Оптимальный комплекс гидрогеологических и геоэкологических исследований месторождений металлов в корах выветривания применительно к отработке их способом подземного выщелачивания
На правах рукописи
Заболоцкий Константин Александрович
ОПТИМАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ
И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ МЕТАЛЛОВ В КОРАХ ВЫВЕТРИВАНИЯ
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОТРАБОТКЕ
ИХ СПОСОБОМ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
Специальность 25.00.36 – «Геоэкология»
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
Екатеринбург - 2008
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель - кандидат геолого-минералогических наук, доцент Парфёнова Лариса Петровна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Рыбаков Юрий Сергеевич
кандидат геолого-минералогических наук
Широков Михаил Юрьевич
Ведущая организация Открытое акционерное общество
«Уральская геологосъемочная экспедиция», г. Екатеринбург.
Защита диссертации состоится «30» декабря 2008 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 (III уч. корпус, ауд. 3326).
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уральского государственного горного университета.
Автореферат разослан « » ноября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор г.-м.н.
_______________ А.Б. Макаров.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современные экономические, социальные и даже политические условия, в которых существует горнодобывающая промышленность нашей страны, претерпели за последние два десятилетия существенные изменения. Изменяющиеся условия, в свою очередь, непосредственно сказываются на современных технологиях добычи полезных ископаемых, и в этом плане применение геотехнологических способов, в частности подземного выщелачивания (ПВ), является неизбежным.
Подземное выщелачивание урана из гидрогенных месторождений в бывших республиках СССР достигло уровня индустрии, вносящей заметный вклад в экономику нынешних государств. Опыт использования ПВ на месторождениях цветных и благородных металлов в корах выветривания пока невелик, но наметившиеся в последние годы тенденции свидетельствуют о реальных перспективах этого способа.
В настоящее время на Среднем Урале имеется около десятка объектов, находящихся на различных стадиях внедрения технологии ПВ (Гагарское золоторудное месторождение, Гумёшевское месторождение меди – опытно-промышленная эксплуатация; Верхотурское золоторудное месторождение – опытная эксплуатация; Рогожинское месторождение силикатного никеля – опытные работы; и др.). В геоэкологическом и гидрогеологическом изучении большинства из них автор принимал непосредственное участие.
Первые месторождения, на которых проводятся работы по внедрению ПВ, имели тот или иной уровень гидрогеологической изученности. Но их изученность не могла удовлетворять требованиям к объектам ПВ. Богатый опыт разведки гидрогенных месторождений под ПВ мог служить лишь аналоговым подспорьем при подготовке месторождений под этот способ. Методика гидрогеологических исследований подобных месторождений, которую предстоит создать, должна обобщить опыт исследований, наработанный на урановых месторождениях и новые методики, применённые на уральских месторождениях. В настоящей работе приводятся самые первые, не претендующие на завершенность методические разработки, предложения, обобщения. Актуальность работы заключается в том, что разрабатываемый комплекс исследований предназначен для изучения объектов, способных в значительной мере увеличить запасы металлов целого региона.
Объектом исследований являются отработанные месторождения и месторождения бедных руд Уральского региона.
Целью работы является разработка эффективного комплекса геоэкологических и гидрогеологических исследований, который позволил бы в полной мере оценить индивидуальные особенности каждого месторождения вне зависимости от сложности его строения и обеспечить экологическую безопасность их отработки способом ПВ.
Идея работы
Дополнение существующего опыта изучения и отработки гидрогенных месторождений урана примерами проведения гидрогеологических, геофизических и лабораторных работ в относительно новых геолого-гидрогеологических условиях уральских кор выветривания.
Основные задачи исследований:
1. Анализ и обобщение опыта гидрогеологических и геоэкологических работ, проведённых на уральских объектах ПВ за последние 15 лет.
2. Оценка геоэкологических и гидрогеологических условий месторождений металлов в корах выветривания.
3. Сравнительная характеристика наиболее надёжных методов гидрогеологических и геоэкологических исследований.
4. Оценка перспектив методов численного моделирования геофильтрации и гидрогеомиграции для решения актуальных проблем ПВ.
Методы исследований. Анализ и обобщение результатов изучения геолого-гидрогеологических и геоэкологических условий уральских месторождений. Изучение фильтрационных свойств руд и пород с использованием опытно-фильтрационных, опытно-миграционных испытаний, геофизических работ. Лабораторные исследования и натурное моделирование ПВ. Методы математической статистики при обработке результатов экспериментов. Методы компьютерного моделирования.
Научная новизна работы
- на основании накопленного опыта по применению ПВ на Урале впервые сделана попытка систематизировать проводимые работы для повышения надёжности результатов и обеспечения их экологической безопасности;
- в работе проведена оценка гидрогеологических и геоэкологических условий изучаемых и отрабатываемых уральских месторождений применительно к геотехнологическим способам отработки;
- описаны основные особенности этих объектов, отличающие их от гидрогенных месторождений урана, по эксплуатации и изучению которых имеется большой опыт;
- обоснована переориентация направления исследований для месторождений в корах выветривания;
- впервые рассмотрена эффективность использования методов моделирования для прогноза экологической ситуации при применении способа ПВ в сложных гидрогеологических условиях.
Защищаемые научные положения
1. Специфические особенности уральских месторождений металлов в корах выветривания при проведении на них гидрогеологических и геоэкологических работ применительно к отработке их методом ПВ требуют комбинирования нескольких методов исследований, часто контролирующих друг друга.
