Главная Обозрение Аналитический обзор статистических данных о причинах, вызывающих осадку поверхности калийных рудников и эффективности применяемых мероприятий по защите рудников от затопления

Аналитический обзор статистических данных о причинах, вызывающих осадку поверхности калийных рудников и эффективности применяемых мероприятий по защите рудников от затопления

Печать
Провалы грунта в Березниках

В 1986г. произошло аварийное затопление Третьего Березниковского калийного рудника. Все попытки спасения рудника не увенчались успехом. Прямой ущерб от потерянного шахтного оборудования составил 170 млн. руб. Потерянные запасы калийных солей составили 300 млн. т.
В 2006-2008 г.г., был затоплен один из старейших на Урале Первый Березниковский калийный рудник с объемом выработанного пространства 84 млн. м³. Прямой ущерб от потерянного оборудования составил 1,045 млрд. руб. Попыток спасения рудника не предпринималось. Над рудником расположен город и крупные химические предприятия.

Затраты на ликвидацию ущерба инфраструктуре г. Березники и Березниковско-Соликамского промышленного района в результате техногенной аварии на руднике превысили 25 млрд. руб. Стоимость потерянных запасов полезных ископаемых на БПКРУ-1 оценивается в 20 млрд. дол. США.

При строительстве Первого Соликамского и Первого Березниковских рудников предусматривалась камерная система отработки с оставлением «жестких» междукамерных целиков, поддерживающих налегающую толщу пород.

В результате такой разработки гг. Соликамск и Березники оказались частично на подработанной территории. При строительстве Второго Березниковского рудника в конце 60-х годов были выявлены неблагоприятные горно-геологические условия, выразившиеся в низкой устойчивости пород кровли при применении комбайновых комплексов для отбойки руды. Так же оказалось необходимым уменьшить поперечный пролет очистных выработок с 10-16 м до 3-6 м с арочной формой выработок.

В июле 1986 г. Третий Березниковский рудник был затоплен в результате прорыва рассолов, располагающихся над соляными отложениями, в выработанное пространство. Рассолопроявления начались в январе в отрабатываемом блоке № 8 4-й западной панели. Количество рассолов, поступивших в рудник, составило около 15 млн. м³.

В процессе выщелачивания солей над блоком № 8 произошло обрушение земной поверхности с образованием провала (воронки) длиной до 80 м и шириной до 50 м.

В аварийном блоке отрабатывался один пласт Кр II механическим способом с оставлением «податливых» целиков. Верхний пласт не отрабатывался как некондиционный по составу. Отработка блока велась обратным порядком, догоняющим забоем с движением очистных работ на выработанное пространство, закладка которого не осуществлялась. В вышележащих породах, защищающих отрабатываемый пласт от рассольного горизонта мощностью около 100 м, имелась зона с измененным составом пород, что указывает на наличие происходивших в массиве вторичных геологических процессов. На момент аварии оседание подработанной земной поверхности во внутренней границе мульды сдвижения пород составило 1,2 м при максимальной скорости оседания 180 мм/мес.

В январе 1995 г. на Втором Соликамском руднике произошла авария, повлекшая мгновенное массовое разрушение междукамерных целиков, обрушение пород кровли очистных камер, междупластий с одновременным выделением и вспышкой природных газов. Объем разрушенных пород составил около 3 млн. м³, выделилось примерно 1 млн. м³ газа. Несколько сейсмических станций зафиксировали сейсмический сигнал длительностью 4 мин с магнитудой 3,8 и энергией 1-Ю10 Дж. Разрушение сопровождалось мгновенным оседанием земной поверхности над очагом до 4,5 м. [10-12].

В октябре 2006 г. произошел прорыв рассолов в горные выработки 4-й западной панели Первого Березниковского рудника, спасти его от затопления не удалось.

На месте прорыва рассолов в июле 2007 г. на земной поверхности образовался провал 55x80 м с последующим увеличением его размеров до 200 м, глубиной 110 м. Одновременно с поступлением в горные выработки рассолов выделилось большое количество сероводорода, что указывало на происхождение рассолов как надсолевых, а не внутрипластовых.

