ВВЕДЕНИЕ

Поданным академика РАН В. В. Ржевского, только 25 % националь­ ного дохода России получено от продукции морей, рек, пашен, лесов и все­ го того, что находится на поверхности, а 75 % «рождаются» из того, что до­ бывают горняки из недр [ 1 ].

Одним из таких богатств являются залежи калийных магниевых солей, из которых горняки и обогатители получают чрезвычайно важные для сель­ ского хозяйства калийные удобрения (приложение 1).

На мировой рынок калийных удобрений в первую очередь влияет рост населенияЗемли, увеличивающий потребность в продуктах питания. О бъ ­ ем производства калийных удобрений в различных странах определяется неравномерным географическим распределением ресурсов калийных со­ лей, разными масштабами сельскохозяйственного производства и уровнем потребления удобрений, удаленностью производства от районов сбыта продукции и т. д.

Со времени открытия калийных залежей в верховьях реки Камы про­ фессором П. И. Преображенским 6 октября 1925 г. прошло более 70 лет.

В1927 г. на Верхнекамском месторождении калийных солей началось строительство первого (Соликамского) рудника, который был пущен в экс­ плуатацию в 1934 г. В 1930 г. в г. Березники началась проходка первого ствола будущего Березниковского калийного комбината, первая очередь которого была введена в 1954 г., а вторая — в 1963 г.

В1964 г. в Березниках было создано производственное объединение «Уралкалий».

В1969—1970 гг. пущен в эксплуатацию Второй Березниковский ка­ лийный комбинат, а в 1973—1974 гг.— Третье Березниковское калийное

рудоуправление (БКРУ-3). Практически одновременно — в 1973 г.— в строй действующих вошло Второе Соликамское калийное рудоуправле­ ние (СКРУ-2).

В 1981 г. ПО «Уралкалий» разделилось по территориальному призна­ ку на два производственных объединения: ПО «Уралкалий» (г. Березники) и ПО «Сильвинит» (г. Соликамск). И уже в рамках новых производствен­ ных структур построены и пущены в эксплуатацию в 1983 г. Третье Соли­ камское калийное рудоуправление (СКРУ-3) и в 1987 г.— Четвертый Б е­ резниковский калийный завод (БКЗ-4).

Калийная промышленность СССР, а позже России и Белоруссии, с на­ чала 70-х годов прочно заняла одно из ведущих мест в мире по объему про­ изводства калийных удобрений (приложение 2). В настоящее время

ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит» выпускают около 17 % мирового объема калийных удобрений [2].

По запасам калийного сырья Россия и Белоруссия также занимают од­ но из первых мест в мире (приложение 3 и 4).

На основных калийных месторождениях бывшего Советского Союза (Верхнекамском на Урале и Старобинском в Белоруссии) в настоящее вре­ мя эксплуатируется 9 рудников и еще один рудник на Краснослободском участке Старобинского месторождения находится в стадии строительства.

Кроме того, РУП ПО «Беларуськалий» планирует строительство шес­ того рудника на Березовском участке Старобинского месторождения, а ОАО «Уралкалий» — строительство пятого рудника на Усть-Яйвинском участке Верхнекамского месторождения.

В 2000—2005 гг. наблюдалась тенденция к увеличению потребления калийных удобрений в мире, особенно в Азии и Латинской Америке. Рост мирового спроса происходит на фоне сокращения вновь вводимых мощно­ стей в Канаде и США, что предполагает увеличение производства удобре­ ний за счет других производителей.

В 2002 г. общее производство калийных удобрений составило 27,2 млн т в пересчете на 100 % К20 . Ожидается, что в 2010 г. объем про­ изводства достигнет 40 —42 млн т, а к 2015 г.— 46 —48 млн т К20 (рисунок). По долгосрочным прогнозам зарубежных аналитиков ежегод­

учеными и специалистами в конце 70-х гг. прошлого столетия осуществи­ лись в полной мере. Технические решения, которые хороши для отработки мощных месторождений крепких руд, не в полной мере приемлемы при от­ работке калийных пластов. Но, тем не менее, принципиальный подход

к проблеме эффективной отработки пластов полезного ископаемого и соз­ дания рудника будущего интересен с позиции оценки нынешнего состояния технологий и техники на калийных предприятиях.

«Под рудником будущего понимается комплекс известных и прогнози­ руемых технических и технологических решений, реализация которых обеспечит высокую эффективность и безопасность горного производства. В развитии рудника будущего выделяются периоды короткой (5 —10 лет), средней (10—15 лет) и дальней (15 —30 лет) перспективы» [3].

