Аварии и особенности на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей (Пермский край)

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1

ФГБОУ ВО «Уральский Государственный Горный университет»

Аварии и особенности на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей (Пермский край)

Ватагина В.Е.

Аннотация

В работе рассматриваются три крупных аварии на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей, которые произошли с начала его освоения. Выделены геологические и гидрогеологические особенности месторождения (сопутствующий газ, водоносный горизонт, нефть и др.). Отмечена активизация техногенных землетрясений.

Ключевые слова: Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей, соленосный пласт, карналлит, сильвинит, каменная соль, провал, затопление рассолом.

Abstract

The paper deals with three major accidents on Verkhnekamsk potassium and magnesium salts, which have taken place since the beginning of its development. Allocated geological and hydrogeological features of deposits (associated gas, aquifer, oil, etc.). Noted the intensification of man-made earthquakes.

Keywords: Verkhnekamskoye Deposit of potassium and magnesium salts, salt formation, carnallite, sylvinite, rock salt, failure, flooding with brine.

Длительное антропогенное воздействие на геологическую среду зачастую может приводить к нарушению природного равновесия. При этом влияние различных техногенных факторов на нее имеет прогрессирующий характер, и его результаты являются многосторонними, охватывая и другие компоненты окружающей среды (реки, озера, почву, рельеф, атмосферу и др.). Наиболее важным негативным последствием работы калийных рудников является их труднопрогнозируемое техногенное затопление. Так, в мире затоплено уже более 50 калийных рудников[1]. Это говорит о том, что к изучению природных и техногенных факторов, влияющих на устойчивость зданий и сооружений на калийных рудниках, уделяется недостаточно внимания. Геологическая среда становится особенно уязвимой в условия подработанных территорий, в пределах которых ведется разработка месторождений шахтным способом. Несмотря на внедрение новых научных подходов к разработке месторождений, современные технологии не располагают абсолютно безопасными способами и методами прогнозирования возможных аварий, связанных с обрушением горных пород.

Ситуация на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей в Пермском крае наглядно показывает, как опасные геологические процессы негативно влияют на техносферу города и условия жизни людей.

Освоение Верхнекамского соленосного бассейна началось после его открытия в 1925 году. В настоящее время ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит» производят около 20 % от мирового объема калийных удобрений[1]. К Верхнекамскому месторождению относится крупная площадь соленосных отложений с пластами каменной соли, сильвинита и карналлитовой породы в единой структуре, которая расположена в северовосточной части Восточно-Европейской платформы в пределах Предуральского краевого прогиба, в центре крупнейшей в РФ залежи калийных солей. Структура месторождения занимает площадь 11847 км² (рис.1). Соленосный пласт общей мощностью более 200 м залегает здесь на глубинах 250 - 600 м под толщей пород позднепермского возраста, в которой интенсивно развиты суффозионно-карстовые процессы. Территория характеризуется сложными инженерно-геологическими и структурно-тектоническими условиями, а также уникальными объемами и размерами подземных выработок.

Рисунок 1. Общая схема Верхнекамского соленосного бассейна

На Верхнекамском месторождении существуют следующие особенности, которые приводят к неустойчивости выработок и осложняют ведение горных работ:

• сопутствующий газ. Имеющийся в руде карналлит содержит очень много сопутствующего газа, в том числе -- метан, водород и сероводород. При определенном сочетании метана и водорода с воздухом происходят воспламенения и взрывы. Это, с одной стороны, заставляет повышать требования к безопасности на производстве, с другой -- внимательнее относиться к бурению скважин.

• водоносный горизонт. Для проникновения на глубину 300 метров нужно пересечь водоносный горизонт, для этого вокруг ствола пробуривают скважины. В них подают раствор хлористого кальция с температурой минус 40 градусов, в результате его циркуляции образуются ледышки. После их объединения друг с другом создается защитная стенка от подземных вод. Технология замораживания пород была заимствована у немцев. Ее применение затрудняется тем, что на Верхнекамском месторождении вода сильно насыщена солями[6].

