Особенности обеспечения газовзрывобезопасности освоения рудных месторождений в условиях многофазного флюидонасыщения недр

логической разведке, проектировании, ведении горнокапитальных и добычных работ, ликвидации производства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. М.-Л.: Углетехиз-дат, 1959. - 632 с.

2. Мельников Н.В. К вопросу о специальном режиме разработки месторождений серных руд. //Безопасность труда в горн. пром-ти. 1937. № 12. - С. 14-21

3. Матвиенко Н.Г. Газобезопасность освоения рудных месторождений. Москва, ГИАБ, 2000, №7. -С.31-34

4. Цыгалов М.Н. Исследования основных особенностей и изыскание путей усовершенствования подземной разработки сложных рудных нефтегазоносных месторождений. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Магнитогорск, 1961. -22 с.

5. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03-55303). - М.: Госгортехнадзор России, 2003. - 200 с.

6. Красноштейн А.Е. Революция в техническом нормировании безопасности ведения горных работ. Горное эхо. Вестник Горного института Уральского отделения РАН, 2006, №2 (24). - С.2-6. ЕШ

— Коротко об авторе -

Матвиенко Н.Г. - профессор, доктор технических наук, ИПКОН РАН.

Н.Г. Матвиенко

ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАЗОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ОСВОЕНИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В УСЛОВИЯХ МНОГОФАЗНОГО ФЛЮИДОНАСЫЩЕНИЯНЕДР

© Н.Г. Матвиенко, 2008

310

Согласно современным представлениям о формах нахожде-

_ния флюидов в пористых твердых средах существование

природных газов в недрах земной коры возможно в следующих фазовых состояниях [1-4]:

• свободное (трещины, каверны, поры, размеры которых значительно превышают среднюю длину свободного пробега молекулы газа при данных термических условиях);

• сорбированное в различных вариантах (хем-, ад-, аб -включая твердый раствор): адсорбированные газы на поверхности пор или трещин в виде сконденсированной приповерхностной фазы (плотность газа выше его плотности в свободной фазе), обусловленной силами Ван-дер-Ваальсо-вского притяжения, абсорбированные в микропустотах или молекулярных ассоциациях в виде твердого раствора из метана и угля;

• растворенное в жидкостях (вода, нефть);

• кристаллогидратное (клатратное) - при наличии свободной воды в трещинах и порах, диаметр которых составляет несколько сотен ангстрем, и при соответствующих термобарических условиях; известны кристаллогидраты метана, этана, пропана, углекислого газа, сероводорода. Азот, водород, гелий не дают кристаллогидратов. Кристаллогидраты метана имеют место при 1 =-10 С -г +25 0С и давлениях соответственно 2,5-50 МПа.

Анализ результатов почти полувекового целенаправленного изучения газоносности рудных месторождений [5] показывает (таблица), что их газовый фактор представлен, как правило, несколькими видами флюидонасыщения. Наиболее многофазным флюидонасыщением характеризуются рудонефтегазоносные, ру-доугольные и рудоводогазоносные типы месторождений. При этом проявляется явная закономерность - природа, характер и виды флюидонасыщения обусловлены газоугленефтеводоносно-стью рудовмещающих фор-маций и не зависят от природы и генезиса твердого полезного ископаемого.

Закономерности систем газ-жидкость и метан-уголь изучены достаточно полно применительно к газовым, нефтяным и угольным месторождениям и могут быть распространены на месторождения других полезных ископаемых. Количество растворенного газа подчиняется закону Генри и зависит от парциального давления газов, коэффициентов их растворимости при определенных температуре

311

и минерализации вод. Соотношение между свободной, растворенной и кристаллогидратной (твердой) фазами зависит от баротерми-ческих условий, парциального давления газов и солености вод.

Угленосные отложения считаются [1] своеобразной газогенной областью коры, в которой на различных этапах формирования происходит образование различных газов: на ранних стадиях метаморфизма растительных остатков в основном СО2, на средних в основном СН4, на завершающих (суперантрацитовые угли) - Н2. Метан в угольных пластах находится преимущественно в "связанном" с углем состояниях. По современным представлениям [2] в углях средних стадий метаморфизма на глубинах свыше 800 м метан находится в следующих формах: свободный в порах и трещинах 2-12 %, адсорбированный на поверхностях пор 8-16 %, в виде твердого углеметанового раствора в межмолекулярном пространстве угольного вещества 70-85 % от общего содержания. Общее количество метана в углях (природная метаноносность) достигает при определенных условиях 35-60 м3 на 1 т горючей массы. На обводненных угольных месторождениях незначительная часть метана находится в растворенном состоянии.

