворимого остатка. Регрессионные уравнения зависимости

частоты газовыделений от основных влияющих факторов включают координатые отметки газонасыщенныч участков и глубину залегания пластов, что доказывает зональность их местонахождения в пределах соляных залежей.

5. • Основным источником газовыделений в калийных рудниках при столбовой системе разработки с подлым обрушением пород кровли является выработанное пространство, на долю которого приходится более 90% случаев выделения и обнаружения газов в рабочих выработках, причем преобладающее количество газовыделений вызвано резким изменением барометрического давления, между градиентом падения которого и приростом объема газовыделений существует близкая к линейной зависимость.

6. Выбро£оопасносгь или неиыбросоопасность геологически осложненных зон - мульд погружение - на Старобинском месторождении определяется фазовым сосгавом микроььлючений в породах и величиной давления заключенного в них газа (!: выбросоопасных породах это многочисленные, газовые включения с высоким давлением - в среднем 14,6 МПа, в невыбросоопасных - преимущественно жидкие включения), выбросоопасные зоны характеризуется также наличием вторичных (эпигенетичных) газов.

7. Внешние (космологические) факторы во многом предопределяют возникновение опасных ситуаций при разработке газоносных и выбросоопасных пластов калийных месторождений и периодичность их проявления. Приуроченность газовыделешш и газодинамических явлений к определенному времени суток, конкретным дням лунного месяца, к периодам интенсификации космологических, сит в течение, года и одиннадцатилетнего солнечного цикла позволяют осуществить их прогноз и предусмотреть необходимые профилактические мероприятия

8. Безопасные условия труда в тупиковых комбайновых выработках с интенсивным выделением природных ядовитых газов могут быть обеспечены комплексом технологических, вентиляционных и специальных мероприятий, а также использованием современных средств индивидуальной защиты органов дыхания горняков.

Личный вкладсоискателя

Личный вклад соискателя заключается:

в разработке основной идеи работы, постановке задач исследовании и разработке методологии и методик их решения, научно-методическом руководстве исследованиями, результаты которых приведены в диссертационной работе;

в развигии теории происхождения газов калийных месторождений; в выявлении ранее не учитываемых факторов, определяющих повышенную газоносность пород и их выбросоопасность,

в обосновании методов прогноза газовьгделений и средств для их осуществления, зкатернменталыюй проверке их эффективности в шахтных условиях;

в разработке концепции обеспечения безопасности при выделении природных ядовитых газон и комплекса технологических, вентиляционных и специальных (искусственная нейтрализация газов) мероприятий по борьбе с ними;

в разработке рекомендаций по применению методов прогноза газовыделений и газодинамических явлений в калийных рудниках,

В диссертации изложены результаты научных исследований, которые выполнялись автором в 1975-1999 годах на кафедре "Разработки месторождений полезных ископаемых" Пермского государственного технического университета и в секторе рудничной аэрологии и средств индивидуальной зашиты ОАО "БЕЛГ'ОРХИМПРОМ", на рудниках АО "Уралкалин" (г.Березники), АО "Сильвинит" (г.Соликамск) и ГЮ "Беларуськалий" (г.Солигорск).

В процессе выполнения исследований на протяжении двадцати лет основными соавторами по м1юп1м_научнььм_разработкам_ были _ профессора, доктора технических наук Медведев ИЛ Т.. нПолянЫш Г.Д.^капдидат геолого-мннералогических наук Травник^иа Л.Г., кандидаты технических наук Красюк Н.Ф. и Смнрняков В.В. Конкретный вклад ученых, участвовавших в совместном выполнении исследовакнй, отражен в соответствующих разделах диссертации.

апрое уцчя результатов диссертации

Отдельные 'фрагменты, этапы и вся работа в целом были доложены и обсуждены на II и 111 Всесоюзных солевых совещаниях (Новосибирск, 1979 г., Ростов-на-Дону, 1984 г.); на VI Всесоюзном семинаре "Осадочные бассейны и их нефтегазоносность" (Москва, 1981 г.); на Украинской республиканской конференции "Интенсификация подземной добычи угля и улучшение использования горной техники (Киев, 1982 г.); на Ш Всесоюзном симпозиуме "Физико-технические проблемы управления воздухообменом .в горных выработках большого объема (Кохтла-Ярве, 1983 г.); на HI Всесоюзной конференции "Системный подход в геологии" (Москва, 1989 г.); на региональном семинаре "Аэрология калийных рудников" (Кунгур, 1989 г.); на XII Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления л охране капитальных и подготовительных выработок (Алма-Ата, 1990 г.); на научно-практической конференции "Средства индивидуальной защиты работающих" (Санкт-Петербург, 1991 г.); на 24-й Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в горной промышленности (Донецк, 1991 г.); на II Международной конференции "Калнй-91" (1ермЕМИЯ, Гамбург, 1991 г.); на Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологин, горной науки и производства (Санкт-Петербург, 1993 г.); на XVI Всемирном горном конгрессе (Болгария, София, 1994 г.); на II Международном симпозиуме "Swemp-96 " (Италия, Кальяри, 1996 г.); на Международной конференции "Маркшейдерское дело на пороге XXI сюлегия (Болгария, Несебр, 1997 г.); на 1 и 11 Международных конференциях "Проблемы безопасности жизнедеятельности" (Солпгорск, 1995; 1997 г.); на

Международной конференции "Охрана труда в подземных и открытых шахтах и рудниках" (Болгария, Варна, 1998 г.); на 11 Белорусском конгрессе по теоретической и прикладной механике (Минск, 1999 г.); на Международной конференции "Охрана и восстановление окружающей среды при разведке, добыче полезных ископаемых и металлургическом производстве" (Болгария, Варна, 1999 г.); на Международной конференции "Геодинамика и напряженное состояние земных.недр" (Новосибирск, 1999 г.); на технических совещаниях объединений "Урзлкалий", "Сильвинит", "Беларусъкалий" (г г. Березники, Соликамск, Солигорск, 1975-1999 гг.), на постоянно действующих семинарах Пермского государственного технического университета, Санкт-Петербургского юрного института и ОАО "БЕЛГОРХИМГ1РОМ" (гг. Пермь, Саню-Петербург, Солигорск, 1975-1999 г Г.).

0[[увл!?к«>»аннопы'1пуд1.татоц

Основные положения диссертации опубликованы в 46 печатных работах, включающих три .монографии, 27 статей, 12 докладов и тезисов докладов на конференциях, два авторских свидетельства и два патента. Всего по теме диссертации опубликовано 98 печатных работ, из них 22 работы подготовлены 'без соавторов. Объем опубликованных материалов превышает тысячу страниц. Структура и объем дяггкргаяии

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, шести глав, заключения, списка литературы, изложенных на 239 страницах машинописного текста, содержит ¡29 рисунков, 74 таблицы, список использованных источников из 341 наименования, 11 приложений.

Автор глубоко благодарен своим учителям, проф., докт. техн. наук ^.И.Медведеву_]и [Г^ЦТоляншюй _], стоявшим у истоков данной работы, выражает признательность проф., докт. физ-мат. наук М.А.Журавкову за ценные советы и практические замечания при подготовке диссертации; генеральному директору АО "Сильвинит", канд. техн. наук П.И.Кондрашеву за помощь, оказанную в проведении производственных экспериментов; 1енералыюму директору ОАО "БЕЛГОРХИМПРОМ", докт. техн. наук А Д Смычнику н заместителю председателя Проматомнадзораза РБ А.А.Гухто за содействие в выполнении данной работы; канд. техн. наук Н.Ф.Красюку и В.В.Смнрнякову, канд. геол.-иин. наук Л.Г.Травниковой и докт. геол.-мин. наук В.М.Ковалевичу за помощь в проведении экспериментальных и теоретических исследований; сотрудник,-¡.м кафедры "Разработка месторождений полезных ископаемых" Пермского государственного технического университета и сектора рудничной аэрологии и средств индивидуальной защиты ОАО "БЕЛГОРХИМПРОМ" А.А.Панькову, Р.В.Найден и др. за сотрудничество при проведении лабораторных исследований и подготовку технической документации, представителю швейцарской компании «ЗМ (Ист) , АГ» .С.К.Цыбулысо за оказание технической помощи в подготовке диссертации. При проведении шахтных исследований и внедрении результатов работ в производство автору была оказана помощь руководством и специалистами

объединений "Беларуськалий", "Уралкалнй" и "Сильвинит", за что автор выражает им искреннюю благодарность.

основной содержание работы

Содержание газов в породах калийных месторождений и их компонентный состав во многом определяют безопасность ведения горных работ в калийных рудниках.

За шестидесятилетний период разработки отечественных месторождений набралось столько разнообразных данных по газоносности пластов я газообильности рудников, столько различных трактовок одних и тех же явлении й процессов, что назрела необходимость приведения их к общей базе путем использования системного синергетического подхода к проблеме.

Синергетический (от греч. супег^а - сотрудничество, содействие) подход, предполагающий структуризацию,. - наведение порядка при решении многоплановых задач, применительно к изучению состояния породных массивов, предусматривает выявление общих закономерностей при оценке устойчивости и разрушения естественных горно-геологических структур, включающих твердую, жидкую и газообразную-агрегатные составляющие, во времени и в пространстве.

