СПОСОБ ВЕДЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В ШАХТАХ, ОПАСНЫХ ПО НЕФТЕГАЗОНОСНОСТИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD TO CARRY OUT BLASTING IN MINES WITH HAZARDOUS OIL AND GAS CONTENT

Изобретение относится к области ведения взрывных работ в подземных выработках, относящихся к опасным по нефтегазоносности, и может быть использовано, в частности, для защиты технологического оборудования, материалов и горного персонала от динамических явлений, возникающих в результате повторных взрывов горючих газовых смесей, выделяющихся из разрушенной горной породы.
Известен способ предотвращения динамических явлений в горных выработках, включающий бурение парных разгрузочных шпуров параллельными разгрузочными рядами, ориентируя их в ряду под одним и тем же углом к обнажению в разные стороны, заряжание зарядами взрывчатых веществ направленного действия через один и взрывание для образования разгрузочных щелей (SU №1120760, Е21С 37/00, E21D 9/00, 1985 г.).
Недостатками известного способа являются большие затраты времени и средств на проведение предлагаемых мероприятий, сложность выполнения дальнейших буровых работ по забою для проходки выработки и низкая эффективность дегазации массива, которая не гарантирует отсутствия повторных взрывов с вытекающими последствиями.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ ведения взрывных работ в шахтах при проведении горных выработок, опасных по газу, включающий проектирование буровзрывных работ на основе геологической информации, бурение, заряжание и забойку шпуров, монтаж электровзрывной сети, установку газопроницаемой перемычки с лабиринтом у почвы выработки, вытеснение из призабойного пространства рудничной атмосферы метаном, выделяющимся из угольных пластов с выходом через лабиринт и контролем выделяемого газового потока газоанализатором, завершающегося взрыванием шпуровых зарядов, в котором дополнительно бурят опережающую скважину и устанавливают водоналивную перемычку в виде рукавов из пленочных материалов, заполненных водой и закрепленных у свода выработки, свободно свисающих по ее высоте параллельными рядами, пересекающими поперечное сечение горной выработки (RU №2114389, F42D 3/04,E21F 5/00, 1998 г.).
Недостатком известного способа является большая сложность в практической реализации, связанная с сооружением необходимых перемычек, и, как следствие, повышенные в несколько раз затраты времени и материалов на выполнение предусмотренных мероприятий, не гарантирующих при этом предотвращения повторных взрывов в забоях.
Решаемой технической задачей является предотвращение повторных взрывов природных газов в забоях при снижении затрат и повышении эффективности проходки выработок при строительстве и эксплуатации подземных рудников.
Поставленная задача осуществляется тем, что в способе ведения взрывных работ в шахтах, опасных по нефтегазоносности, включающем проектирование буровзрывных работ (БВР) на основе геологической информации, бурение, заряжание и забойку шпуров, монтаж электровзрывной сети и взрывание, при проектировании БВР на планы горных работ наносят границы зон, опасных по газодинамическим явлениям, и на расстоянии 1-3 м до границы опасной зоны и в ее пределах бурение забоя выработки осуществляют укороченными, не более 1,4-1,6 м шпурами.
Поставленная цель осуществляется тем, что в способе ведения взрывных работ в шахтах, опасных по нефтегазоносности, включающем проектирование буровзрывных работ (БВР) на основе геологической информации, бурение, заряжание и забойку шпуров, монтаж электровзрывной сети и взрывание, при проектировании БВР на планы горных работ наносят границы зон, опасных по газодинамическим явлениям, и на расстоянии 1-3 м до границы опасной зоны и в ее пределах взрывание забоя выполняют двухфазным (в два этапа).
Причем при двухфазном ведении взрывных работ в горизонтальных выработках первоначально бурятся и взрываются шпуры верхней части выработки, на втором этапе - нижней части выработки, а при ведении взрывных работ в вертикальных выработках сначала заряжают и взрывают центр ствола (вруб), а на втором этапе взрывают шпуровые заряды по контуру забоя.
Выделение потенциально взрывоопасного участка позволяет своевременно предпринять меры по переходу на щадящий режим разрушения горной массы: за 1-3 м до его границы и в пределах опасного интервала бурение и взрывание забоя выполняют укороченными шпурами или двухфазным (в два этапа).