В районе аварийного участка имеется геологоразведочная скважина № 17, вокруг которой, согласно действующим нормативным документам, был оставлен охранный целик на отрабатываемых пластах, вблизи находился целик под промышленную площадку. В зоне охранного целика вокруг скважины очистные работы изменялись от двух пластовой к одно пластовой и резко к трех пластовой схеме отработки свиты пластов. В подработанной земной поверхности оседания до момента аварии достигли 4 м при средней скорости около 200 мм/год. В рассматриваемом районе шахтного поля подработанный массив горных пород имел аномальное строение, которое выражалось в изменчивости литологического состава от происходивших вторичных гипергенных геологических процессов [1, 7, 11, 12].

Провал поверхности 4-й западной панели Первого Березниковского рудника. Рис. 1.
Провал поверхности 4-й западной панели Первого Березниковского рудника.

Необходимо отметить, что по геофизическим данным в разрезе отмечался резкий перегиб поверхности контакта солей и вышележащего рассольного горизонта, который в случае интенсивного оседания мог стать концентратором появления касательных трещин.

Последующее события развивались следующим образом: стабильный водоприток в рудник с дебитом 1600-2000м³/час в течение года, образование карстового провала на земной поверхности со «смывом» половины охранного целика скважины №17 и значительное увеличение водопритока до 8100м³/час полностью подтверждает этот сценарий аварии. Рис.2. иллюстрирует динамику развития рассолопритока в рудник до и после образования карстового провал.

Существенное влияние на неблагоприятную геомеханическую обстановку оказали целики под промплощадку и геологоразведочную скважину, а также целик на пласте АБ в выработанном пространстве из-за неотработанных камер. Возможно, негативное влияние оказали происшедшие многочисленные мощные газодинамические явления при отработке карналлитового пласта В, полости от которых распространялись до вышележащих пластов Г, Д.

Динамика развития рассолопритока в рудник до и после образования карстового провала Рис. 2.
Динамика развития рассолопритока в рудник до и после образования карстового провала

Следует отметить, что провал приурочен к пойме старого русла р. Зырянка, в ее изгибе, а это свидетельствует о возможном наличии в данном районе разлома в породном массиве. Кроме того, аварии произошли в зонах вторичных геологических процессов, что фиксируется по изменению литологического состава как отрабатываемых пластов Б, В, так и вышележащих, входящих в водозащитную толщу.

Известно, что в процессе метасоматоза нарушаются связи между отдельными кристаллами, зернами, блоками, слоями, что приводит к снижению прочностных свойств пород. В случае, когда метасоматоз не закончился, указанные связи не успевают восстановиться на прежнем энергетическом уровне, и руды в этих зонах имеют пониженную связанность и прочность. По известным источникам, прочность пород в таких зонах на 25 % ниже, чем в нормальных условиях [3].

Хрупкое разрушение пород, иногда в динамичной форме, сопровождающее часто горные разработки и являющееся наиболее неблагоприятным видом реализации энергии горного давления, происходит при определенном сочетании геологических и горнотехнических условий в результате концентрированного накопления потенциальной энергии упругого сжатия горных пород. Характеризуется оно внезапным высвобождением энергии в виде мгновенного разрушения предельно-напряженных областей горных пород с последующим проявлением деформаций, сдвижения и колебания окружающего массива пород. В момент, когда рудные или породные целики не выдерживают приложенных к ним нагрузок и начинают разрушаться, сжатые массивы горных пород, расположенные выше и ниже их, получают возможность расширяться и отдавать свою энергию прежде всего на повышение интенсивности разрушения целиков и сотрясение горного массива.

Состояние провала в 2009 г. Рис. 3.
Состояние провала в 2009 г.

