Затраты на ликвидацию ущерба инфраструктуре г. Березники и Березниковско-Соликамского промышленного района в результате техногенной аварии на руднике превысили 25 млрд. руб. Стоимость потерянных запасов полезных ископаемых на БПКРУ-1 оценивается в 20 млрд. дол. США.
При строительстве Первого Соликамского и Первого Березниковских рудников предусматривалась камерная система отработки с оставлением «жестких» междукамерных целиков, поддерживающих налегающую толщу пород.
В результате такой разработки гг. Соликамск и Березники оказались частично на подработанной территории. При строительстве Второго Березниковского рудника в конце 60-х годов были выявлены неблагоприятные горно-геологические условия, выразившиеся в низкой устойчивости пород кровли при применении комбайновых комплексов для отбойки руды. Так же оказалось необходимым уменьшить поперечный пролет очистных выработок с 10-16 м до 3-6 м с арочной формой выработок.
В июле 1986 г. Третий Березниковский рудник был затоплен в результате прорыва рассолов, располагающихся над соляными отложениями, в выработанное пространство. Рассолопроявления начались в январе в отрабатываемом блоке № 8 4-й западной панели. Количество рассолов, поступивших в рудник, составило около 15 млн. м³.
В процессе выщелачивания солей над блоком № 8 произошло обрушение земной поверхности с образованием провала (воронки) длиной до 80 м и шириной до 50 м.
В аварийном блоке отрабатывался один пласт Кр II механическим способом с оставлением «податливых» целиков. Верхний пласт не отрабатывался как некондиционный по составу. Отработка блока велась обратным порядком, догоняющим забоем с движением очистных работ на выработанное пространство, закладка которого не осуществлялась. В вышележащих породах, защищающих отрабатываемый пласт от рассольного горизонта мощностью около 100 м, имелась зона с измененным составом пород, что указывает на наличие происходивших в массиве вторичных геологических процессов. На момент аварии оседание подработанной земной поверхности во внутренней границе мульды сдвижения пород составило 1,2 м при максимальной скорости оседания 180 мм/мес.
В январе 1995 г. на Втором Соликамском руднике произошла авария, повлекшая мгновенное массовое разрушение междукамерных целиков, обрушение пород кровли очистных камер, междупластий с одновременным выделением и вспышкой природных газов. Объем разрушенных пород составил около 3 млн. м³, выделилось примерно 1 млн. м³ газа. Несколько сейсмических станций зафиксировали сейсмический сигнал длительностью 4 мин с магнитудой 3,8 и энергией 1-Ю10 Дж. Разрушение сопровождалось мгновенным оседанием земной поверхности над очагом до 4,5 м. [10-12].
В октябре 2006 г. произошел прорыв рассолов в горные выработки 4-й западной панели Первого Березниковского рудника, спасти его от затопления не удалось.
На месте прорыва рассолов в июле 2007 г. на земной поверхности образовался провал 55x80 м с последующим увеличением его размеров до 200 м, глубиной 110 м. Одновременно с поступлением в горные выработки рассолов выделилось большое количество сероводорода, что указывало на происхождение рассолов как надсолевых, а не внутрипластовых.
В районе аварийного участка имеется геологоразведочная скважина № 17, вокруг которой, согласно действующим нормативным документам, был оставлен охранный целик на отрабатываемых пластах, вблизи находился целик под промышленную площадку. В зоне охранного целика вокруг скважины очистные работы изменялись от двух пластовой к одно пластовой и резко к трех пластовой схеме отработки свиты пластов. В подработанной земной поверхности оседания до момента аварии достигли 4 м при средней скорости около 200 мм/год. В рассматриваемом районе шахтного поля подработанный массив горных пород имел аномальное строение, которое выражалось в изменчивости литологического состава от происходивших вторичных гипергенных геологических процессов [1, 7, 11, 12].
Рис. 1.
Провал поверхности 4-й западной панели Первого Березниковского рудника.
Необходимо отметить, что по геофизическим данным в разрезе отмечался резкий перегиб поверхности контакта солей и вышележащего рассольного горизонта, который в случае интенсивного оседания мог стать концентратором появления касательных трещин.
Последующее события развивались следующим образом: стабильный водоприток в рудник с дебитом 1600-2000м³/час в течение 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.2. иллюстрирует динамику развития рассолопритока в рудник до и после образования карстового провал.
Существенное влияние на неблагоприятную геомеханическую обстановку оказали целики под промплощадку и геологоразведочную скважину, а также целик на пласте АБ в выработанном пространстве из-за неотработанных камер. Возможно, негативное влияние оказали происшедшие многочисленные мощные газодинамические явления при отработке карналлитового пласта В, полости от которых распространялись до вышележащих пластов Г, Д.
Рис. 2.
Динамика развития рассолопритока в рудник до и после образования карстового провала
Следует отметить, что провал приурочен к пойме старого русла р. Зырянка, в ее изгибе, а это свидетельствует о возможном наличии в данном районе разлома в породном массиве. Кроме того, аварии произошли в зонах вторичных геологических процессов, что фиксируется по изменению литологического состава как отрабатываемых пластов Б, В, так и вышележащих, входящих в водозащитную толщу.