2. В оптимальный комплекс гидрогеологических и геоэкологических исследований месторождений металлов в корах выветривания входят следующие методы: режимные наблюдения с уточнением карты гидроизогипс при помощи гидрокомпаса; опытно-фильтрационные работы (ОФР), комплекс ГИС, метод заряженного тела по одиночным скважинам и в сочетании с моделированием ПВ на нейтральных растворах, лабораторные исследования – изучение химического и гранулометрического состава пород, определение коэффициента фильтрации, метод заряженного тела на полигонах (с обязательной съёмкой фоновых значений потенциала), численное моделирование работы технологических блоков и распространения агрессивных растворов за их пределы.
3. Основным путём оптимизации комплекса методов исследований уральских месторождений является совместное решение гидрогеологических, технологических и геоэкологических задач.
Практическая значимость и реализация исследований. Расширение сферы использования новых и относительно новых технологий (к коим автор относит ПВ) в сфере недропользования является единственным путём к сохранению ресурсного потенциала не только Уральского региона, но и всей страны в целом. Новизна технологии сегодня проявляется, в первую очередь, в отсутствии нормативной, а главное методологической базы изучения и сопровождения объектов, использующих такие технологии. К счастью, опыт использования ПВ на Урале сегодня ограничивается уже не единичными объектами и определённые знания в этой области уже накоплены. Детальный их анализ позволил сформировать некоторый комплекс исследований, который вместе с его использованием на новых объектах (как, например, Рогожинское месторождение силикатных никелевых руд) продолжает совершенствоваться. Помимо описанных в работе уральских месторождений предлагаемый автором комплекс исследовательских работ реализуется сегодня на техногенном месторождении «Кировградские пиритные огарки». Данное месторождение представляет новый тип месторождений, формирование которого для Уральского региона – дело недалёкого будущего. Автор надеется, что разработанный комплекс сможет послужить основой для грамотной оценки месторождений, гидрогеологические и геоэкологические исследования которых далеки от идеальных.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались: на IV Международной конференции «Комбинированная геотехнология: развитие физико-химических способов добычи, г. Сибай, Башкортостан, 2007 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий». УГГУ. Екатеринбург, 2006 г.; на второй молодёжной научно-практической конференции «Повышение качества выпускаемой продукции и снижение себестоимости производства», г. Верхняя Пышма, 2007 г.; на научно-практических конференциях в рамках Уральской горнопромышленной декады, Екатеринбург, 2005 и 2007 гг.
Личный вклад автора
- проектирование, постановка и проведение гидрогеологических и геоэкологических исследований ряда уральских месторождений для подготовки их к отработке методом ПВ (Гумёшевское месторождение золотосодержащих медных руд, Верхотурское золоторудное месторождение, Кунгурское и Рогожинское месторождения силикатных никелевых руд), обработка полученных результатов.
- разработка геофильтрационной модели Гумёшевского месторождения и тестовой миграционной модели Рогожинского месторождения.
Публикации. По результатам выполненных работ опубликовано 10 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 205 страниц машинописного текста, 11 таблиц, 46 рисунков, список использованной литературы из 84 наименований.
Автор приносит искреннюю благодарность и признательность за поддержку и методическую помощь при подготовке диссертации: научному руководителю кандидату г.-м. н., доценту, замечательному педагогу Парфёновой Ларисе Петровне, только благодаря которой автору удалось накопленный практический опыт представить в виде завершённого научного труда, и своему отцу и наставнику Заболоцкому Александру Ивановичу, геологу и геотехнологу, внёсшему огромный вклад в развитие подземного выщелачивания на Урале.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Анализ методики гидрогеологических и геоэкологических исследований, сложившейся в урановой промышленности
В первой главе проведён анализ имеющейся по этому вопросу литературы. В свое время СССР занимал ведущие позиции по добыче урана способом ПВ, поэтому основу мирового опыта составляют издания отечественных авторов о разведке и отработке его гидрогенных месторождений.
Главными задачами гидрогеологических исследований являются: установление возможности и условий фильтрации растворов по рудовмещающим породам; определение основных гидрогеологических параметров; изучение внутреннего строения рудовмещающего горизонта; обоснование дебитов технологических скважин; прогноз изменения гидрогеологических условий в процессе эксплуатации; оценка возможного взаимного влияния разработки месторождения методом ПВ и водозаборов подземных вод и др.
В результате исследований должны быть изучены: литологический состав и мощность водовмещающих пород, глубины залегания водоносных горизонтов и уровней подземных вод, характер развития подземных вод (напорный, безнапорный), положение месторождения в гидрогеологической структуре, направление движения и скорость естественного потока подземных вод, подстилающий и перекрывающий водоупоры, емкостные и фильтрационные свойства пород рудовмещающего горизонта, проницаемость руд и безрудных пород, водопроводимость пород рудовмещающего горизонта и раздельно руд и безрудных пород, наличие над- и подрудных водоносных горизонтов и значение основных параметров по ним, влияние на динамику подземных вод основных тектонических нарушений, качество и агрессивность подземных вод.
Основной целью геоэкологических исследований на стадии разведки месторождений является изучение природных геоэкологических условий месторождения, под которыми понимают группу факторов, способствующих надежной изоляции технологических растворов в водоносных горизонтах ураново-полиэлементных рудных залежей. Надежность изоляции технологических растворов в рудоносном водоносном горизонте обеспечивается благоприятными сейсмическими, геоструктурными, литолого-фациальными, геохимическими, гидродинамическими и гидрогеохимическими природными факторами.
Задачи, решаемые геоэкологическими исследованиями в процессе отработки месторождения, заключаются в оценке негативного влияния рудника ПВ на окружающую среду, в первую очередь на подземные и поверхностные воды. При наличии водозаборов подземных вод необходимо изучение условий возможной взаимосвязи их с месторождением при его разработке методом ПВ. Также комплекс геоэкологических исследований должен был решать проблему рекультивации водоносного горизонта с учётом предполагаемого состава оборотных растворов на момент полной отработки месторождения.