По провалу земной поверхности, который не ликвидирован, рассолы приближаются к поверхности, что может привести к их разливу по территории промышленной площадки, попаданию в р. Кама, затоплению железнодорожной станции Березники, на которой уже зафиксированы единичные провалы. В настоящее время в Березниках насчитывается уже 4 провала. Три появились после затопления БКРУ-1 в 2006 году. Через год провалилась поверхность около фабрики технической соли прямо на территории первого рудоуправления. Затем провал на территории вокзала. Провалы увеличиваются в размерах (рис. 3 и 4).

Состояние провала в 2016 г. Рис. 4.
Состояние провала в 2016 г.

Для предотвращения опасности разлива рассолов вокруг провала в 2007 году началось строительство отсечной ограждающей дамбы для предотвращения притоков воды из Камы в зону провала.

Осенью 2012 года было решено ликвидировать провал путем засыпки песчано-гравийной смесью. Во время работ обрушились стенки провала, в результате чего туда рухнули несколько машин, в том числе экскаватор с водителем.

На Втором Соликамском руднике в эпицентре аварии находился целик от двух неотработанных очистных камер по верхнему пласту (отрабатывался массив в выработанном пространстве), на смежных, граничащих панелях к отработке было принято разное количество пластов - два и три с единой линией фронта, остановленных очистных работ. Оставленный в выработанном пространстве целик оказался концентратором предельных напряжений по отношению к вмещающим его породам. Закладка выработанного пространства на момент аварии не проводилась [1].

В настоящее время ведется строительство Усть-Яйвинского, Усольского калийных комбинатов и проектирование Палашерского. Указанные участки непосредственно примыкают к зонам произошедших аварий (рис. 5).

Ситуационный план разрабатываемых участков Верхнекамского месторождения. Рис. 5.
Ситуационный план разрабатываемых участков Верхнекамского месторождения.

Как показано в работе [13], эти участки относятся к тектонически напряженным зонам. Так как надсоляные отложения ВКМКС являются зонами трещиноватости, а слагающие их породы характеризуются высокой степенью гипергенных преобразований, в надсоленой толще возникает область повышенной пустотности, изменяется естественное поле напряжений. Ведение работ в таких областях приводит к повреждению в подработанном породном массиве.

Ситуация осложняется наличием в непосредственной близости от этих участков двух месторождений углеводородного сырья и одного месторождения пресных подземных вод, а также месторождения торфа, а в юго-западной части нефтяного месторождения.

Необходимо обратить внимание на общие особенности калийных рудников большие объемы выработанного пространства и изрезанность массива горными выработками, высокая растворимость солей, быстрое нарастание водопритоков, сопутствующее заражение рудничной атмосферы вредными газами, прежде всего сероводородом. Опыт аварии на БПКРУ-1 выявил также затруднения с определением точного места прорыва рассолов в рудник. При этом на рудниках нет разработанной концепции по купированию развития аварийных ситуаций.

На основании проанализированных материалов и сложившейся ситуации [1-5] предлагается систематизация причин аварийных ситуаций калийных рудников Верхнекамского бассейна, представленная на рис.6.

Систематизация причин возникновения аварийных ситуаций Рис. 6.
Систематизация причин возникновения аварийных ситуаций

Для ликвидации аварийных проявлений и защите рудника от полного затопления необходимо совместное применение комплекса специальных мероприятий, таких как тампонаж выработанного пространства, кессонирование выработок с целью купирования рассолопритоков и возведение специальных бетонных перемычек.

    Необходимо, как указывалось в работе [3] провести следующие мероприятия:
  • провести по всем шахтным полям действующих рудников ретроспективный анализ по выявлению в выработанных пространствах зон повышенного горного давления;
  • в выявленных опасных по геомеханической обстановке зонах, включая опасную скорость оседания земной поверхности, оценить наличие угрожаемых природных зон по геологическим параметрам;
  • провести комплекс геофизических исследований для уточнения строения водозащитной толщи и, при установлении опасной ситуации, разработать комплекс профилактических мероприятий по предотвращению негативных последствий, включая дозакладку выработанного пространства (сухая закладка склонна к консолидации, гидравлическая - к усыханию);
  • проводить комплексный маркшейдерско-геодезический мониторинг массива горных пород, земной поверхности, зданий и сооружений.

