Научно-методическ ое обоснование гидрогеологических исследований для обеспечения разработки открытым способом месторождений алмазов в архангельской области

На правах рукописи

КОТЛОВ Сергей Николаевич

научно-методическое обоснование

гидрогеологических Исследований

для обеспечения разработки открытым

способом месторождений алмазов

В Архангельской области

Специальность 25.00.07 – Гидрогеология

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель –

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Антонов Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Павлов Александр Николаевич

кандидат геолого-минералогических наук

Назима Виктор Николаевич

Ведущее предприятие – ОАО «Гипроруда»

Защита диссертации состоится 15 июня 2011 г. в 16 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 13 мая 2011 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

к. г.-м. н., И.Г. Кирьякова

Общая характеристика работы

Актуальность работы связана с необходимостью освоения месторождений алмазов в Архангельской области, где открыта перспективная алмазоносная провинция, прогнозные запасы алмазов которой составляют около 800 млн. карат. В настоящее время месторождение алмазов им. М.В.Ломоносова уже разрабатывается открытым способом, а на месторождение им. В.П.Гриба начались вскрышные работы.

Рассматриваемый регион характеризуется особыми гидрогеологическими условиями разработки месторождений открытым способом, сложность которых определяется:

- региональным развитием вскрываемого карьерами мощного слоистого водоносного комплекса падунских отложений (V2pd), прорванного кимберлитовыми трубками,

- наличием закарстованных известняков и доломитов (C2ol-ok) в верхней части вскрываемой карьерами толщи,

- высокими притоками подземных вод (до 6000 м3/час) в карьеры и к системам заградительного дренажа,

- существенным влиянием на устойчивость бортов глубоких карьеров подземных вод, приуроченных к регионально развитым слабопроницаемых отложениям мезенской свиты (V2mz).

Большой вклад в развитие методики гидрогеологических исследований на месторождениях твердых полезных ископаемых внесли С.К. Абрамов, О.Б. Скиргелло, В.Д. Бабушкин, В.А. Мироненко, В.М. Шестаков, М.В. Сыроватко, Н.И. Плотников, И.Е. Жернов, Д.И. Щеголев, М.С. Газизов, В.Г. Румынин, Б.В. Боревский, А.А. Рошаль, Г.Н. Гензель и другие. Изучению и прогнозу техногенного режима подземных вод посвящены многочисленные труды Ю.А. Норватова. Однако, вопросы, связанные с вскрытием глубокими карьерами слоистых и неоднородных в плане водоносных толщ, требуют дополнительного анализа гидрогеологических условий освоения месторождений, разработки методических принципов гидрогеологической разведки и обоснования оптимальных дренажных мероприятий на карьерных полях.

Цель работы. Повышение эффективности гидрогеологической разведки и обеспечение достоверности прогноза техногенного режима подземных вод при освоении месторождений алмазов.

Основные задачи исследования:

– анализ естественного режима подземных вод с оценкой особенностей условий питания и разгрузки четвертичного и дочетвертичного водоносных комплексов;

– разработка методики проведения опытно-фильтрационных работ (ОФР) для определения фильтрационных параметров неоднородного в плане водоносного горизонта закарстованных доломитов;

– совершенствование методики опробования анизотропных водоносных комплексов с использованием тензометрической аппаратуры;

– разработка методики определения высоты промежутка высачивания подземных вод на откосах бортов карьера в зависимости от степени анизотропии водоносных комплексов;

– подготовка рекомендаций по методике оптимизации параметров дренажных систем с применением численных геофильтрационных моделей;

– разработка системы гидрогеологического мониторинга, обеспечивающего совершенствование постоянно действующей численной геофильтрационной модели, оптимизацию параметров дренажной системы, контроль устойчивости бортов карьера и экологической безопасности горных и дренажных работ.

