Моделирование влияния солеотвалов калийных комбинатов на фильтрационные свойства водовмещающих пород (на примере территории влияния 2-го Соликамского калийного рудоуправления)

Актуальность проблемы. Калийные производственные рудоуправления формируют комплексное влияние на геологическую среду. Долговременные хвостохранилища легко растворимых солей и пульп (солеотвалы, шламохранилища, рассоло-сборники), являются источниками загрязнения подземных вод и геологической среды, что в дальнейшем должно приводить к преобразованию пустотного пространства пород вследствие физико-химических процессов взаимодействия постепенно разбавляющихся в подземных водах рассолов и растворимых минералов пород (карбонатов, сульфатов) и может инициировать своеобразный карстовый процесс. Кроме того,
выемка полезного ископаемого приводит к образованию пустот в продуктивных пластах в виде системы штреков. Даже при обратной закладке прочностные свойства
хвостов, закладываемых в штреки значительно хуже, чем у породы. Это приводит к
образованию своего рода мульд оседания, причем осадки могут быть значительными и
неравномерными, что, в свою очередь, приводит к образованию новых и раскрытию
старых трещин. Совокупность всех процессов влияет и на земную поверхность, переформирует пустотное пространство пород и изменяет распределение пористости и
проницаемости (фильтрационно-емкостные свойства) массивов, ухудшает качество
подземных вод и, в конечном итоге, поверхностных, принимающих разгружающиеся
подземные воды.
На территории Верхнекамского месторождения калийных солей ВКМКС (Березниковско–Соликамский промышленный район) основным полезным ископаемым
являются хлорид калия, содержащийся в руде в соизмеримых количествах с хлоридом
натрия. Последний не может быть утилизирован в получаемых количествах и складируется в солеотвалы, имеющие значительную площадь 80-160 га с накоплением
хлорида натрия к концу работы ГОК до 7-10 млн. тонн. При сроке работы ГОК 50-80
лет время полного растворения солеотвала около 500 лет. За это время рассол, поступающий из него в геологическую среду с концентрацией более 320 г/л, сформирует
большое тело загрязненной воды. После растворения солеотвала загрязненная вода
будет еще долгое время находиться в породах. Поэтому время влияния солеотвала
больше времени его существования. Шламохранилища, так же сопутствующие калийному производству, имеют соизмеримые площади и из них поступает рассол около 160 г/л. Срок распреснения шламохранилищ меньше – около 200 лет, время распреснения подземных вод примерно то же, что и загрязнения.
Соленые подземные воды имеют большую ионную силу и могут растворять
имеющиеся в породах карбонатные и сульфатные минералы в виде заполнителей
трещин и в составе пород. Это в свою очередь будет приводить к возрастанию пористости и проницаемости трещиноватых водовмещающих пород, изменению скорости
миграции солей. В рассматриваемых условиях это может привести к ухудшению защитных свойств надсолевой толщи, препятствующей поступлению подземных вод на
кровлю соляной залежи.
Цель работы – разработка методики моделирования трансформаций трещинного пространства геологической среды при воздействии поступающих с поверхности
рассолов хлорида натрия.
В задачи исследования входили:
 Анализ литературных данных по проблемам влияния солеотвалов на подземные
воды, рассолов на растворимость минералов, методикам моделирования геомиграционных процессов и обоснования моделей;
 Определение количественного распределения растворимых минералов в разных
видах – в составе пород и заполнителя трещин;
 Построение геомиграционной схемы надсолевой толщи в окрестности объекта на
основе анализа и обобщения фактических данных;
 Разработка метода моделирования миграции подземных вод с физико-химическими
обменными процессами и трансформацией трещинного пространства;
 Математическое моделирование распространения рассолов и изменения пористости и проницаемости пород надсолевой толщи;
 Анализ возможностей альтернативных простых методов моделирования этих процессов.
