Оценка многолетнемерзлых пород при подземном захоронении высокоминерализованных вод Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Межд. Конгресса (Москва, 14-18 октября 2002 г.). -М.: ЗАО "ПИК"Максима", РХТУ им. Менделеева, 2002. - С. 294.

6. Курашов В.М., Емельянов В.М. и др. Интенсификация процессов очистки воды и почвы от нефтяных загрязнений в присутствии переносчиков кислорода// Биотехнология: состояние и перспективы развития: Материалы 1-го Межд. Конгресса (Москва, 14-18 октября 2002 г.). - М.: ЗАО "ПиК"Максима", РХТУ им. Менделеева, 2002. - С. 293.

7. Экологическая биотехнология: Пер. с

англ./ Под ред. К Ф. Форстера, Л. А. Дж. Вейза. -

Л.: Химия, 1990. - Пер. изд.: Великобритания, 1987. - 384 с.

8. Воробьев А.Е., Хабарова Е.И., Дьяченко В.В. Физические, химические и биохимические процессы горного производства/ Под ред. А. Е. Воробьева. Часть 4. Биохимическое состояние экосистем: трансформация, мониторинг и микробиологическая разведка месторождений полезных ископаемых. Учеб. пособие. - М.: МГГУ, 2001. - 127 с.

9. Горлов В.Д. Рекультивация земель на карьерах. - М.: Недра, 1981. - 194 с.

— Коротко об авторах

Ярощук О.Н. - аспирант,

Хабарова Е.И. - кандидат химических наук, Московский государственный горный университет.

----------------------------------- © М.В. Тарасова, 2004

УДК 622.8 М.В. Тарасова

ОЦЕНКА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД ПРИ ПОДЗЕМНОМ ЗАХОРОНЕНИИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД

Семинар №7

В настоящее время одним из способов утилизации высокоминерализованных вод является захоронение их в толщах многолетнемерзлых горных пород на больших глубинах (Нейс, 1978; Борисов, Климов, 1988). Он широко реализован на кимберлитовых месторождениях СевероЗападной Якутии.

Как пойдет процесс растворения льда, перераспределения рассола в толщах многолетней мерзлоты, как это отразится на температурном поле пород неизвестно. В связи с этим сделана попытка не только оценить характер изменения температур, но и спрогнозировать направленность мерзлотного процесса.

По современным представлениям участки месторождений относятся к району с аномально большими мощностями криолито-

зоны. Работами сотрудников Института мерзлотоведения СО РАН, начиная с 60-х годов (Климовский, Устинова, 1962), получен обширный фактический материал о температурах горных пород по всей площади Далдыно-Алакитского района. Результаты наблюдений позволили оценить в целом морфологию криолитозоны, а также подтвердить ранее сделанные выводы (Теплофизические..., 1983) о чрезвычайно малых значениях теплового потока в центральной части Сибирской платформы. Полученные результаты еще раз подтвердили выводы первых исследователей о температурной анизотропии рудного тела и о сложном тепловом режиме горных пород.

В последние годы в связи с углублением горных работ встали проблемы с осушением и захоронением дренажных вод. Последние,

имеют сложный гидрохимический состав, включающий компоненты, вредные для окружающей среды. По данным бурения мощность многолетнемерзлых пород, т.е. пород, сцементированных льдом, позволяет использовать их в качестве поглощающей системы для складирования рассолов. С точки зрения охраны окружающей среды такой способ является наиболее дешевым и технически перспективным. Однако использование его в толщах термодинамически неустойчивых многолетнемерзлых толщ из-за недостаточной изученности, взаимодействия рассолов с морозными и мерзлыми породами требует осторожного подхода к разработке технологических приемов захоронения рассолов, В связи с этим, при составлении программы защитно-экологических мероприятий необходимо ориентироваться и на решение задач прогноза изменения как мерзлотной, так и гидрогеологической ситуации.

Геотермические наблюдения показали, что в начальный период складирования высокоминерализованных вод происходит понижение температуры горного массива. Синхронно идут процессы растворения льда и газогидратов. Анализ эволюции теплового поля горных пород с учетом указанных процессов весьма сложен.

В результате геотермических наблюдений было установлено, что в центральной части рассолопринимающей системы захоронения высокоминерализованных вод образуется водонасыщенная зона в пределах 20-60 м, и массив многолетнемерзлых горных пород, вследствие взаимодействия с профильтровавшимися минерализованными водами, превращается в водоносный комплекс. При этом отмечено понижение температуры по сравнению с естественной на 1,3°С. В благоприятных геологических условиях низкотемпературные рассолы благодаря естественной плотностной конвекции начинают опускаться по трещинам в породах вниз, способствуя глубокому охлаждению пород и развитию мощности криолито-зоны. Глубокое охлаждение прямо влияет на образование в недрах соединений природных газов с водой - твердых кристаллогидратов газов. Формирование кристаллогидратов газов происходит с выделением, а разрушение их - с поглощением тепла, что несомненно меняет геотермические условия. В частности, В. С. Якушеву (1989) в своих экспериментах удалось смоделировать возможности возникновения газогидратных

соединений в толщах мерзлых пород при наличии водо- и газонепроницаемых горизонтов в различных условиях при эпигенетическом промерзании. Для объяснения этого процесса необходимо оценивать и производить соответствующие теплобалансовые расчеты с учетом начальных температур рассолопоглощающих горных пород, закачиваемых дренажных вод и растворения ими цементирующего льда, а на участках "дующих" и газовыделяющих скважин дополнительно учитывать и возможность разложения газогидратов, образовавшихся при эпигенетическом промерзании.