Благоприятная гидрогеологическая обстановка на месторождениях, приуроченных к рыхлым проницаемым отложениям, является одним из важнейших условий, определяющих их пригодность для подземного выщелачивания. Для плотных трещиноватых пород этот фактор имеет второстепенное значение. Под гидрогеологическими условиями месторождения понимается набор факторов, т.е. природных обстановок, способствующих формированию гидродинамических и гидрохимических особенностей подземных вод, основные из которых, с точки зрения ПВ: число и характеристика водоносных горизонтов, их водообильность и статические уровни, направление и скорость движения подземных вод, фильтрационные свойства пород, характер гидравлической связи водоносных горизонтов, распространение, надежность (выдержанность) водоупоров, химический состав пластовых вод и их температура. Роль этих факторов среди других природных условий, влияющих на процесс подземного выщелачивания, иллюстрируется табл.1.
Таблица 1
Роль природных факторов в оценке условий отработки
урановых месторождений
| Факторы, влияющие на процесс ПВ | Характеристика условий выщелачивания | |||
| весьма благоприятных | благоприятных | неблагоприятных | ||
| Литологический состав руд | Хорошо отсортированные гравийно-песчаные отложения с примесью глинисто-алевритовых частиц не более 10 % | Отсортированные разно-, средне- и мелкозернистые пески с примесью глинисто-алевритовых частиц не более 20-30 % | Неотсортированные разно-, мелко- и тонко-зернистые пески с содержанием глинисто-алевритовых частиц более 20-30 % | |
| Химический тип руд | Алюмосиликатные (содержание SiO2 > 80 %) | Алюмосиликатные (содержание SiO2 > 60-80 %) | Карбонатно-алюмосиликатные с содержанием карбонатов (по СО2) более 2 % | |
| Минеральный состав руд | Урановые минералы представлены тонкодисперсными оксидами урана и коффинитом. Текстура руд эмульсионно-дисперсная | Урановые минералы представлены тонкодисперсными и точечными выделениями оксидов урана и коффинита. Текстура руд от эмульсионно-дисперсной до вкрапленной | Урановая минерализация представлена урановыми и урансодержащими минералами, характеризующимися теснейшей пространственной ассоциацией их с органическим веществом и сульфидами. Текстура руд эмульсионная до пятнистой | |
| Проницаемость руд, м/сут | Высокопроницаемые руды с Кф более 5 м/сут | Умеренно-проницаемые руды с Кф 1-5 м/сут | Слабопроницаемые и практически непроницаемые руды с Кф менее 1 м/сут | |
| Отношение водопроводимости рудного тела к водопроводимости горизонта | Более 0,2 | 0,1-0,2 | Менее 0,1 | |
| Мощность продуктивного водоносного горизонта, м | До 10 | 10-30 | Более 30 | |
| Отношение эффективной мощности к рудной | Менее 5 | 5-10 | Более 10 | |
| Глубина залегания рудных тел, м | До 100 | 100-500 | Более 500-700 | |
| Продуктивность, кг/м2 | Более 5 | 1-5 | Менее 1 | |
| Водопроводимость руд, м2/сут | Более 100 | 10-100 | Менее 10 | |
| Глубина залегания уровня подземных вод, м | До 10 | 10-100 | Более 100 | |
| Водообильность (удельный дебит) руд, л/с | Выше 0,5 | 0,1-0,5 | Менее 0,1 | |
| Активная пористость руд, % | Более 20 | 10-20 | Менее 10 | |
| Коэффициент фильтрационной неоднородности рудных тел | Более 0,75 | 0,25-0,75 | Менее 0,25 | |
| Содержание карбонатов (по СО2) в руде, % | Менее 1 | 1-2 | Более 2 | |
| Содержание сульфидов в руде, % | Менее 2 | 2-4 | Более 4 | |
| Положение рудного тела в водоносном горизонте | В нижней части | В средней части | В верхней части | |
| Ширина рудного тела, м | Более 100 | 50-100 | Менее 50 | |
| Запасы урана в проницаемых рудах, % | Более 80 | 60-80 | Менее 60 | |
| Температура подземных вод, С | Более 30 | 10-30 | Менее 10 | |
В соответствии с приведённой классификацией природных геологических, гидрогеологических и геоэкологических природных факторов была построена система исследований на всех стадиях освоения месторождения. Детальный анализ проводимых исследований, которому посвящена первая глава, свидетельствует о том, что в целом благодаря тому, что урановая отрасль имела стратегическое значение, туда были привлечены лучшие специалисты, использовавшие и разрабатывавшие передовые методы исследований, но, несмотря на всестороннее изучение любого объекта, особенности урановых месторождений позволяли использовать в качестве ведущего метода исследований натурное моделирование процесса ПВ с использованием реальных реагентов. При этом недостаточное внимание уделялось изучению пространственной изменчивости фильтрационных свойств, поскольку необходимости в этом не возникало.
Таким образом, обосновывается направление дальнейшей работы – оптимизация комплекса методов гидрогеологических и геоэкологических исследований в соответствии с изменившимися условиями самих месторождений и требованиями к качеству их изучения.
Глава 2. Краткая геолого-гидрогеологическая характеристика
объектов исследований
За прошедшие с момента запуска первого в России опытно-промышленного предприятия по подземному выщелачиванию золота из руд Гагарского месторождения почти 15 лет большое количество объектов было исследовано на применимость способа ПВ для их отработки.