Изучение газовой составляющей калийных солей представляет интерес со следующих позиций:

1) изучения газов как таковых, выявления закономерностей нх нахождения и распределения в калийных толщах с последующим определением режимов выделения газов в рудничную атмосферу, оценки возможности образования взрывоопасных концентрации горючих тазов и опасных для дыхания природных ядовитых газов;

2) оценки участия газа в формировании выбросоопасных участков и в протекании газодинамических явлений;

3) реставрации процессов образования калийных толщ.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых научных положениях:

1. ' Генезис газоо (газы реликтового, аутигсннопо н эпнгснстнчного происхождения) и нх физико-химические свойства предопределяют формы преимущественного нахождения газов и соляных породах (различие по морфологическому типу) и характер их высвобождения из пород » процессе выемки полешого ископаемого.

Газы соляных пород различаются по морфологическому и генетическому признакам. По морфологическому признаку выделяются газы: микровключенные (заключенные в кристаллической решетке, находящиеся в газово-жидких включениях и сорбированные открытой поверхностью пород) и свободно выделяющиеся газы (газы макровключений). По генетическому -газы: реликтовые, захваченные породой из солеродного басейна при кристаллизации; аутогенные, образовавшиеся на месте (в пласте» за премя

существования породы, и эишенетнчпые, проникшие в соляные породы того пли иного пласта извне, после их формирования.

Принципиальная схема формирования газовой составляющей соляных пород (в пространственно-временных координатах) представлена на рис. 1.

СО! СО HjS

СН, ту

Ма Аг

Рис. 2. Закономерности изменении Рис. 1. Принципиальная содержания газов с глубиной

схема образования газов залегания калийных пластов

в породах калийных местороадеини

Свободные газы составляют, по нашим оценкам, от 80 до 99% от общего объема газов, микровключенные - от 1 до 20%, в том числе сорбированные - от десятых долей процента до 2-4%. В среднем свободные газы занимают 90%, а микровключенные - 10% в общем объеме газов соляных пород.

На основании анализа известных данных и материалов собственных исследований построена схема изменения компонентного состава газов с увеличением глубины залегания калийных пластов (рис. 2). Вверх по разрезу соленосной толщи растет содержание водорода, углекислого газа и сероводорода, вниз - метана, азота, тяжелых углеводородных и инертных газов. В частности, для условий Старобинского месторождения коэфициенг "сухости" углеводородных газов (СН4/1ТУ) с глубиной уменьшается от 32,3 для пород I горизонта, 11,2 - для Л и до 4,9 - для III горизонта.

С целью уточнения генетического типа газов нами совместно с учеными нефтяного геолого-разведочного института (г.Санкт-Петербург) Л.Г.Травпиковой и Э.М.Прасоловым изучен изотопный состав газов макро- и микровключений пород Старобинского месторождения. В каменной соли и сильвините достоверно зафиксировано наличие свободных и микровключенных инертных газов атмосферного (реликтового) происхождения: неона (2°Ке), аргона (почти целиком представленного радиогенным изотопом ^Аг), а также,азота (сравнительно небольшая его часть). Аутигенные газы соляных пород имеют специфические изотопные характеристики и в этом отношении существенно отличаются от других газов осадочной толщи, в частности, от

залежей газа и нефти. Во вторичных структурах солей (в мульдах погружения) н в зонах разрывных нарушений (на участках с развитой соляной тектоникой) обнаружено присутствие энигенетичных газов, характеризующихся повышенным содержанием легких изотопов углерода метана.

В зависимости от генезиса газов и их физико-химических свойств различаются формы их нахождения в соляных породах: химически активные газы аутигенного, прежде всего биохимического происхождения, - углекислый газ, серводород, меркаптаны и др. находятся в породах в основном п микровключенном - диффузно-рассеянном виде - и выделяются при разрушении кристаллической структуры пород; химически менее активные газы реликтового . {атмосферного) и аутигенного (радиогенного) происхождения - метан и его гомологи, водород, азот и т.д., - находятся в породах преимущественно в свободном виде и выделяются при вскрытнн газонасыщенных зон выработками, при обнажении контактов слоев, геологических трещин и каверн.

2, Компонентный состав газов в породах калийных месторождений и в различных пластах одного месторождения обусловлен главным образом типом органического вещества н степенью его днагенетнческого преобразования.

Превалирующую роль в формировании газовой составляющей калийных солей играют аутигенные газы, которые образовались в основном в результате преобразования органического вещества (ОВ). Исходный тип ОВ предопределяет спектр углеводородных газов, находящихся в породах, и их соотношения, однако в научно-технической литературе практически отсутствуют данные о типе ОВ в солях.

Определение рассеянного органического вещества в породах Верхнекамского и Старобинского месторождений показало наличие достаточного для газообразования количества органики (Сорг)• Содержание Сорг в сильвинитовых породах Верхнекамского месторождения, по нашим данным, максимально в пласте В сильвинигового состава - 0,05-0,34%, в пластах Б и А соответственно 0,01-0,18 и 0,002-0,1%. Меньше всего Сорг, в пласте Красный II (0,01-0,06%) и в гагатовом междупластье Красный II - Красный III (0,0040,006%). Наибольшим содержанием Сорг в породах Старобинского месторождения характеризуются галопелнты (0,34-0,84%). В сильвините (0,130,59%) и каменной соли (0,24-0,47%) содержание органического углерода ниже.

Согласно расчетам, исходное органическое вещество при преобразовании до стадии, отвечающей органическому веществу II горизонта, теряет 42,0% своей массы, из которых на долю газов приходится 37,5%; органическое вещество нижнего III горизонта - соответственно 36,6 и 35,0% (табл. 1). Из табл. 1 следует, что газы соляных пород II горизонта должны в два раза больше содержать метана, чем породы III горизонта. Этот теоретический расчет подтверждается полученными фактическими данными (табл. 2): объемное содержание метана в породах II горизонта в 2.4 раза выше в

свободном газе и в 3,5 раза - в мпкровключенном по сравнению с газами 111 горизонта (при более высокой общей газоносности последнего).

Таблица 1

Рез/льтаты балансовых расчетов масштабов газообразования.при

Этап преобразования Потерн Количест- Состав газов, % объемные

органического массы, во 1 UJ0U, СО: СН4 H¡S М1з

вещества % вес Уо вес

Исходное OB - OI!

И горизонта 42,0 ' 37,5 31,1 13,3 2,6 53,0

Исходное Oti-OB

til глршонта 36,6 35,0 33,2 6.2 2,9 57,7

Наличие в составе глинисто-карналлитовой толщи карналлита предопределяет более "легкий" сортав газов: повышенное по сравнению с сшшвшштовьши пластами содержания водорода и пониженное - метана и его гомологов. Средняя газоносность пород глин не го-карналл ¡повой толщи примерно на порядок превышает газоносность сильвинитов I, И и 111 горизонтов.

Изучение особенностей распределения газов в сильвинитовых пластах южной (Березн и конской) и центральной (Соликамской) частях Верхнекамского месторождения обнаружило преобладающее содержание матана по сравнению с тяжелыми углеводородными газами в центральной части месторождения, в то время как для лпастов Ь'ерезниковских рудников содержание метана сравнительно ниже. Коэффициент "сухости" газов для пород южной части месторождения'изменяется от десятых долей единицы до 10 (в среднем - 3,0; 4,5; 4,6 и 6,1 соответственно, для пластов Красный 11, А, Б и В). Для пород центральной части характерен более широкий диапазон изменения этого показателя: от 3,0 до 40,0 (а в отдельных случаях и выше). Средние значения коэффициента "сухости" для пластов Красный II, А, Б и В составили соответственно 6,6; 10,2; 11,2 и 11,5 (рис. 3).

см,у Г TV с

Рис. 3. Изменение коэффициента "сухости" углеводородных газов для различных пластов Березннковского (1) и Соликамского (2) регионов

Косный II

Таблица 2

Газоносность и состав газов пород продуктивной толщи Старобииского месторождении

Гориюнт, порода j Газонос-; иость,у3/м3 Состав газов, % оот>сШ1ые

Н-. СН4 С2Н6 с,н8 1С4НШ пС4Н,0 C5H|2 I СО: N2 Ar Не СО

Свободные гзыы

1,СИЛЬйИМИГ i 0,10 2,0 9,7 0,2 ОД следы следы ___ 0,8 86,28 0,9 0,01 0,01

II, СИЛЬВИНИТ 0,12 1,7 26, В 1,7 0,4 0,1 0,"2 0,7 67,3 0,5 0,6 следы

III, сильвинит 1 0,23 1,0 11.3 1,3 0.5 0.2 0,3 — 0,3 84,4 0,5 ОД _

III, глинисто-} 1,80 3,5 8,6 1,0 0,4 0,1 0,2 -- 0,1 84,5 — —

к-арпал.пгтовая!