В связи с тем, что более 60 % территории России занято покровной толщей многолетнемерзлых пород ("вечная" мерзлота) мощностью до 400-600 м, температурные условия в которой благоприятны для образования твердых гидратов многих газов, включая метан, этан, сероводород, углекислый газ [3, 4], нельзя исключать нахождение природных газов в этом нетрадиционном состоянии в пределах многих месторождений полезных ископаемых, в том числе рудных Норильска, Якутии,

312

Виды многофазного флюидонасыщения газоносных рудных месторождений

Месторождения Основные газы Основные источники флюидов Фазовое состояние газов Формы газовыделений

Рудонефтегазоносные: алмазные (Якутия), титановые (Коми), урановые и серные (Средняя Азия) СН4, С2Н6^ Н2 нефтеносные вмещающие и рудоносные формации растворенный в нефти и водах, свободный, га-зогидратный газонефтеприток, суфляры, выбросы, дегазация нефти, разложение газогидратов

Рудоугольные: медно-никелевые (Норильск), полиметаллические (Кавказ и Приморье), золоторудные (ЮАР) СН4 угленосные отложения связанный с угольным веществом (сорбированный и в виде твердого раствора), свободный, растворенный в водах, метангидратный газоотдача угольных пластов и пород, суфляры, выбросы, разложение газогидратов

Рудоводогазоносные: алмазные (Якутия), серные (Средняя Азия и др.) СН4, водоносные массивы растворенный, свободный, газогидратный газоводоприток, газоотдача вод, выбросы, разложение гидратов

Углекислотоносные: золотосодержащие (Забайкалье и др.) СО2 водоносные массивы растворенный, свободный, газогидратный газовые струи, газоотдача вод, разложение гидратов

ы

3

Колымы, Чукотки и др. Один объем метангидрата содержит от 70 до 300 объемов газа [3].

Поскольку метангидраты в горном массиве располагаются в поровотрешинном пространстве, объем которого обычно не превышает 10-15 %, то газоносность таких массивов может составлять 10-40 м3/м3, т.е. такого же порядка как метаноносность угольных пластов. Однако в массивах с карстовыми образованиями возможно заполнение пустот более значительными объемами газогидратов.

Зоны благоприятные для образования и существования газогидратов, располагаются ниже многолетнемерзлых пород (рисунок). Мощность таких зон колеблется от 150 до 400 м. Они могут быть на месторождениях Норильска и Талнаха, на кимберли-товых трубках Якутии, а также на всех угольных месторождениях Севера и Северо-Востока России. Однако многолетние исследования газового фактора газовых, газонефтяных, угольных и рудных месторождений северных регионов страны подтвердили наличие скоплений метангидратов только на Мессояхском газовом месторождении в низовьях Енисея и Средне-Вилюйском нефтегазовом в Якутии [5]. На остальных месторождениях газообразных, жидких и твердых полезных ископаемых гидраты газов отмечались редко. Одной из причин отсутствия широкого распространения этой формы состояния газов в подмерзлотных горизонтах может быть высокая минерализация вод, достигающая на алмазных месторождениях Якутии нескольких сотен грамм на 1 л воды. Как показали специальные исследования [4], для образования кристаллогидратов метана в минерализованных водах требуется значительное давление. Так, при минерализации воды 5 г/л гидратообразование метана происходит при температуре 0 0С при давлении 10 МПа, а при температуре 3 0С при давлении 15 МПа. Несмотря на это нельзя полностью исключить существование гидратного состояния газов на месторождениях Крайнего Севера страны и при решении практических задач по их освоению следует учитывать возможность встречи с таким видом флюидонасыщения горных пород и массивов, обуславливающим своеобразный характер газопроявлений.