Генезис и геологические условия этих объектов весьма разнообразны. Это и золотоносные коры выветривания (Гагарское, Маминское, Верхотурское и др.), и «железная шляпа» Дегтярского месторождения, и месторождения силикатного никеля разных типов (Рогожинское, Кунгурское, Точильногорское и др.), и т. д.
Также значительно различаются гидрогеологические условия рассматриваемых объектов. Подземные воды изучаемых месторождений приурочены ко всем основным типам коллекторов: это и трещинные воды скальных пород, и воды закарстованных территорий, и жильные воды зон тектонических нарушений, и порово-трещинные воды зон дезинтеграции и выветривания.
Естественно, что прямым следствием такого разнообразия является широкий диапазон гидродинамических и гидрогеохимических условий, в которых находятся рассматриваемые месторождения.
В табл. 2 приведено описание наиболее характерных уральских месторождений, и на основании накопленного опыта автором даётся оценка их гидрогеологических и геоэкологических условий. По аналогии с урановыми месторождениями, условия оцениваются по трехбалльной шкале: благоприятные, неблагоприятные и весьма неблагоприятные.Несмотря на приуроченность уральских месторождений к различным геологическим структурам, анализ их геологического строения, гидрогеологических и геоэкологических условий позволяет сделать вывод о том, что их особенности позволяют рассматривать их как новый тип месторождений, потенциально пригодных для геотехнологических способов отработки, поскольку все эти объекты приобрели в ходе геологической эволюции новые благоприятные факторы для применения способа ПВ: приобретенные рудами приемлемые для ПВ фильтрационные свойства, как правило, более высокие по сравнению с вмещающими породами, увеличена степень вскрытости новообразованной полезной минерализации, руды имеют пониженную восстановительную емкость и кислотоемкость, имеет место необходимый водоносный горизонт в рудной зоне.
Потенциальная привлекательность месторождений в корах выветривания и их существенные отличия от традиционных урановых объектов определяют необходимость развития сложившегося комплекса гидрогеологических и геоэкологических исследований, сопровождающих все стадии изучения и освоения месторождения. На фоне общих для всех месторождений гидрогеологических и технологических задач – необходимости организации управляемого потока растворов в недрах с максимальной скоростью и безопасностью, существенно перераспределяются приоритетные направления гидрогеологических и геоэкологических исследований.
Таблица 2
Сравнительная характеристика гидрогеологических и геоэкологических условий уральских месторождений металлов в корах выветривания
| Географо-экономическое положение | Геологические условия | Гидрогеологические условия | Экологические условия |
| Гумёшевское месторождение золотосодержащих медных руд | |||
| 1. Экономически развитый район Свердловской области 2. Рельеф мелкого заброшенного карьера 3. Развитая гидрографическая сеть, представленная системой прудов и мелководных речек | 1. Глубина залегания рудных залежей 0 - 250 м 2. Морфология рудных залежей – зона сближенных, крутопадающих (55-750), редко пологих, пластообразных, пластинообразных и формы остроусечённой пирамиды тел (3-7 тел) мощностью до 60 м, протяженностью до 800 м. Зона контролируется контактом дайки кварцевых диоритов и мраморизованных известняков. Горизонтальная мощность зоны 70-200 м | 1. Водопроницаемость руд. Водопроводимость коры выветривания (кm - 13,6- 26,2, сред. - 18,2 м2/сут, кф - 0,44-0,74, сред. - 0,63 м/сут) в 4-5 раз ниже, чем зоны дезинтеграции. Зона дезинтеграции диоритов и их скарнированных разностей: кm - 33,3 –142,7, сред. 74,4 м2/сут, кф – 1,2-4,9, сред. - 2,8 м/сут. Средний коэффициент фильтрации массива – 2,2 м/сут. Дебиты откачки – 3-10 м3/час. Приемистость канав – 2-20л/час*м2 2. Наличие водоупоров. Нижний относительный водоупор - скальные первичные руды со спорадической трещиноватостью. Боковые относительные водоупоры – глинистые коры по диоритам и мрамора. Направление естественного потока вдоль рудной зоны 3. Литолого-фильтрационная неоднородность. Вертикальная зональность: песчано-глинистые, дресвяно-песчано-глинистые образования сменяются с глубиной на дресвяно-щебнистые. По латерали глинистые зоны сменяются охристыми, включающими скальные бурые железняки Многочисленные горные выработки создают техногенную фильтрационную неоднородность 4. Соотношение руд выше УГВ и ниже УГВ 1:20 5. УГВ на глубине 5-25. Уклон поверхности подземных вод - 0,001 до 0,06, средний вдоль залежи – 0,08 Гидрогеологические условия оцениваются как благоприятные | Подземные воды месторождения сильно заражены сульфат-ионом, тяжёлыми металлами - месторождений подземных вод питьевого качества нет. Область разгрузки подземных вод – малая река Железянка, относящаяся к бассейну реки Чусовой, которая является источником питьевой воды мегаполиса. Имеется неконтролируемый самоизлив загрязненных шахтных вод. Геоэкологические условия оцениваются как неблагоприятные |
| Рогожинское месторождение силикатных никелевых руд | |||
