CC BY
86
--© М.Д. Носков, М.В. Гуцул,
АД. Истомин, Д.Г. Ксслср, С.Н. Носкова, 2012
УДК 519.87:622.839.43
М.Д. Носков, М.В. Гуцул, А.Д. Истомин, А.Г. Кеслер, С.Н. Носкова
ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ГЕО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ПРИ ДОБЫЧЕ УРАНА СПОСОБОМ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ*
Представлена геотехнологическая моделирующая система, позволяющая создавать геолого-технологические модели и проводить математическое моделирование подземного выщелачивания урана. Рассмотрена методика её применения для решения геотехнологических и экологических задач, возникающих на различных этапах разработки месторождения.
Ключевые слова: разработка месторождений урана, скважинное подземное выщелачивание, управление технологическими системами, математическое моделирование, геоэкология.
Отличительной особенностью метода скважинного подземного выщелачивания (СПВ) является сложность проектирования, планирования и управления разработкой месторождений. Это обусловлено недостаточностью данных о продуктивном горизонте, невозможностью непосредственного наблюдения за технологическим процессом, значительной инерционностью геотехнологической системы, ограниченными возможностями воздействия на движение растворов с помощью изменения режимов работы технологических скважин и др. [1, 2]. В связи с этим, одним из важных направлений повышения оперативности и качества решения геотехнологических и экологических задач, возникающих при разработке месторождений методом СПВ, является применение цифровых геолого-технологических моделей и математи-
ческого моделирования процесса подземного выщелачивания [3, 4]. С помощью геолого-технологических моделей и математического моделирования недропользователь имеет возможность отслеживать в динамике выработку запасов, прогнозировать добычу металла, подготавливать мероприятия по повышению интенсивности извлечения, рассчитывать наиболее рациональные и экономически эффективные варианты разработки продуктивных пластов.
В работе представлено проблемно-ориентированное программное обеспечение (геотехнологическая моделирующая система «КУРС»), позволяющее создавать геолого-технологические модели и проводить математическое моделирование разработки месторождений урана методом СПВ. Программное обеспечение создано в среде программирования
* Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы (проект П513).
т'..-мш,'.1. .'l'j-u'h-' ■ i » ч.ч'п im^ jai«i
S*irt Обмять Мвдыъ PNT Ctta/c QPM ?
Borland C++ Builder 2006 и предназначено для работы на персональном компьютере под управлением операционной системы MS Windows. Мно-гопоточность приложения позволяет выполнять расчеты параллельно с управлением программой и визуализацией результатов. Интерфейс программного обеспечения включает в себя различные элементы управления, облегчающие работу с программой — кнопки, переключатели, флажки, меню, всплывающие подсказки на русском языке и др. (рис. 1). Исходные данные и результаты моделирования сохраняются на жестком диске в виде структурированной системы файлов.
Геотехнологическая моделирующая система состоит из геологического геоинформационного, инфор-
мационно-технологического и геотехнологического моделирующего модулей. Моделирующий модуль является основным элементом системы. Модуль разработан на основе физико-химической модели процесса подземного выщелачивания и предназначен для выполнения геотехнологических расчетов. Модель описывает основные гидродинамические и физико-химические процессы, происходящие в продуктивном горизонте при сернокислотном СПВ урана. Гидродинамический блок модели включает в себя расчет распределения давления, скорости фильтрации растворов, конвективного массопе-реноса и гидродинамической дисперсии. В физико-химическом блоке рассматриваются гомогенные и гетерогенные процессы, происходящие
при СПВ в системе рабочий раствор — подземные воды — вмещающая порода (взаимодействие рабочего раствора с урансодержащими и породообразующими минералами, кислотно-основные и окислительно-восстановительные процессы, ком-плексообразование и др.). Также, в моделирующий модуль входит база данных по кинетическим коэффициентам и параметрам равновесия протекающих в системе физико-химических процессов.
Геологический геоинформационный и информационно-технологический модули предназначены для создания геолого-технологических моделей эксплуатационных блоков, необходимых для проведения геотехнологических расчетов. С помощью этих модулей выполняются подготовка данных для проведения моделирования (предпроцессинг), представление и обработка результатов расчетов (постпроцессинг). Геологический геоинформационный модуль служит для ввода, хранения, обработки и визуализации данных, характеризующих состояние продуктивного горизонта в рассматриваемой области. Модуль позволяет создавать цифровую модель (ЦМ) продуктивного горизонта, содержащую геологические (глубина залегания, мощность продуктивного горизонта, расположение рудного тела и т.д.), минера-лого-геохимические (распределение минералов в продуктивном горизонте и компонентов, растворенных в пластовых водах) и гидрогеологические (распределение проницаемости, пористости среды и др.) данные. Кроме этого, модуль содержит блок моделирования, позволяющий генерировать пространственные распределения параметров геологической среды на основе данных по скважинам. Результаты расчетов представ-
ляются в виде карт распределения продуктивности, содержания минералов в породе, концентрации урана и кислоты в технологических растворах и т.д.