Предлагаемый комплекс мероприятий показан на рис.7.

Предлагаемые мероприятия для предотвращения возникновения аварийных ситуаций при разработке Верхнекамского месторождения Рис. 7.
Предлагаемые мероприятия для предотвращения возникновения аварийных ситуаций при разработке Верхнекамского месторождения

 

И.В. Деревяшкин,
д.т.н., профессор;
А.В. Кузина,
старший преподаватель;
В.П. Спиридонов,
к.т.н., доцент;
кафедра «Техники и технологии горного и нефтегазового производства» Московского политехнического университета
г. Москва

 

Литература

  1. «Акт технического расследования причин аварии на БПКРУ-1, происшедшей 28 октября 2006 г.» Материалы правительственной комиссии, г. Березники, 2006г..
  2. Кондратов А.Б., Мараков В.Е. «Анализ аварии на Первом Березниковском калийном руднике и оценка её негативных последствий для городской инфраструктуры» – Труды международной конференции «Геомеханические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений». ПГТУ, г. Пермь, 2007.
  3. Лаптев В.Б. Аварийные ситуации на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей, Журнал «Безопасность труда в промышленности», № 8, 2009.
  4. Васильчук М.П., Иофис М.А. Анализ геомеханических процессов и причин аварии на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей, Маркшейдерский вестник, №1, 2007.
  5. Красноштейн А.Е., Барях А.А., Санфиров И.А. Березники: риски и реалии, Альманах «Геориски», декабрь, 2007.
  6. Константинова С.А. Авария на Первом Березниковском руднике: некоторые результаты ретроспективного геомеханического анализа, «Безопасность труда в промышленности», №1, 2008.
  7. Кассин Г.Г., Филатов В.В. О природных причинах катастрофы на руднике ОАО «Уралкалий» в октябре 2006 г., «Известия вузов. Горный журнал», №4, 2008.
  8. Кассин Г.Г. Тектонические узлы и катастрофы на Верхнекамском месторождении солей, «Известия вузов. Горный журнал», №3, 2009.
  9. Краткий отчёт о мониторинге развития аварии и минимизации её последствий на руднике БПКРУ-1 ОАО «Уралкалий» за период с 15 по 21 августа 2008 г., ОАО «Уралкалий», г. Березники, 2008.
  10. Спиридонов В.П., Черняк Н.И., Спиридонова В.В. Автоматизированная информационно управляющая система мониторинга, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций на объектах повышенной опасности Российской Федерации, Журнал «Энергосбережение и водоподготовка», № 3, М., 2014. С. 60-65.
  11. Фивег М.П. Как образуются залежи каменной и калийных солей, Издательство «Наука». Сибирское отделение. Новосибирск - 1983. стр. 79.
  12. Г.П. Щербинина, В.В. Хронусов, С.А. Константинова, В.В. Филатов Об одной из возможных причин аварии на руднике Второго Соликамского рудоуправления, Горный вестник, 1999. № 2-3, стр. 63-68.

 


 
Дорогие читатели! Вы можете прокомментировать данный материал. Интересные идеи, непредвзятые точки зрения и конструктивные замечания - приветствуются.
Информация

Календарь выставок и форумов

Нет информации о выставках на ближайшие 30 дней

Выставки и форумы одной строкой

Дата проведения: 14.11.2018 - 15.11.2018. Межрегиональная специализированная выставка ... далее
Дата проведения: 16.09.2018 - 18.09.218. Международная выставка IMPC 2018–EXPO... далее
Дата проведения: 15.09.2018 - 21.09.218. XXIX Международный конгресс по обогащению пол... далее

Котировки

Курсы валют ЦБ РФ
с Дата
USD
00,0000
EUR
00,0000
BYN
00,0000
KZT
00,0000
CNY
00,0000
LME - Лондонская биржа цветных металлов цены ($/тн):
 

Подписка на новости

Подпишитесь на новости. Введите Ваш e-mail

Подписка на RSS канал

Нашли ошибку в тексте? Выделите ее и нажмите Ctrl + Enter