| 1. Сельская местность в Челябинской области. В недавнем прошлом мощный промышленный регион 2. Рельеф заброшенного карьера 3 Слабо развитая гидрографическая сеть, представленная системой мелководных речек | 1. Глубина залегания рудных залежей 0-100 м (от дна карьера) 2. Морфология рудных залежей – вся толща серпентинитов и продуктов их выветривания концентрирует в себе некоторое количество никеля | 1. Водопроницаемость руд. Водопроводимость охристо-железистых кор: кm – 2 -10, сред. - 5 м2/сут, Кф - 0,1 - 0,6, сред. - 0,23 м/сут, в 10-50 раз ниже, чем зоны дезинтеграции. Приемистость канав – 0,2 - 5 л/час*м2. Зона дезинтеграции серпентинитов: кm - 40 –150, сред. 75 м2/сут, Кф – 1,2-4,9, сред. 2,8 м/сут. Дебиты откачки – 2 -10 м3/час 2. Наличие водоупоров. Нижний относительный водоупор - скальные первичные руды со спорадической трещиноватостью. Боковые - также неизменённые серпентиниты. Направление естественного потока - на юг, вдоль рудной зоны 3. Литолого-фильтрационная неоднородность. Вертикальная зональность: глинистые, песчано-глинистые образования меняются с глубиной на дресвяно-щебнистые. По латерали охристые зоны сменяются глинистыми корами по безрудным сланцам 4. Соотношение руд выше УГВ и ниже УГВ 1:50 5. УГВ на глубине 0-5 м. Уклон поверхности подземных вод - 0,001 Гидрогеологические условия оцениваются как неблагоприятные | Подземные воды месторождения и окружающих пород по качеству соответствуют питьевым водам, однако из-за незначительных запасов и удалённости от потребителей получено разрешение на проведение опытных работ. На расстоянии 5-7 км имеются водозаборы питьевых вод. Геоэкологические условия оцениваются как благоприятные |
продолжение таблицы 2
| Географо-экономическое положение | Геологические условия | Гидрогеологические условия | Экологические условия | |
| Кунгурское месторождение силикатных никелевых руд | ||||
| 1. Экономически развитый район Свердловской области 2. Рельеф местности равнинно-увалистый 3 Развитая гидрографическая сеть, представленная системой болот и мелководных речек | 1. Глубина залегания рудных залежей 0-80 м 2. Морфология рудных залежей – В местах с более спокойной поверхностью карстовых углублений форма рудных тел приближается к пластообразной. В приконтактовых впадинах карстово-тектонического происхождения рудные залежи имеют неправильную пластообразную форму и часто переходят в крутопадающие тела | 1. Водопроницаемость руд. Водопроводимость коры выветривания: кm – 8,8 - 16,2, сред. - 10,2 м2/сут, кф - 0,01 - 0,34, сред. - 0,23 м/сут, в 5-10 раз ниже, чем зоны дезинтеграции. Зона дезинтеграции серпентинитов и закарстованные известняки: кm - 33,3 –102,7, сред. 54,4 м2/сут, кф – 1,2 - 4,9, сред. 1,8 м/сут. Дебиты откачки – 3-10 м3/час. Приемистость канав – 0,2 - 5 л/час*м2 2. Наличие водоупоров. Нижний относительный водоупор - скальные первичные руды со спорадической трещиноватостью. Боковые относительные водоупоры – мраморизованные известняки. Направление естественного потока вдоль рудной зоны 3. Литолого-фильтрационная неоднородность. Вертикальная зональность: песчано-глинистые, дресвяно-песчано-глинистые образования сменяются с глубиной на дресвяно-щебнистые и далее на первичные породы. По латерали глинистые зоны с трудом поддаются картированию 4. Соотношение руд выше УГВ и ниже УГВ 2:1 5. УГВ на глубине 35-40. Уклон поверхности подземных вод - средний вдоль залежи – 0,01 Гидрогеологические условия оцениваются как весьма неблагоприятные | Месторождений подземных вод питьевого качества нет. Область разгрузки подземных вод – Южно-Вязовский известковый карьер и далее малая река Железянка, относящаяся к бассейну реки Чусовой. Геоэкологические условия оцениваются как благоприятные | |
| Золоторудное месторождение Васин | ||||
| 1. Экономически развитый район Оренбуржской области, однако само месторождение на значительном удалении от экономических центров 2. Рельеф типичной степной равнины 3. Гидрографическая сеть развита слабо | 1. Рудная зона участка Васин, протяженностью 2 км и прослеженная на глубину 630 м, приурочена к тектонической зоне меридионального простирания с крутым (80-900) западным падением в пределах развития вулканогенно-терригенных отложений основного состава. | 1. Водопроницаемость руд. Водопроводимость песчано-глинистой коры выветривания: кm сред. 17,1 м2/сут, Кф – 0,35-0,48, сред. – 0,8 м/сут, в 5-10 раз ниже, чем зоны дезинтеграции. Зона дезинтеграции первичных пород: кm сред. > 100 м2/сут, кф – более 2 м/сут. Дебиты откачки – 2-5 м3/час. Приемистость канав –20 л/час*м2 2. Наличие водоупоров. Нижний относительный водоупор - скальные первичные руды со спорадической трещиноватостью. Боковые водоупоры – отсутствуют. Направление естественного потока вдоль рудной зоны 3. Литолого-фильтрационная неоднородность. Вертикальная зональность: песчано-глинистые образования небольшой (8 -10 м) мощности сменяются с глубиной зоной дезинтеграции. Фильтрационная неоднородность массива в плане весьма высока и трудно поддается картированию 4. Соотношение руд выше УГВ и ниже УГВ 1:10 5. Положение уровня подземных вод. УГВ на глубине 10-15. Уклон поверхности подземных вод - 0,005 - 0,007 Гидрогеологические условия оцениваются как благоприятные | Месторождений подземных вод питьевого качества нет из-за незначительных ресурсов и удалённости от потенциальных потребителей. Разгрузка подземных вод происходит в местный ручей Тыкаша, на участке месторождения формирующийся из двух русел. Геоэкологические условия оцениваются как благоприятные | |
| Первомайско-Верхотурская золоторудная площадь. Верхотурский участок | ||||