Известно, что в процессе метасоматоза нарушаются связи между отдельными кристаллами, зернами, блоками, слоями, что приводит к снижению прочностных свойств пород. В случае, когда метасоматоз не закончился, указанные связи не успевают восстановиться на прежнем энергетическом уровне, и руды в этих зонах имеют пониженную связанность и прочность. По известным источникам, прочность пород в таких зонах на 25 % ниже, чем в нормальных условиях [3].
Хрупкое разрушение пород, иногда в динамичной форме, сопровождающее часто горные разработки и являющееся наиболее неблагоприятным видом реализации энергии горного давления, происходит при определенном сочетании геологических и горнотехнических условий в результате концентрированного накопления потенциальной энергии упругого сжатия горных пород. Характеризуется оно внезапным высвобождением энергии в виде мгновенного разрушения предельно-напряженных областей горных пород с последующим проявлением деформаций, сдвижения и колебания окружающего массива пород. В момент, когда рудные или породные целики не выдерживают приложенных к ним нагрузок и начинают разрушаться, сжатые массивы горных пород, расположенные выше и ниже их, получают возможность расширяться и отдавать свою энергию прежде всего на повышение интенсивности разрушения целиков и сотрясение горного массива.
Рис. 3.
Состояние провала в 2009 г.
По провалу земной поверхности, который не ликвидирован, рассолы приближаются к поверхности, что может привести к их разливу по территории промышленной площадки, попаданию в р. Кама, затоплению железнодорожной станции Березники, на которой уже зафиксированы единичные провалы. В настоящее время в Березниках насчитывается уже 4 провала. Три появились после затопления БКРУ-1 в 2006 году. Через год провалилась поверхность около фабрики технической соли прямо на территории первого рудоуправления. Затем провал на территории вокзала. Провалы увеличиваются в размерах (рис. 3 и 4).
Рис. 4.
Состояние провала в 2016 г.
Для предотвращения опасности разлива рассолов вокруг провала в 2007 году началось строительство отсечной ограждающей дамбы для предотвращения притоков воды из Камы в зону провала.
Осенью 2012 года было решено ликвидировать провал путем засыпки песчано-гравийной смесью. Во время работ обрушились стенки провала, в результате чего туда рухнули несколько машин, в том числе экскаватор с водителем.
На Втором Соликамском руднике в эпицентре аварии находился целик от двух неотработанных очистных камер по верхнему пласту (отрабатывался массив в выработанном пространстве), на смежных, граничащих панелях к отработке было принято разное количество пластов - два и три с единой линией фронта, остановленных очистных работ. Оставленный в выработанном пространстве целик оказался концентратором предельных напряжений по отношению к вмещающим его породам. Закладка выработанного пространства на момент аварии не проводилась [1].
В настоящее время ведется строительство Усть-Яйвинского, Усольского калийных комбинатов и проектирование Палашерского. Указанные участки непосредственно примыкают к зонам произошедших аварий (рис. 5).
Рис. 5.
Ситуационный план разрабатываемых участков Верхнекамского месторождения.
Как показано в работе [13], эти участки относятся к тектонически напряженным зонам. Так как надсоляные отложения ВКМКС являются зонами трещиноватости, а слагающие их породы характеризуются высокой степенью гипергенных преобразований, в надсоленой толще возникает область повышенной пустотности, изменяется естественное поле напряжений. Ведение работ в таких областях приводит к повреждению в подработанном породном массиве.
Ситуация осложняется наличием в непосредственной близости от этих участков двух месторождений углеводородного сырья и одного месторождения пресных подземных вод, а также месторождения торфа, а в юго-западной части нефтяного месторождения.
Необходимо обратить внимание на общие особенности калийных рудников большие объемы выработанного пространства 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. При этом на рудниках нет разработанной концепции по купированию развития аварийных ситуаций.
На основании проанализированных материалов и сложившейся ситуации [1-5] предлагается систематизация причин аварийных ситуаций калийных рудников Верхнекамского бассейна, представленная на рис.6.
Рис. 6.
Систематизация причин возникновения аварийных ситуаций
Для ликвидации аварийных проявлений и защите рудника от полного затопления необходимо совместное применение комплекса специальных мероприятий, таких как тампонаж выработанного пространства, кессонирование выработок с целью купирования рассолопритоков и возведение специальных бетонных перемычек.
Необходимо, как указывалось в работе [3] провести следующие мероприятия:
-
провести по всем шахтным полям действующих рудников ретроспективный анализ по выявлению в выработанных пространствах зон повышенного горного давления;
-
в выявленных опасных по геомеханической обстановке зонах, включая опасную скорость оседания земной поверхности, оценить наличие угрожаемых природных зон по геологическим параметрам;
-
провести комплекс геофизических исследований для уточнения строения водозащитной толщи и, при установлении опасной ситуации, разработать комплекс профилактических мероприятий по предотвращению негативных последствий, включая дозакладку выработанного пространства (сухая закладка склонна к консолидации, гидравлическая - к усыханию);
-
проводить комплексный маркшейдерско-геодезический мониторинг массива горных пород, земной поверхности, зданий и сооружений.
Предлагаемый комплекс мероприятий показан на рис.7.
Рис. 7.
Предлагаемые мероприятия для предотвращения возникновения аварийных ситуаций при разработке Верхнекамского месторождения