Научная новизна:

–установлена стабильность в годовом цикле и неравномерность по площади интенсивности питания дочетвертичных водоносных комплексов, которые определяют условия формирования водопритоков в карьеры и к системам заградительного дренажа;

–обоснованы принципы интерпретации результатов фильтрационных опробований слоистых, а также неоднородных в плане, водоносных комплексов;

–установлена зависимость высоты высачивания подземных вод на бортах карьеров от степени анизотропности слоистого дренируемого массива;

–с использованием численных геофильтрационных моделей реализованы принципы теоремы Остроградского-Гаусса при оценке напряженного состояния и устойчивости фильтрационно анизотропных прибортовых массивов на карьерах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Особенности строения карбонатных отложений олмуго-окуневской свиты, обусловленные процессами выветривания и карстообразования, определяют стабильность интенсивности питания дочетвертичных водоносных комплексов в годовом цикле. В рассматриваемых условиях, водопритоки к карьеру и дренажной системе будут формироваться в основном за счет разгрузки дочетвертичных водоносных комплексов, восполняемой стабильным питанием по площади их развития.

2. Высота промежутка высачивания подземных вод на откосах карьера и соответствующее распределение гидростатических давлений в прибортовых массивах определяется фильтрационной анизотропией слоистых толщ. Экспериментально установлена зависимость высоты промежутка высачивания от степени анизотропии дренируемых массивов, которая является фактором, существенно влияющим на устойчивость бортов карьеров.

3. Определение оптимальных параметров системы заградительного дренажа и прогноз уровенного режима дренируемых водоносных комплексов целесообразно выполнять на численных геофильтрационных моделях путем подбора уровней подземных вод непосредственно в водопонижающих скважинах.

Методы исследования. В работе используются: геологический и гидрогеологический анализ условий развития техногенных геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, натурные гидрогеологические наблюдения и эксперименты, численное геофильтрационное моделирование.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:

– теоретическим анализом гидродинамических процессов, формирующихся при естественном и техногенном режимах подземных вод на месторождениях Архангельской алмазоносной провинции;

– результатами специальных опытно-фильтрационных работ, выполненных при доразведке месторождения им. В.П.Гриба;

– анализом и прогнозом изучаемых геофильтрационных процессов на численных моделях;

– сходимостью результатов прогнозных оценок изучаемых процессов и результатов численного моделирования с натурными наблюдениями на алмазном месторождении им. М.В.Ломоносова.

Практическая значимость работы:

- разработаны методические рекомендации по определению, на основе численных геофильтрационных моделей, оптимальных параметров систем заградительного дренажа на карьерах;

- предложения по распределению сброса дренажных вод в реки и созданию системы гидрогеологического мониторинга рекомендованы институту «Гипроруда» для использования при проектировании ГОКа на базе месторождения им. В.П.Гриба;

- на численных моделях получено распределение прогнозных напоров в прибортовых массивах карьера на месторождении им. В.П.Гриба для оценки оптимальных параметров бортов.

Личный вклад автора:

– участие в постановке, проведении и интерпретации результатов ОФР на этапе доразведки месторождения им. В.П.Гриба;

– участие в создании и калибрации численных геофильтрационных моделей и выполнение с их использованием прогнозных оценок гидродинамического режима подземных вод в районе месторождения;

– определение оптимальных параметров системы заградительного дренажа на карьере месторождения им. В.П.Гриба;

– проведение численных экспериментов для установления высоты высачивания подземных вод на откосах в зависимости от степени анизотропии дренируемых комплексов;

– разработка методики численного геофильтрационного моделирования условий эксплуатации водопонижающих скважин в системах заградительного дренажа.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на: Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (ИПКОН РАН, Москва, 2006, 2008), VII Межрегиональной научно-практической конференции «Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана, Урала и сопредельных территорий» (Минэкологии, Уфа, 2008), Международной конференции «XLIX sesji. Studenckich k naukowych pionu Grniczego Akademii Grniczo-Hutniczej» (Краков, 2008), ежегодной «Конференции студентов и молодых учёных СПГГИ (ТУ)» (2009, 2010, 2011 гг.), и в институте «Гипроруда» (2010 г.).