толща

Микровключенкые газы

К сильвинит 0,02 2,6 0,4 0,4 0,1 следы. следы следы 51,7 43,8 1,0 — —

II, сильвинит 0,03 1,1 2,1 0,5 0,3 ОД од 0,1 50,5 44,8 0,15 0,1 -

111,сильвинит 0,06 0,8 3,8 0,6 0,4 0,2 0,3 0.15 47,9 45,76 0,1 0,04 —

III« глиннсто- 0,05 4,2 1,2 0,3 0.2 0,1 0,1 слсды 8.2 85,69 — 0,01 —

карналлитоваи

толша

Для выяснения причин столь существенного различия в компонентном составе газов из солей различных пластов было исследовано изменение состава органического вещества по площади Верхнекамского месторождения. Для этого методом холодной экстракции были извлечены хлороформенные бктумоиды (ХББ), на спектрофотометре Ш-20 были сняты их инфракрасные спектрограммы, по которым по поглощению на соответствующей частоте определялось наличие тех или иных функциональных групп.

Изучение газоносности пород, компонентного состава газов и состава ОВ по площади шахтных полей Верхнекмских калийных рудников позволило установить закономерность . изменения состава органики от гумито-сапропелитовой до сапропелито-гумиторой и компонентного состава газов от "сухих" углеводородных газов к'более тяжелым углеводородам, в направлении с северо-запада на юго-восток, что имеет важное практическое значение с позиции обеспечения безопасности горных пород по газовому фактору. Типом органики объясняется также постоянное присутствие в сильвинитовых пластах цгнтраггьной части Верхнекамского месторождения серосодержащих газов, в то время как в южной части эти газы обнаруживаются нечасто.

Анализ инфракрасных спектрограмм битумоидов из полосчатого сильвинита пластов А и А1 и пестрого сильвинита пласта Б показал, что коэффициент относительной интенсивности кислородсодержащих соединений п? для битумоидов из пластов А и А1 значительно, выше (0,73-0,92) по сравнению с аналогичным показателем для пласта К (0,33-0,35).

Приведенные данные свидетельствуют о сингенетической бнтуминозности (наличии битуминозного вещесдва, образованного за счет исходного органического вещества и прошедшего все стадии изменения 01 ссадка до горной породы) пород пластов А и А1 и эпигенетичности битумоидов пестрых сильвинитов пласта Б.

3. Повышенное количество серосодержащих газов е кородаж Верхнекамского месторождения зафиксировано и четных (2, 4 и 6-й) слоях пласта В снлышнитовою состава и в пласте Б, что вызвано повышенным содержанием в ни* органических веществ.

Анализ условий образования серосодержащих шюо (сероводорода, меркаптанов и др.) по некоторым теориям; биохимической, метаморфической, образовании газов в результате природных химических реакций и др. с условиями, предположительно имевшими место в период диагенеза, позволил остановиться на биохимическом генезисе серосодержащих тазов (путем восстановления сульфатов органическим веществом в присутствии сульфатредуцирующих бактерий).

На основании комплексных геохимических исследований усыновлено повышенное содержание сероводорода, наиболее распространенного из серосодержащих газов, и органического углероца в четных (2, 4, 6) слоях пласта В сильвинигоиого состава и ь пласте Б (рис.4). , '

В

9 ±

щ::

6

*

«и »»,,

Рис, 4. Шменгнис содержания сероводорода (1) и органического углерода (2) по разрезу продуктивной толщи Второго Соликамского рудника

Аппроксимирующие уравнения зависимости содержания сероводорода Хн$ от Сорг имеют следующий вид:

пласт В: пласт Б: пласт А: В общем случае

Хил = (78,2Сорг + 1,4) ■ 10 м3/м3; (1)

Хня = (85,7Сорг -5,7) ■ КГ1, м3/м3; Хи^ = (7б,2Сврг- 1,7) ■ 1(Г3,'м3/м3.

(2) (3)

Хн,5 = (2,86Сорг + 0,04) - КГ4, м3/м3 (4)

Коэффициент корреляции для полученных зависимостей (1)-(4) составил 0,67-0,81.

В зависимости от содержания в битумоидах отдельных компонентов цвет люминесценции капиллярных вытяжек моя<ет изменяться от белесовато-голубого (легкие углеводороды) до голубого (масла), желтого, оранжево-бурого (смолы) и темно-коричневого (асфальтены). Как свидетельствуют результаты проведенного нами люминесцентно-битумологического каротажа, цвет люмннисценции ХББ пород верхнего 6-го слоя сильвинитового пласта В -коричневый, 4-го и 2-го слоев пласта В и пласта Б - коричнево-голубой, нечетных (5, 3 и 1-го) слоев пласта В - желто-коричневый, а пластов А и А' -чисто-голубой. Таким образом, качественный состав битумоидов (как и содержание сероводорода) изменяется в определенней последовательности по четным и нечетным слоям пласта В, по пластам Б и А, что указывает на взаимосвязь цикличного распределения газов по разрезу продуктивных пластов с формированием вещественного состава пород.

Выявленные закономерности цикличного распределения газов по разрезу продуктивной толщи в увязке с изменением минерало-петрографического состава пород по площади шахтных полей были использованы для построения прогнозных карт газоносности, что позволило повысить безопасность горных работ при отработке газонасыщенных учасков пластов.

4. Расположение пиоиасыщениых участков по площади Старобинского месторождении имеет зональный характер и обусловлено рядом геохимических и горно-геологических факторов: повышенным содержание»! о солях хлорида магния, и некоторых случаях - рульфата кальции к нерастворимого остатка. Регрессионные уравнения зависимости частоты газовыделешц! от основных шшшошнх факторов , включают координатные ртметк» газоцасыщенных участков п глубину зрлегашш пластов, что доказывает зональность их местонахождения в пределах калийных пластое. • '

. Исходная база данных для прогноза газонасыщенных зон по площади наиболее опасного по газам III горизонта (пласта) Третьего Солигорского рудника создавалась путем определения геохимических и гелогиче<;ких характеристик пород и слоев в местах выделения газов, полученных по данным геологоразведочного бурения н бороздового опробования. Производились также привязка мест газовыделений в пространстве (координаты X, Y, Z) и учет гипсометрии пластов. В местах повышенного газосодержання определялись показатели вещественного состава пород (в %): KCl, NaCl, MgCh, CaSO^, СаС'Ь, Br, нерастворимый остаток (Н О), мощность шаста - М. В общей сложности была обработана информация по более чем 200 газонасыщенным участкам пород. Для установления количественной зависимости между вышеперечисленными факторами был введен формализованный показатель частоты газовыделений - газовый фактор (Г.Ф.), учитывающий случаи обнаружения газов в рудничной атмосфере, рассредоточенные в пространстве и времени.

При построении прогнозных карт использовался корреляционно-регрессионный анализ. В результате были построены регрессионные уравнения зависимости частоты газовыделений от основных влияющих факторов для южного, северного и западного участков III горизонта Третьего Солигорского рудника, которые имеют следующий вид: .

Г.Фю = 236,2 + 11,85MgClг - б,78CaS04 - 0.0067Х + 0.38Z; (5)

Г.ФС - 0,46 + 6,68MgCh + 0,30CaS04 + 0,04Н. О. - 0,74Х; (6)

Г.Ф.3 = 19,98 + 4,36MgCl}-0,023H.O. - 0,16Х - 0,0472 - 4,46М , (7)

В целом по III пласту частота газовыделений аппроксимирована выражением вида.

Г.Ф. -~44,51 + ll,18MgCh+),61CaS(h- 0,0ÜI5X+0,00012)^0,Щ. (8)

Коэффициенты множественной корреляции для уравнений (5)-(8) составили соответственно: 0,91; 0,67; 0,78 и 0,65.

На частоту газовыделений по всем участкам III горизонта в значительной степени влияют абсолютные отметки залегания пород Ъ. В частности, по южному участку коэффициент парной корреляции составил г=0,77. Наличие координатных отметок (X, У, Ъ) в уравнениях (1)-(4) свидетельствует о зональном распределении газонасышенных участков пород. В результате обработки данных выявлено, что с повышением абсолютных отметок залегания пород частота газовыделений во!растает. Поэтому на основе гипсометрического плана почвы слоя глины покрывающей толщи были указаны места вероятного скопления газов.

Исследованиями Ивахненко А.Г., Кадкиичепко В.М. и др. установлено, что горно-геометрическое прогнозирование эффективно на расстоянии, не превышающем 30% от размеров отработанных площадей. Этим растоянием были ограничены размеры еще не отработанных участков Ш горизонта, для которых на основании выявленных' закономерностей и ранее полученных уравнении ре(рессии был выполнен прогноз расположения газонасышенных зон (рис. 5).

Рис. 5. Прогнозная карта газонасышенных зон по III горизонту Третьего Солигорского рудника (х-х - места наиболее интенсивных газовыделеннй)

Прогноз, сделанный в 1991 году, полностью подтвердился при последующем ведении горных работ в 1996-1999 г.г. Более 76% случаев обнаружения газов в атмосфере выработок пришлись на выделенные нами при прогнозировании опасные зоны, остальные - на угрожаемые по пновому фактору участки (эти участки в сумме составляют не более 20% отработанных

площадей). Ни одного случая обнаружения газов не зафиксировано в неопасных но газовому фактору участках.

