Полигалитовые залежи нижнего горизонта в виде пластов и линз залегают на глубине 235-770 м и имеют меридиональное простирание и падение на запад и восток под углами 30-60°. Пласты образуют три пачки, разделенные толщей каменной соли с прослоями ангидрита и других пород. Длины верхней, средней и нижней пачек с перерывами составляют соответственно 10, 14 и 18 км при ширине от 250 до 1000 м. Средние мощности пачек составляют 37, 23 и 75 м.
Верхний горизонт калийных солей представлен сильвинитами и сильвинито-карналлитами, отделен от полигалитового горизонта толщей каменной соли мощностью от 30 до 120 м. Сильвиниты и сильвинито-карналлиты залегают в виде пластообразных линз длиной от 1 до 6 км, шириной от 150 до 500 м, вытянутых в меридиональном направлении. Глубина залегания линз изменяется от 318 до 670 м, мощность - от 1 до 70 м.
Соленосная толща, заключающая продуктивные пласты, благоприятна для проходки горных и горнодобывающих выработок, так как сложена устойчивыми породами с трещинами, заполненными галитом, гипсом, ангидритом. Физико-механические свойства пород толщи приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Физико-механические свойства пород соленосной толщи
|
№ п/п |
Наименование пород |
Объемный вес, г/см3 |
Влажность естеств., % |
Временное сопротивление, кг/см |
коэф. крепости по Протодьяконову |
коэф. разрыхления |
||
|
сжатию |
растяжению |
изгибу |
||||||
|
1 |
Мергели и аргиллиты |
2,13 - 2,23 |
16,6 - 21,2 |
|
|
|
2 |
1,33 |
|
2 |
Песчаники и ангидриты |
2,6-3,0 |
3,6 -14,8 |
|
|
|
6 |
1,45 |
|
3 |
Каменная соль и сильвинит |
2,07 |
|
205-260 219 |
|
|
2,2 |
1,35 |
|
4 |
Полигалит |
2,48 |
|
145-382 291,5 |
22-40,9 31,15 |
65,1-73,1 69,1 |
3 |
1,45 |
Определение физико-механических свойств полигалитовых пород Жилянского месторождения проводил в 1957 году Государственный научно-исследовательский институт горно-химического сырья, результаты испытаний (по скважине № 93) представлены в таблицах 2-4.
В материалах разведочных работ отсутствуют данные по физико-механическим характеристикам сильвинитовых и вмещающих пород. В соответствии с общепринятыми принципами приведены характеристики по месторождениям, близким по геологическому строению.
Таблица 2 - Результаты испытаний образцов полигалита на сжатие
|
Описание пород |
Глубина взятого образца, м |
Диаметр d, см |
Высота h, см |
Площадь S, см2 |
Максималь-ная нагрузка, Q,кг |
Временное сопротивление сжатию sсж = Q/S, кг/см2 |
|
Полигалитовая руда с кристаллами каменной соли |
243,00 |
9,3 |
18,6 |
67,9 |
17560 |
259 |
|
То же |
250,20 |
9,2 |
18,4 |
66,4 |
16440 |
247 |
|
» |
255,30 |
9,2 |
18,4 |
66,4 |
18680 |
231 |
|
» |
259,20 |
9,2 |
18,4 |
66,4 |
22040 |
331 |
|
» |
262,50 |
9,0 |
18,0 |
63,6 |
20920 |
329 |
|
Полигалитовая руда с просечками каменной соли |
485,20 |
7,4 |
14,6 |
42,9 |
12660 |
294 |
|
Богатая полигалит. руда с каменной солью по трещинам |
498,00 |
7,4 |
14,7 |
43,0 |
14280 |
332 |
|
То же |
499,00 |
7,4 |
14,7 |
43,0 |
6250 |
145 |
|
» |
502,00 |
7,4 |
14,7 |
43,00 |
5625 |
131 |
|
Полигалитовая руда с прослойками каменной соли |
505,00 |
7,4 |
14,17 |
43,0 |
11050 |
256 |
|
Богатая полигалитовая руда |
511,00 |
7,4 |
14,7 |
43,0 |
16440 |
382 |
|
То же |
521,80 |
7,3 |
14,6 |
41,3 |
15360 |
372 |
|
Богатая полигалитовая руда с каменной солью |
524,85 |
7,3 |
14,5 |
41,3 |
13200 |
320 |
Определяющим фактором выбора системы разработки для условий соляных месторождений (в том числе и калийных) является первостепенная необходимость защиты рудников от постоянно существующей угрозы затопления водами из вышерасположенных водоносных горизонтов [2, 3, 5]. Защита от затопления должна быть обеспечена наличием над разрабатываемым соляным (калийным) пластом необходимой мощности водозащитной толщи (ВЗТ) и выбором параметров систем разработки, которые должны соответствовать фактической мощности ВЗТ (т.е. зона техногенных водопроводящих трещин, образуемых над разрабатываемыми пластами, не должна достигать кровли ВЗТ с сохранением ненарушенной водозащитной потолочины).