Основные положения диссертации отражены в 5 научных публикациях, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в Перечень, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 178 страницах, включая введение, 5 глав, заключение, список литературы из 87 наименований, содержит 52 рисунков, 29 таблиц и 3 приложения.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю д.г.-м.н. проф. В.В. Антонову за помощь при подготовке диссертационной работы. Автор благодарит: д.г.-м.н. проф. Р.Э. Дашко, д.г-м.н. проф. В.А. Кирюхина, д.г.-м.н. проф. И.П. Иванова, д.г.-м.н. проф. С.М.Сударикова, к.г.-м.н. доц. Н.С. Петрова и других сотрудников кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ за обсуждение результатов работы, а также к.г.-м.н. И.Л. Хархордина за помощь в создании численных моделей. Особую благодарность выражает д.г.-м.н. проф. Ю.А. Норватову, к.г.-м.н. И.Б. Петровой и другим сотрудникам лаборатории гидрогеологии и экологии НЦГ и ПГП СПГГУ, без участия которых невозможно было бы выполнение данной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации рассмотрено состояние гидрогеологического обеспечения открытых горных работ, выполнен анализ научно-методических принципов изучения и прогноза геофильтрационных и гидрогеомеханических процессов, развивающихся при строительстве и эксплуатации карьеров. Сформулированы цели и задачи исследований по теме диссертации.

Вторая глава содержит анализ условий формирования гидродинамического режима водоносных комплексов в районе месторождения алмазов им. В.П.Гриба. Выполнен анализ результатов наблюдений за режимом поверхностных и подземных вод. Установлена стабильность в годовом цикле питания дочетвертичных водоносных комплексов. Определена неравномерная по площади интенсивность инфильтрационного питания грунтовых и подземных вод. Выполнена оценка фильтрационных параметров дочетвертичных водоносных комплексов по результатам наблюдений за естественным уровенным режимом подземных вод и родниковым стоком.

В третьей главе изложены разработанные с использованием имитационного численного моделирования рекомендации по методике постановки и интерпретации ОФР при плановой фильтрационной неоднородности водоносных горизонтов и комплексов. Методика проиллюстрирована примером опробования олмуго-окуневского водоносного горизонта (C2ol-ok) на месторождении им. В.П.Гриба.

В четвертой главе изложены результаты исследований влияния анизотропии водоносных комплексов на условия формирования техногенного режима подземных вод. С использованием численного моделирования установлена зависимость высоты промежутка высачивания подземных вод на бортах карьеров и на стенках водопонижающих скважин от степени анизотропии дренируемых массивов. На примере выполненного опробования слоистой толщи падунского водоносного комплекса (V2pd) изложена методика проведения откачек с использованием датчиков гидростатического давления для определения фильтрационных параметров анизотропных толщ.

Пятая глава содержит описание методики создания численных геофильтрационных моделей четвертичного и дочетвертичного водоносных комплексов района месторождения им. В.П.Гриба. Представлены результаты прогноза техногенного гидродинамического режима грунтовых и подземных вод, оценены оптимальные параметры системы заградительного дренажа при постепенном увеличении глубины карьера до 450 м. Проведена оценка гидрогеоэкологического воздействия дренажных мероприятий на природную среду. Изложены рекомендации по организации гидрогеологического мониторинга.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Особенности строения карбонатных отложений олмуго-окуневской свиты, обусловленные процессами выветривания и карстообразования, определяют стабильность интенсивности питания дочетвертичных водоносных комплексов в годовом цикле. В рассматриваемых условиях, водопритоки к карьеру и дренажной системе будут формироваться в основном за счет разгрузки дочетвертичных водоносных комплексов, восполняемой стабильным питанием по площади их развития.

