Специальные мероприятия по обеспечению безопасности разработки газоносных и склонных к самовозгоранию рудных месторождений

© Н.Г.Матвиенко, А.С.Воронюк, 2013

Н.Г. Матвиенко, А.С. Воронюк

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ РАЗРАБОТКИ ГАЗОНОСНЫХ И СКЛОННЫХ К САМОВОЗГОРАНИЮ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Исследованы и обобщены вопросы, связанные с освоением газоносных рудных месторождений и проведения на них специальных мероприятий газового режима.

Ключевые слова: полезное ископаемое, природный газ, выработки, специальные мероприятия.

В настоящее время в связи с бурным развитие горнодобывающей промышленности, в особенности с освоением запасов глубоких горизонтов, разработка многих рудных месторождений осложняется поступлением многофазных флюидов (взрывчатых, токсичных, вредных и радиоактивных газов, нефти и вод) и существенным обескислороживанием рудничной атмосферы с образованием вредных (С02) и токсичных (БО2) газов и возникновением эндогенных пожаров вследствие происходящего окисления рудных и вмещающих пород. Многолетними исследованиями установлено, что газоносность рудных месторождений обусловлена, как правило, газами, чуждыми по происхождению самому полезному ископаемому, и связана с залеганием вблизи от рудоносных формаций газопроизводящих и газовмещающих толщ, содержащих каменные угли, битумы, газы, нефть, воду, а пожароопасность — с окислительной активностью минералов руд и вмещающих пород [1, 2].

Геологическая приуроченность, состояние, состав, количество природных газов отличаются крайним многообразием и индивидуальностью практически для каждого газоносного месторождения. На таких месторождениях газы приурочены, как правило, к отдельным частям как по площади, так и по падению, в зависимости от расположения их коллекторов. Состояние газов в толщах охватывает весь диапазон от свободного,

сорбированного, растворенного и твердого в виде гидратов и определяется их происхождением, коллекторскими свойствами и термодинамическими условиями каждого месторождения. Состав газов так же характерен для каждого месторождения и охватывает практически все горючие компоненты (метан, его гомологи, водород, азот, углекислый газ, сероводород, гелий, аргон). Самый многокомпонентный состав природных газов, охватывающий все изложенные выше газы и все четыре их состояния, отмечается на глубоких горизонтах основных разрабатываемых алмазоносных трубках Якутии [3]. На остальных газоносных рудных месторождениях России состав природных горючих газов менее сложен и представлен, в основном, метаном с примесями его гомологов и иногда водорода.

В количественном отношении наиболее газоносными является нефть (до 100м3/м3), каменные угли (до 20—60 м3/м3), кристаллогидраты (до 10—40 м3/м3), воды (до 1,0—1,2 м3/м3). Газоносность пород и руд определяется их угле-нефте-водонасыщенностью и может достигать 0,5—0,9 м3/м3. Однако в реальных термодинамических условиях на достигнутых глубинах разработки содержание горючих газов в различных породах существенно ниже и определяется термодинамическими, сорбционными и гидрологическими условиями. Характерным является наличие на ряде месторождений газожидкостных скоплений в пористых и трещинных ловушках.

Выделения природных газов на рудных месторождениях, как и на газоносных месторождениях других полезных ископаемых, приурочены к выработкам, вскрывающим и проходимым по газосодержащим и соседним интервалам массива. При этом по характеру, составу и интенсивности в общем охватывают все известные типы газовыделений от обычной газоотдачи пород и жидкостей (вода, нефть) до динамических проявлений флюидов (газ, вода, нефть) и твердых веществ (породы, битумы, лед). Типы газовыделений и их характеристика обусловлена коллектор-скими свойствами интервалов массива и технологией ведения разведочных и горных работ. Интенсивность газовыделений также изменяется в широких пределах. Наиболее интенсивны выбросы флюидов из разведочных скважин (до 100 м3/мин взрывчатых газов на месторождении трубки "Удачная") и внезапных выбросах угля и газа (до 21м3/мин при внезапном вы-

бросе в Западном стволе рудника "Комсомольский"). При обычных газовыделениях метанообильность рудников составляет не более 2,5—5,0м3/мин [1—3].