Обуривание забоя выработки в пределах потенциально взрывоопасного интервала укороченными, не более 1,4-1,6 м шпурами, позволяет уменьшить объем взрываемого массива, а значит, уменьшить объем и концентрацию выделяющихся сорбированных горючих газов, что позволяет предотвратить повторные взрывы природных газов при проведении взрывных работ в шахтах.
Интервал 1-3 м до границы нефтегазонасыщенного участка, который является защитным целиком, выбран экспериментально с учетом надежности и точности применяемых методов установления границ нефтегазового коллектора и его характеристик.
Применение двухфазного взрывания забоев в горных выработках позволяет уменьшить объем взрываемой за один прием газосодержащей горной породы, что также дает возможность сократить количество выделяющихся из нее сорбированных взрывоопасных газов, тем самым снизить вероятность создания условий для возникновения повторных взрывов при ведении взрывных работ.
В Западной Якутии выявлена определенная закономерность тесной взаимосвязи газонасыщености осадочных отложений с повышенной нефтенасыщенностью толщ пород на алмазных месторождениях, что свидетельствует о генетическом родстве углеводородных газов и битумоидами [4]. К основным типам газовой составляющей в породных массивах, к примеру, вблизи трубки «Удачная» относятся три разновидности нахождения: свободная, сорбированная и растворенная [2; 3]. Отмечена в определенных интервалах криогенных толщ района и гидратная форма существования газовых эманации [1]. По составу основных компонентов природные газы подразделяются на азотные и углеводородные с их вариациями.
Происходящие повторные взрывы газовоздушной смеси связаны, главным образом, с выделением сорбированных газов из взрываемой горной массы.
Сорбированные газы тесно связаны с породой, т.е. содержатся в отдельных порах, кавернах, не связанных между собой, а при разрушении участка (блока) горного массива высвобождаются, переходя из сорбированного состояния в свободное, и создают газовую среду в призабойной атмосфере с взрывоопасными концентрациями. Свободные газы соответствуют той же группе газовых компонентов, которые менее прочно связаны с породой и покидают ее при изменении газогидродинамических условий.
Раскроем суть и свойства поровых флюидов (вода, нефть, газ), находящихся в породах слабопроницаемых толщ осадочного чехла. В процессе образования отложений разреза и в постседиментационных условиях часть органического вещества оказалась захвачена в межкристаллической (межзерновой) решетке и оказалась отрезанной от прилегающих минеральных частей породы. Последующее уплотнение за счет гео- и гидростатических нагрузок привело к концентрированию напряжений внутри системы и приобретению палеогидродинамических свойств поровых флюидов. В низкопроницаемых разностях пород, объем которых доминирует в разрезе осадочных толщ, поры и пустоты гидравлически плохо связаны между собой. При отсутствии прямой связи между составными элементами емкости породных блоков горючие флюиды оказались законсервированы внутри слабопроницаемых отложений и представляют собой сорбированную часть газовых эманаций. Опережающее бурение дегазационных скважин, предусмотренное «Специальными мероприятиями» [5], и даже шпуров для взрывания забоев не позволяет, в большей мере, разгрузить вскрываемый массив от существующих газовых скоплений. Поэтому после стандартного шпурового взрывания высвобождается большой объем горючих газов, приводящих к повторному взрыву в подземных выработках на расстоянии (высоте) 20-50 м от забоя.
3
2
2
Суммарное содержание сорбированных и свободных газов во вмещающих породах месторождения варьируется от несколько десятков до 7000 см/кг. Причем среднее содержание сорбированных газов, как правило, выше, чем свободных (табл.1). В составе как сорбированных, так и свободных газов основное место в верхних частях разреза месторождения принадлежит азоту (30-60% абс.) и углеводородам (24-45% абс.); в некоторых случаях содержания углеводородов главенствуют; в подчиненных количествах представлены СO и Н. Их содержания в свободных газах, как правило, не превышают первые проценты. Однако встречаются газовые ловушки и трещинные зоны в кимберлитовых телах трубки, где концентрации водорода в смеси газов превышают содержание метана.
Таблица 1 - Средние значения геохимических показателей газов месторождения трубки «Удачная»
Газовый компонент
Метан (СН<sub>4</sub>)
Тяжелые углеводороды (ТУ)
УВГ
C<sub>5</sub>H<sub>12</sub>+высш
Размерность№ скважины
см<sup>3</sup>/г
% от
см<sup>3</sup>/кг
% от
см<sup>3</sup>/кг
% абс.