Питание грунтовых вод четвертичного комплекса и подземных вод дочетвертичных комплексов осуществляется за счет инфильтрации дождевых и талых вод, при этом разгрузка данных комплексов происходит в долинах рек. Инфильтрационное питание олмуго-окуневского (C2ol-ok), урзугского (C2ur) водоносных горизонтов и падунского (V2pd) водоносного комплекса в рассматриваемом районе характеризуется особенностями, определяемыми строением толщи доломитов олмуго-окуневской свиты.

В результате выветривания верхняя часть толщи доломитов разрушена до состояния глиноподобной «доломитовой муки», что позволяет рассматривать эту зону в качестве относительного водоупора, мощность которого достигает 5-10 м. Нижняя часть толщи доломитов характеризуется закарстованностью, которая на месторождении им. В.П.Гриба в максимальной степени проявляется на участке между переуглубленными долинами реки Падун и проточного озера Черного (рис. 1).

Рис. 1. Схема питания и разгрузки водоносных комплексов в районе месторождения алмазов им. В.П.Гриба: 1 – уровни грунтовых вод четвертичного водоносного
комплекса; 2 – уровни подземных вод олмуго-окуневского водоносного горизонта (C2ol-ok); 3 – напоры подземных вод падунского водоносного комплекса (V2pd);
4 – зона относительно водоупорных выветрелых доломитов; 5 – зона повышенной трещиноватости (закарстованности) в доломитах олмуго-окуневского водоносного горизонта

Особенность гидрогеологического строения толщи доломитов предопределяет низкое стояние уровней подземных вод олмуго-окуневского водоносного горизонта на глубинах около 20 м от земной поверхности, а также наличие зоны неполного водонасыщения над свободной поверхностью подземных вод этого горизонта в пределах значительной площади вокруг карьера (около 45 км2). Уровни грунтовых и подземных вод в дочетвертичных водоносных комплексах сближаются лишь на участках речных долин – областях разгрузки грунтовых и подземных вод.

Особенности гидрогеологического строения олмуго-окуневского водоносного горизонта предопределили необходимость его опробования створовой откачкой совместно с ниже залегающим урзугским водоносным горизонтом (C2ur), которое было проведено на стадии доразведки в 2009 г. Интерпретация откачки на численной геофильтрационной модели позволила раздельно оценить изменение проводимости олмуго-окуневско водоносного горизонта в пределах 180-300 м2/сутки и проводимость урзугского водоносного горизонта, равную 70 м2/сутки.

Четвертичный и дочетвертичные водоносные комплексы характеризуются различными условиями питания, разгрузки и различным гидродинамическим режимом. Инфильтрация атмосферных вод приводит к восполнению статических запасов грунтовых вод четвертичного водоносного комплекса (к повышению уровней и насыщению определенного объема песчано-глинистых пород). Восполненные статические запасы расходуются на формирование подземного стока рек по четвертичному и дочетвертичным водоносным комплексам. При этом питание олмуго-окуневского, урзугского водоносных горизонтов и падунского водоносного комплекса, суммарная проводимость которых составляет более 90% от общей проводимости осадочной толщи, поступает в виде практически стабильного по интенсивности перетекания через относительный водоупор, залегающий в подошве четвертичных отложений над зоной неполного насыщения между этим водоупором и свободной поверхностью потока подземных вод в доломитах.

Свидетельством стабильности питания подземных вод дочетвертичных водоносных комплексов является практическое постоянство их уровней в годовом цикле. Разность уровней, замеренных по наблюдательным скважинам в меженный и паводковый периоды с 2000 г. по 2004 г., не превышает 0,4 м по олмуго-окуневскому водоносному горизонту и 0,2 м по падунскому водоносному комплексу.