Многолетний опыт освоения газоносных рудных месторождений и проведенные целенаправленные исследования показали индивидуальность каждого рудного месторождения по типу газоносности и газопроявлений. Поэтому в нашей стране принято положение об обеспечении безопасности горных работ при освоении каждого газоносного рудного месторождения выполнением Специальных мероприятий газового режима, составленных в соответствии с конкретными геотехнологическими его условиями и на основе результатов геологического изучения, проведения целенаправленных исследований и учета опыта других предприятий и отраслей всей горнодобывающей промышленности, включая угольную и соляную. Это положение является директивным и включено в действующие правила безопасности горных работ на рудных и россыпных месторождениях подземным способом [4]. Этим следует руководствоваться при разведке, проектировании и освоении газоносных месторождений.

Специальные мероприятия газового режима введены в нашей стране на полиметаллических рудниках Норильского региона, алмазных Якутии, апатитовых Хибин, титановых Коми и др. Предусматривается комплекс мероприятий, основными из которых являются вентиляция, контроль содержания взрывчатых газов в атмосфере и исключение источников воспламенения газовоздушных смесей. Учитывая многокомпонентных состав выделяющихся взрывчатых газов (метан, его гомологи, водород) границей содержания этих газов в атмосфере выработок принято 10% нижней концентрации предела взрываемости (НКПР), что грубо соответствует 0,5% по объему сумме содержания метана и водорода.

Наиболее сложными мероприятиями газового режима являются мероприятия нефтеводоносных и угленосных рудных месторождений (табл.).

Мероприятиями предусматривается дифференциация требований газового режима в зависимости от особенностей газоносности интервалов и площадей. Так, в алмазных рудниках Якутии выработки делятся на категории по газо- и нефтеопасности,

Таблица

Основные положения специальных мероприятий газового режима рудников

Газоносные рудные Основ- Формы газовыде- Опасные Основные мероприятия

месторождения ные газы лений случаи

Нефтеводоносные: алмазные СН4; газоотдача пород, взрывы, Вентиляция, контроль состава

(Якутия); титановые (Коми); ура- С2Н6; рассо-лов, биту- загора- атмосферы, взрывобезопасное

новые и серные (Средняя Азия) Н2 мов, суфляры, ния оборудование и взрывные рабо-

выбросы флюидов

ты, предварительная и текущая дегазация массивов и вод

Угленосные: медноникелевые (Но- сн4 газоотдача уголь- взрывы То же

рильск); полиметаллические ных пластов и по-

(Кавказ и Приморье); золоторуд- род, суфляры, вы-

ные (ЮАР) бросы

Сланценосные: железорудные СН4 мелкие струи, га- загора- Вентиляция, контроль газов в

(Кривой Рог), бокситовые и золо- зоотдача отбитых ния атмосфере, безопасные-

торудные (Урал, Казахстан) пород оборудование и взрывные работы

Водоносные: алмазные (Якутия); сн4. выбросы, газоот- отравле- Вентиляция, водоотвод, поглоще-

серные (Средняя Азия) Н^' дача вод ние ние Н2Б

С газовыми включениями в поро- СН4; мелкие струи, га- загора- Вентиляция, контроль состава ат-

дах: апатитовые и редко- н2 зоотдача отбитых ния мосферы, безопасные оборудова-

земельные(Хибины) пород ние и взрывные работы

Водородоносные: хромитовые и Н2 газоотдача отби- загора- То же

платиновые (Урал, Албания) тых пород, мелкие струи ния

а в рудниках Норильского региона — по углегазоносности. При этом предусматривается ежегодный пересмотр и уточнение мероприятий, для чего требуется постоянный контроль газовой обстановки и привлечение компетентных специалистов. Наиболее ответственно к этому относятся на Якутских рудниках компании АК «АЛРОСА» с привлечением местного института «Якутнипроалмаз» и ученых из других организаций.