5. Основным источником газовыделеннй в калийных рудниках при столвовой системе разработки с полным обрушением пород кровли является выработанное пространство, на долю которого приходится более 90% случаев выделения и обнаружения газов в рабочих выработках, причем, преобладающее количество газовыделений вызвано резким изменением барометрическою давления, между градиентом падения которого и приростом - объема газовыделеннй существует близкая к липеннон зависимость.

Анализ случаев обнаружения газов в выработках калийных рудников ПО "Беларуськалий" показал, что подавляющее большинство зафиксированных газовыделений приходятся на длинные очистные забои и прилегающие к ним выработки, а основным источником газойыделения является выработанное пространство. Наибольшая вероятность прироста газовыделения наблюдается при резком изменении барометрического давления, причем время запаздывания всплеска газовыделения от момента изменения давления на дневной ' поверхности может составлять от нескольких часов до суток. Установлено, что при падении барометрического давления газовыделения фиксируются в три раза чаще, чем при его увеличении. При скорости падения давления 8 мбар/сут, вероятность газовыделений составляет 75%, а при скорости падения - 10 мбар/сут, и выше она достигает 100%. Согласно статистической обработке метеорологических данных для условий Старобинского месторождения в течение года отмечается до 17 случаев падения, давления с градиентом 10 мбар/сут. н более.

Для количественной оценки взаимосвязи изменения барометрического давления с частотой и интенсивностью газовыделений в нескольких лавах рудника РУ-3 ПО "Беларуськалий" в течшне 2-х лет производились регулярные замеры. В результате обработки данных получены линейные уравнения, описывающие зависимость величины газовыделений из выработанного пространства от перепадов барометрического давления. Причем для различных периодов года существует свой критический градиент изменения (падения) давления, обуславливающий резкое изменение газовой обстановки в забоях (табл. 3),

Таблица 3

Период. Величина падения барометрического давлении, мбар/суткн

время Рабочая смена Ремонтная смена

Зима ( холодная) 29,0 > 29

Весил (холодная ) 12,0 13,6

Лето ( теплое ) 2,5 2,6

()се;!ь (теплая ) 8,3 9,3

Проведенные расчеты показали наличие тесной связи между падением барометрического давления и приращением гаюаыделепия из выработанного пространства (г=0,96). Для практической реализации разработанною способа прогноза газовыделений совместно с В.В.Смирняковым был разработан прибор, регистрирующий изменение барометрического давления и выдающий сигнал опасности при достижении критических величин падения давления. Прибор состоит из барографа, первичного преобразователя величины давления в унифицированный электрический сигнал, аналого-цифрового преобразователя, контроллера, оперативного запоминающего устройства, блока управления и блока индикации и сигнализации. С помощью прибора можно заблаговременно (за 4-24 часа) предсказать ухудшение газовой обстановки на горных участках. Место установки прибора - диспетчерская рудника. Опытные испытания прибора прогноза газовыделений на Третьем Солнгорском руднике показали его высокую работоспособность.

6. Вмбросоопасность или невмбросоонасиость геологически осложненных зон - мульд погружения - на Старобииском месторождении определяется фазовым составом микровключении в породах и величиной давления заключенного в них газа (в выбросоонасных породах ото многочисленные газовые включения с высоким давлением - в среднем 14,6 МГСа, в невыбросооиаскых - преимущественно жидкие включения), выбросоопасные зоны характеризуются ташке наличием вторичных (эпигенетнчных) газов,

Для рудников Старобинското месторождения характерна приуроченность подавляющего большинства случаев газодинамических явлений к локальным геологическим нарушениям типа мульд погружения.

Изучение фазового состава микровключений и химического состава газовых включений из выбросоопасныч и неопасных мульд производили в Институте геологин и геохимии горючих ископаемых АН Украины (г.Львов) с помощью масс-спектрометра МХ-1303 и в лаборатории изотопной геохимии и монекулярной спектроскопии нефтяного геол о го-разведочного института (г.Санкт-Петербург) на омегатронном масс-спектрометре ИПДО-2А. Масс-спектрометрическими анализами установлено наличие многочисленных газовых включений под высоким давлением (в среднем - 14,6 МПа) в образцах пород, отобранных из полостей внезапных выбросов (табл. 4).

Размер газовых включений - ог доли микрона до 100 мкм. Их форма близка к кубической. В отдельных пластинках (выколках по спаянности) установлены многочисленные двухфазовые (жидкие с кристалликом-узником карналлита) включения, расположенные как отдельно, так и образующие зональный рисунок. Причем зональность - не седиментацнонная.

В образцах пород, отобранных из невыбросоопасных мульд погружения на Четвертом Солнгорском руднике и представленных галитом, выявлены зональные седименгацнонные образования, имеющие структуру "елочки".

Таблица 4

Результаты масс-спектрометрнчсскнх газовых анализов и определения давления в газовых включениях

Место Харякгерис- 1 Состав газов, % Наличие Примеча-

отбора проб тика вклю- Н2 С», СО, N, rhJ0Dl.II ние

чение включений

Рудник РУ-2, Двухфазовые 18,9 — 13,5 67,6 Редкие, с Имел место

III горизонт, включения в ВЫСОКИМ выброс соли

3-я южная иянель, галкте (жид- давлением и газа

лява З-atpi, н) кость + кар-

мульды погруже- наллит,

ния, образец JVil, рис б ) Имел место

образец Sil Газовые 0,3 8,3 1,2 90,2 С давле- выброс соли

включения в нием и газа

сильвините 12,5; 12,5;

(рис.7) 13,6; 15,6;

15,7; 18,5

МПа

Рудннк РУ-4, Жидкие 18,8 — 8,3 72,9 Не выяв- Выброса не

III горизонт, включения в лено было

4-я южная панель, "елочках".

лявя 21, m (рис.8)

мульды

погружения

Рис. 6. Вид двухфазовых включений в галнте (жидкие,с кристалликом карналлита, х200)

О

Piic.7. Вид включений газа в сильвине (х200)

i '

■ t

'■¿"•.,1b -tu

Рис. 8. '{опальное седииснтлннон-ное образование в галите, имеющее структуру "елочки" (хЮО)

Микровключения соляных минералов из выбросоопасных зон имеют и морфологическое отличие: они представляют собой сеть соединяющихся каналов и образуют единую большую полость, заполненную газом н рассолом, в то время как включения рассола и газа в невыбросооиасных зонах разобщены и изолированы друг от друга. Кроме того, они характеризуются наличием эпнгенетичных газов (содержание аргона воздушного происхождения 18,5-18,7% против 3,7-4,6% в невыбросоопасных породах) и' повышенным содержанием легкого изотопа аргона.

7. Внешние (космологические) факторы во многом предопределяют возникновение опасных ситуаций при разработке газоносных и выбросоопасных пластов калийных месторождений и периодичность их проявлении. Приуроченность газопыделеннй н Газодинамических явлений к определенному времени суток, конкретным дням лунного месяца,-к периодам интенсификации космологических сил в течение года и оди'инядца гнлетнего солнечного цикла позволяют осуществить их прогноз и предусмотреть необходимые профилактические мероприятии.

Космологические (влияние Солнца, Луны, периодически приближающихся к Земле планет и других пебесных-тел) и метеорологические факторы оказывают существенное влияние на,состояние породных массивов, интенсивность газовыделений и газодинамических явлений. Вопросы воздействия планетарных георитмов на разработку угольных и рудных месторождений подробно рассмотрены в работах Н.С.Шатского, С.А.Батугина, В.Н.Вылегжанина и др. Применительно к условиям разработки калийных месторождений подобные вопросы детально не рассматривались.

Различают суточные (24 часа), лунные (708 часов), годовые (сезонные) и солнечные (в среднем 11,2 года) ритмы колебаний элементов горных массивов.

Анализ статистических данных о проявлении внезапных выбросов соли и газа, обрушений пород, газовыделеннй и т.д. в пределах циклов различной продолжительности показал следующее. На основании обработки данных по 84 случаям газодинамических явлений, происшедших на Втором и Третье,vi Березннковских рудниках, для которых известно точное (до минут) время проявления, нами установлена зависимость увеличения их количества N (рис 9, кривая I) от продолжительности ночи t (рис. 9, кривая 2).

В ночное время произошло в два раза больше газодинамических явлений, чем днем, соответственно 56 и 28 случаев.Влияние приливно-отливных сил на процессы, происходящие в литосфере, во многом определяет возникновение, развитие и разрядку тех внутренних усилий, которые приводят к сейсмическим юлчкам и резким изменениям состояния горных массивов. В период нахождения Луны в нечетных (I и Iii) фазах земная кора сжимается. В это время породные конструкции наиболее устойчивы, в частности, снижается вероятность обрушения пород кровли выработок. В четных (II и IV) фазах Луны имеет место расширение породообразующих элементов, что ведет к снижению прочности пород иод действием растягивающих сил. По данным проф. О.Н.Вылетжаннна, переход от состояния растяжения пород к их сжатию -примерно за двое суток до- и двое суток после полнолуния либо новолуния -является периодом неустойчивого равновесия горного массива.