см<sup>3</sup>/кг
% от
УВГ
УВГ
УВГ
Сорбированные газы
307
220.4
39.0
345.0
61.0
565.4
35.3
54.0
9.5
311
102.8
29.3
247.4
71.0
350.2
53.7
38.0
10.9
Свободные газы
307
82.2
51.4
78.0
49.0
160.2
14.0
4.6
2.9
311
128.3
57.8
93.8
42.2
222.1
73.0
5.1
2.3
На фиг.1 изображен план забоев вертикального ствола (ВВС и СС) рудника «Удачный» с расположением шпуров 1 для взрывания забоев при проходке газоопасного интервала по варианту 2: а) первый этап; б) второй этап;
На фиг.2 изображен разрез горизонтальной выработки рудника «Удачный» с планом взрывания забоев при проходке газоопасного интервала по варианту 2: а) первый этап; б) второй этап.
Примеры конкретной реализации
1. Способ ведения взрывных работ (ВР) в вертикальных стволах (ВВС и СС) осуществлялся следующим образом.
Перед началом испытаний геологическая служба рудника и привлеченных организаций провели исследования и разделили вскрываемый разрез ствола ВВС по степени нефтегазонасыщенности пород с нанесением нефтегазовых коллекторов и опасных по газодинамическим явлениям зон на геологические разрезы и планы горных работ. Границы опасных участков определялись по анализу результатов ранее проведенных исследований на месторождении, которые по данным бурения опережающих скважин включали: литологическую и стратиграфическую приуроченность пород-коллекторов, их газонасыщенность, состав газовых эманаций (гр.1, табл.2), установление пределов взрываемости каждого элемента (НКПР) (гр.2, табл.2) по «Специальным мероприятиям…" [5] и фактический состав смеси горючих газов, оцененный по данным бурения опережающих скважин (гр.3, табл.2).
Таблица 2 - Нижние концентрационные пределы распространения (НКПР) пламени горючих природных газов
Наименование компонента
НКПР, % по объему
Фактическое среднее содержание газов в объеме, %
Водород
4,0
1,7
Метан
4,4
85,6
Этан
2,5
4,8
Пропан
1,7
3,7
Бутан
1,4
2,6
Пентан
1,4
1,1
Гексан
1,0
0,5
3
3
Так, по стволу в интервале 875-910 м был выделен нефтегазонасыщенный интервал с содержанием сорбированного газа до 1,0-1,5 м/м.
Далее был выполнен расчет по возможным объемам выделяющихся газов из взрываемой (разрушаемой) горной массы для потенциально опасного участка с последующей оценкой их возгораемости с учетом высвобождающихся газовых эманаций:
г
н
гм
3
V=Г×V=1,5×80,1×2,4=288,0 м,
г
3
где V - объем сорбированного газа, который может быть выделен из породы, м;
н
3
3
Г - газонасыщенность породы, равная 1,5 м/м;
гм
3
2
V - объем взрываемой горной массы, равный 80,1×2,4=128,16 м, где 80,1 м - площадь поперечного сечения ствола в проходке; 2,4 м - глубина шпура по типовому паспорту БВР.
Концентрация же выделившихся горючих газов в нижней части (20-50 м) вертикальной выработки, где и происходит взрывание газообразной смеси, определится следующим образом:
г
в
3
3
С=V/V=288/80,1×50=0,072 м/м или 7,2%,
г
3
где V - объем выделяющегося сорбированного газа из породы, м;
в
3
V - объем воздуха в интервале нижней части ствола (50×80,1), м.
А концентрация метана в данном объеме воздуха составит согласно исходным данным (гр.3, табл.2):
7,2×85,6:100=6,2%,
где 85,6 - содержание метана в газовой смеси, %.
Таким образом, подсчитанный общий объем газов для данной вертикальной выработки, выделяющийся в воздушное пространство призабойной части ствола и концентрация отдельных компонентов, в частности, по метану, превышает НКПР. В данном случае после смешения выделившихся газов с воздухом возможен взрыв.