| 1. Экономически развитый район Свердловской области 2. Рельеф слаборасчленённый, увалистый. 3 Развитая гидрографическая сеть, представленная системой ручьёв и мелководных речек | 1. Глубина залегания до 100 м 2. Морфология рудных залежей – крутопадающие штокверки от поверхности до скальных пород с относительно равномерным оруденением и технологическими свойствами | 1. Водопроницаемость руд. Водопроводимость коры выветривания: кm – 10,6- 26,2, сред. - 15,2 м2/сут, кф – 0,34 – 0,54, сред. – 0,47 м/сут, в 4-5 раз ниже, чем зоны дезинтеграции. Зона дезинтеграции: кm – 33,3 –52,7, средний 44.4 м2/сут, кф – 1,2 – 3,9, сред. 1,8 м/сут. Дебиты откачки – 3-10 м3/час. Приемистость канав – 10-20л/час*м2 2. Наличие водоупоров. Нижний относительный водоупор - скальные первичные руды. Боковые относительные водоупоры – неизменённые серпентиниты и тальк-карбонатные породы 3. Литолого-фильтрационная неоднородность. Вертикальная зональность: песчано-глинистые, дресвяно-песчано-глинистые образования меняются с глубиной на дресвяно-щебнистые. По латерали глинистые зоны имеют различный генезис и с трудом картируются. 4. Соотношение руд выше УГВ и ниже УГВ 1:3 5.УГВ на глубине 10-15. Уклон поверхности подземных вод - 0,002 до 0,01, средний вдоль залежи – 0,006. Гидрогеологические условия оцениваются как неблагоприятные | Месторождений подземных вод питьевого качества нет. Область разгрузки подземных вод – малая река Мостовка. Природные водоразделы подземных вод образуют вокруг месторождения ограниченную область. Геоэкологические условия оцениваются как благоприятные | |
Глава 3. Современный комплекс гидрогеологических и геоэкологических исследований уральских месторождений металлов в корах выветривания применительно к отработке их способом ПВ.
Третья глава содержит обобщение результатов гидрогеологических и геоэкологических изысканий, проводимых на месторождениях ПВ на Урале за последнее время, в том числе выполненных автором. Рассмотрены основные особенности проведения работ в условиях кор выветривания и варианты их постановки на различных стадиях освоения месторождения применительно к подземному выщелачиванию.
Описана специфика самых начальных стадий изучения месторождения – анализа материалов предыдущих исследований и гидрогеологической съёмки. Также рассмотрены нестандартные ситуации при проведении ОФР. Методика проведения и обработки результатов ОФР считается (в том числе и автором) полностью отработанной, однако результаты этого ключевого вида исследований на уральских месторождения далеко не всегда однозначны и исчерпывающи. Именно поэтому автор позволил себе предложить некоторые варианты, позволяющие адаптировать классические методы к условиям макронеоднородности геологического разреза.
Далее описан комплекс работ по изучению разведочных скважин с целью детальной характеристики фильтрационной неоднородности месторождения в разрезе. Комплекс включает в себя геофизические исследования скважин сразу после завершения буровых работ, аналитические и лабораторные работы, а также расходометрию после сооружения технологической колонны. Упомянутое сочетание методов формировалось в течение всего периода развития ПВ и в чистом виде было проведено буквально год назад на Рогожинском месторождении силикатного никеля. Результаты всех работ были собраны в единую базу геологической информации для комплексного анализа. На рис. 1 приведен пример геолого-технологической колонки по одной из разведочных скважин, который отлично иллюстрирует корреляционные связи между составом пород, их строением и фильтрационными свойствами.
Интересен тот факт, что исследования керна могут быть использованы не только для получения сведений о запасах полезных компонентов и геотехнологического расчленения разреза, но также и для выделения фильтрационных типов руд, поскольку, как видно из колонки, содержание ключевых компонентов тесно связано с гранулометрическим составом пород, во многом определяющим условия фильтрации растворов в них.
Кроме того, примечательны результаты лабораторного определения коэффициента фильтрации, позволяющие утверждать, что проведение этих результатов на образцах с нарушенной структурой вполне допустимо.
Помимо этого, в главе детально рассмотрен новый метод геоэкологического контроля процесса ПВ – гидрогеохимический каротаж, позволяющий отслеживать движение технологических растворов в недрах на совершенно новом уровне. Опробование этого метода выполнено на ряде объектов во всём мире (в том числе и на урановых рудниках ПВ). Автору на личном опыте, к сожалению, не удалось оценить преимущества замеров ряда гидрохимических параметров in situ, однако эффективность и перспективность этого метода для геоэкологического сопровождения ПВ очевидны. В процессе работы автором, вместо гидрогеохимического каротажа с дорогостоящим аппаратурным оформлением, были использованы такие методы скважинных исследований, как резистивиметрия и термометрия. На ряде примеров показана работоспособность этих бюджетных способов дифференциации столба жидкости в скважине. Помимо исследований, проводимых для технологического и экологического контроля процесса ПВ на действующем предприятии (ООО «УРАЛГИДРОМЕДЬ»), резистивиметрия и термометрия дают неплохие результаты при изучении вертикальной фильтрационной неоднородности геологического разреза, демонстрируя тем самым свою универсальность.
Ещё одним видом исследований, которому в работе уделено особое внимание, являются площадные геофизические исследования, в первую очередь, метод заряженного тела. На Кунгурском месторождении работы методом заряда проводились на стадии предварительных гидрогеологических исследований для определения направления и скорости естественного потока подземных вод на всей площади месторождения. Кроме того, этот метод был скомбинирован с опытом по двухскважинному моделированию процесса ПВ с использованием нейтральных индикаторов, где он был использован для оценки распространения технологических растворов в недрах в режиме откачка – закачка и отслеживания процесса естественной деминерализации после завершения эксперимента.