Поскольку Земля сжата у полюсов, Солнце и Луна притягивают ту ее часть у экватора, которая расположена ближе к ним. При этом возникают так называемые прецессионные силы, стремящиеся как бы развернуть Землю,

Эти силы максимальны в декабре и июне, минимальны - в марте и сентябре. Замерами, проведенными нами совместно с учеными РНТЦ дистанционной диагностики природной среды АНБ, НПК "Космосаэрогеология" и БГУ А.А.Ковалевым, И.А.Тяшкевичем, М.А.Журавковым и др. с использованием высокоточных

двухканальных GPS-приемников SR-299 швейцарской фирмы "Leica" над Южной тектонической зоной Старобинского Рис. 9. Изменение количества месторождения, максимальная величина газодинамических явлений суточных деформаций (70-80 мм) в калийных рудниках N (1) в зафиксирована в июне (в полнолуние), зависимости от продолжительности ночи t (2)

повернуть ее ось вращения.

III V VII IX Kl Месяцы

В сентябре (при расположении Луны в 1 квадратуре) эта величина оказалась - в пределах ошибки приборов (до 15 мм). Полученные данные свидетельствуют о явном влияниии прецессионных сил и положения Лунн относительно Земли на деформационные процессы в земной коре.

Вариации количества и интенсивности газовыделений в течение года изучались для условий Верхнекамских калийных рудников. На основании обработки результатов 78285 замеров содержания рудничных газов разработан метод оценки частоты газовыделений в единицу времени (месяц, декада), основанный на взаимосвязи между общим количеством газовыделеннй и количеством проб с содержанием отдельных газовых компонентов выше ПДК {пцм). Максимальное пт отмечается в марте и ноябре, минимальное - в июле. Выявленная зависимость имеет вид синусоиды:

■= 4,5 sin [ 0,25 л (N-l) ]+22,5

ел

где Ппж - среднемесячное количество проб газа с

концентрациями отдельных компонентов выше ПДК;

N - номер месяца.

Для оценки изменения числа газодинамических явлений в пределах одиннадцатилетнего солнечного цикла были проанализированы усредненные данные за два полных цикла (ряс. 10), позволяющие проследить закономерности в проявлении ГДЯ - как в целом по Верхнекзмскнм калийным рудникам, так н, в частности, по наиболее мощному енлъвннитовому пласту Красный 1!. Инки солнечной активности за рассматриваемый временной интервал приходятся на 1972-1973 и 1083-1984 гг.

Рис. 10. Изменение средне! о числа ГДЯ (в год) н предела» оэцшиадиа'!илегнего солнечною цикла и целом но !1ер*-некамским рудникам (1) н пи пласту Красный II (2)

Из 271 ГДЯ, произошедших за указанные два солнечных цикла, 158 (73,]°/о) приходятся на периоды высокой аптечной активности В годы относительного спада действия зтего фактора происходит ь 2,7 раза меньше ГДЯ, чем и периоды солнечной акншности Исходя из цикличности проявления космологических факторов следующее

ухудшение условии отработки калийнпх месторождений следует ожидать в 2003-2008 г г., с особенно сложным периодом - в 2005-2007 г г.

Планетарные юоритмы и горно-технические особенности отработки шачшых полей формируют две группы факторов, накладывающихся друг на друга и обуславливающих поведение массива пород и режим газовыделеннй в горные выработки (рис. 11)-

1'ис. II. Факторы, обуславливающие газодинамическое состояние массива горных пород: I, I!, J1I - региональные, локальные и местные горнотехнические факторы; 1, 2, 3, 4 -суточные, лунные, годовые и солнечные никлы (космоло-■ пчсские факторы)

При формировании газовой обстановки в катинных рудниках участвуют региональные (газоносность пластов месторождения, климатические условия региона и т.д.), локальные (газонасыщенность пород на отдельных участках, расстояние от воздухо подающих стволов и др.) и местные (способы проветривания выработок и т.д.) факторы, составляющие;по нашим оценкам, соответственно 25, 30 и 45° i в общем газовом балансе торных участков.

8. Безопасные условия труда в тупиковых комбайновых выработка* с пшенсниным выделением природных ядовитых ганж Moiyr быть обеспечены комплексом технологических, вентиляционных и специальных мероприятий, а также нсполыопанием современных средств индивидуальной laiuim.i органов дыхания горняков.

Для борьбы с выделениями природных ядовитых гатов в калийных рудниках разработан комплекс профилактических мероприятий (рис 12).

Апробация технологических мероприятий покатала, что снижение ■ азовыделения в выработки практически осуществимо путем их проведения по наименее газоносным прослоям пород ¡ак, только изменение местоположения подютовительной вырабогкн дтя условий Второго Соликамскою рудника ш под кровли пласта ЛБ к его почве позволяет снинпь выделение серосодержащих газов в 2.7-2,8 раза Еще более резкое уменьшение газовыдсления обеспечивается при проведении выработок по почве пласта В сильвишпового состава (по 1-4 слоям) по сравнению с их проходкой но верхнему 6-му слою

Учитывая то, что для проветривания тупиковых комбайновых выработок на рудниках АО "Сильвинит" но фактору "сероводород" требуется я 1,6-2.5

раза больше воздуха, чем по другим факторам, вопросам повышения эффективности вентиляции уделяется большое внимание..

-С

МЕРОПРИЯТИЯ

Г11' К Д I) А I' II Г Е Л I. II Ы Е

Прогноз I азонасышеин участков

Медицинское тестирование горнорабочих

I) С Я О I) II Ы Е

Л

Варьирование па-~^ рамегров системы разработки |

/""Увеличение куско-взтости отбиваемой горней массы

егулированне скорости проведения выработок

С Увеличение количества поступатоше- | го вотдуха

/Изменение сиособаЧ проветривания I выработок I

Подача в забой увлажненного воздуха

Удаление загря)-мениого иоздуха через скважины

Специальные

Мокрая нейтрализация

\ Сухое

4 газоулавливание

Г~

Иено-паро-подавленне

Азродуширов рабочих мест

ванне | ССТ .1

Индивидуальные средства защиты

Д О 11 О Л II и I! Е Л Ь И ЫЕ

Кабины для ] машинистов комбайнов к

Использование изо-лируюте-распредели-тельиых ограждений

1'нс. 12. Комплекс мер но обеспечению бсншасных уел шиш труда при пм.'К'лсшш природных тошнит гамв

Теоретическими исследованиями и шачшымн замерами установлено, чти наиболее тффекмншым способом проне триилинч т\пикоьы\ выраооток является всасывающий способ проветривпння I' и .. - ц.*..:1.»И1."1 аппаратов

мокрой нейтрализации газов (способ рекуперации), определяющими условиями которого является применение активных реагентов-поглотителей и обеспечение обширной площади контакта газа с поглотителями, что обеспечивается конструкцией аппаратов газоочистки. Выбор реагентов-поглотителей производили исходя из необходимой емкости газопоглощения и создаваемого равновесного давления серосодержащих газов над поглотительными растворами, определяющего предельно допустимую глубину очистки. Кроме того, учитывалась стоимость и дефицитность реагентов-поглотителей, а также эффекты, связанные с образованием нерастворимых продуктов реакции. Для практического применения рекомендованы растворы хлорного железа и сульфата меди. При наличии в атмосфере выработок оксидов азота и углерода используются соответственно растворы углекислой (двууглекислой) соды и марганцево-кислого калия.

В шахтных условиях проведены испытания нескольких нейтрализаторов ядовитых газов: сеточного, лопастного и турбинного типов с различным исполнением контактирующих поверхностей (варианты плоского и объемного плетения сеток и др.) Замерами установлено, что эффективность работы нейтрализаторов достигает 82,9-90,9%. По нашему техническому заданию институтом ПермГИПРОГОРМАШ разработана проектная документация, а Губахинским опытно-механическим, заводом выпущена партия нейтрализаторов лопастного типа ЛНС-1. Достоинством нейтрализаторов является возможность их работы без дополнительного источника энергии (за счет напора воздуха, поступающего из вентилятора пылеотсоса комбайна), компактность и возможность попутного снижения пылесодержания в атмосфере выработок.

Средства индивидуальной защиты органов дыхания (респираторы, противогазы, индивидуальные защитные комплекты) работников горнодобывающих предприятий дополняют коллективные меры борьбы с выделениями газа и пыли, а в некоторых случаях являются и единственной мерой защиты горняков. Для респиратора РУ-60М разработан новый хемосорбент (активированный уголь марки АГ-5, импрегнированный водным раствором карбоната калия), превосходящий серийно выпускаемый катализатор К-5М в 1,61,7 раза по емкости поглощения серосодержащих газов и в 2 раза - по времени защитного действия. Результаты эксплуатационных, испытаний макетных образцов респиратора РУ-60М с новым хемосорбентом в условиях калийных рудников АО "Сильвинит" доказали их высокую эффективность.