Определив границы опасного участка по возможным нефтегазовыделениям в стволе ВВС, горному персоналу выдается распоряжение: за несколько метров (~1-3) до его вскрытия переходить на уменьшение глубины шпуров с 2,4 до 2,0 м с обязательным выполнением предусмотренных мероприятий по заводнению, запениванию и проветриванию забоя согласно «Специальным мероприятиям…» [5]. Бурение шпуров 1 производится согласно паспорту БВР, способ бурения: ударно-вращательный, бурильная установка: «Букс - 1М» (на вертикальных выработках). Взрывник осуществляет вручную заряжание шпуров 1 ВВ (тип ВВ - аммонит АП-5ЖВ), забойку, монтаж электровзрывной сети, затем забой взорвали. Повторные взрывы в забоях при вскрытии опасного участка продолжились.
Далее при вскрытии опасного участка выполнили уменьшение глубины шпура 1 до 1,8 м. Результаты также были отрицательными, повторные взрывы продолжались. В конечном итоге глубину шпуров 1 уменьшили до 1,6 м, повторные взрывы газовоздушной смеси в забоях ствола ВВС прекратились.
Таким образом, была подобрана оптимальная длина шпуров 1 с учетом существующей концентрации смеси сорбированных газов в породе данного интервала. Данные сведены в таблицу 3.
Таблица 3
Определение длины шпуров в зависимости от объемов выделяющихся газов при проходке в породах нефтегазового коллектора в интервале глубин 875-910 м, при сечении ствола в проходке 80,1 кв.м
№ п/п
Длина шпуров,
Объем взрываемой горной массы, м<sup>3</sup>
Объем выделившегося
Наличие повторного взрыва
м
газа, м<sup>3</sup>
1
2,4
192
288
Взрыв
2
2,0
160
240
Взрыв
3
1,8
144
216
Взрыв
4
1,6
128
192
Отсутствие взрыва
5
1,4
112
168
Отсутствие взрыва
После прохождения опасного по газопроявлениям участка породного массива (выхода за границу участка) производится переход на стандартную глубину шпуров 1 (2,4 м) согласно паспорту БВР.
Проходка ствола СС в породах нефтегазового коллектора, расположенного на глубинах 875-910 м, которая ведется с некоторым отставанием от ствола ВВС, осуществлялась с учетом результатов, полученных в ходе опытных работ в стволе ВВС, при этом глубина шпуров 1 составляла 1,4-1,6 м. Повторных взрывов не происходило.
Реализацию предлагаемого способа по варианту 2 производили следующим образом. Определив границы опасного участка по возможным нефтегазовыделениям в стволе ВВС, горному персоналу выдается распоряжение за несколько метров (~1-3) до его вскрытия переходить на двухфазную технологию ведения взрывных работ с обязательным выполнением предусмотренных мероприятий по заводнению, запениванию и проветриванию забоя согласно «Специальным мероприятиям…» [5]. Бурение шпуров 1 производится согласно паспорту БВР, способ бурения - ударно-вращательный, бурильная установка - «Букс - 1М» (на вертикальных выработках). Взрывник осуществляет вручную заряжание шпуров ВВ (тип ВВ - аммонит АП-5ЖВ), забойку, монтаж электровзрывной сети. Схема расположения шпуров приведена на фиг.1.
Сначала на первой фазе отбойки бурят, заряжают и взрывают центр забоя (вруб), состоящий из 32 шпуров (фиг.1,а). Затем при второй фазе вскрытия бурят, заряжают и взрывают шпуры по контуру забоя (104 шпура) (фиг.1,б). Повторных взрывов не происходило.
2. Способ ведения (ВР) в горизонтальных выработках
Нефтегазоносные условия месторождения трубки "Удачной" заключаются в гетерогенности распределения флюидов в породном массиве как по вертикали, так и по горизонтали. Поэтому в пределах среднекембрийского водоносного комплекса существуют опасные газонасыщенные зоны, приуроченные к структурообразующим разрывным дислокациям. Горизонтальными выработками данные зоны вскрывались неоднократно, в частности в интервалах ПК 144-146 (горизонт -340,6…-345,4 м, абс.). Определив границы опасного участка во вскрываемых массивах по возможным нефтегазовыделениям, горному персоналу выдается распоряжение, за несколько метров (~1-3) до его вскрытия переходить на 2-стадийный способ ведения взрывных работ. Для этого в паспорте БВР забой разделили на две части: верхнюю (41 шпур) и нижнюю (43 шпура) (фиг.2, а, б).
