Методы прогнозирования и способы предотвращения опасных выделений взрывчатых природных газов при подземной разработке руд


Ю.Н.Малышев, член-корр. РАН, проф., д.т.н.  А.Т.Айруни, проф., д.т.н.

Последние годы характеризуются возрастанием количества подземных рудников, работающих в условиях выделения взрывчатых природных газов из вмещающих пород. Это вызвано, с одной стороны, увеличением на целом ряде рудников глубины горных работ и повышением в этой связи интенсивности выделяющихся газов, а с другой - переходом отдельных горнодобывающих предприятий с открытого на комбинированный или подземный способ разработки, когда выделяемые из массива газы (если это имеет место) могут создавать в замкнутом выработанном пространстве опасные концентрации. По неполным данным в рудниках мира ежегодно выделяется около 200 млн. м3 взрывчатых газов, от взрыва которых за последние 70 лет погибло более 3 тыс. горняков.

Поэтому в настоящее время серьезной проблемой при подземной разработке рудных месторождений становится предотвращение опасных выделений взрывчатых природных газов.

Рудные месторождения в отличие от угольных характеризуются большим диапазоном состава, свойств, форм содержания и неравномерностью распределения природных газов в породных толщах. Большинство природных газов рудных месторождений связаны с породами палеозоя, перми и карбона и в меньшей степени с породами мезозоя, юры и силура. Характерными отличиями природных газов рудных месторождений являются высокие содержания Н2 (до 80-90%) и тяжелых углеводородных гомологов (СН4) -до 20% (от С2Н6 (этана) до С6Н114 (гексана)). Так, в золотых рудниках ЮАР «Краун», «Бафельд», «Одендаалерюст», «Сити Дун» и в хромовых рудниках Урала содержание Н2 в выделяющихся природных газах достигает 75-90%, а содержание С2Н6 (этана) в Талнахских рудниках (норильские месторождения) достигает 20%. Нередко взрывчатые газы могут находиться под давлением 0.4-0.7 МПа в пустотах и терщинах, что предопределяет опасность внезапного их выделения в больших объемах - до 30-50 тыс. м3/сутки (полиметаллические рудники «Святая Елена», «Виртжиния» «Сити Дан» в ЮАР и др.).

 

Выделения взрывчатых газов при разработке рудных месторождений обычно происходят на площадях, приуроченных к зонам совместного залегания рудоносных формаций и вмещающих пород, содержащих угольные пласты и органическое вещество различного геологического возраста. Например, в алмазных рудниках ЮАР и России (Якутия) выделения взрывчатых газов (Н2, СН4, тяжелые углеводороды(ТУ)) происходят из вмещающих кимберлитовые трубки осадочных пород, содержащих угольные и нефтеносные слои. В ЮАР выделения взрывчатых газов из свободных скоплений привело к крупным взрывам с гибелью 1433 горняков (см. табл.).

Достоверный прогноз опасности содержания взрывчатых газов рудных месторождений основан на данных геологической разведки состава, мощности и возраста вмещающих пород и наличия в них органических веществ. Большинство рудных месторождений (исключая подземные россыпи) имеет магматическое происхождение - это коренные месторождения благородных, цветных, черных и редких металлов, залегающих в толще материнских изверженных пород или на контактах изверженных или кимбер-литовых пород с осадочными, прорывая их.

При различиях генезиса и состава руд все рудные месторождения имеют общие геологические свойства - наличие большого количества тектонических нарушений, сопровождаемых развитием дробления породных и рудных массивов открытыми или замкнутыми трещинами.

На состав, объем и интенсивность выделений природных газов в рудники влияют общие геоморфологические или гидрогеологические факторы, содержание ресурсов газов в недрах и процессы газообмена между геологическими нарушениями и подземными водами. По мере роста глубины интенсивность выделений газов из газонасыщенных вод в горные выработки уменьшается.

В рудниках России выделения взрывчатых (СН4, ТУ, Н2) и токсичных (CO, Н£, SO2, ЫН3 и др.) газов имеют место в Забайкалье, Норильске, Урале, Западной и Восточной Сибири, Дальнем Востоке, Кавказе. В ртутных и ртутно-сурьмяных

месторождениях Северо-Западного Кавказского хребта, расположенных в пределах погружения мегаантиклино-рия, вмещающие породы содержат битумы (до 4% по объему), выделения природных газов из которых в горные выработки происходят по эксплуатационным трещинам. Состав газов: основные СН4, СО2, примеси Н2, N2 и редкие газы. Кроме взрывчатых газов большую опасность представляют выделения токсичного сероводорода, который находится в подземных водах в растворенной молекулярной форме и в ионном состоянии Ж . Соотношение форм содержания сероводорода в воде и газовыделение из вод, из которых выделяется только молекулярный сероводород, зависит от кислотности вод: при рН>8 сероводород практически не выделяется. При разработке кимберлитовых трубок Якутии (рН=7.2) только 4% растворенного молекулярного сероводорода поступает из вод в рудничную атмосферу. Однако из-за большого притока вод (свыше 200 м3/ч) для разбавления сероводорода до безопасных концентраций необходимо в рудники подавать большие объемы воздуха.