Оптимальным средством защиты органов дыхания горняков является использование герметических шлемов с вентиляторами индивидуального пользования. При этом в подкасочное пространство поступает воздух, предварительно очищенный в фильтрах. Нами разработан автономный защитный индиви дуальный комплект АЗИК, а в НПО "Неорганика" (г.Электросталь Московской обл.) выпущена опытная партия в количестве 400 шт. Производственные испытания показали, что новые защитные комплекты

по эффективности работы не уступают зарубежным аналогам, а их стоимость -на порядок ниже. Заключение

Диссертация представляет собой законченную научную работу, включающую разработку методик определения н шучение газоносное™ пород калийных месторождений, исследование генезиса природных ядовитых газов и закономерностей их распределив в продуктивной толще Старобинскою п Верхнекамского месторождений, установление газовой опасности и источников газовыделении в калийных рудниках, разработку методов прогноза газодинамических явлений и мероприятии по безопасной выемке газоносных и выбросоопасных пластов, представляющую собой в совокупности новое крупное достижение в такой прикладной научной дисциплине, как физические процессы горного производства при разработке пластов калийных месторождений, направленное на повышение безопасности и эффективности ведения горных работ.

Основные теоретические положения, научные и практические результлы исследований заключаются в следующем:

1. Газы соляных пород различаются по морфологическому к генетическому признакам. По морфологическому признаку выделяются газы: микроиключенныс (заключенные в кристаллической решетке, находящиеся ь тазово-жидкнх включениях и сорбированные открытой поверхностью) и свободно выделяющиеся газы (газы макровключений). По генетическому -газы: реликтовые, захваченные породой из солеродного бассейна при кристаллизации; аугигенные, образовавшиеся на месте (в плас1е) за время существования породы, II эпигенегичные, проникшие в соляные породы того иди иного пласга извне, после их формирования [31-34].

В зависимости от генезиса газов и нх физико-химических свойсть различаются формы преимущественного нахождения газов в соляных породах: химически активные газы аутигенного (биохимического) происхождения • серводород, меркаптаны, углекислый газ и др. - находятся в породах в основном в микровключенном (диффузно-рассеянном) виде и выделяются при разрушении кристаллической структуры пород; химически менее активные газы реликтового (атмосферного) и аутигеннного (радиогенного и биохимического) происхождения - метан и его гомологи, водород, азот и некотрые другие - находятся в породах преимущественно в свободном виде и выделяются при вскрытии их выработками, при обнажении контактов споса, геологических трещин и каверн [4,5,9,14,21].

Составлена принципиальная схема формирования газовой составляющей соляных пород в зависимости от ее природы, возраста и местоположения (глубины залегания газоносных пластов) по разрезу сопеиосной толщи [16,31,36].

2. Преобладающее содержание метана в газач соляных пород центральной части Верхнекамского месторождения ((.'опикачи кип регион) при

коэффициенте "сухости" (отношение содержания метана к содержанию тяжелых углеводородных газов - СН4/ПУ) от 3 до 40 по сравнению с его относительно пониженной концентрацией в газах южной части месторождения (Березниковский регион), где коэффициент "сухости" изменяется от десятых долей единицы до десяти, объясняется типом органического вещества, при разложении которого образуются горючие газы. Как показал анализ инфракрасных спектрограмм хлороформенных битумоидов, органическое вещество из пород Соликамских рудников тяготеет преимущественно к гумито-сапропелевому типу, Березниковских - к сапропелито-гумнтовому. Наряду с "утяжелением" углеводородных газов в направлении с северо-запада на юго-восток Верхнекамского месторождения изменение состава органики привело к образованию значительного количества водорода и серосодержащих газов ь породах центральной части месторождения и к их значительно меньшему присутствию в солях южной части Верхнекамья [16,32,36,40].

3. Повышенное количество серосодержащих газов (сероводорода, меркаптанов и др.) в породах Верхнекамского месторождения зафиксировано в четных (2, 4 и 6-й) слоях пласта В сильвинитового состава и в пласте Б, что обусловлено повышенным содержанием в них органических веществ и особенностями состава битумоидов [2,17,42].

Сравнение окисленности битумоидов из менее газоносных полосчатых сильвинитов пластов А и А' и более газоносных пестрых сильвинитов пласта Б по значениям коэффициента относительной интенсивности кислородсодержащих соединений К2 показало, что битумоиды из пласта Б окислены слабо (К2=0,35-0,57), тогда как битумоиды из пластов А и А' окислены значительно сильнее (К2=0,73-0,92"). Данные обстоятельства свидетельствуют также о первичном происхождении полосчатых сильвинитов Верхнскамского месторождения и о вторичном (постседиментационном) генезисе пестрых сильвинитов [33,42].

Содержание сероводорода в солях растет пропорционально увеличению коэффициента интенсивности процессов преобразования солей (КИП), отражающего степень диагенетического изменения органики.

Установлены геологические признаки газонасыщенных зон для шахтных полей Соликамских рудников [5,16,31,36].

4. С изменением газового давления (в шпурах и скважинах, в полостях с газом) варьируется соотношение долей свободной и мнкровключенной составляющих в полной газоносности пород: с увеличением давления доля микровключенного газа падает, а свободного растет, что наряду с химической активностью и молекулярной массой газов предопределяет различную фугитивность (летучесть) газов и очередность их истечения из шпуров и скважин, из приконтактных и слоевых скоплений, имеющих важное значение с позиции оценки потенциальной газовой опасности в действующих и уже отработанных выработках [6,7,11-13,20].

Установление зависимости количества свободного газа от величины начального газового давления в шпурах позволило разработать экспресс-метод определения газоносности соляных пород [10].

5. Расположение газонасьнценныч зон по площади шахтных полей у рудников ПО "Беларуськалий" имеет зональный характер и обусловлено рядом геохимических и горно-геологических факторов: повышенным содержанием в породах хлорида магния, органических веществ, в некоторых случаях -сульфата кальция и нерастворимого остатка. Полученные уравнения регрессии включают координатные отметки газонасыщенных участков и глубину залегания пластов, что доказывает зональность их местонахождения в пределах соляных залежей [27,28,40].

6. Основным источником газовыделений в калийных рудниках при столбовой системе разработки полезного ископаемого с полным обрушением пород кровли является выработанное пространство, на долю которого приходится более 90% случаев выделения и обнаружения газов в рабочих выработках, причем преобладающее количество газовыделеннй обусловлено резким падением барометрического давления и в меньшей степени - выносом газов при обрушении основной и непосредственной кровли . Между приростом объема газовыделений из выработанного пространства и градиентом падения барометрического давления существует близкая к линейной зависимость. Дополнительный объем газа, поступающий из выработанного пространства при обрушении пород, определяется как функция от параметров обрушения основной (лрежде всего площади обрушения) и непосредственной кровли [23,37].

В выработанном пространстве лае обнаружены тяжелые углеводородные газы (этан, пропан и др.) в высоких концентрациях, что необходимо учитывать при осуществлении контроля за содержанием горючих газов в выработках и опенки газовой опасности [28].

7. Выбросоопасность или невыбросоопасность геологически осложненных зон (мульд погружения) на Старобинском месторождении определяется фазовым составом микровключений в породах и величиной давления заключенного в них газа: в выбросоопасных породах выявлено наличие многочисленных газовых включений с высоким давлением (в среднем 14,6 МПа), в невыбросоопасных породах имеют место преимущественно жидкие включения[1,8,18,19,43,44,46].

Установлено также различие в изотопных отношениях инертных газов из выбросоопасных и невыбросоопасных пород. В породах выбросоопасной мульды погружения отношение *°Аг/'6 Аг составляет 1583-1595, в то время как в невыбросоопасных солях оно колеблется от 6418 до 7959. В породах невыбросоопасных участков содержание аргона радиационного происхождения варьируется от 95,4 до 96,3%, воздушного - 3,7-4,6%. В породах же из полости выброса зафиксировано 81,3-81,5% аргона радиационного происхождения и

18,5-18,7 воздушного, т.е. налицо поступление эпигенетичных газов в выбросоопасную зону [34].

8. Внешние (космологические) факторы во многом предопределяют возникновение опасных ситуаций при разработке газоносных и выбросоопасиых пластов калийных месторождений и периодичность их проявления. Приуроченность газовыделенин и газодинамических явлений к определенному времени суток, конкретным дням лунного месяца, периодичность интенсификации космологических сил в течение года и одиннадцатилетнего солнечного цикла позволяют осуществить их прогноз и предусмотреть необходимые профилактические мероприятия [3,23,29,38,39].

9. Нормализация санитарно-гигиенических условий труда в тупиковых комбайновых выработках с интенсивным выделением природных ядовитых газов может быть обеспечена комплексом технологических (изменением местоположения выработок относительно мощности пластов, варьированием скорости проходки и крупности отбиваемой руды и др.). вентиляционных (применением отсасывающего способа проветривания, использованием дутирующих насадков и т.д.) и специальных (использованием нейтрализаторов газов мокрого или сухого типов, устанавливаемых на комбайнах или на бункерах-перегружателях) мероприятий, а также использованием современных средств индивидуальной защиты органов дыхания горняков [2,15,22-26,30,35,41,45].

Результаты диссертационной работы использованы в ряде нормативно-технических документов, регламентирующих безопасные условия ведения горных работ на газоносных и выбросоопасиых пластах калийных месторождений. Внедрение результатов исследования осуществлено в АО "Сильвинит", АО "Уралкалий", ПО "Беларуськалий", на Индерском борно-калийном руднике (Казахстан).