Таким образом, при прогнозе техногенного режима следует учитывать, что водопритоки к карьеру и дренажной системе будут формироваться за счет перехвата подземных вод, разгружающихся в реки по дочетвертичным водоносным комплексам, при стабильном в годовом цикле питании. При этом непосредственные потери из рек составят менее 30% от общего притока к дренажной системе.

2. Высота промежутка высачивания подземных вод на откосах карьера и соответствующее распределение гидростатических давлений в прибортовых массивах определяется фильтрационной анизотропией слоистых толщ. Экспериментально установлена зависимость высоты промежутка высачивания от степени анизотропии дренируемых массивов, которая является фактором, существенно влияющим на устойчивость бортов карьеров.

При прогнозе техногенного гидродинамического режима подземных вод на карьерных полях важнейшей задачей является достоверное определение гидростатических давлений в прибортовых массивах. Распределение давлений зависит от высоты промежутка высачивания воды на бортах карьеров и от уровней подземных вод на линии дренажных скважин.

Исследование общих закономерностей техногенного гидродинамического режима, формируемого при вскрытии анизотропных водоносных комплексов горными выработками, выполнено на численной геофильтрационной модели с применением пакета компьютерных программ Processing Modflow. На модели в стационарной постановке имитировались условия формирования вблизи горной выработки двумерного в разрезе безнапорного потока подземных вод в анизотропном массиве, залегающем на горизонтальном водоупоре. Численная модель представлена совокупностью десяти горизонтальных слоев мощностью по 10 м каждый; на границе дренажа этих слоев (на вертикальной стенке выработки) имитировались с применением модуля DRAIN условия на промежутке высачивания (напор в каждой точке соответствует её высотной отметке).

На моделях оценивалась высота промежутка высачивания подземных вод на стенке выработки (hв) и определялись расходы потока при различной степени анизотропии массива (=kx/kz, где kx и kz – коэффициенты фильтрации в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно). При моделировании в качестве переменных задавались глубина потоков на границах питания (hг) и расстояния между границами питания и разгрузки (l). По результатам численных экспериментов получены расчетные графики, отражающие зависимость высоты промежутка высачивания подземных вод от степени анизотропии массива и гидродинамических характеристик потока подземных вод.

Выполненные численные эксперименты подтверждают, что основные допущения гидравлической теории безнапорного движения, принятые при оценке расхода потока по формуле Дюпюи, справедливы и для анизотропных толщ. Установлено, что расход безнапорного потока подземных вод практически не завит от степени фильтрационной анизотропии массива.

На рис. 2 представлена зависимость высоты промежутка высачивания от удельного расхода, отнесенного к величине коэффициента фильтрации в горизонтальном направлении. Использование графика позволяет ориентировочно определить высоту промежутка высачивания и для более сложных схем по сравнению с рассмотренной на численной модели.

Установленные закономерности формирования техногенного режима подземных вод в фильтрационно анизотропной среде позволяют отойти от традиционных представлений о незначительной роли промежутка высачивания при решении инженерных задач и, в частности, позволяют корректно определять напоры в прибортовых массивах, оценивать напряженное состояние и степень устойчивости этих массивов на карьерах, вскрывающих анизотропные толщи.

Следует отметить, что по результатам натурных наблюдений на месторождении им. М.В.Ломоносова высота высачивания подземных вод на бортах карьера, вскрывающего падунский водоносный комплекс, достигает 30-40 м над подошвой карьера при его глубине около 80 м.

Рис. 2. Графики зависимости высоты промежутка высачивания от приведенного расхода при различной степени анизотропии массива ()

Эффективность заградительного дренажа определяется уровнями на контуре водопонижающих скважин, зависящими от высоты промежутка высачивания воды на стенках скважин и от уровней вблизи скважин.

Анизотропия породных массивов существенно влияет на эффективность водопонижающих скважин – при имитации на численной геофильтрационной модели условий эксплуатации скважины в анизотропном пласте установлено, что разница высот промежутка высачивания и уровней подземных вод вблизи скважины в изотропных и анизотропных толщах может достигать 25-50% от высоты столба воды в скважине в зависимости от степени анизотропии (рис. 3). Дебиты скважин несущественно зависят от степени анизотропии пласта: различие дебитов при рассмотренных степенях анизотропии не превышает 0,5%.