Опасные выделения горючих природных газов при подземной разработке рудных месторождений

Страна

^^^^^^НЛокализация выделений газов

Максимальный дебит

Состав

Число погибших

Месторождение (район)

Рудник

выделяющегося газа, м3/сут.

выделяющегося газа

при взрывах газа, чел.

Золотые руды

Австралия

Зап. Австралия

«Большой Боулдер»*

 

 

 

-«-

-«-

«Леонора»*

 

 

 

ЮАР

Витвотерсрэнд

«Св. Елена»*

 

 

 

 

 

«Дип Левелс»*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«Робинсон Дип»

5000

СН4; Н2

28

 

 

 

4000

Н2; СНЦ

1

-«-

 

«Одендаалерюст»*

100000

СН4; He; Н2; H2S

15

 

 

 

 

 

 

-«-

Оранжевые штаты

«Клайдсдел»*

109600

СН4; Н2

548

 

 

 

46000

СН4; Н2

19

 

 

«Вирджиния»*

100000

СН4; Н2

30

 

Юж. Родезия

 

 

 

23

Канада

Сэдбьюри, Онтарио

«Сентрал Патрисия»*

2400

СН4

59

Бразилия

Белу Оризонте

«Сан Росарио»*

 

 

 

Румыния

«Хунедоаре»

«Байя Маре»

 

 

 

Серебряные руды

Канада

Сэдбьюри, Онтарио

«Силвер Айленд»*

 

 

 

Австралия

Новый Южный Уэльс

«Нью Броукен Хилл»*

 

 

 

|

 

«Северный Броукен Хилл»*

 

 

 

Полиметаллические руды

Россия

Кольский п-ов

 

 

 

 

 

Норильское, Талнахское

«Заполярный»*, «Комсомольский», «Октябрьский», «Маяк»

100 00

СН4; H2; С 2Н6; H2S

27

Австралия

Новый Южный Уэльс

«Кобар»*

 

 

 

-«-

Тасмания

 

 

 

 

Руды цветных металлов (свинцово-цинковые, свинцовые, цинковые, молибденовые, никелевые, оловянные, ртутные)

Канада

Колорадо

«Эдвардс»*

180

СН4; С2Н6; H2

2

Британия

Дербиширское

«Миль Клоуз»*

4000

СН4; С2Н6; С3Н8

9

Австралия

Тасмания

«Кливленд»*

 

 

 

-«-

Зап. Австралия

«Кембалда»*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мексика

 

 

 

 

 

Медные, медноколчеданные руды, медистые сланцы

Россия

Худесское

 

 

 

1

Германия

Мансфельдское

«Мнасфельд»*

270

СН4; H2S; С2Н6

-

США

Мичиганское

«Уайт Пайсенс»

100-150

Н2; СН4; С2Н2

-

Австралия

Сев.территория

«Пико»*

30-60

СН4

3

-«-

Киандровское

«Лобб Хилл»*

 

 

 

Руды черных металлов

Британия

Камберленд

 

 

 

4

-«-

-«-

«Линдгилл»*

85-90

СН4; Н2Н6

2

Швеция

Гринбергское

 

 

СН4; С2Н6; Н2

-

-«-

Даннеморское

«Сьеогрув»*

30-60

Н2; СНЦ; С2Н6

2

Франция

Эльзасское

«Гундерсхофен»*

70-120

СН4; С2Н6; С3Н8

12

 

 

 

60-100

СН4; С2Н6; С3Н8

4

 

 

 

 

 

 

Примечание: в рудниках неоднократно происходили вспышки и возгорания газов

 

Приведенные сведения свидетельствуют о сложности обеспечения газобезопасности рудников из-за большого различия в составе, объеме и форме выделений, особенностей генезиса газов и т.п.

Для обеспечения газобезопасности при разработке различных рудных месторождений необходимо учитывать условия каждого рудника, состав газа, тип, геологический возраст и литологический состав коллектора газа, глубину начала выделений газа и максимальный дебит газа.

Выполненный авторами настоящей статьи анализ данных более чем по 70 взрывам и вспышкам газа на 42 российских и 27 зарубежных рудниках позволил установить причины взрывов и степень опасности различных источников природных газов в зависимости от состава и интенсивности их выделения. В результате нами выделены основные группы рудных месторождений по типу газовых источников и предложены способы предотвращения опасных газопроявлений.