Главным направлением технического прогресса в рудниках, как считал В. Р. Именитов, является применение самоходного оборудования, в основ­ ном, с автономным приводом, на пневмоколесном ходу, а также применение техники непрерывного действия по доставке руды в сочетании с самоходным оборудованием при проходке, бурении и на вспомогательных работах [4].

По его предположениям, со временем должно расшириться примене­ ние систем разработки с закладкой и дальнейшее продвижение получит идея подземного размещения перерабатывающего цеха с выдачей на по­ верхность только готового продукта.

Сейчас, по прошествии 25 лет со времени публикации вышеприведен­ ных прогнозов, можно говорить о том, сбылись или нет долгосрочные про­ гнозы ученых.

На калийных рудниках Верхней Камы практически повсеместно при­ меняется закладка выработанных пространств. Более того, объемы закла­ дочных работ в настоящее время превышают объемы закладки, производи­ мые в советское время. Так, в 2003 г. объем закладки в ОАО «Уралкалий» составил 4,8 млн т, в 2004 г. ОАО «Сильвинит» — 6,1 млн т.

Идея подземного размещения цеха первичного обогащения калийных руд, к сожалению, не реализована в промышленных масштабах, хотя в свое время группой молодых ученых из Белоруссии — А. В. Азизбекяном идр.— были успешно проведены опытные работы.

Тем не менее определенные подвижки в этом направлении уже есть. Так, на руднике Четвертого Березниковского рудоуправления завершается строительство первого в России подземного склада руды, планируется соз­ дание такого склада и на Втором Березниковском руднике.

Способ вскрытия калийных залежей является, пожалуй, самым кон­ сервативным элементом «рудника будущего», поскольку в ближайшие де­ сятилетия не ожидается существенных изменений в способах вскрытия ка­ лийных пластов. При их залегании на значительной глубине вскрытие бу­ дет осуществляться традиционным способом — вертикальными стволами.

В случае неглубокого залегания пластов теоретически невозможно вскрытие наклонными стволами с полной конвейеризацией транспорта.

Способы подготовки и отработки шахтных полей калийных рудников также не претерпят существенных изменений. При разработке пластов по­ логого падения сохранится панельный способ, с нарезкой обычных (400 м) или «широких» панелей, предполагающих использование новых способов

Глава I

ГЕОЛОГИЯ КАЛИЙНЫХ МЕСТРОЖДЕНИЙ

И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

ИХ РАЗРАБОТКИ

К настоящему времени в земной коре известно не менее 150 соленосных пород, из которых в 25 обнаружены калийные соли, имеющие практическую ценность. Общие геологические запасы калийсодержащих солей оценива­ ются в 200 млрд т в переводе на окись калия (К20 ), из которых на террито­ рии России и стран СНГ находится не менее 60 млрд т [5].

По запасам сырья крупнейшие калийные месторождения распределя­ ются в следующей последовательности: Саскачеванское в Канаде, Верхне­ камское и Непское в России, Ганноверское в Германии и Старобинское Республике Беларусь и. Условия залегания калийных солей и их минераль­ ный состав характеризуются большим разнообразием, характерным как для различных месторождений, так и для условий одного месторождения. Ниже рассмотрим эти особенности.

1.1.Образование и минеральный состав калийных солей. Краткие сведения о геологии Верхнекамского

иСтаробинского месторождений

Появление калийных пород связано с процессами естественного испа­ рения воды из солеродных водоемов, повышения концентрации рассолов и последующего осаждения кристаллов на дно водоемов [6].

За время образования соляных пород изменялись климатические усло­ вия, в солеродные водоемы постоянно или периодически поступали воды из океана, воды поверхности стока, подземные и другие воды, что изменяло во времени концентрацию солей в водоеме, минеральный состав рассолов и закономерность осаждения кристаллов. Это определило геологическое строение калийных месторождений, которые всегда представлены систе­ мами многократно переслаивающихся пластов калийной, каменной и несо­ левых пород (доломиты, ангидриты, мергели и др.).

В процессе солеобразования происходило накопление осадочных пород, которые впоследствии образовали различные соляные толщи (пласты). О п­ ределенное влияние на формирование залежей оказывали процессы размы­ вания, перемещения и выщелачивания калийных пород, которые происходи­ ли в зонах циркуляции подземных вод и рассолов. Горизонтальные залежи

пород (глинистые минералы, ангидрит и др.). Из карналлитовых пород, в основном, получают магний и в небольших количествах хлористый калий.