Рис. 3. Положения уровней безнапорного потока (h) вокруг водопонижающей
скважины при различной степени анизотропии массива()

Разработанная методика оценки фильтрационных параметров анизотропных толщ реализована нами при опробовании падунского водоносного комплекса на месторождении им. В.П.Гриба, где была проведена кустовая откачка с использованием датчиков гидростатического давления (рис. 4).

Интерпретация результатов опробования выполнена с применением численной геофильтрационной модели, реализованной в программной среде Relis (автор П.К. Коносавский); полученные значения коэффициентов фильтрации по напластованию и вкрест напластования равны 1,5 м/сутки и 0,13 м/сутки соответственно.

Рис. 4. Схема распределения напоров в падунском водоносном комплексе на

момент окончания откачки из скважины 6-П

3. Определение оптимальных параметров системы заградительного дренажа и прогноз уровенного режима дренируемых водоносных комплексов целесообразно выполнять на численных геофильтрационных моделях путем подбора уровней подземных вод непосредственно в водопонижающих скважинах.

Оптимальные параметры системы заградительного дренажа определяется на моделях подбором сниженных уровней подземных вод на линии дренажного контура, при которых «проскок» подземных вод в карьер ограничивается заранее принятой величиной.

С этих позиций в рассматриваемых условиях при постепенном дренировании мощного анизотропного падунского водоносного комплекса и соизмеримости расстояний между скважинами и высотой столба воды в скважинах для корректного определения сниженных уровней подземных вод на линии дренажного ряда необходимо учитывать наличие высачивания воды на стенках скважин выше уровня воды в них.

При разработке методики определения параметров заградительного дренажа учитывались особенности моделируемых граничных условий на стенках скважины. Для корректной оценки уровней безнапорного потока вблизи скважины, в первую очередь, должно выполняться условие: напоры в каждой точке на стенке скважины в пределах промежутка высачивания над уровнем воды в скважине равны высотной отметке (геометрической высоте) этой точки. Реализация этого граничного условия на численной геофильтрационной модели возможна с использованием модуля Drain (в пакете программ PM 5.3) при минимальном фильтрационном сопротивлении «дрены».

Фильтрационное сопротивление, учитывающее радиальность потока в пределах блока со скважиной, можно использовать для реализации условий высачивания воды на стенке скважины. Однако при этом следует стремиться к минимизации этого сопротивления за счет оптимального выбора размера блока, в котором располагается ствол скважины.

Возможность практического применения этой методики моделирования обоснована численным экспериментом, заключающимся в имитации условий эксплуатации одиночной совершенной скважины в центре кругового безнапорного пласта. Задача решалась на многослойной модели в стационарной постановке при заданном постоянном уровне воды в скважине. В блоках модели, в которых расположен ствол скважины, по всем её слоям «подключен» модуль Drain. В пределах промежутка высачивания напор в «дренах» задавался равным отметке центра соответствующего слоя, в нижних слоях напор соответствовал столбу воды в скважине. Результаты моделирования представлены на рис. 5.

Рис. 5. Эпюры распределения по стволу скважины расходов (а) и напоров (б),

полученных по результатам численного моделирования

«Модельный» расход скважины отличается от расхода, рассчитанного по формуле Дюпюи, на 1,3%, что можно считать доказательством корректности предлагаемого приема моделирования водопонижающих скважин в безнапорных пластах. Следует особо отметить, что полученный на модели расход неравномерно распределяется вдоль ствола скважины, причем около 30% дебита поступает в скважину в пределах промежутка высачивания.