Бурение шпуров 1 верхней части производили согласно паспорту БВР, способ бурения - ударно-вращательный, бурильная установка - «Boomer». Взрывник осуществляет вручную заряжание шпуров 1 ВВ (тип ВВ - аммонит АП-5ЖВ), забойку, монтаж электровзрывной сети, затем забой взорвали и очистили от взорванной горной массы. Далее выполняются аналогичные технологические этапы цикла для нижней части забоя (бурение, заряжание, взрывание, вывозка горной массы). Таким образом, при двухфазном взрывании забоя сначала бурятся и взрываются шпуры верхней (прикровельной «а») части выработки, далее бурятся и взрываются шпуры нижнего (приподошвенного «б») блока. Это позволяет уменьшить объемы выделяющегося горючего газа, что приводит к ликвидации повторных взрывов в наклонном съезде рудника.
Объем высвобождающегося газа при 2-стадийном способе взрывания забоев горизонтальных выработок составляет:
а) для верхней части забоя:
г
н
гм
3
V=Г×V=1,5×9,6×1,8=26,0 м;
б) для нижней части забоя:
г
н
гм
3
V=Г×V=1,5×10,0×1,8=27,0 м,
г
3
где V - объем выделяющегося сорбированного газа из породы, который может быть выделен, м;
н
3
3
Г - газонасыщенность породы, равная 1,5 м/м;
гм
3
3
2
V - объем взрываемой горной массы, равный для верхней части 9,6×1,8=17,3 м, и 10×1,8=18,0 м, где 9,6 и 10 м - площадь поперечного сечения части выработки в проходке соответственно верхней и нижней частей забоя; 1,8 м - глубина шпура по типовому паспорту БВР.
Объем воздуха в призабойной 30-метровой части выработки составляет:
2
3
19,6 м×30 м=588 м,
2
где 19,6 м - общая площадь поперечного сечения части выработки в проходке.
Концентрация выделившихся горючих газов в отдельной, к примеру, верхней части горизонтальной выработки, где происходит взрывание газообразной смеси, определится следующим образом:
г
в
3
3
С=V/V=26/19,6×30=0,044 м/м или 4,4%,
г
3
где V - объем выделяющегося сорбированного газа из породы, м;
в
3
V - объем воздуха в интервале призабойной части выработки (19,6×30), м.
А концентрация метана в данном объеме воздуха составит согласно исходным данным (гр.3, табл.2):
4,4×85,6:100=3,8%,
где 85,6 - содержание метана в газовой смеси (%).
Полученные данные по концентрации метана ниже концентрационных пределов распространения (НКПР) пламени горючих природных газов. Далее первоначально бурятся и взрываются шпуры верхней части выработки, а на втором этапе - нижней части выработки. Повторных взрывов не происходило.
Осуществляемое таким образом варьирование длиной шпуров 1 или количеством шпуров (объемом взрываемой породы) в газоопасных интервалах предотвращает повторное взрывание выделяющихся горючих газов в забоях строящегося рудника без дополнительных затрат. Сроки строительства при этом не увеличиваются.
Использованная литература
1. Борисов В.Н., Дроздов А.В. О признаках газовых гидратов в криолитозоне на севере Западной Якутии // Тез. докл. XII Всесоюз. совещ. по подземным водам Востока СССР. - Иркутск - Южно-Сахалинск, 1988. - С.124-125.
2. Геология, гидрогеология и геохимия нефти и газа южного склона Анабарской антиклизы / Е.И.Бодунов, В.Л.Белецкий, Г.С.Фрадкин и др. - Якутск: Изд. ЯФ СО АН СССР, 1986. - 176 с.
3. Дроздов А.В., Егоров К.Н., Готовцев С.П., Климовский И.В. Особенности гидрогеологического строения и гидрохимической зональности кимберлитовой трубки «Удачная» // Комплексные мерзлотно-гидрогеологические исследования. - Якутск: ИМ СО АН СССР. - 1989. - С.145-155.
4. Шепелева Н.Н., Краевский В.И., Федоров В.И. Взаимосвязь битумо- и газонасыщенности осадочной толщи пород Далдыно-Алакитского района // Геол., методы поисков и разведки м-ний нефти и газа. Экспресс-информация: ВИЭМС. - 1984. - Вып.6. - С.15-25.
5. Специальные мероприятия газового режима при ведении горных работ на руднике «Удачный» на период строительства до выхода на проектную мощность», г.Мирный, 2008.