• нефть. Ситуация на Верхнекамском месторождении осложняется еще и тем, что под пластами калия находятся залежи нефти. Часть из них разведана, другая -- пока нет. Между «слоем» калия и «слоем» нефти есть еще одно, второе, море воды. Ученые опасаются того, что нефтяники будут добывать «черное золото» без соответствующей страховки, и нижние напорные воды фонтаном пойдут вверх -- в соль, тогда месторождение будет потеряно. Таким образом, процессы добычи калия и нефти необходимо увязывать[6]. геологический верхнекамский месторождение магниевый

Большое количество в залежах нерастворимого осадка, попутные газы и поверхностные воды создали на Верхнекамском месторождении особую техногенную ситуацию.

Так, на Верхнекамском месторождении калийных солей с 1925 года произошло три крупных аварии. В 1986 г. -- затоплен БКПРУ-3, в 1995г. - остановлена работа СКРУ-2, в 2006 г. -- затоплен БКПРУ-1.

В январе 1986 год на участке БКПРУ-3 образовался провал, который в августе заполнился водой. Сейчас там находится небольшое озеро радиусом примерно 150-200 м. Рудник третьего калийного комбината расположен под тайгой и последствия аварии малозначимы в контексте безопасности населения.

Горные выработки БКПРУ-1 расположены непосредственно под селитебной территорией г. Березники, что потребовало срочной разработки проектов ликвидации рудника и мер охраны подработанных объектов промышленной и жилой застройки г. Березники. Обследование показало, что причиной переполнения БКПРУ-1 послужил приток вод из перекрывающей соляной толщи. Вначале приток составлял около 0,75 тыс. м³/ч - производилась откачка рассола. Приток постоянно увеличивался и достиг 8 тыс. м³/ч - была прекращена работа рудника. К 28 июля 2007 г. над местом прорыва вод образовался провал размером 78x56 м. К этому времени в рудник поступило около 17 млн м³ воды. Полностью затопленным рудник оказался в декабре 2008 г. Всего объем затопленных пустот, по данным работы 2, составлял около 84 млн м³.

Средний солевой состав растворителя был определен по объему солей V_c, растворившихся во время затопления рудника, и рассчитан, исходя из объема образовавшегося провала по формуле:

V_c = V_nop * k_p - (V_noр - V_np)

где V_nop, V_np - объем обрушившейся нерастворимой породы и провала соответственно, м³; к_р -- коэффициент разрыхления[2].

Объем провала V_np, равный 4,02 млн м³, определен по результатам его измерений, выполненных в марте 2011 г. Максимальная глубина провала составила 83 м, площадь провала на уровне земной поверхности -- 10,8 га. Объем обрушившихся нерастворимых пород (в целике) определен как объем правильного усеченного конуса. Расчетная схема приведена на рис. 2, а. При этих размерах объем V_пор составляет 8,88 млн м³, а V_с = 8,88 *1,4- (8,88-4,02) = 7,57 млн м³. Обрушенные породы выполняют роль закладки, поэтому скорость оседания земной поверхности в районе провала составляет 20 мм в год[2].

Рисунок 2. Расчетная схема первого провала, образовавшегося в июле 2007 г. (а) и структурная колонка солевой толщи (б): 1 -- сильвинит; 2 -- карналлит; 3 -- каменная соль

После аварии на БКПРУ-1 и затопления всего выработанного подземного пространства рудника образовались значительные и неравномерные деформации поверхности земли с оседаниями от 0,5 до 4,3 м (11 участков) и провалы больших объемов (3 участка - рис.3) глубиной до 100 м. Это привело к деформациям и разрушениям промышленных объектов, административных и жилых зданий, транспортных коммуникаций и других объектов. Всё это указывает на то, что в толщах горных пород активно протекают геологические процессы.