314

Схема вертикальной температурно-газовой зональности недр территории распространения покровной толщи много-летнемерзлых пород

Фазность флюидонасыщения месторождения обусловливает формы и опасность газовыделений: чем больше фаз, тем больше форм флюидопроявлений. Так, при газоносности, представленной угленосными породами, освоение рудных месторождений сопровождается всеми известными формами газопроявлений в шахтах по добыче угля от внезапных выбросов метана, угля и породы до спокойной газоотдачи обнаженных поверхностей угленосного массива и отбитых от него разностей. При освоении газонефтево-доносных месторождений твердых полезных ископаемых также происходит несколько видов флюидопроявлений - от фонтанных газожидкостных выбросов до спокойной газоотдачи излившейся жидкости и обнаженного породного массива. Проявления выбросного типа как газоугольного, так и газожидкостного состава происходят при вскрытии коллекторов в зонах высокого пластового давления, поэтому прогнозу таких зон при ведении горных работ должно уделяться особое внимание. В угледобывающей отрасли действуют включенные в правила безопасности специальные руководства по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа. В газонефтедобывающей отрасли также применяются методы и средства по борьбе с фонтанными газожидкостными проявлениями при бурении разведочных и промысловых скважин, а также при эксплуатации месторождений.

При освоении рудных месторождений, газоносность которых обусловлена метаноугленосностью и газоводонефтеносностью вмещающих пород, также необходимо решать задачи по прогнозированию приуроченности флюидопроявлений, в том числе выбросного характера и высокой интенсивности, по их предотвращению и снижению негативных последствий тогда, когда они случаются. При этом следует исходить из конкретных природных и техногенных условий и максимально учитывать богатый опыт угольной и газонефтедобывающей отраслей.

Характер газовыделений при встрече горными выработками газогидратных образований изучен крайне недостаточно. Для перехода метана из такого состояния в газообразное необходимо снятие давления и повышение температуры. Есть сведения как о медленной газоотдаче массивов с метангидратами, так и о выбросных проявлениях [3]. Медленная газоотдача в горных выработках может происходить с поверхности обнажения гидра-тоносных массивов, а при взрывной отбойке таких пород, когда

316

происходит разрушение и разогрев значительных объемов газо-гидратных образований интенсивность газовыделений может быть высокой.

В порядке уменьшения сложности обеспечения газобезопасности рудные месторождения можно ранжировать следующим образом: газонефтеводоносные, газонефтеносные, гидрато-газоносные и газоводоносные.

Наиболее газоопасным является освоение месторождений, газоносность которых обусловлена сочетанием нескольких факторов, а именно: газонефтеводоносностью продуктивных и вмещающих их формаций, содержащих метан и его гомологи, водород и сероводород [5-7]. К таким исключительно газоопасным месторождениям относятся подмерзлотные горизонты алмазных трубок Мирнинского региона Якутии, урановые залежи Малисайского района Киргизии (уже отработанные) и серонос-ные пласты района Шор-Су Узбекистана (также уже отработанные). Наиболее сложным по обеспечению взрыво-, пожаро- и токсикобезопасности горных работ было освоение указанных урановых и серных месторождений Средней Азии вследствие одновременного выделения нефти с углеводородными газами и минерализованных вод с сероводородом. Более легким представляется обеспечение газобезопасности освоения алмазных месторождений Мирнинского района Якутии вследствие разобщенности и изолированности друг от друга разнотипных газоносных горизонтов, а именно: подмерзлотный водоносный горизонт с растворенными в водах сероводородом и метаном отделены от залегающих на больших глубинах газонефтеносных пластов мощной толщей каменной соли. Однако здесь осложняющими факторами для обеспечения газовзры-вобезопасности являются значительные примеси (до 5-6%) водорода к углеводородным газам, а для охраны трудящихся от отравления - недостаточная решенность проблемы нейтрализации сероводорода.

При освоении месторождений в условиях только газонефтеносности вмещающих и продуктивных массивов наибольшую опасность представляют горные работы по вскрытию пластов, содержащих легкую нефть при высоких давлениях и температуре. Поступление метановых газов из обнаженных нефтегазоносных пород по объему обычно на 1-2 порядка выше притока неф-

317

ти. Обеспечение газобезопасности освоения газонефтеводонос-ных месторождений зависит от особенностей их газоносности, состава, геологической и горнотехнологической приуроченности и интенсивности газовыделений.

Проблема обеспечения газовзрывобезопасности горных работ на территории распространения покровной толщи много-летнемерзлых пород осложняется не только слабой изученностью газоотдачи газогидратных массивов, но и тем что под ними располагаются скопления свободных газов (см. рисунок), вскрытие которых скважинами и выработками нередко приводило к выделениям выбросного типа [8]. Поэтому эта область газофлюидизации массивов требует специального изучения.