Полученный на модели максимальный напор по стволу скважины соответствует отметке верхней границы участка высачивания на стенке скважины и высоте этого участка (hв), равной 34,7 м при заданной высоте столба воды в скважине, равной 40 м. Высота промежутка высачивания, полученная на модели, контролируется решением, предложенным В.М. Шестаковым (различие составляет около 5%).

Соответствие аналитическим оценкам полученных на модели напоров и расходов позволяет рекомендовать предлагаемую методику моделирования водопонижающих скважин при подборе параметров системы заградительного дренажа. Предлагаемую методику целесообразно использовать для оценки параметров заградительных систем при дренировании анизотропных массивов, представленных на модели несколькими расчетными слоями для учета скорости углубки карьера.

Необходимо отметить, что альтернативная методика, основанная на подборе дебитов водопонижающих скважин, не может быть рекомендована для оптимизации параметров контурных систем заградительного дренажа, т.к. при использовании многослойных моделей невозможно учитывать неравномерное распределение дебита скважины по слоям модели, а также нельзя получить достоверное положение уровней подземных вод на дренажном контуре.

Результаты выполненных на месторождении им. В.П.Гриба дополнительных гидрогеологических работ и разработанные рекомендации по методике численного моделирования учтены при создании численных геофильтрационных моделей четвертичного и дочетвертичных водоносных комплексов.

С использованием численной модели дочетвертичного водоносного комплекса, отражающей его структуру, условия питания и разгрузки подземных вод на площади около 400 км2, определены параметры системы водопонижающих скважин с учетом скорости углубки карьера (30 м/год), оценены изменения уровенного режима подземных вод и ущерб речному стоку в районе месторождения (рис. 6). Определено, что для ограничения притока подземных вод в карьер (400-500 м3/час) необходимо в течение третьего года с начала горных работ введение в эксплуатацию системы заградительного дренажа из 37 водопонижающих скважин, а к концу четвертого года следует задействовать 75 скважин, которые должны эксплуатироваться до завершения горных работ с дебитами около 70 м3/час (суммарная производительность заградительного дренажа около 5400 м3/час).

Для восполнения оцененного на модели ущерба речному стоку обосновано рациональное распределение сброса в реки вод, откачиваемых водопонижающими скважинами (1200 м3/час в озера Волчьи и 4200 м3/час в озеро Черное).

Рис. 6. Прогнозная структура баланса подземных и поверхностных вод: 1 – расход

подземных вод, поступающих в карьер и к системе заградительного дренажа;

2 –расход подземных вод, разгружающихся в речную сеть;

3 –расход разгрузки поверхностных вод в водоносные комплексы (потери из рек);

4 – сработка емкостных запасов водоносных комплексов

На численной модели оценено распределение напоров подземных вод в прибортовых массивах, сложенных слабопроницаемыми мезенскими отложениями (V2mz) (рис. 7). Полученное распределение напоров (гидростатических давлений) использовано в соответствии с принципами Остроградского-Гаусса при оценке устойчивости борта карьера (при угле наклона борта около 34° коэффициент устойчивости составляет 1,3). С использованием модели оценен приток в карьер соленых вод, который может достигать 50 м3/час при вскрытии мезенского относительно водоупорного комплекса, содержащего преимущественно хлоридные натриевые воды с минерализацией 5-20 г/дм3. Минерализация этих вод может быть снижена до нормативных значений при их разбавлении водами, откачиваемыми дренажными скважинами.

Рис. 7. Схема распределения прогнозных напоров и положение поверхности

скольжения в западном борту карьера при достижении проектной глубины 450 м;

p – гидростатическое давление в точке на поверхности скольжения (p=100 м вод. ст.=1 МПА)

Численная геофильтрационная модель четвертичного водоносного комплекса использована для оценки изменений гидрогеоэкологических условий лесопользования. Установлено, что на момент окончания горных работ на территории, прилегающей к карьеру (около 45 км2), не произойдет существенного снижения уровней грунтовых вод вследствие особых условий связи четвертичного и дочетвертичных водоносных комплексов. За пределами этой площади изменения уровенного режима грунтовых вод будут определяться интенсивностью инфильтрационного питания, которая при техногенном режиме может возрасти.