Таблица 3 - Результаты испытаний на растяжение
|
Описание пород |
Глубина взятого образца, м |
Площадь S, см2 |
Максимальная нагрузка, Q,кг |
Временное сопротивление растяжению sраст = Q/S, кг/см2 |
|
Богатая олигалитовая руда с кристаллами каменной соли |
245,70 |
6,25 |
160 |
25,6 |
|
Богатая полигалитовая руда |
245,70 |
7,50 |
285 |
38,0 |
|
То же |
246,80 |
7,00 |
280 |
40,0 |
|
» |
247,20 |
7,50 |
220 |
29,4 |
|
Полигалитовая руда с прослойками каменной соли |
503,90 |
5,25 |
115 |
22,0 |
|
Богатая полигалитовая руда |
507,00 |
6,16 |
200 |
32,5 |
|
Полигалитовая порода с каменной солью |
515,00 |
4,75 |
155 |
32,7 |
|
Богатая полигалитовая руда |
521,80 |
5,40 |
175 |
32,4 |
|
Богатая полигалитовая руда с каменной солью |
523,75 |
5,25 |
135 |
25,7 |
|
Богатая полигалитовая руда |
251,00 |
5,40 |
175 |
32,5 |
|
Полигалитовая руда |
237,50 |
5,25 |
215 |
40,9 |
Таблица 4 - Результаты испытаний на изгиб
|
Описание пород |
Глубина взятого образца, м |
Размер балочки |
Вес груза Р, кг |
Изгибающий момент, Мизг, кг ´ м |
Сопротивление изгибу Мизг Wх, кг/см2 Мизг/Wx, КГ/СМ |
|
|
|
|
а |
b |
|
|
|
|
Богатая полигалитовая руда с кристаллами каменной соли |
259,90 |
42 |
42 |
4,1 |
820 |
66,6 |
|
То же |
251,00 |
42 |
42 |
4,5 |
900 |
1Ъ,\ |
|
» |
258,50 |
42 |
42 |
4,0 |
800 |
65,1 |
|
» |
260,10 |
42 |
42 |
4,1 |
820 |
66,6 |
|
Богатая полигалитовая порода с каменной солью |
267,80 |
42 |
42 |
4,2 |
840 |
68,2 |
|
Богатая полигалитовая руда |
270,20 |
42 |
42 |
4,7 |
940 |
76,4 |
Водозащитная потолочина. Калийные пачки месторождения размещены среди соленосной толщи. Минимальная мощность каменной соли вверху над пачками обычно составляет от 11-25 до 245 м. На соляное зеркало выходит только верхняя полигалитовая пачка на XV профиле и две сильвинитовые: нижняя восточного крыла на IX профиле и верхняя западного крыла на III профиле. Здесь необходимо оставление водозащитного целика толщиной (по аналогии с соляными месторождениями Предкарпатья) 60 м на абсолютных отметках плюс 10 - минус 50 м. О достаточности мощности целика свидетельствует следующее:
- соляное зеркало не обводнено;
- выше соляного зеркала залегает сульфатно-терригенная толща, сложенная гипсами, ангидритами и мергелями с прослоями обводненных песчаников. Мощность безводных сульфатов между соляным зеркалом и обводненными песчаниками изменяется от 10-30 до 180-215 м и в частности над пачками, выходящими на соляное зеркало - от 10 до 270 м. Поэтому мощность водозащитного целика увеличивается до 70-270 м.
У нижнего полигалитового пласта мощность водозащитной толщи максимальная.
У среднего полигалитового пласта мощность водозащитной толщи изменяется в значительных пределах, минимальное значение 75 м.
Особенностью Жилянского месторождения является значительная мощность продуктивных пластов. Отработка таких пластов лавами практически невозможна и нецелесообразна по следующим причинам:
- при отработке пласта лавами на мощность 10 метров и более потребуется наличие мощности ВЗТ более 435 метров;
- невозможность обеспечения безопасной подработки существующих ответственных объектов на земной поверхности.
Применение камерной системы позволяет исключить эти ограничения и негативные последствия, учитывая, что:
- камерная система позволяет осуществить закладку очистных камер отходами
обогащения, технология, которой успешно применяется на калийно-соляных рудниках, выполняя при этом регламентирующие требования «Единых правил безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом» в части необходимости применения закладки; - камерная система с закладкой позволяет значительно снизить величины деформаций подрабатываемой ВЗТ и земной поверхности, обеспечивая при этом защиту рудника от затопления и необходимую охрану объектов на земной поверхности от влияния горных работ;
- по производительности при разработке калийных месторождений современные проходческо-добычные комплексы, применяемые на камерной системе, не уступают лавам, а их цена существенно ниже, что обеспечивает меньшую себестоимость добычи руды при данной технологии.