При освоении обводненных газоносных месторождений масштабы газовыделений определяются притоком вод, их газо-насышенностью, составом газов. Выделения метана не велики и приурочены практически к местам излива вод в выработку. Водоносные породы отдают в выработки на 1-2 порядка больше жидкости по объему, чем метана. Наибольшую опасность представляют выделения из вод при фонтанных проявлениях горючих газов с повышенным содержанием водорода и сероводорода вследствие его токсичности. Газоотдача сероводородных вод существенно зависит от их кислотности: при рН>8 выделение сероводорода практически не происходит.

На основе многолетних исследований и практического опыта обоснован и внедрен принцип обеспечения газонефтебезо-пасности в рудниках выполнением специальных мероприятий, учитывающих конкретные условия месторождения или его части, что позволяет дифференцированно подходить к выбору рациональных положений газового режима. Применение мероприятий позволяет вводить газовый режим только в газоопасной части месторождений и использовать при соблюдении определенных условий непредохранительные взрывчатые вещества и машины в нормальном рудничном исполнении. Такой путь регламентирования безопасности узаконен Правилами [9]. При определении мероприятий газового режима в таких специфических условиях используется весь богатый арсенал обеспечения газобезопасности горных работ, накопленный угольной, газовой, нефтяной и калийной отраслями горнодобывающей промышленности.

318

При интенсивных поступлениях газов целесообразно применять специальные способы: дегазация газоносного массива скважинами пробуренными с поверхности и из выработок, заблаговременно пройденными капитальными и подготовительными выработками, осушение с изолированным отводом газированных жидкостей, нейтрализация токсичных газов и т.п. Специального изучения требует задача дегазации газогидрат-ных массивов с применением средств их обогрева и химического воздействия.

В заключение следует отметить, что наиболее рациональным направлением борьбы с флюидовыделениями многофазного сложного состава является комплексное освоение месторождений твердых полезных ископаемых с предварительным извлечением газа, нефти, конденсата, газиро-ванных вод.

Кроме метана угольных месторождений, этапное освоение ресурсов недр возможно и целесообразно на алмазных месторождений Якутии с извлечением на первых этапах насыщенных сероводородом подземных вод и метаноносных нефтей, а также на калийных месторождениях Верхней Камы с добычей углеводородных газов и нефти из подсолевых отложений. Однако, очередность извлечения ресурсов флю-идоносных месторождений твердых полезных ископаемых должна решаться на этапе проектирования их освоения на базе результатов квалифицированной многоотраслевой геологической разведки недр с оценкой возможностей и экономики комплексного освоения ресурсов. При этом необходимо применять такие технологии разработки на первых этапах, которые позволили бы сохранить недра и даже улучшить их состояние для эффективного использования оставшихся ресурсов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Эттингер И.Л. Необъятные запасы и непредсказуемые катастрофы: (Твердые растворы газов в недрах Земли). - М.: Наука, 1988. - 175 с.

2МалышевЮ.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: Изд-во Академии горных наук. 2000. -519 с.

3. Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. - М.: Недра, 1974. - 206 с.

4. Королева В.Н. Извлечение и утилизация шахтного метана. - М.: МГГУ, 2004. - 286 с.

319

5. Матвиенко Н.Г., Зимаков Б.М. Основы безопасного освоения газоносных рудных месторождений. Горный журнал, № 4. 2005. - С. 78-80.

6. Мельников Н.В. О горнотехнических особенностях месторождений серы и ведении буровзрывных работ при их разработке. - Горный журнал, 1938, № 7. -

7. Цыгалов М.Н. Исследование основных особенностей и изыскание путей усовершенствования подземной разработки сложных рудных нефтегазоносных месторождений. / Автореферат дисс. канд .техн. наук - Магнитогорск, 1961. - 22 с.

8. Матвиенко Н.Г., Зимаков Ю.М., Хрюкин В.Т. Особенности газоносности недр и газопроявлений при освоении месторождений твердых полезных ископаемых на территории распространения покровных многолетнемерзлых пород. ГИ-АБ, 1999, № 3. - С. 217-219.

9. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. (ПБ 03-53303) Серия 03. Выпуск 33 /Колл.авт. - Госгортехнадзор России, 2003. - 200 с. ЕШ

— Коротко об авторе -

Матвиенко Н.Г. - профессор, доктор технических наук, ИПКОН РАН.

С. 25-30.

320