На Гумёшевском месторождении метод заряженного тела был использован для определения контура распространения технологических растворов в рамках мониторинга подземных вод ещё на опытной стадии. Полученные результаты свидетельствуют о том, что с учётом фона (который был снят до начала опытных работ), метод заряженного тела позволяет точно определить в плане положение контура растворов с высокой минерализацией. На рис. 2 показано положение зоны активного выщелачивания относительно технологических блоков, полученное методом заряженного тела. Для повышения достоверности результатов метод заряженного тела дублировался методом градиента потенциала и резистивиметрией по продольному профилю.
В целом можно сделать вывод о том, что совершенствование комплекса гидрогеологических и геоэкологических исследований идёт в правильном направлении, однако о его завершении речи пока не идёт. За последнее десятилетие получен богатый опыт различных видов исследований применительно к подземному выщелачиванию в различных гидрогеологических условиях, однако ответы на ряд вопросов не найдены. Дальнейшее развитие комплекса автором видится в более широком применении геофизических методов исследований, позволяющих без дорогостоящего бурения проводить изучение особенностей геологического строения объекта, а также использовании компьютерного моделирования геофильтрации и геомиграции для решения широкого спектра технологических и экологических задач.
Глава 4. Использование моделирования геофильтрации
и гидрогеомиграции для решения технологических
и геоэкологических проблем метода ПВ
Большинство специалистов в области добычи полезных ископаемых признают подземное выщелачивание одним из самых безопасных и щадящих для окружающей среды методов, однако некоторые особенности этой технологии вызывают настороженное к ней отношение. К таким особенностям, в первую очередь, следует отнести то, что основной технологический процесс протекает в недрах, а основным объектом воздействия процесса ПВ является водоносный горизонт. Невозможность прямого контроля воздействия процесса на окружающую среду определяет необходимость применения ряда специфических исследований для минимизации негативного влияния ПВ. Метод численного моделирования в этом плане может выступить как мощный научно-исследовательский инструмент, способный решить ряд важнейших для ПВ проблем.
Перечень задач, который предстояло решить с помощью этого метода, довольно широкий, поэтому на всех описанных в работе объектах, этот инструмент в том или ином виде был задействован.
Два рассмотренных в четвёртой главе примера – это наиболее логичные, на взгляд автора, варианты использования моделирования применительно к способу ПВ.
Первый пример – это попытка с максимальной степенью детализации схематизировать гидрогеологические условия природного объекта. Суть создания модели заключалась в задании в программной среде значения проницаемости пород в трёхмерном пространстве в границах, соответствующих природным граничным условиям. Затем воспроизводилась природная гидрогеологическая обстановка (решение геофильтрационной задачи в стационарной постановке с заданными значениями питания и разгрузки подземных вод) и корректировка заданных фильтрационных параметров на основании сравнения поля модельных напоров и фактического распределения уровней подземных вод на месторождении. Полученная модель, соответственно, должна отражать основные особенности месторождения. В дальнейшем она может быть использована для постановки различных прогнозных задач. Стадия разработки модели – опытно-промышленная эксплуатация месторождения, характеризующаяся высокой степенью изученности современного состояния месторождения на основании сети технологических скважин, расстояние между которыми составляет 10-20 м.
Модель Рогожинского месторождения – пример тестового технологического моделирования, конечной целью которого является прогноз распределения в недрах технологических растворов на стадии опытных работ и распространения остаточных растворов на стадии рекультивации водоносного горизонта. В основу исходных данных в соответствие со стадией освоения месторождения (проектирование геологоразведочных работ либо их начало) закладываются усреднённые показатели, характерные для региона, аналогичных месторождений и т.д. Грубо говоря, моделью месторождения это называется весьма условно, поскольку основные природные особенности изучаемого объекта отражены лишь в общих чертах.
Основной вывод, сделанный автором после проведения численного моделирования на ряде объектов применительно к технологии ПВ, заключается в том, что моделирование гидрогеологических и геоэкологических процессов как метод исследований имеет весьма неплохие перспективы, поскольку позволяет прорабатывать множество вариантов исходных данных, однако не стоит злоупотреблять применением даже передовых технологий, поскольку геологическая среда – сфера достаточно непредсказуемая, особенно на Урале. Проблемы применения моделирования движения подземных вод следующие:
- Во-первых, не совсем ясна стадия изучения месторождения, на которой применение моделирования было бы наиболее актуально. Ранние стадии характеризуются очевидным недостатком исходных данных, что не может не сказаться на результатах прогнозного моделирования. (Так, в модели Рогожинского месторождения уклон зеркала подземных вод задавался в восточном – северо-восточном направлении на основании материалов разведки 1955 года, в то время как сегодня вырисовывается строго южное направление движения подземных вод). Более поздние стадии (как, например, Гумёшевская модель) характеризуются густой сетью скважин различного назначения. Изучать динамическое и химическое влияния способа ПВ на подземные и поверхностные воды на этом этапе более логично проверенными скважинными гидрогеологическими и геофизическими методами (опробования, каротажи и т.д.).
- Во-вторых, не определена сфера использования моделирования, т.е. те задачи, решение которых при помощи моделирования не вызвало сомнений ни у недропользователя, ни у контролирующих органов. Здесь проблемы связаны и со сложностью самой технологии ПВ, и со сложностью метода моделирования, и со сложностью природных геолого-гидрогеологических условий уральских месторождений. Помня о профессиональной этике, вряд ли кто-либо из специалистов по моделированию даст гарантию того, что проведённая им схематизация природных условий учитывает все ключевые особенности объекта. Та же геофильтрационная модель Гумёшевского месторождения при всей детальности сети скважин не может полностью учесть неоднородность фильтрационного потока, связанную с природной и техногенной анизотропией геологической среды.
