2843.Разработка калийных месторождений практикум

1.4. Гидрогеология и карст

По гидрогеологическому районированию рассматриваемая территория ВКМКС принадлежит к Предуральскому сложному бассейну пластовых (блоково-пластовых) вод, к Камско-Чусовской группе бассейнов пластовых вод.

Основными областями питания Предуральского бассейна являются Уфимское плато, Тиманская гряда и частично передовые складки Урала, а зонами разгрузки – р. Кама и ее крупные притоки.

Основным источником питания подземных вод являются атмосферные осадки. По количеству выпадающих осадков территория относится к зоне избыточного увлажнения. Превышение атмосферных осадков (600– 960 мм) над испарением определяет высокий сток рек и их подземное питание.

На ВКМКС выделяют два гидрогеологических этажа: верхний (надсолевой) и нижний (подсолевой). Они разделены соляной толщей, которая является водоупором.

Промышленные пласты калийной залежи расположены внутри соляной толщи, что обусловливает в естественных природных условиях их абсолютную гидрогеологическую изолированность.

Вся надсолевая толща насыщена водой. Водоносные комплексы слабо изолированы друг от друга, имеют гидравлическоую связь между собой и с поверхностными водами.

Водоносный горизонт четвертичных отложений представлен об-

водненными породами. Наиболее водообильными являются песчаногравийные отложения с дебитами от 0,1 до 5 л/с и более.

Шешминский водоносный горизонт приурочен к отложениям пест-

роцветной толщи. Мощность водосодержащих прослоев составляет 1–3 м, они образуют локальные водоносные линзы, иногда с небольшими напорами в нижних частях горизонта.

Верхнесоликамский водоносный горизонт приурочен к отложениям ТКТ и является основным коллектором пресных подземных вод. Основной сток водоносного горизонта направлен на запад, в сторону региональной дрены – р. Камы.

Подземные воды, приуроченные к терригенно-карбонатным отложениям уфимского яруса, являются основным источником хозяйственнопитьевого водоснабжения в районе.

21

Нижнесоликамский водоносный горизонт приурочен к породам СМТ. Водовмещающие породы представлены трещиноватыми и закарстованными известняками, загипсованными мергелями, часто доломитизированными.

Наиболее водообильными являются мергели верхней части СМТ. Удельные дебиты скважин изменяются от 0,02 до 0,5 л/с и очень редко – до 14,5 л/с; коэффициент фильтрации составляет от долей до 21 м/сут. Отложения соляной толщи безводны.

Внутрисолевые воды представлены рассолами, находящимися в фи- зико-химическом равновесии с вмещающими породами. Истечение рассолов происходит в виде увлажнения стенок выработок, капежей, кратковременных выбросов, высачивания, различных форм высаливания; капельные выделения фиксируются при бурении шпуров и подземных скважин.

Рассолопроявления в подземных горных выработках связаны также с техногенными конденсационными и закладочными рассолами.

Подсолевые воды. Нижний гидрогеологический этаж ВКМКС (подсолевой) представлен слабонапорными застойными минерализованными водами. Подсолевые воды не оказывают влияния на отработку месторождения.

Карст на ВКМКС. На месторождении отмечают два вида карста: зоны сплошного и локального карстообразования. Над соляным зеркалом

втаких местах развиваются так называемые гипсово-глинистые или сильвинитовые шляпы за счет неполного растворения карналлитовых пластов.

Водозащитная толща (ВЗТ). Под ВЗТ подразумевается интервал разреза соляной толщи от кровли первого сверху выдержанного слоя каменной соли до кровли отрабатываемого пласта. В разрезе ВЗТ выделяется

три части (пачки): нижняя (ВЗТ1), сложенная пластами калийной залежи; средняя (ВЗТ2), представленная ПКС, и верхняя (ВЗТ3), состоящая из чередующихся пластов мергелей и каменной соли ПП.

Согласно «Указаниям …» одним из условий безопасной отработки ка- лийно-магниевых солей является степень полноты разреза ВЗТ. Наличие

вгеологическом разрезе ВЗТ1, ВЗТ2 и ВЗТ3 является классификационным признаком, позволяющим выделить полный (ВЗТ1+ВЗТ2+ВЗТ3), переходный (ВЗТ1+ВЗТ2+0) и неполный (ВЗТ1+0+0) типы ВЗТ.