Для оценки техногенного гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод, уточнения параметров постоянно действующей численной геофильтрационной модели (фильтрационных параметров водоносных комплексов, характеристик их питания и гидравлической связи с реками) разработаны рекомендации по организации гидрогеологического мониторинга. Наблюдательная сеть представлена 53 скважинами (из них четыре скважины оборудованы датчиками гидростатического давления). Предложена особая методика контроля гидростатических давлений в мезенских отложениях по мере вскрытия их карьером.

Заключение

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача по обоснованию методики гидрогеологических исследований для обеспечения разработки открытым способом месторождений алмазов Архангельской области в сложных гидрогеологических условиях.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

- установлена практически стабильная в годовом цикле интенсивность питания дренируемых водоносных комплексов;

- установлены закономерности формирования техногенного режима подземных вод в анизотропных массивах;

- разработаны рекомендации по оценке высоты высачивания подземных вод на бортах карьеров, вскрывающих анизотропные водоносные комплексы;

- разработаны рекомендации по методике опробования анизотропных водоносных комплексов с применением тензометрической аппаратуры;

- создана численная геофильтрационная модель района месторождения им. В.П.Гриба;

- разработана методика численного моделирования водопонижающих скважин при оценке оптимальных параметров заградительного дренажа;

- определены параметры системы водопонижающих скважин и порядок их ввода в эксплуатацию с учетом скорости углубки карьера на месторождении им. В.П.Гриба;

- выполнены прогнозные оценки гидростатических давлений в прибортовых массивах, сложенных слабопроницаемыми анизотропными отложениями, и предложена методика контроля напряженного состояния породного массива по мере вскрытия его карьером;

- оценен ущерб речному стоку и обоснованы рекомендации по оптимизации сброса дренажных вод в речную сеть;

- разработана численная геофильтрационная модель четвертичного водоносного комплекса и оценено влияние дренажных мероприятий на условия лесопользования;

- разработаны рекомендации по организации гидрогеологического мониторинга в районе месторождения им. В.П.Гриба.

Публикации по теме диссертации

В изданиях рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Котлов С.Н. Моделирование условий эксплуатации водопонижающих скважин в системе заградительного дренажа / Ю.А. Норватов, И.Б. Петрова, С.Н. Котлов // Естественные и технические науки, М.: Спутник Плюс, 2011. №2. С. 235-237.

2. Котлов С.Н. Использование современных компьютерных технологий при обосновании мероприятий, обеспечивающих устойчивость бортов карьеров // Записки Горного института «Проблемы рационального природопользования». СПб, 2011. Т. 189. С. 34-37.

3. Котлов С.Н. Использование имитационного моделирования для планирования и интерпретации опытно-фильтрационных работ при разведке месторождений твердых полезных ископаемых / С.Н. Котлов, К.Е. Володченко // Записки Горного института «Проблемы рационального природопользования». СПб, 2011. Т. 189. С. 38-41.

В других изданиях

4. Котлов С.Н. Гидрогеологические проблемы при освоении алмазных месторождений в Архангельской области / Ю.А. Норватов, И.Б. Петрова, С.Н. Котлов, Д.И. Савельев // Материалы 8-ой международной научно-практической конференции: «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», Воркута-Сыктывкар-Ухта. «Народное хозяйство республики Коми», 2010. Т.19, №2. С. 259-261.

5. Kotlov S.N. Usage of computer technology in the planning of hydrogeological work and interpretation on the stage of detailed exploration / Y.A. Norvatov, I.B. Petrova, S.N. Kotlov, А.V. Yashina // International mining conference “Advanced mining for sustainable development”. Vietnam, Ha Long, 2010. P. 616-621.