Предотвращение газодинамических явлений при разработке Верхнекамскою калийного бассейна

Производство подготовительных и очистных работ по добыче калийно-магниевых руд как в нашей стране, так и за рубежом на многих месторождениях сопряжено с опасными проявлениями горного и газового давлений в виде внезапных выбросов, обрушений пород с одновременным выделением газа. Объёмы выбрасываемых пород и газа достигают десятков тысяч кубических метров. Наибольшую актуальность данная проблема приобрела при отработке выбросоопасных пластов механическим способом с помощью комбайновых комплексов, когда обслуживающий их персонал постоянно находится в призабойном пространстве — районе наиболее частого проявления газодинамических явлений (ГДЯ).

Газодинамические явления инициируются при воздействии горными работами на природные потенциально выбросоопасные зоны. Они проявляются в виде саморазвивающегося динамического лавинообразного разрушения приконтурных пород и выноса частиц разрушенного материала под воздействием расширяющегося газа.

Для более полного понимания механизма явлений, на основе которого должны быть разработаны профилактические мероприятия, необходима количественная оценка доли участия в процессе каждого из основных факторов выбросоопасности. Автором аналитически доказано, что потенциальной энергии пластичных соляных пород недостаточно для развития динамического процесса разрушения. Внезапное разрушение пород под воздействием только энергии газа возможно при довольно высоких, крайне редко встречающихся на практике параметрах газа. В случае совместного воздействия энергий пород и газа динамическое разрушение возможно при реально существующих параметрах газа и пород с учетом фактора времени.

Формирование газонасыщенных участков в недрах месторождений является результатом сложных геологических процессов, включающих длительные седиментационные и постседиментационные физико-химические превращения в соляной залежи.

Свободный газ формируется на соляных месторождениях чаще всего из микровключённого газа и концентрируется в благоприятных «ловушках». Для высвобождения микровключённого газа должны были произойти определенные геохимические или механические процессы. Таким процессом должен быть метасоматоз — геохимическое преобразование руд одного состава в другой, изменение структуры пород под воздействием внешних тектонических сил или их комбинация.

В результате этих процессов нарушаются связи между отдельными кристаллами, зернами, слоями, что приводит к снижению прочностных свойств пород и высвобождению микровключенного газа. В случае, когда метасоматоз не закончился, указанные связи не успевают восстановиться на прежнем энергетическом уровне и руды в этих зонах имеют пониженную связность, прочность.

Для определения различий в механических характеристиках пород производился отбор образцов из выбросоопасных и неопасных зон. Значимость различия оценивалась по критерию Стьюдента. В результате получены данные о том, что в опасных зонах прочность пород на 25% и более ниже, чем в неопасных, модуль спада выше, а модуль деформаций — ниже.

Анализ всего проведенного комплекса исследований позволил установить ряд общих закономерностей в напряженно-деформированном состоянии (НДС) пород при отработке выбросоопасных пластов. Степень и интенсивность изменения НДС зависят от порядка ведения горных работ, параметров системы разработки и прочностных свойств пород. Так, при последовательном движении фронта очистных работ приращения напряжений достигают pqH, а при встречной отработке соседних пластов или при отработке их «догоняющими» забоями: 1.4 pqН (Н — глубина горных работ, p — плотность пород, q — ускорение свободного падения).

У соляных пород выявлен весьма сложный характер распределения полей напряжений и деформаций в приконтурном массиве, зафиксирована зона дезинтеграции пород вокруг выработок, которая способствует проявлению «запоздалых» ГДЯ. Распределение пригрузок и деформаций в породах во времени носит скачкообразный характер, отмечается постоянная миграция максимума пригрузок по поперечному сечению целиков. Зона повышенных напряжений распространяется на глубину до 3-5 диаметров выработок. В призабойной зоне происходит разворот осей и изменение величин составляющих тензора напряжений. Полученные результаты использованы при составлении рекомендаций по параметрам отработки сближенных выбросоопасных пластов.

Для безопасной и эффективной отработки выбросоопасных очагов необходимо знать их местоположение в пространстве как до моментов вскрытия выемочных полей, так и в период ведения горных работ. Это достигается региональным и локальным методами прогноза. Анализ данных детальной и эксплуатационной геологических разведок, проведенных в районах, где были зафиксированы динамические явления и вне их, показал, что потенциальная выбросоопасность пород зависит, в первую очередь, от их минералогического состава. Большая часть произошедших явлений расположена в контуре руд переходного состава — переход от карналлитового состава к сильвинитовому и от сильвинитового к каменной соли.

Установлено, что на Верхнекамском месторождении критериями прогноза выбросоопасных зон являются величины вероятности появления сильвинита в интервале от 10 до 90% и содержания нерастворимого остатка более 2%. На основании полученных критериев и данных геологических работ составлены карты потенциально выбросоопасных зон для всех шахтных полей Верхнекамского месторождения. На рисунке представлена карта выбросоопасных зон на руднике БКПРУ-2.

На потенциально опасных пластах вокруг выработок формируются выбросоопасные очаги, управление размером и местоположением которых представляет одну из важнейших задач в предотвращении ГДЯ. Снижения степени опасности можно добиться нейтрализацией одновременно всех или даже одного фактора, т. к. при этом будет ликвидировано условие для самоподдерживающегося процесса разрушения пород.

В результате выполненных исследований установлено, что для предотвращения ГДЯ профилактические мероприятия должны быть направлены на повышение устойчивости пород, ликвидацию газовых очагов, снижение уровня полей напряжений и деформаций, скорости нагружения пород, повышение прочностных свойств и мощности выбросозащитной зоны. В качестве профилактических мероприятий могут быть использованы активные или пассивные, локальные и региональные способы, иногда их сочетание. 

Журнал "Горная Промышленность" №1 1998