22

1.5. Газоносность соляных пород центральной части ВКМКС

Разработка калийных пластов на Верхнекамских калийных рудниках сопровождается выделением газа. Газовыделения происходят в виде суфляров при бурении шпуров или скважин, а также в виде обычных газовыделений при различных горных работах, дроблении или разрушении соляных пород. Особенно интенсивные газовыделения происходят при выбросах и обрушениях. Газы в солевых породах находятся в двух формах:

–свободные − это газы, заполняющие всякого рода трещины и пустоты;

–микровключенные − заключенные в кристаллической решетке солей (внутрикристаллические газы) и в межкристаллическом пространстве.

Свободные газы выделяются при механическом разрушении породы,

атакже по трещинам со свежеобнаженных поверхностей и подразделяются на внутрипластовые и приконтактные.

Внутрипластовые газы делятся на поровые, находящиеся в порах и микротрещинах, и гнездовые скопления газов.

Количество поровых газов зависит от трещиноватости породы. Наибольшую трещиноватость имеет карналлит, значительно меньшую − сильвиниты. Наличие поровых газов в основном определяет газонасыщенность калийных солей. Гнездовые (суфлярные газы) – это газы, заполняющие пустоты и трещины во внутренних частях пласта. Заполняющий их газ сильно сжат. Обнаруживаются гнездовые газы при бурении шпуров

искважин и встречаются во всех отрабатываемых пластах. Наибольшее их количество находится в карналлите.

Приконтактные (коржевые) газы близки по типу к гнездовым, но отличаются тем, что приурочены к контактам пластов и по величине скопления близки к скоплениям гнездовых газов. Чаще они обнаруживаются при разработке карналлитового пласта Вк и реже – сильвинитовых пластов АБ

иКрасный-II.

При ведении подземных горных работ газ может выделяться с обнаженной поверхности массива (стенок, кровли и почвы выработок) из крупных трещин и пустот, из шпуров, а также из отбитой горной массы, находящейся в выработке. В этом случае будет выделяться в основном свободный газ, содержащийся в соединяющихся между собой порах и трещинах. Объем такого газа определяется эффективной пористостью и давлением газа. Из разрушенной соли может выделяться как свободный, так и микровключенный газ.

23

Микровключенные газы захвачены солью в момент ее кристаллизации

ипри ведении горных работ почти не выделяются в атмосферу горных выработок. Для выделения микровключенного газа нужно произвести разрушение кристаллов, что достигается, например, путем растворения соли в воде. В составе микровключенных газов преобладает азот, в значительно меньшем количестве присутствуют метан и водород.

По составу свободные газы представлены в основном тремя компонентами: водородом, метаном и азотом. В небольших количествах присутствуют углекислый газ, следы тяжелых углеводородов, сероводорода, тяжелые и легкие благородные газы. Газоносность промышленных сильвинитовых и карналлитового пластов представлена в табл. 1.1.

Газоносность калийных пластов и газообильность горных выработок в большей мере зависят от коллекторских свойств пород: объема и распределения пор и трещин; способности тонких пор сорбировать газ; формы пор и трещин и характера связи между ними. Все вместе они определяют скорость диффузии и фильтрации в породах и трещинах, а также проницаемость калийных пластов.

Слоистая структура калийных солей, которые имеют незначительный коэффициент проницаемости (особенно вкрест напластования), и прослоев глины, на контакте с которыми могут образовываться микрорасслоения с коэффициентом проницаемости порядка нескольких десятков

исотен миллидарси, а также строгая ориентация этих прослоев создают условия для направленной фильтрации свободного газа. Поскольку структура сильвинитовых пластов является неравномерной и включает пустоты выщелачивания, подвержена геологическим нарушениям и воздействию других факторов, их направленная фильтрация при соответствующих горнотехнических условиях может создать выбросоопасную ситуацию.

По стратиграфическому разрезу продуктивной толщи отмечается изменение характера распределения свободных газов. Наблюдается снижение водорода и увеличение тяжелых углеводородов сверху вниз от карнал-

литового пласта Вк к сильвинитовому Красный-II. Газы карналлитового пласта Вк в пределах Соликамских рудников богаче водородом (для Соликамских среднее содержание водорода в составе природных газов состав-

ляет 38 %, для Березниковских − 22 %), а в пределах Березниковских рудников − метаном (для Соликамских среднее содержание СН4 − 21 %, для Березниковских − 40 %).

24

Содержание водорода и метана в сильвинитовых пластах Соликамских рудников выше Березниковских (среднее содержание для Соликамских рудников: Н2 − 5 %, СН4 − 49 %; для Березниковских: Н2 − 1,3 %,

СН4 − 39 %).