Хартзальц состоит из сильвина, содержание которого изменяется от 10 до 25 %, галита — до 60 %, кизерита — 20 —25 %, иногда в хартзальц входит ангидрит.

Каинитовая порода содержит каинит, количество которого изменяется от 15 до 90 %. Каинитовые породы встречаются сравнительно редко.

Каинито-лангбейнитовая порода содержит каинит и лангбейнит, при повышенном содержании лангбейнита порода называется лангбейни- то-каинитовой.

Полигалитовая порода содержит полигалит, количество которого из­ меняется от 30 до 80 %, содержание воды составляет 9 — 11 %. Полигалитовые породы пока не разрабатываются, так как их переработку на сульфат калия или калимагнезию пока технологически сложно осуществлять.

Отечественные и зарубежные калийные месторождения имеют весьма разнообразные геологические характеристики и отличаются рядом особен­ ностей (табл. 1.2).

Соленосная толща самого крупного в мире по запасам калийных солей

диональном направлении на 205 км, при ширине, достигающей 55 км, при максимальной мощности до 550 м.

В верхней части разреза соленосной толщи иреньской серии кунгурского яруса ранней перми под сравнительно маломощной покровной ка­ менной солью располагается зона калийных пород (средняя мощность 72 м), развитая на площади более 3680 км2 [7].

Калиеносная залежь прослежена в меридиональном направлении на 135 км, ширина достигает 40 —45 км. Ее площадь делится на три практиче­ ски равные части: северную I — около 1250 км2, центральную II (Соликам­ ский регион) — 1200 км2 и южную III — (Березниковский регион) — 1300 км2 (см. рис. 1.1) [8].

Общие запасы сильвинита составляют 113,2 млрдт, по каменной со­ ли — 4,65 трлн. т. Запасы карналлита — 96,4 м л р д т[7].

Зона калийных солей представлена чередующимися пластами калий­ ных пород и каменной соли. По составу калийных минералов выделены две пачки (рис. 1.2): верхняя сильвинит-карналлитовая (средняя мощ ­ ность 60 м) и нижняя — сильвинит-карналлитовая (средняя мощность 21 м). В состав сильвинитовой пачки входят три пласта красных сильви­ нитов (Красный I, Красный II, Красный III) и один пласт полосчатого сильвинита (А), непосредственно над которым залегает нижний пласт Б карналлитовой пачки. Однако на 70 % площади пласт Б представлен пе­ стрым сильвинитом.

Выше пласта Б в разрезе карналлитовой пачки выделяются еще восемь пластов карналлитовой породы (В -К ). На части площади месторождения и выше пласта Б карналлитовые породы замещены пестрыми сильвинитами.

В настоящее время из всех карналлитовых пластов разрабатывается только пласт В и то только на части месторождения. На большей площади распространения (64,5 %) этот пласт представлен карналлитом, на мень­ шей — пестрым сильвинитом (25,6 %) и смешанной породой (9,5 % ) [8]. Кроме того, на ограниченных участках внутри площади распространения пестрых сильвинитов сильвин замещен галитом (0,4 %).

Пласт Красный II — основной продуктивный пласт, состоящий из семи слоев, обозначенных порядковыми номерами сверху вниз. Нечетные слои 1,3, 5, 7 — представлены сильвинитом, четные 2, 4 и 6 сложены в основ­ ном каменной солью (галитом).

Второй по промышленному значению — пласт АБ, объединяет верх­ ний пласт сильвинитовой литозоны и нижний пласт сильвинит-карналли- товой пачки.

Пласт В — третий промышленный пласт сильвинит-карналлитового со­ става. Он состоит из шести слоев, нумерующихся снизу вверх. Четные слои богаты карналлитом, нечетные представлены преимущественно галитом.

Наиболее богатые руды находятся в пределах южной (Березников­ ской) части, промежуточное положение занимают сильвиниты централь­ ной (Соликамской) части, а наиболее бедные руды находятся на севере Верхнекамского месторождения.

Содержание нерастворимого остатка (Н. О .)увеличивается в юго-вос­ точном направлении, что обусловлено влиянием вод поверхностного стока, которые приносили карбонатно-глинистый материал в солеродный бас­ сейн [9]. Причем наиболее высоким содержанием Н. О. отличаются поро­ ды южной, а самым низким — породы центральной части месторождения.

