Вопросы защиты калийных рудников от затопления

В течение 20 прошедших лет на Верхнекамском месторождении солей (ВКМС) были безвозвратно потеряны два калийных рудника из семи действующих.

В 1986г. произошло аварийное затопление суперсовременного на то время Третьего Березниковского калийного рудника. Предпринимались запоздалые попытки его спасения, но они не увенчались успехом. Прямой ущерб от потерянного шахтного оборудования составил 170 млн. советских рублей. Потерянные запасы калийных солей составили 300млн.т.

В 2006-2008г.г., был затоплен один из старейших на Урале Первый Березниковский калийный рудник с объемом выработанного пространства 84 млн.м3. Прямой ущерб от потерянного оборудования составил при этом 1, 045 млрд.рублей. Попыток спасения рудника не предпринималось. Над рудником расположен город с населением 180 тыс. человек и крупными химическими предприятиями.

К настоящему времени затраты на ликвидацию ущерба инфраструктуре г. Березники и Березниковско – Соликамского промышленного района в результате техногенной аварии на руднике уже превысили 25 млрд. рублей. Стоимость потерянных запасов полезных ископаемых на БПКРУ-1 оценивается в 20 млрд. долларов США.

В мировой и отечественной практике существуют и продолжают развиваться эффективные специальные методы и средства борьбы с аварийными прорывами воды в рудники и другие подземные объекты, в т.ч. в быстрорастворимых породах. Имеются достоверные сведения об успешной ликвидации аварийных водопритоков на калийных рудниках Саскачевана в Канаде. Имеется практический опыт полного подавления локального рассолопритока в штрек на том же БПКРУ – 1 [2,3], а также опыт ликвидации аварийного водопритока с дебитом 2000м3/час на Порецком гипсоангидритовом руднике в Чувашской республике [4,5].

На сегодняшний день в научно- технической литературе существует три гипотезы о причинах нарушения водозащитной толщи и затопления рудника БПКРУ – 1 в результате ведения горных работ[6 - 11]. Согласно

• [6]    причиной затопления является потеря герметичности разведочной скважиной №17 (пробуренной в 1928г) и нарушение горными работами охранного целика вокруг неё. В [7,8] указывается на сосредоточенные техногенные деформации и краевые эффекты на этом участке; в [9,10,11] приводятся соображения о влиянии тектонических факторов на разрушение ВЗТ

Эти гипотезы не противоречат друг другу, а вполне дополняют первую и основную. Причиной затопления рудника, по нашему твердому убеждению, явилась потеря герметичности разведочной скважиной №17 и образование водопроводящего канала по её стволу с разгрузкой в выработанное пространство.

Последующее развитие событий - достаточно стабильный водоприток в рудник с дебитом 1600-2000м3/час в течение почти 1 года, образование карстового провала на земной поверхности со «смывом» половины охранного целика скважины №17 и значительное увеличение водопритока до 8100м3/час полностью подтверждает этот сценарий аварии. Рис.1. иллюстрирует геометрию карстового провала на земной поверхности и охранного целика скважины №17, а рис. 2 - динамику развития рассолопритока в рудник до и после образования карстового провала[12].

Рис. 1. Геометрия карстового провала на БКР-1 и охранного целика скважины №17 на 21.08.2008

Рис. 2. Динамика развития рассолопритока в рудник до и после образования карстового провала

Предлагаемые технические решения по активной защите калийных рудников от затопления

Современный уровень инъекционных технологий подземного строительства и значительный прогресс в создании отечественных технических средств перекачки больших объемов газа под давлением позволили разработать комплекс специальных защитных мероприятий, максимально учитывающих специфику возникновения и развития аварий на калийных рудниках [13,14].

К этим особенностям относятся большие объемы выработанного пространства (часто недоступного) и изрезанность массива горными выработками, высокая растворимость солей, быстрое нарастание водопритоков, сопутствующее заражение рудничной атмосферы вредными газами, прежде всего сероводородом. Опыт аварии на БПКРУ-1 выявил также затруднения с определением точного места прорыва рассолов в рудник. Как и при любой аварии, следует учитывать психологические аспекты реакции персонала на внештатную ситуацию. Однако главной бедой, на наш взгляд, является отсутствие на сегодняшний день внятной концепции активной защиты калийных рудников от затопления и наличия соответствующих технических средств на объектах.

Предложенная концепция активной защиты рудников от затопления заключается в совместном применении на современной научнотехнической основе двух физических принципов давно известных специальных способов борьбы с водопритоками в подземном строительстве: кессонирования и тампонажа.

Сущность разработанных технических решений по кессонноинъекционной технологии ликвидации рассолопритока в рудник БПКРУ-1 сводилась к следующему:

• 1)    кессонированию рудника с целью прекращения поступления в него рассолов;

• 2)    определению конкретного места прорыва рассолов в рудник;

• 3)    ликвидации прорыва рассолов в рудник с помощью новейших инъекционных технологий, разработанных научно-производственным предприятием «Геоинъекция» и широко апробированных на подземных объектах страны.