По данным предварительных исследований, газоносность пласта АБ по сероводороду на БКПРУ-4 составляет в среднем 0,00133 м3/м3, пластов В и АБ на руднике СКРУ-2 − от 0,002 до 0,00766 м3/м3 (без учета остаточной газоносности в отбитой руде) (см. табл. 1.1).

Гнездовые скопления газов встречаются во всех калийных пластах, однако наибольшее их количество − в карналлите, меньшее − в сильвинитовом пласте АБ и совсем незначительное − в сильвинитовом пласте Крас-

ный-II.

Отмечено, что значительные по объему скопления свободных газов встречаются в антиклинальных складках пластов и в зонах разломов

идроблений пластов. Значительные газовые скопления приурочены к глинистому прослойку, расположенному на контакте шестого слоя карналлитового пласта В и почвы пласта ВГ (приконтактные или коржевые).

Подобные газовые скопления в глинистых прослойках имеются также

ив сильвинитовых пластах АБ и Красный-II. Отмечено, что наибольшее число выбросов соли и газа на руднике СКРУ-1 приурочено к местам по-

вышенной мощности 6-го слоя пласта Вк.

Проявления выбросов соли и газа связаны с наличием в массиве выбросоопасных зон, характеризуемых интенсивной микротрещиноватостью

изначительной газонасыщенностью. При вскрытии таких зон происходит медленное истечение газов из массива или выброс породы и газа.

Отмечено, что соль, в значительной степени насыщенная газами, при нажатии или размельчении издает характерный треск. При выбросе происходит выделение газа из отдельных полостей, микротрещин и пор, а также микровключенного газа из разрушенной породы.

Контрольные вопросы по главе 1

1.Назовите действующие, строящиеся (проектируемые) и затопленные рудники на ВКМКС и их принадлежность.

2.Назовите размеры и общую площадь ВКМКС.

3.Перечислите и поясните аварийные обстановки на ВКМКС.

4.Что включает сильвинитовая пачка (зона)?

5.Что включает карналлитовая пачка?

26

6.Что такое ГАТ, ПдКС ПКС, СМТ, ТКТ и ПЦТ?

7.Что такое Соликамская впадина?

8.Перечислите виды тектонических структур на ВКМКС.

9.Перечислите области питания подземных вод, опишите их раз-

грузку.

10.Перечислите водоносные горизонты ВКМКС.

11.Что такое ВЗТ?

12.Назовите формы содержания природных газов в соляных породах.

27

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КАЛИЙНЫХ РУДНИКАХ ВКМКС

2.1. Вскрытие шахтных полей

Размеры шахтных полей на Верхнекамском месторождении калийных солей определяются в основном условными границами (так называемые технические границы). Формы шахтных полей близки к прямоугольным, а их размеры в длину и ширину находятся в пределах от 6,2 до 17,0 км.

Производственная мощность рудников ОАО «Уралкалий» по сильвинитовой руде находится в пределах 4,0–19,8 млн т в год.

Шахтное поле рудника СКРУ-1, приуроченное к сводовой части Соликамской брахиантиклинали (центральная часть Соликамского участка, расположенного в центральной части Верхнекамского месторождения), простирается на 6,5 км в меридиональном направлении и на 6,2 км в широтном. На руднике ведется добыча сильвинита на пластах АБ, Вс и Крас- ный-II и добыча карналлита на пласте Вк.

Шахтное поле вскрыто двумя центрально расположенными и одним фланговым стволами. Вскрытие запасов промышленных пластов осуществлено посредством полевой подготовки.

Шахтное поле рудника СКРУ-2, приуроченное к южной части Соликамской брахиантиклинали (южная часть Соликамского участка), имеет размер 7,0×8,5 км. Площадь шахтного поля по границам горного отвода составляет 50,4 км2. На руднике ведется добыча сильвинитовой руды на пластах АБ, Вс, и Красный-II.

Шахтное поле вскрыто тремя центрально расположенными стволами – № 3, 4 и 5. Ствол № 3 – клетевой, служит для спуска материалов, оборудования, людей и подачи свежего воздуха. Ствол № 4 – грузовой, оборудован двумя скиповыми подъемами и служит для выдачи руды и исходящей струи воздуха. Ствол № 5 – грузолюдской.

Для защиты рудника от затопления шахтное поле рудника СКРУ-2 в его новых границах разделено на три гидроизолированных участка.