Список опубликованных работ по 'ггмк диссертации

Основные научные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Долгов П.В., Полянина Г.Д., Земсков А.Н. Методы прогноза и предотвращения газодинамических явлений в калийных рудниках. - Алма-Ата: Наука, 1987. - 176 с.

2. Полянина Т.Д., Земсков А.Н., Падерин Ю.Н. Технология и безопасность разработки Верхнекамского месторождения. - Пермь: Кн. изд-во, 1990.-262 с.

3. Журавков М.А., Земсков А.Н., Смычиик А.Д. Влияние природных и техногенных факторов на неодинамическое состояние литосферы в районах геологических нарушений. - Ма: Белорус, академия безопасности жизнедеятельности, 1997. - 122 с.

4. Земсков А.Н., Красюк Н.Ф. Газоносность пород III Березниковского рудника // Разработка соляных месторождений. - 1976. - С. 140-142.

5. Земской А.П., Полянина Г.Д., Краскж Н.Ф. Некоторые данные по газоносности пород Второго Соликамского калийного рудника // Вентиляция шахт и рудников. 1076. - Вып. 3. - С. 57-59.

6. Земсков А.Н. Особенности газодинамических явлений на Tpeiten Березниковском калийном руднике // Разработка соляных месторождений. -1977.-С. 100-104.

7. Паньков A.A., Земсков АН., Полянина Г.Д. Исследование электрических свойств соляных пород в зависимости от напряженного состояния влажности и газоносности U Рудничная геомектрика. - 1977. -Вып. 1.-С. 123-128.

8. Земсков А.Н. Определение факторов возникновения выбросов н обрушений по известным характеристикам явлений // Разработка соляных месторождений. - 1977. - С. 9-14.

9. Земсков А Н., Полянина Г.Д., Красюк Н.Ф. О выделении ядовитых газов на Всрхнекамских калийных рудниках // Вентиляция шахт и рудников, -

1979. - Вып. 6. - С. 83-85.

10. Оценка состояния массива комплексом методов в условиях новых калийных рудников Верхнекамского и Индерского месторождений / Г'.Д.Полянина, Б.Ф.Коротаев, A.A.Паньков, А.Н.Земсков// Разработка соляных месторождений. - 1980.-С. 158-163.

11. Земсков А.Н., Полянина Г.Д, Красюк Н.Ф. Определение размеров зоны разрушения пород вокруг шпура // Разработка соляных месторождений. -

1980.-С. 169-174.

12. Земсков А.Н., Полянина Г.Д., Паньков A.A. Экспериментальная проверка комплексного метода прогноза газодинамических явлений на Верхнекамских калийных рудниках // Разработка калийных месторождений -1984гС. 104-106.

13. Земсков А.Н. Исследование дренирующего эффекта вертикально пробуренных шпуров // Технология и безопасность горных работ в калийных рудниках. - 1985.-С. 112-118.

14. Земсков А.Н. Суфлярные газовыделення в калийных рудниках // Вентиляция шахт и рудников. Аэрогазодинамика горных выработок. - 1985. -С. 50-54.

15. Земсков А.Н., Демб С.П., Голдобина О.Н. Эффект от внедрения нейтрализаторов на калийных рудниках // Безопасность труда в промышленности. - 1986. - №4. - С. 37-38.

16. Земсков А.Н., Полянина Г.Д. Закономерности распределения сероводорода в продуктивной толще Верхнекамского месторождения // Физико-химические закономерности соленаколлення в солеродных бассейнах / Под ред. А.А.Янпшна. -М.: Наука, 1986. - С. 13-21.

17. Земсков А.Н, Полянина Г.Д. О цикличном распределении органического вещества и тазов в сильвиннтовых пластах Вер?некамского

месторождения // Совершенствование разработки калийных месторождений. -

1987. - С. 94-99.

18. Земсков А.Н. Оценка выбросоонасности геологически осложненных структур на Старобинском месторождении по химическому составу пород И Технология подземной разработки калийных месторождений. -

1988. -С. 80-90.

19. Земсков А.Н., Сиренко Ю.Г., Кириченко A.C. Прогноз выбросоонасности геологических нарушений тина мульд погружения на

. Старобинском калийном месторождении // Вентиляция шахт н рудников. Интенсификация воздухообмена и пылегазообразовання в горных выработках. - 1989. - С. 70-76.

20. Земсков А.Н. О факторах, определяющих режим газовыцеленнй в шпуры // Разработка соляных месторождений. - 1989. - С. 121-126.

21. Земсков АН., Герцен Т.А. Определение тзоносности соляных пород гю микровключенным газам //Горный журнал. Известия вузов. -1989. -№12.-С. 40-45.

22. Земсков А.Н. Выделения сероводорода в рудничную атмосферу при комбайновой выемке калийных пластов // Горный журнал. Известия вузов. -1991.-№2. -С. 64-69.

23. Медведев И.И., Земсков А.Н. Изменение газовой обстановки на юрном участке калийного рудника в зависимости от производственных

процессов и барометрического давления // Горный журнал. Известия вузов. - 1991. -№4. - С. 64-70.

24. Земсков А.Н. Особенности формировании газовой обстановки в пределах рабочих пространств калийных рудников // Горный журнал. Известия вузов. - 1991. -№5.-С. 42-46.

25. Земсков А.Н. Горные работы на калийных рудниках в условиях выделения природных газов // Безопасность труда в промышленности. -1991. -№8.-С. 33-35.

26. Земсков А.Н. Рекуперационный способ борьбы с выделениями сероводорода в тупиковых комбайновых выработках калийных рудников // Горный журнал. Известия вузов, - 1991.-№3. - С. 51-53.

27. Прогнозирование газонасыщенных зон при отрабогкс калийного пласта / А.Н.Земсков, В.Б.Замотин, А.В.Катаев, Б.В.Смирняков // Горный журнал. Известия вузов, - 1993. -№7. - С. 11-15.

28. Андрейко С.С., Блюм М.Ф., Земсков А.Н. Проблемы безопасности ведения горных работ на рудниках ПО "Беларуськалий" в условиях газовыделений и газодинамических явлений // Горный журишь - 1998 -№1 I-12.-С. 88-92.

29. Земсков А.Н., Журавков М.А. Связь геомеханических процессов в земной коре с гелиофизическими факторами // Горная механика. - 1999. - №1 -С. 38-40.

30. Земское А.П., 'Гухто А.А. Меры борьбы с i азовыделениями а длинных очистных забоях // Горная механика. - 1999. - №1С. 13-19.

31. Земсков А.Н., Полянина Г.Д. О генезисе, распределении и выделении сероводорода в калийных рудниках Верхнекамскою месторождения // Соленосные формации и практическое значение их изучения: Тез. докл. II Всесоюз. совет, Новосибирск, 10-14 сент. 1979. -Новосибирск, -1979.-С. 120-121.

32. Земсков А.II. Системный подход при изучении газоносности Верхнекамского месторождения калийных солей // Системный подход в геологии (теоретические и прикладные аспекты): Тез. докл. И Всесоюз. конф., Москва, 9-11 сент. 1986. -М., 1986.-С. 460-461.

33. Земсков А.Н., Травникова Л.Г. Геохимические аспекты процессов формирования газового состава атмосферы калийных рудников // Аэрология калийных рудников: Тез. докл. семин., Кунгур, 13-15 нюня 1989. - Свердловск, 1989.-С. 460-461.

34. Изотопно-геохимические характеристики газов соляных пород из мульд погружения и зон выброса (Сшробинское месторождение) / Л.Г.Травникова, Э.М.Просолов, А.Н.Земсков, Н.Б.Смирнова /У Проблемы безопасной разработки калийных месторождений: Тез. докл. науч. конф., Минск, 11-13 сент. 1990.-Мн., 1990. - С. 118-119.

35. Земсков А.Н., Кондрашев П.И. Борьба с природными ядовитыми газами при разработке калийных месторождений // Сб. докл. междунар. конф. НИИ по безопасности работ в горн, пром-ти, Донецк, 23-28 сент. 1991. В 2 ч. -Донецк, 1991.-Ч. I. - С. 101-106.

36. Земсков А.Н., Смычник А.Д. Закономерности образования газов в калийных пластах Верхнекамского и Старобинского месторождений СССР // Калий-91: Тр. междунар. конф., Германия, Гамбург, 26-29 мая 1991. -Гамбург, 1991.-С. 54-59.

37. Калугин П.А., Земсков А.Н., Кучеров В.Ф. Технология н ^безопасность горных работ на калийных рудниках Республики Беларусь // Тр.

XVI Всемир. горного конгресса, Болгария, София, 12-16 сент., 1994. -София, 1994.-Т. 5.-С. 379-382.

38. Zhuravkov М., Smychnic A., Andreyko S., Zemskov A., Mathematical aspects of study of stability, - evolution and destruction of mining areas and ecosystems in regions of largescale mining works // Environmental Issues and Waste Manage-ment in Energy and Mineral Proceedings. Proceedings SWEMP'96. Cagliari, Italy. - 1996. - P. 951-956.

39. Zhuravkov M., Zemskov A., Andreyko S. Modeling stability ecosystem on the basis of the theory of stability and catastrophes // Computer applications and operations research in the mineral industries / 2'1 Regional ЛРСОМ'97 Symposium, Moscow, Russia, August 24-28. I 997. - P. 502-506.