Практическая реализация 1го пункта технических решений заключалась в перекрытии четырех стволов рудника перемычками и нагнетании через один из стволов воздуха в изолированное подземное пространство с целью создания в руднике необходимого давления, препятствующего дальнейшему поступлению рассолов. Другими словами предлагалось создать в объеме рудника временный кессон. Принципиальную схему кессонирования рудника иллюстрирует рис.3.

Рис. 3. Схема кессонирования рудника

Реализация этого мероприятия позволяла воспрепятствовать разрушению горных выработок, сохранить машины и оборудование в шахте и обеспечить необходимый резерв времени для ликвидации аварии.

Инъекционные скважины оборудуются перфорированными трубами диаметром 57 мм с резиновыми манжетами. Интервал перфорации трубы от 180 до 200м. Инъекционная обработка нарушенного массива соляномергельной толщи (СМТ) и покровной каменной соли (ПКС) выполняется карбамидными смолами КФЖ или КФ-МТ производства Губахинского завода «Метафракс», а также гидроактивными и анионоактивными полиуретановыми композициями Пермского НПО им С.М. Кирова. На каждую скважину инъектируется по 30т смолы: 10т – на забой для обработки нижележащей ПКС, 20 – интервально с помощью зонного инъектора из расчета 1т/м для обработки вышележащих ПКС и СМТ. Таким образом, в нарушенном массиве формируется защитная гидроизолирующаяся конструкция толщиной 30 метров из упрочненных пород. Сроки схватывания скрепляюших составов регулируются в пределах от 5 до 20 мин. Инъекция осуществляется при полном наборе в «руднике-кессоне» необходимого давления воздуха и установившемся уровне рассольного горизонта.

Схему выполнения работ иллюстрирует рис. 4, расположение скважин в плане – рис. 5. Рабочая площадка на земной поверхности показана на рис. 6. Для производства буроинъекционных работ используются самоходные буровые установки УРБ-2А-2Д на базе автомобилей КАМАЗ и ЗИЛ, вакуумные машины КО-409 на базе КАМАЗ, мобильные инъекционные комплексы. Основные технические показатели и объемы инъекционных работ приведены в табл. 1

Рис. 4. Схема выполнения инъекционных работ

Рис. 5. Расположение скважин в плане

Рис. 6. Совмещённый план земной поверхности г. Березники и горного отвода БКПРУ-1

Таблица 1

Основные технические показатели

№ п/п.	Технические показатели и объемы работ	Единицы измерения	Количество
1	Общее количество инъекционных скважин	шт.	25
2	Угол наклона инъекционных скважин	град.	90
3	Глубина бурения инъекционных скважин	п.м.	200
4	Общий объем бурения инъекционных скважин	п.м.	5000
5	Мощность упрочненного грунта одной скважины	п.м.	30
6	Общий метраж упрочнения инъекционных скважин	м.	750
7	Расход смолы на 1 п. м скважины	т.	1
8	Общий расход смолы на объект	т.	750
9	Общий расход щавелевой кислоты на объект	т.	40
10	Расход труб Ø 57 мм (стенка 6 мм) на объект	т.	50

В качестве нагнетательного оборудования предусматривалось использовать высокопроизводительные серийные турбокомпрессоры магистральных газопроводов и центробежные нагнетатели.

Основные характеристики отечественных машин:

ГТН - 10 (мощность М=10 МГвт)

ГТН – 16 (мощность М=16 МГвт)

ГТН – 25 (мощность М =25 МГвт)

Производительность компрессорной станции на основе машин типа

ГТН – 25 (при 3-х работающих и 2-х резервных) составляет 90 млн.

м3/сут при давлении в трубопроводе 7,5 МПа.

Достаточная толщина перемычки составляет 4,2м. Принимаем В=5м для уменьшения фильтрационных потерь и работ.

повышения безопасности для создания кессона в

Расчет времени работы компрессоров руднике производится по формуле:

W t=            ,

K⋅M⋅η где: W – необходимая работа по нагнетанию воздуха до определенного давления, дж;

М – единичная мощности компрессора, вт;

К – количество компрессоров на станции, К=3-5; η – коэффициент полезного действия, η=0,8.

При полной нагрузке станции (5 работающих компрессоров) её полезная мощность составит 100 МГвт.

Потребное время для создания максимального давления Р руд =3 МПа составит:

t ₁

8,57 - 10 14

5 - 25 - 0,8 - 10 6

= 8,57 - 10 6 сек-99 суток;

для достижения давления Р руд =2 МПа:

t ₂

5,03 - 10¹⁴

= 5,03 - 10 6 сек-58 суток;

5 - 25 - 0,8 - 10 6

для достижения давления Р руд =1 МПа:

t

1,94 - 10¹⁴

5 - 25 - 0,8 - 10 6

= 1,92 - 10 6 сек

≈22 суток.

При наличии двух работающих станций время активного нагнетания t 1 , t 2 и t 3 составит, соответственно 50, 29 и 11 суток.