- В-третьих, несмотря на ключевое значение первой стадии моделирования процесса ПВ – моделирования геофильтрации, т.е. распределения напоров по площади месторождения с учётом влияния технологических блоков, технологические растворы – это агрессивные вещества, взаимодействие которых с окружающими их породами и подземными водами так же важно, как и перенос их подземным потоком. Это взаимодействие определяется процессами химического, физико-химического, физического взаимодействий и бактериальной активностью. Суммарный характер воздействия технологических растворов на вмещающие породы, и наоборот (причём на каждый растворённый элемент в отдельности), настолько сложен, что описание его при помощи математического аппарата – задача архисложная, на сегодняшний день практически не решаемая.
Тем не менее сегодняшняя сфера использования компьютерных технологий для способа ПВ уже просматривается, и, в первую очередь, это отладка работы технологических ячеек и блоков. Здесь проявляются главные преимущества моделирования – возможность проработки множества вариантов. Задавая различные входные параметры и проигрывая на них движение технологических растворов, современные исследователи могут разрабатывать различные варианты гидродинамической защиты технологических блоков (форма элементарных ячеек, барражи и т.д), которая позволила бы в некоторой степени исключить влияние фильтрационной неоднородности среды.
Заключение
В ходе исследований по изучению геологических, гидрогеологических и геоэкологических условий уральских месторождений применительно к отработке их способом подземного выщелачивания была сформирована определённая методическая основа этих исследований. Основные результаты проделанной работы заключаются в следующем.
На начальных стадиях изучения месторождений основной упор исследований делается на изучение вертикальной и плановой фильтрационной изменчивости пород месторождения различными методами. Детальное изучение неоднородности массива является залогом возможности управления фильтрационным потоком в заданных границах, а значит, гарантией успешности и экологической безопасности отработки месторождения способом ПВ.
Особое значение для этой стадии приобретают методы численного моделирования, позволяющие спрогнозировать формирование гидродинамического режима в районе полигона и своевременно внести коррективы в технологические схемы.
На стадии опытных и опытно-промышленных работ особое внимание предложено уделять контролю зоны активного выщелачивания при помощи геофизических методов. Такой контроль является самой строгой ступенью экологического мониторинга, поскольку несанкционированные утечки технологических растворов, в случае их возникновения, будут обнаружены на минимальном расстоянии от действующих блоков.
Работы, опубликованные по теме диссертации:
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определённых Высшей аттестационной комиссией:
- Заболоцкий А.И., Заболоцкий К.А. Подземное выщелачивание как способ обезвреживания техногенных отходов // Вестник высших учебных заведений. Горный журнал. – 2008. - № 8. С. 79-81.
- Заболоцкий А.И., Ященко И.Э., Ситникова Т.И., Заболоцкий К.А. Предварительные результаты отработки опытно-промышленных блоков скважинного подземного выщелачивания меди на Гумешевском месторождении // Горная промышленность. – 2008. №5. – С. 124-127.
- Заболоцкий А.И., Заболоцкий К.А. Односкважинный вариант опробования технологии подземного выщелачивания на примере техногенного месторождения «Кировградские пиритные огарки» // Цветные металлы. – 2008. № 12.- С. 200-204.
Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций:
- Заболоцкий К.А. Особенности изучения гидрогеологических условий Гумёшевского месторождения меди // Материалы научно-практической конференции ОАО «УРАЛТИСИЗ». Екатеринбург, 2004. – С 84.
- Заболоцкий К.А. Применение численного гидрогеологического моделирования в геотехнологии // Материалы Уральской Горнопромышленной Декады. - Екатеринбург, Изд-во УГГУ, 2005. - С. 100.
- Заболоцкий К.А. Особенности гидрогеологических исследований техногенного месторождения «Кировградские пиритные огарки» // Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Екатеринбург, Изд-во УГГУ, 2006. - С. 90-92.
- Заболоцкий К.А. Использование геофизических исследований в скважинах для определения фильтрационных свойств горных пород // Материалы Уральской Горнопромышленной Декады. – Екатеринбург, изд-во УГГУ, 2007. – С. 37-38.
- Заболоцкий К.А., Заболоцкий А.И., Поиски адекватных методов отработки техногенного месторождения «Кировградские пиритные огарки» // Повышение качества выпускаемой продукции и снижение себестоимости производства ОАО «УРАЛЭЛЕКТРОМЕДЬ»: Сборник докладов второй молодёжной научно-практической конференции. - Верхняя Пышма, изд-во Филантроп, 2007. – C. 223-224.
- Заболоцкий К.А. Геологические, технологические и экологические аспекты геологического изучения техногенного месторождения «Кировградские пиритные огарки» / Заболоцкий А.И., Ашихин В.В., Хренников А.А., Подоксенова Н.Б. // Minex`07 Урал: Материалы делового горно-геологического форума. - Миасс, 2007. – cd-r.
- Заболоцкий К.А. Комбинированный геотехнологический способ отработки рудных месторождений / Заболоцкий А.И., Беркович В.М. // Комбинированная геотехнология: развитие физико-химических способов добычи: Материалы IV международной конференции. – Сибай, 2007. – С. 122-124.
Подписано в печать 11.2008. Бумага офсетная.
Формат 60х841/16. Печать на ризографе. Печ.л. 1,0.
Тираж 100. Заказ
Издательство Уральского государственного горного университета
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева,30
Отпечатано с оригинал-макета
в лаборатории множительной техники издательства УГГУ