Таким образом, с учетом вышеизложенного, для отработки запасов калийных солей Жилянского месторождения рекомендована камерная система разработки с закладкой выработанного пространства.
Одним из определяющих факторов безопасной эксплуатации месторождения является состояние прочностных свойств вмещающих и особенно перекрывающих, пород [7, 8].
Сравнительная оценка прочностных свойств пород Жилянского месторождения по отношению к Верхнекамскому [3] и Старобинскому месторождениям свидетельствует о следующем:
- геологическое строение и состав горных пород в непосредственной кровле продуктивных пластов на площади Жилянского месторождения более благоприятно в части обеспечения устойчивого состояния кровли проходимых горных выработок. Породный массив непосредственной кровли относится к крупнослоистому;
- фактор отсутствия в составе полигалитовых и сильвинитовых пород глинистых прослоев, а также наличия включений ангидритового материала, являющегося основным составляющим нерастворимого остатка (Н.О.) в руде, работает не на ослабление породного массива в калийном пласте, а на его укрепление, что также является более благоприятным условием для обеспечения устойчивого состояния боковых стенок горной выработки. Породный массив калийных пластов также относится к крупнослоистому;
- отсутствие в составе пород непосредственной кровли и в калийных пластах явно выраженных и достаточно мощных прослойков глинистых пород, способных ослаблять массив, а также крупнослоистость породного массива, не требуют при определении расчетного значения сопротивления пород сжатию (Rс) применения понижающих коэффициентов. Расчетное сопротивление пород сжатию следует принимать по прочности испытуемых образцов;
- мощные высокопрочные породные пачки в составе соленосной толщи, которые будут воспринимать основную часть горного давления от налегающей породной толщи, на достаточно больших площадях обеспечат благоприятные условия по поддержанию кровли и боковых стенок проходимых выработок, а также обеспечат благоприятные условия ведения очистных работ.
- широкое распространение внутрисоляной складчатости, о чем свидетельствуют данные по керну разведочных скважин. Мелкие складчатые структуры существенно влияют на горно-геологические условия отработки промышленных пластов. Внутрипластовая складчатость приводит к изменению первичных мощностей слоев, слагающих промышленные пласты и тем самым влияет на изменчивость их состава. Межпластовая складчатость сопровождается увеличением вертикальной мощности пластов (и соответственно, высоты камер). Вместе с тем отмечается положительное влияние мелкой складчатости на устойчивость кровли выработок. Развитие складчатых структур всех порядков не приводит, как правило, к образованию разрывных нарушений и трещин.
Представленные данные показывают, что, несмотря на значительную глубину отработки, инженерно-геологические и горнотехнические условия Жилянского месторождения в части устойчивости пород кровли и калийного пласта не менее благоприятны по сравнению с рудниками Верхнекамского и Старобинского месторождений.
Разработка пластов калийных солей часто сопровождается газовыми выделениями и внезапными выбросами пород, представляющими серьёзную опасность для горняков [6, 9].
Главные компоненты как свободных, так и связанных газов представлены азотом, водородом, углекислым газом и углеводородами с преобладанием метана.
Содержание микровключенных газов в солях намного выше, чем свободных. Микровключенные газы чаще всего представлены в основном азотом - свыше 50% (обычно 80-90 %). Другие газы имеют подчиненное значение. Свободные газы по сравнению с микровлюченными содержат повышенное количество углеводородов, углекислого газа и водорода. Доля азота снижается до 40-50 % .
Общая газоносность пород Жилянского месторождения составляет 0,07-0,1 м3/м3. В составе газов пребладает азот (в среднем 64 %), метан и тяжелые углеводороды - 16,5 %, углекислый газ -16 %, водород - 3,5 %. Породы не выбросоопасны, необходимость введения на руднике газового режима отсутствует.
Особых геологических факторов (аномалий), осложняющих отработку месторождения, нет. Газоносность горных пород и геотермические условия при сравнении с другими калийными и соленосными месторождениями не потребуют специальных мероприятий при ведении горных работ [4]. Силикозоопасная и пожароопасная пыль образовываться не будет. Результаты исследований использованы для разработки ТЭО строительства горно-обогатительного комбината на базе Жилянского месторождения калийных солей.
Рецензенты:
Середин В.В., д.г.-м.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и охраны недр Пермского государственного национального исследовательского университета, г.Пермь;
Владимир А.Н., д.г.-м.н., профессор кафедры поисков и разведки полезных ископаемых Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.