При сравнительном анализе тенденций развития процесса обвалов на отмеченных участках можно сделать следующие выводы, что наибольшее ускорение сдвижения земной поверхности в период затопления рудника наблюдалось над участками, где:

• остались незаложенные камеры карналлитового пласта В;

• проходили предполагаемые пути миграции рассолов во время затопления рудника;

• остались незаложенные выработки пл. КрII, отработанные более 20 лет назад;

• до момента аварии отмечалось ускоренное оседание[3].

Рисунок 3. Ситуационный план провалов на руднике БКПРУ-1

Также нужно учитывать, что с 1993 году ситуация начала осложняться проявлением техногенных землетрясений. Первое силой 4 балла по шкале Рихтера зафиксировано в октябре 1993 года в районе затопленного БКПРУ-3. 5 января 1995 года произошло разрушительное землетрясение силой 5 баллов по шкале Рихтера на СКРУ-2. В результате этого в течение нескольких секунд на земной поверхности образовался провал глубиной 4,4 метра площадью 950 на 750 м. Под землю ушли озеро и питавшие его родники. По данным работы [1], землетрясение вызвало многочисленные газодинамические явления, обрушения пород кровли горных выработок и разрушение междукамерных целиков в северо-восточной части рудника СКРУ-2. Под угрозой затопления оказались первый и второй рудники, соединенные выработкой, и жилые дома в Соликамске. Разрушений и затопления второго рудника удалось избежать. С вышележащих пластов опустился 20-метровый слой пластичной глины, который «запечатал» водоносный горизонт, не позволив воде проникнуть в рудник.

Единственной мерой защиты калийных рудников от затопления, предотвращения последствий техногенных землетрясений является закладка выработанных пустот, и в первую очередь под жилой и промышленной застройкой. На сегодняшний день калийные предприятия активно занимаются этой работой. Ежегодно они закладывают обратно порядка 10 млн тонн руды. Это -- уникальный объем закладки шахтных пустот.

Есть прецеденты, когда соль для закладки добывают специально для того, чтобы заложить в пустоту отработанные вмещающие породы.

Очевидно, что горняки вынуждены закладывать подрабатываемые территории и наверстывать отставание. Ведь вопрос заключается в сохранности уникального

Верхнекамского месторождения. По расчетам специалистов, с учетом затопленного в 1986 году БКПРУ-3 и техногенного землетрясения Россия могла потерять около 40% мощностей по производству калия и около 30% мощностей по производству магния[6].

Можно сделать следующие выводы:

1. Опасные геологические процессы, установленные на рассматриваемой территории, обусловливаются комплексным воздействием природных и природно-техногенных факторов.

2. Для зон с высокой и повышенной степенью опасности должны разрабатываться схемы и участки организации мониторинговых наблюдений, а также создания объектов инженерной защиты территории.

Прогнозирование процесса сдвижения в условиях заполнения горных выработок рассолами и подземными водами является очень сложной задачей. Безусловно, опыт изучения аварий на Верхнекамском месторождении в дальнейшем поможет избежать ошибок при разработке данного и подобных месторождений.

Список литературы

1. Белкин В.В., Техногенная трансформация геологической среды Верхнекамского солеосного бассейна // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геологоминералогических наук - г.Екатеринбург, 2010

2. Борзаковский Б. А., Опыт ликвидации провала на земной поверхности над затопленным калийным рудником // Горный журнал. - 2012. - № 2. - стр. 65-68

3. Мараков В. Е., Влияние затопления выработанного пространства калийных рудников на оседания земной поверхности. [на примере Верхнекам. месторождения калийных солей у г. Березники Перм. края] // Геомеханика в горном деле: докл. науч.-техн. конф, 14-15 окт. 2009 г.. - Екатеринбург, 2009. - стр. 169-185.

4. Осипов В. И., Зонирование территории г. Березники Пермского края РФ по степени опасности развития геологических процессов // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2014. - № 6. - стр. 518-525

5. http://tcj.ru/wp-content/uploads/2015/01/2014-12-34-37_solykamskiy.pdf

6. http://www.newsko.ru/articles/nk-250188.html

Размещено на Allbest.ru