Обескислороживание воздуха при подземной разработке твердых полезных ископаемых происходит не только вследствие выделения природных газов, но и в результате окисления химически активных руд (прежде всего сульфидных) и вмещающих пород (обычно угле- и сульфидосодержащих). При развитии этих процессов происходит самовозгорание руд и пород. Поэтому этим процессам следует уделять соответствующее внимание и не допускать их негативного проявления. К таким месторождениям относятся медно-никелевые месторождения Норильского региона, включая Талнах, сульфидные и медно-колчеданные месторождения Урала, Кавказа, Сибири и Приморья, перспективное крупномасштабное медное Удо-канское месторождение, а также Криворожский и Курский железорудные бассейны. Окислительные процессы происходят в выработках, выемочных участках и в выработанных пространствах. Интенсивность окислительных процессов определяется химической активностью руд и пород, их объемом, доступностью воздуха и временем контакта с ним реагирующих поверхностей. Показателем химической активности материалов (угля, руды, породы, деревянного крепления) в России принято считать кинетическую константу скорости сорбции кислорода, предложенную более 70 лет назад профессором Веселовским В. С. [5]. В настоящее время этот показатель определен для углей, руд и пород большинства осваиваемых месторождений стран СНГ и широко используется для оценки потерь кислорода вентиляционным воздухом и выбора мероприятий по предотвращению негативных последствий окислительных процессов.

Основными мероприятиями при добыче окисляющихся руд являются минимальное время контакта раздробленного материала с шахтным воздухом и исключение его проникновения в выработанные и обрушенные пространства.

Окислительные процессы в рудниках оказывают многогранное влияние на состав атмосферы и состояние взаимодействующих с ней материалов от изменения химического содержания до образования новых минералов. Так, сульфиды пирротин и халькопирит могут выделять не только сернистый газ, но и при определенных термовлажностных условиях образовывать серную кислоту, которая разлагает карбонаты с выделением углекислого газа. При этом атмосфера теряет кислород и обогащается углекислым газом. Именно такие процессы происходили в железных рудниках Кривого Рога [6]. Похожие явления и эндогенные пожары происходили в колчеданных рудниках Урала [2] и возможны в рудниках Курского региона. Следует отметить, что окислительные процессы на рудах и породах, включая техногенные отходы обогатительных фабрик, длятся годами, поэтому это необходимо учитывать не только при горных работах, но и при перевозке сульфидных руд и оценке экологического состояния промышленных территорий обогатительных фабрик и рудников [7, 8].

Основным общим постоянным мероприятием обеспечения безопасности освоения газоносных и пожароопасных рудных месторождений является надлежащая вентиляция как по интенсивности, так и по направлению движения вентиляционных потоков. Остальные мероприятия, включая дегазацию (предварительную, текущую, осушение), взрывозащищенное оборудование и технологические процессы по разрушению массивов следует рассматривать как составные части общего комплекса, необходимые для решения задач, важных для отдельных периодов освоения месторождения и определенных их интервалов и площадей.

Устойчивость и эффективность проветривания газоопасных рудников следует обеспечивать прежде всего для условий проведения капитальных и подготовительных выработок, играющих дегазационную роль, а для пожароопасных рудников — для очистных забоев и выемочных участков. При этом важнейшее значение имеют основные технологические решения по подземному освоению месторождения или его части. Чем рациональней с позиции борьбы с газо-пожаро и взрывоопасностью осуществлены вскрытие и подготовка, вентиляция, порядок и сис-

темы разработки, тем меньше потребуется выполнения противогазовых и противопожарных мероприятий и затрат на их осуществление. Выбор основных технологических решений обосновывается горно-геологическими условиями и особенностями подземного освоения каждого месторождения и его подкарьер-ной части. Все это оказывает доминирующее влияние на рудничную атмосферу в процессе строительства и эксплуатации подземных рудников. Методические основы обеспечения устойчивой подачи в газо- и пожароопасные рудники достаточного количества воздуха для разбавления выделяющихся газов и управления окислительными процессами включают независимое проветривание при блоковом вскрытии, рациональное расположение выработок, полевую подготовку выемочных блоков, изоляцию выработанных пространств, обратную выемку запасов и другие способы рационального освоения месторождений [2, 9]. В условиях большой глубины залегания рудных тел и значительной протяженности и разветвленности горных выработок (больших размеров шахтных полей и выемочных блоков) следует применять блоковые-секционные схемы вскрытия.