Инженерные способы предотвращения опасных выделений взрывчатых природных газов зависят от состава, дебита и формы выделения газа. При низкодебитных суфлярных выделениях свободного газа из многочисленных мелких трещин в породах, по которым пройдены горные выработки, возможны следующие способы сокращения газовыделений:

1. Бурение в трещиноватые породы скважин длиной 5-7 м для нагнетания под давлением в породный массив растворов расширяющегося цемента с целью создания вокруг выработки газоизолирующей «рубашки».

2. Перед производством технологических массовых взрывов в случае залегания источника газа (угольные пласты, газоносные осадочные и изверженные породы) вблизи горных выработок применяется бурение в сторону источника газа скважин диаметром 100-120 мм и длиной до 15-20 м. При этом пробуренные скважины оставляют открытыми, что способствует выходу газа под воздействием массового взрыва. Как показывает опыт работы газообильных рудников России при каждом массовом взрыве 50-100 т ВВ и более и отбойке горной массы в сотни тысяч тонн выделение природного газа увеличивалось в 2-3 раза, что способствовало газоистощению источника газа и временному сокращению газовыделения в горные выработки. Образующийся при массовом взрыве токсичный газ СО выносится из рудника и окисляется в течение времени, когда из рудника выведены все люди.

3. При выявлении расположения в толще месторождения крупных свободных скоплений газа применяются длинные (40-50 м) разведочные скважины по направлению, учитывающему геологические сведения об их вероятной локализации. При пересечении свободного скопления вывод газа осуществляется по скважине в исходящую струю воздуха или по газопроводу, проложенному на поверхности.

4. При больших объемах выделения взрывчатых газов из свободных скоплений или крупных источников газа (мощные угольные или нефтеносные пласты) применяются способы активной дегазации. Так, на полиметаллических месторождениях Норильска при мощности газоносных (по метану 18 м3/т, по воздуху 2 м3/т) угольных пластов до 10 м выделение метана в горные выработки составляет от 15-16 до 23 м32. Для дегазации рудника по верхнему угольному пласту была пройдена система выработок, после герметизации которых производился отсос газа. За 16 лет в руднике «Заполярный» выделилось 17 млн. м3 метана и за 10 лет (1960-1969 гг.) было извлечено около 8 млн. м3 метана, что значительно повысило газобезопасность рудника.

За рубежом дегазация скоплений свободных газов применялась на золотом руднике «Вирджиния» (ЮАР) на глубине 1020 м. После осушения вмещающих пород горными выработками было вскрыто скопление свободных газов, выделение метана из которого достигло 47 тыс. м3/сут. Отсос газа из свободного скопления производился при помощи газопровода, пропущенного через герметизирующую цементную перемычку толщиной 0.6 м. Вывод каптируемого газа на поверхность осуществлялся по газопроводу длиной 2475 м и диаметром 350 мм. Дегазацией извлекали 52% газа.

При подготовке рудных месторождений, содержащих пустоты и крупные трещины в породах и рудах, обязательным является разведка скважинами зон возможных свободных скоплений газов.

ЛИТЕРАТУРА:_

1. Лидин ГД., Айруни А.Т., Матвиенко Н.Г. Дегазация полиметаллического рудника. Сб. «Рудничная аэрология и безопасность горных работ». М., «Наука», 1964, с. 79-88.

2. Войтов Г.И. Газопроявления в рудниках. Рудничная аэрология М., Изд-во АН СССР. 1962, с. 127-144.

3. Фридман А.И. Природные газы рудных месторождений. М., «Недра», 1970,172 с.

4. Куликова Н.Н. Геохимия газов золоторудных месторождений Забайкалья. М.

«Наука», 1972, 269 с.

5. Eschenberg H. Sources and control of methane in Gold mines. "Jоигпа1 of the mine ventilation, Society of South Africa", 1980, vol. 33, #8,pp. 125-135.

6. Harrington D., Denny E. Gases of the metal mines. US Depertament of Commerce, Bureau of Mines. Bulletin 347, Washington, 1931,pp. 5-11.

7. Jackson K. The mining Journal, 1958, vol. 250, #6404,pp. 569-570.

8. Steed V. Controlling 10000 tons of methane per annum from a stope in "Virginia" gold mine Organe Free State. Bulletin of the Institute of Mining and Metallurgy, 1964-1965.

vol. 74, #703, pp. 545-556.

9. Tigert T. Handling methane at "Central Patricia Mine". The Canadian Mining and Metallurgical Bulletin, 1951, vol. 44, #466.

10. Hartwell F., Brookes F. Gas axplosion in Billingham gold mines. U.SA., Report 32/235/045, Reference #3,pp. 3-7.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2005