Т емпература замерзания минерализованных вод зависит от концентрации растворенных солей, ее химической структуры, она всегда ниже, чем температура фазового перехода чистого льда в воду и устойчивого существования газогидрата. Растворение льда и гидрата происходит при фильтрации рассолов через свободные от льда и гидрата пространства — поры, трещины в горных породах. Оно сопровождается разрушением их кристаллической структуры. Лед, как никакое другое природное вещество, подвержен влиянию внешней среды и хорошо отражает испытанные воздействия. Однако, постоянно изменяясь за счет различных процессов, он все же оставляет в себе следы первичной кристаллизации.

Метаморфизм льда может быть обусловлен либо статическими напряжениями веса вышележащей толщи мерзлых грунтов или льда, либо напряжениями при температурном изменении. Эти явления приводят к росту кристаллов льда. Однако в зависимости от величины и характера нагрузки величина кристаллов в ледяном теле может как увеличиваться, так и уменьшаться. Равномерное (гидростатическое) давление сопровождается стремлением кристаллического агрегата к монокристаллу. Если же нагрузки достаточно велики, чтобы вызвать пластические деформации и течение льда, то при малых скоростях течения будет происходить рост одних, благоприятно ориентированных по отношению к направлению движения кристаллов, за счет деградации других. При больших скоростях течения наступит стадия дробления кристаллов в зонах подвижек до полного их разрушения.

При этом происходит поглощение тепла, что и приводит к понижению температуры. Для оценки величины понижения температуры горной породы можно использовать

Профиль температуры, полученный различными математическими моделями: 1 - тепловлагосо-леперенос; 2 - тепловлагоперенос; 3 - теплоперенос; 4 - граница растворения льда

методику расчета и несколько видоизмененное уравнение, предложенное В.А. Михайловым (1985):

Т _ ТШ [Рісі ( - т ) + Р-С2то2 + РзСзтоз ] +

РСі (1 - т) + Р5С5т (02-5 + 03-5 ) + Р4С4т (1 - 02 - 03 )

ТррАсА (1 - и2 - и3) - к2р2то2 - к3р3то3

РіС1 (1 - т) + Р5С5т (02-5 + 03-5 ) + Р4С4т (1 - 02 - 03)

где о2 - льдонасышенность; о3 - гидратона-сышенность; т - пористость; р - плотность; с - теплоемкость; к - удельная теплота фазового перехода; Т - температура горной породы после полного растворения льда и гидрата рассолом; Тпл - начальная температура горной породы с льдом и гидратом; Тр - температура фильтровавшегося рассола; (индексы і = 1, 2, 3, 4, 5 соответственно относятся к твердой фазе горной породы, льду, гидрату, рассолу, воде; і = 2-5, 3-5 -воде, которая получается после разложения

льда

гидрата;

о2

О-

р;

" " Рь

о35 _о3(1 -е)Р; е_ м(М + М); м - мо-

Рь

лекулярный вес газа гидратообразователя; N - молекулярный вес воды; Ь - постоянная, зависяшая от состава гидрата, равная числу молекул воды, связанных в гидрате с одной молекулой газа.

Поскольку растворение льда и гидрата происходит одновременно, величина пони-

жения температуры увеличивается. Такое положение получается только при допущении, что лед и гидрат полностью растворяются рассолом.

Таким образом, полученная формула по соотношению составляющих теплового баланса с учетом растворения льда и гидрата рассолом дает возможность, с одной стороны, оценить величину понижения температуры при данных величинах льдо- и гидра-тонасыщенности, с другой - по температурным изменениям в наблюдательных и эксплуатационных скважинах определить их количественные величины, т.е. дает возможность понять физическую сущность процесса понижения температуры горных пород в результате захоронения в них высокоминерализованных дренажных вод.

На рисунке приведено распределение температуры, полученной математическими моделями тепловлагосолепереноса, тепло-влагопереноса и решением обычной температурной задачи в постановке Стефана. Заметного расхождения температурного поля не наблюдается, однако процесс деградации льда при учете влагосолепереноса усиливается. В данном случае под деградацией мерзлоты понимается процесс разложения льда при отрицательной температуре (по шкале Цельсия) под воздействием высоко-минерализированных рассолов. Кривые наглядно показывают, что процессы деградации идут более интенсивно при совместном тепловлагопереносе.

Однако достаточно достоверную количественную оценку этого сложного процесса можно получить лишь при более корректном использовании массообменных характеристик горных пород с учетом их талого, морозного и мерзлого состояния. При этом особо следует уделить внимание получению значений гидродинамических параметров (коэффициент диффузии и др.), определение которых в достаточно прочных породах крайне затруднено.

В данной работе приведена оценка криолитозы и обоснование возможности размещения в льдистых многолетнемерзлых породах высокоминерализованых вод.

— Коротко об авторах---------------------------------

Тарасова М.В. - Московский государственный горный университет.