Старобинское месторождение калийных солей расположено в се­ веро-западной части Припятского прогиба, в западной части Шатилковской впадины. Площадь месторождения около 350 км2

Калийная толща относится к отложениям девонского периода и пред­ ставляет собой пластообразную залежь широтного простирания. Падение пластов — северо-восточное (угол падения до 6°).

Калийные отложения, слагающие четыре пласта (горизонта), хорошо прослеживаются в границах месторождения. Нумерация сверху вниз. Рас­ стояние между горизонтами в разрезе соленосной толщи изменяется от 50 до 200 м.

Суммарная мощность соляных пачек составляет 182м (рис. 1.3) [ 10]. Первый горизонт распространен в основном в центре месторождения.

Глубина залегания — 350—620 м, мощность калийного пласта — 2 —5 м, со­ держание КС1 — 15,9—23,7 %, нерастворимого остатка — до 19—21 % [ 11 ].

Второй горизонт распространен на значительно большей площади.

Примечание. Прослеживая распространение продуктивных пластов по разрезу соленосной залежи, попытаемся оценить справедливость гипотезы д-ра геол.-мин. наук В. И. Копнина о грушевидной форме распределения по вертикальному разрезу массы ка­ лийных солей в пересчете на количество хлористого калия [ 12]. Верхней частью «гру­

ши», на наш взгляд, является I горизонт, затем по мере углубления залегания пла­ стов происходит ее утолщение (II гори­ зонт), достигающее максимума на уровне III горизонта. Далее прослеживается по­ степенное выклинивание калийной зале­ жи и уменьшение области ее распростра­ нения (IV горизонт).

Глубина залегания пород II го­ ризонта — 380—700 м. Горизонт представлен двумя (верхним и ниж­ ним) слоями сильвинита и одним (средним) слоем каменной соли. Мощность верхнего слоя 0,6—0,9 м, содержание хлористого калия до 40 %. Средний слой мощностью 0,4—1 м (КС1 — 2 —5 %) залегает непосредственно над нижним силь-

27—32 %, нерастворимого остат­ ка — 3 —8 %.

Третий горизонт представлен тремя пластами: верхним сильвинитовым, средним глинисто-кар- наллитовым и нижним сильвинитовым. Мощность пластов сверху вниз: 13—16; 4,5 —17 и 7 —8 м. Продуктивным является только нижний пласт, состоящий из шести

Рис. 1.3. Разрез соленосной толщи Старо-

бинского месторождения калийных солей: / — ангидритовые и карбонатно-ангидрито­

(сверху вниз) сильвинитовых слоев каменной соли мощностью 0,1 —1,3 м. Из сильвинитовых слоев промышленное значение имеют только второй, третий и четвертый слои суммарной мощностью 4 4,5 м, с содержанием

тый горизонт находится на глубине 600—1350 м. Геологическое строение этого горизонта мало изучено. В средней части залегает мощный пласт сильвинита (25—35 м) с содержанием КС1 16—18 %.

В состав РУП ПО «Беларуськалий» входят четыре рудоуправления (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Обзорная карта Старобинского месторождения калийных солей: / — границы действующих шахтных полей; 2 — границы перспективных участков; 3 — краснослободский разлом; 4 — граница распространения I калийного горизонта; 5 — намечаемый к от­ работке I калийный горизонт в пределах 1РУ

Первое Солигорское рудоуправление введено в эксплуатацию в 1963 г. В 2004 г. полностью завершена отработка запасов руды на II калийном гори­ зонте. Наиболее значимой мерой по поддержанию мощностей рудоуправле­ ния является вовлечение в отработку запасов III калийного горизонта Бере­ зовского участка, расположенного в южной части шахтного поля Четвертого рудоуправления (см. рис. 1.4) [13].

Второе Солигорское рудоуправление начали эксплуатировать с 1965 г. В связи с исчерпанием запасов II горизонта к 2010 г. планирует­ ся ввод в эксплуатацию в 2009 г. Краснослободского рудника, который обеспечит обогатительную фабрику Второго рудоуправления рудой еще на 35 лет.

Перспективным для Второго рудоуправления является прирезка запа­ сов Кривичского участка Старобинского месторождения (см. рис. 1.4).

Третье Солигорское рудоуправление введено в эксплуатацию в 1969 г. После 2015 г. из-за сокращения фронта очистных работ на II и III горизон­