Базисный объект исследований. Территория влияния 2-го Соликамского калийного производственного рудоуправления (СКПРУ-2) на подземные воды. Выбор этого объекта определяется не только наличием фактического материала по гидрогеологическим условиям, но и расположенными примерно в 15 км к северо-западу створами скважин с детальными исследованиями минералов заполнителей трещин, проведенными Л.В. Мигуновым [1977] в 1962-1966 годах при работах по инженерным изысканиям для Верхнекамской ГЭС. Развитая им теория инфильтрационной минеральной зональности надсолевых толщ используются в этой работе. Рассмотренное геологическое строение и гидрогеологические условия, в той или иной мере, присущи территориям всех калийных рудоуправлений Березниковско-Соликамского промрайона.
Фактический материал. Геологическое строение и гидрогеологические условия объекта охарактеризованы более чем сотней скважин различного назначения
(разведочные, структурные, гидрогеологические). Использовались результаты регулярных наблюдения за режимом уровней и химическим составом вод проводящиеся с
1987 года. Вследствие недостаточности данных на объекте о детальном распределении
проницаемости по вертикали, привлекались данные расходометрии по скважинам
территории ВКМКС. Характеристика и количественная оценка минерального заполнителя трещин выполнена на основе результатов кандидатской диссертации Л.В.
Мигунова [1977].
Методы исследования. Основным методом исследования является математическое моделирование миграции подземных вод с учетом равновесных физико-химических процессов взаимодействия подземных вод и пород. Моделирование осуществлялось при помощи программного комплекса PMWin (Chiang W.H.), включающего необходимые для этого программы моделирования фильтрации (MODFLOW) и моделирования массопереноса с физико-химическими процессами в многокомпонентной гидрогеохимической системе (PHT3D). При реализации модели
взаимодействия была дополнена и откорректирована база термодинамических параметров, используемая PHT3D. Для учета эффектов, возникающих за счет высокой
плотности поступающего рассола в однокомпонентной постановке использовалась
программы MT3DMS и SEAWAT. Кроме того, для выбора наилучшего метода решения задач с переменной плотностью фильтрующихся растворов проводилось сравнение различных методов представления этого процесса с использованием других программ.
Для переопределения значений фильтрационно-емкостных свойств при растворении-осаждении минерального заполнителя трещин использовались собственные алгоритмы, развитые в данной работе и реализуемые при помощи электронной таблицы Excel. Модель строилась на основе параметров полученных при верификации
геофильтрационных моделей и при анализе литературных данных, последнее было
особенно необходимо для определения процессов массообмена подземных вод и пород. Дополнительные процедуры обработки фактического материала, построения
геометрии области моделирования и взаимоотношений слоев выполнялись методами
интерполяции на соответствующем математическом обеспечении.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика моделирования миграции подземных вод с учетом равновесных физико-химических процессов (растворения и осаждения минералов) и изменения во времени фильтрационно-емкостных свойств пород надсолевой толщи.
2. Для моделирования изменения пористости и проницаемости трещиноватых пород
под действием техногенных рассолов необходимо начальное условие – природное
распределение концентраций компонентов подземных вод, формируемое моделированием геомиграции до стабилизации полей концентраций, в случае данной работы втечение 1000 лет.
3. Под действием фильтрации рассола из солеотвала через первые десятки лет в верх-
ней части пород, содержащих гипс в виде заполнителя трещин мощностью 4-8 м, гипс полностью исчезает. На кровле залегающего ниже слоя гипсов происходит растворение приводящее к резкому увеличению горизонтальной проницаемости. Размер области растворения по горизонтали около 2 км. Этот процесс идет до конца периода засоления подземных вод в этой части пород – около 500-700 лет.
4. Для решения задач с переменной плотностью потока от сосредоточенного источника применимы методы, основанные на конвективно-дисперсионном массопереносе. Методы, применяющиеся для моделирования миграции несмешивающихся разноплотностных жидкостей, дают результаты, не согласующиеся с фактическими
наблюдениями.
5. Для прогноза изменения фильтрационно-емкостных параметров трещиноватых по-
род возможно ограниченное применение более простого моделирования миграции
рассолов с дополнительными расчетами растворения минерального заполнителя
трещин. Однако это является крайне трудоемкой задачей, практически вырождающейся в моделирование многокомпонентной миграции с физико-химическими
процессами для достижения приемлемой точности.