40. Земсков A.1I., Смычник А.Д. Прогнозирование газонасыщенных зон на основания изучения структурных особенностей и геохимических характеристик пород калийных месторождений // Маркшейдерское обеспечение на пороге XXI столетия: Тр. V междунар. конф. Болгария, Несебр, 10-14 июня 1997.-Несебр, 1997.-С. 303-311.

41. Zemskov A., Tomchin L., Kucherov V. Analysis of miners working conditions and ways of normalizing dust and gas composition of the air in the Byelorussian potassium mines // Proceedings of the papers of the scientific and technical conference "Occupational safety in undergroud and open pit mines and quarries ", Bulgaria, Varna, June 8-11, 1998. - P.l. - P. 272-279.

42. Земсков A.H. Исследование выделений природных ядовитых газов в рудниках Верхнекамского калийного месторождения и меры борьбы с ними. Ашореф дис.... канд. техн. наук: 20.09.83 / ЛГИ. - Л., 1983. - 19 с.

43. А.с. 1645554 СССР, МКИ3 Е 21 F 5/00. Способ определения напряженного состояния участков массива соляных пород и устройство для его осуществления / А.Н.Земсков, А.Ф.Бублис - 4697301/03; Заявлено 12.03.89: Опубл. 30.04.91, Бюл. №16 //Открытия. Изобретения, - 1991.

44. А.с. 1739022 СССР, МКИ3 Е 21 С 39/00. Устройство для контроля напряженного состояния массива горных пород / А.Н.Земсков, А.Ф.Бублис 4792318/03; Заявлено 19.12.89; Опубл. 07.06.92, Бюл. №21 // Открытия Изобретения. - 1992.

45. Пат. 2022579 РФ, МКИ' А 62 В 18/04, 7/10. Защитная каска / С.В.Песков, А.Н.Земсков, А.Ф.Бублис - №4938560/23; Заявл. 22.05.91; Опубл. 15.11.94//Изобретения.- 1994. - №21.

46. Паг. 2130556 РФ, МГ1К 6 Е 2Г F 5/00. Способ прогноза выбросоопасности горных пород / Ю.Г.Сиренко, В.П.Зубов, А.А.Антонов. И.И.Головатый, Д.Г.Петраков, А.Н.Земсков - №98107464/03; Заявл. 17.04.98; Опубл. 20.05.99 // Изобретения. - 1999. - № 14.

РЕЗЮМЕ

Чемеков Александр Николаевич

Синергетика процессов безопасной разработки газоносны! к выбросоопасных пластов калш'шых месторождений

Ключевые слова; газоносность, генезис, газовылсленне, выбросоопасность пород, моделирование, управление

Объект исследований - газоносные и выбросоопасные пласты калийных месторождений.

Цель работы - развитие теории происхождения природных газов, изучение особенностей их распределим в соляных тол шах н выделения из разрушаемых пород, разработка методов прогноза и эффективных способов управления газодинамическими процессами для безопасной разработки газоносных и выбросоопасных пластов.

В работе на основе системного синергетического подхода к газодинамическим процессам в калийных солях рассмотрены важные прикладные аспекты безопасной разработки пластов калийных месторожлсни.1 с учетом целого ряда геологических, геохимических, космологических и технологических факторов.

Применение методов механики деформируемого твердого тела по »юлило определить размеры зон концентраций напряжений вокруг шпуров и выработок, а также изучить динамйку процессов формирования обрушенного пространства лав, влияющую на режим газовыделений. Доказана взаимосвязь количества и интенсивности газовыделений, газодинамических явлений и других природных катастроф с планетарными георитмами. С помощью методики извлечения из пород микровклгоченных газов способом механического измельчения и усовершенствованной методики определения полной газоносности калийных солей впервые определена газоносность пластов новых рудннкои России. Беларуси и Казахстана. Разработаны и апробированы методы пропюга расположения газонасышенных зон по разрезу и площади калийных месторождений, способы прогноза газовыделеннй и газодинамических явлений при камерной и столбовой системах разработки полезного ископаемого Применение микрохимических методов исследования позволило установить принципиальные отличия фазового состава микровключений в породах выбросоопасных и невыбросоопасных зон, а также их различие по генетическому тину газов.

Для условий калийных рудников разработан и внедрен комплекс технологических, вентиляционных и специальных мер борьбы с природными ядовитыми и горючими га гам и

РЭПОМ Е

Зямскоу Аляксандр Мжалаев1ч

Сшергетыка нрацэса}' бяспечнай paenpauoyKi газаносных i выкщанебяснечных пластоу калшных радовничау

Ключапыя словы: газаноснасць, генезю, газавыдзяпенне, вымдаиебяспечнасць парод, мадэляванне, кфаванне.

Лб'ект дасдедаванняу - газапосныя i вьпаданебяспечныя пласты калШных радовпичау.

М зга работы - развитие тэорьй ттаходжаштя прыродных газау, вывучэнне асабл1васцяу ix размеркавапия у саляпых тоушчах i выдзялення з разбураных парод, расирацоука метана прагнозу i эфектыуных спосабау мравання газадынам'тным! працэсам'т дзеля бяспечнай расираноук'! газаносных i выкщанебяснечных пласто$>.

У рабоце на аснове с1стэмната сшергетычнага падыходу да 1азадынам1чных працэсау у калшных солях разгледжаны важк1я прыкладныя аспекты бяспечнай распрацоую пластоу кал!йных радовшчау з улкам цэлага шэрага геалапчных, касмалапчных i тэхналапчных фактарау.

Ужыванне метаду MexaniKi дзфармаваната цвёрдага цела дало магчымасць вызначыць памеры зон канцэнтрацый напружанняу вакол шпуроу i выпрацовак, а гэтаксама вывучыць дынамжу працэсау фарм!равання абрушанай чрасторы лау, якая уплывае на рэжым газавыдзялеиняу.

Даказана узаемасувязь колькасш i штэнЫунасц! гаэавыдзялеиняу, газадынам1чных з'яу i ¡ншых прыродных катастроф з плане1арным1 геарыгмамг 3 дапамогай методыш атрымаиня з парод мшрауключаных газау спосабам мехатпчнага змяльчэння i удасканаленан методыю вызначэння поунай газаноснасдт калшных солей упершыню вызначана газаноспасць пластоу новых рудтпкоу Pacii, Беларус1 i Казахстана. Распрацаваны i выпрабаваны мегады праптозу знаходжання газанасычаных зон па разрэзу i плошчы кипи н их радовшчау, спосабы прагнозу газавыдзялеиняу i газадынам1чных з'яу пры камернай i слупавой слстэмах распрацоую карыснага выкапня. Ужыванне мжрах1мтчных метада^ даследавання дазволша вызначыць прынцыповыя адрозненш фазавага саставу мжрауключэнняу у пародах выктданебяспечных i невьш'данебяспечных зон, а таксама ix адрозненне па генетычнаму тыпу газау.

Для умоу калшных рудн'тко^ распрацаваны i укаранёны комплекс тэхналапчных, вентыляцыйных i спецыяльных мер па барацьбе з прыродным1 aipy riibiMi i гаручым1 газами

SUMMARY

Zemskov Alexander Nicolaevich

Syneigetic of processes of safe excavation of gaswoie and ejection-dangerous layers of potash deposits

Key words: gaswore, genesis, gassing, ejection-dangerous of rocks, modelling, management.

Object of researches: gaswoie and ejection-dangerous layers of potash deposits.

The purpose of work: development of the theory of an origin of natural (jases, study of features of their distribution in salt and potash (hydrochloric) massifs and allocation from destruction rocks, development of the forecast methods and «Ifcrtive ways of management by gasdynamic processes for safe excavation of gasuore ,iiid ejection-dangerous layers

In work on the basis of system of the synergelic approach to gasdyruinic processes in potash salts massifs the important applied aspects of sate excavation ol layers of potash deposits are considered in view of a lot geological, gcoehemical. spacegeological and technology factors.

The application of methods of the mechanics of a deformable ngid body lias allowed to determine the sizes of zones of concentration of stresses around larye cavities in massif and as to study dynamics of processes of formation ot destruction regions around of cavities influencing on a mode of gassing The inteu elation ol quantity and intensity of gassing, gasdynamic phenomena and other natural accident* with planetary georhythms is proved. With the help of a technique of extraction lioni breeds of the microincluded gases by a way of mechanical crushing and modernising technique of definition of complete gaswore of potash salts for the fust time is determined of gaswoie of layers of new mines of Russia, Belarus and Kazakhstan ihc methods of the forecast of an arrangement of zones with gas 011 a section and area ol potash deposits and the ways of the forecast of gassing and gasdynamic phenomena are developed for various technology systems of excavation of deposits The application of mieiocheinical methods of research lias allowed to establish basic, differences of phase structure of microincliisions in rocks of ejection-dangerous and not ejection-dangerous zones, aiid as their distinction for a genetic type of gases.

For conditions of potash mines the complex of technological, ventilating ami special measures ol struggle with natural poisonous and combustible gases is developed and introduced