При бурении глубоких разведочных скважин и открытой разработке газоносных месторождений Норильска и Якутии [1, 3] происходили интенсивные выделения природных газов в виде суфляров и выбросов флюидов. Поэтому необходимо применять определенные мероприятия газового режима и для этих видов горных работ. В 70-х годах прошлого столетия в Норильске были разработаны и применялись мероприятия газового режима на глубоких горизонтах рудного карьера «Угольный ручей». Необходимо соответствующие положения ввести в Правила безопасности ведения открытых горных работ.

В действующих правилах подземной отработки рудных месторождений нет требований по режиму добычи окисляющихся руд. Необходимые положения по таким рудам следует ввести в ЕПБ [4].

Для обоснования рациональных способов и схем вскрытия, подготовки и разработки газоносных и склонных к окислению рудных месторождений, и проветривания рудника, выемочных участков и забоев, специальных мероприятий газового режима ведения горных работ необходимо изучение газоносности мас-

сивов и окислительной активности руд и вмещающих пород каждого месторождения на стадии разведки и всех этапов освоения, включая его прекращение. При этом следует учитывать газопроявления в карьерной части месторождения и влияние рудников и обогатительных фабрик на экологию территории их расположения.

Только при использовании результатов систематического изучения природных и техногенных особенностей каждого газопожароопасного месторождения и знаний богатого опыта горнодобывающей промышленности возможно безопасное и экологичное освоение его запасов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Матвиенко Н.Г. Выделение природных газов при освоении рудных месторождений. М.: Наука, 1988. -230с.

2. Матвиенко Н.Г., Воронюк А.С. Основы обеспечения безопасности освоения газоносных и склонных к самовозгоранию рудных месторождений. Труды международного научного симпозиума "Неделя горняка — 2012". М.: изд-во "Горная наука". - 2012.-№ОВ1. - С.160—171.

3. Дроздов A.B., Иост H.A., Лобанов В.В. Криогидрология алмазных месторождений Западной Якутии. Иркутск: Изд-во ИГТУ, 2008. -507 с.

4. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03—553—03). -М.: Госгортехнадзор России, 2003. -200 с.

5. Веселовский B.C., Виноградова Л.П., Орлеанская Г.Л., Терпогосова Е.А.. Физические основы самовозгорания угля и руд. М.: Наука, 1972. -148с.

6. Слюсаренко В.Г. Исследования газовыделений и способов их устранения на шахтах Криворожского бассейна. Автореферат докт. диссертации. Москва, Сектор горных проблем ИФЗ АН СССР, 1972. - 41 с.

7. Чантурия В.А., Макаров В.А., Макаров Д.В. Экологические и технологические проблемы переработки техногенного сульфидосодержащего сырья. Апатиты, 2005. - 217 с.

8. Калабин Г.В., Кулов С.К., Титова А.В., А.-Т.А.Пихлак. Земля живая. -М.: ВНИИгеосистем. 2010. - 410 с.

9. Воронюк А.С., Макишин В.Н., Иванов В.И. Научные основы и методы определения рационального вскрытия рудных месторождений. Владивосток: Издание ДВГТУ, 2011. - 118 с. ИЗШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ-

Матвиенко Н.Г. — доктор технических наук, профессор,

Воронюк А.С. — доктор технических наук, профессор,

Институт Проблем Комплексного Освоения Недр РАН, info@ipkonran.ru