Вскрытие запасов промышленных пластов осуществляется посредством полевых выработок двух рабочих горизонтов с отметками –143 м и –220 м. Гидроизолирующими целиками шахтное поле разделено на три гидроизолированных участка.

Шахтное поле рудника СКРУ-3 расположено в пределах Тверитинской мульды. Мульда имеет пологую, почти правильную чашеобразную

28

форму, которая образована в результате кольцеобразного замыкания трех крупных положительных тектонических структур. На северо-востоке от мульды расположено Харюшинское поднятие; на юго-востоке – Машковское; на юго-западе, западе и северо-западе соответственно – Поповский, Рудничный и Клестовский купола Соликамского поднятия.

Площадь горного отвода имеет следующие размеры: в широтном направлении около 8,5 км, а в меридиональном – 15,4 км.

Шахтное поле вскрыто четырьмя вертикальными стволами, расположенными в центре шахтного поля, и разделено гидроизолирующими целиками на пять частей.

Вскрытие запасов промышленных пластов осуществлено посредством выработок, расположенных в подстилающей каменной соли с делением шахтного поля на пять гидроизолированных блоков.

Шахтное поле рудника БКПРУ-2, приуроченное к мульдообразной впадине северной части Дурыманской брахисинклинали (южная часть Верхнекамского месторождения), простирается на 8,0 км в меридиональном направлении и на 7,7 км в широтном. Рудник ведет добычу сильвинита на пластах АБ и Красный-ІІ.

Шахтное поле рудника вскрыто тремя центрально расположенными стволами. Вскрытие запасов сильвинитовых пластов осуществляется при полевой подготовке.

Шахтное поле рудника БКПРУ-4 в значительной части расположено в пределах сочленения четырех крупных тектонических структур. На севере и юге соответственно располагаются Дуринский и Дурыманский прогибы, а на юго-западе и востоке – Березниковское поднятие и Легчимский выступ. Максимальные размеры горного отвода: в широтном направлении – около 17 км, а в меридиональном – 12 км.

Шахтные стволы на рудниках ОАО «Уралкалий», пересекающие обводненные горизонты, пройдены специальными методами. Способ замораживания является одним из основных критериев, определяющих целесообразность группового расположения стволов.

Гидрогеологические условия месторождения, необходимость обеспечения полной гидроизоляции подземных выработок от водоносных горизонтов определяют тип крепи в водонасыщенных породах (чугунные тюбинги). Защита горных выработок от проникновения вод по закрепному пространству стволов осуществляется с использованием кейлькранцев.

29

Все стволы оборудованы скиповыми или клетевыми подъемными установками. Скиповые подъемы служат для подъема руды, а клетевые – для спуска-подъема людей и материалов. Высокая стоимость строительства и поддержания в рабочем состоянии шахтных стволов обусловливает высокий коэффициент их использования.

2.2. Способы подготовки шахтных полей

На рудниках ОАО «Уралкалий» приняты панельный и панельноблоковый способы подготовки шахтных полей.

При панельном способе практикуется как индивидуальная, так и групповая подготовка панелей. Для групповой подготовки нескольких панелей (от двух до пяти) проходятся групповые штреки, с которыми панельные выработки соединяются межпанельными штреками. Групповая подготовка панелей позволяет уменьшить объемы горнопроходческих работ, необходимых для ввода панелей в эксплуатацию, ускорить сроки подготовки и сократить длину конвейерных линий.

Преимуществом панельно-блокового способа подготовки является повышение концентрации горных работ, значительное увеличение нагрузки на панель за счет отработки нескольких блоков (до пяти в одновременной работе).

При панельном способе подготовки ширина панели, как правило, составляет 400 м (на руднике СКРУ-1 – от 350 до 600 м). При панельно-бло- ковом способе подготовки ширина панели больше (от 1200 до 2100 м на СКРУ-3).

В современных схемах подготовки запасы панелей и блоков вскрываются в основном комбинированным методом, когда выемочные штреки расположены в продуктивных пластах, а конвейерные штреки являются полевыми (заглублены в подстилающую пласты каменную соль). Такой способ подготовки применяется как при прямом, так и при обратном порядке отработки выемочных единиц в силу большей технологичности. Полевое расположение конвейеров создает благоприятные условия для их эксплуатации (отсутствуют перегибы в вертикальной плоскости в отличие от расположения на пласте), при этом улучшается также работа забойного оборудования, так как при отсутствии конвейера в рабочей зоне повышается маневренность комбайна, возрастает скорость разгрузки самоходного вагона и производительность комплекса в целом.

30