IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

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 северо-восточной 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].

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 * kp - (V_noр - Vnp), где V_nop, Vnp - объем обрушившейся нерастворимой породы и провала соответственно, м³; к_р — коэффициент разрыхления[2].

Объем провала Vnp, 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 геолого-минералогических 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

7

Код для цитирования: Скопировать