Информационно-технологический модуль предназначен для ввода, хранения и визуализации данных о работе добычного комплекса. Модуль позволяет создавать ЦМ технологических объектов (нагнетательных, откачных и наблюдательных скважин, ячеек, блоков). ЦМ технологических объектов содержат информацию об их расположении и основных характеристиках, а также данные о дебитах, составах рабочих и продуктивных растворов технологических скважин и эксплуатационных блоков в различные моменты времени. Кроме того, модуль содержит блок расчета геотехнологических параметров, позволяющий на основе результатов моделирования определять показатели отработки эксплуатационных блоков (степень извлечения, кислотоёмкость, масса извлеченного урана и т.д.).
Геотехнологическая моделирующая система может применяться для решения геотехнологических и экологических задач, возникающих на всех стадиях отработки месторождения урана методом сернокислотного СПВ. На стадии подготовки месторождения с помощью геотехнологической моделирующей системы можно оценивать основные геотехнологические показатели отработки эксплуатационных блоков на основе результатов лабораторных и натурных геотехнологических опытов. На стадии проектирования — осуществлять выбор наилучших схем вскрытия залежи и режимов отработки технологических блоков, планировать работу предприятия. На стадии разработки месторождения
— проводить оптимизацию режимов отработки действующих эксплуатационных блоков с целью повышения качества продуктивных растворов и снижения расхода реагентов, планировать отработку эксплуатационных блоков на различные сроки. На стадии вывода из эксплуатации — выполнять анализ степени отработки отдельных участков эксплуатационных блоков и определять последовательность отключения технологических ячеек. На всех стадиях разработки месторождения разработанную систему можно использовать для оценки геоэкологических последствий и планирования природоохранных мероприятий.
Решение геотехнологических и экологических задач с помощью геотехнологической моделирующей системы осуществляется путем последовательного выполнения семи этапов.
На первом этапе создаются ЦМ участков продуктивного горизонта, соответствующих проектируемым или отрабатываемым технологическим блокам. ЦМ участков строятся на основе данных геологических, геохимических и геофизических исследований, полученных при сооружении технологических и разведочных скважин. Имеющаяся информация вводится в базу геологических данных с помощью блока общения геологической геоинформационной системы. Распределения параметров геологической среды генерируются на основе фактических данных по скважинам интерполяционными или геостатистическими методами в блоке геологического моделирования. Созданные ЦМ участков продуктивного горизонта анализируются, и, при необходимости, производится пополнение исходных данных, изменение параметров гео-
логического моделирования и повторная генерация.
На втором этапе, с помощью блока общения информационно-технологического модуля, создаются ЦМ проектируемых или действующих технологических объектов, включающие данные о расположении и режимах работы технологических скважин, а также составах рабочих растворов.
На третьем этапе определяются параметры физико-химических процессов, определяющих взаимодействие выщелачивающих растворов с урановыми минералами и рудовмеща-ющей породой, и, с помощью блока общения моделирующей системы, заполняется соответствующая база данных. Параметры модели определяются по результатам лабораторных исследований фильтрационного выщелачивания урана из рудного материала рассматриваемого месторождения, геотехнологического опробования в натурных условиях, опытно-промышленных геотехнологических исследований, а также по результатам калибровочных расчетов отработки блоков. Следует отметить, что первые три этапа являются подготовительными, и от качества их проведения и адекватности созданных ЦМ зависят достоверность геотехнологических расчетов и эффективность отработки блоков.
На четвертом этапе выполняется моделирование отработки технологических блоков. Для проектируемых блоков расчеты проводятся на весь период времени от начала отработки блоков до момента достижения требуемой степени извлечения или падения концентрации урана в продуктивных растворах ниже минимально допустимого (с точки зрения технологии или экономики) значения. Для действующих блоков расчеты проводятся с
момента начала эксплуатации по текущий момент времени. Основой для проведения расчетов являются созданные на предыдущем этапе работ модели продуктивного горизонта и технологических объектов, а также база данных параметров физико-химических процессов. На основе результатов моделирования в технологической системе рассчитываются значения геотехнологических показателей отработки блоков.
На пятом этапе проводится анализ результатов моделирования, и выявляются участки блоков, где СПВ происходит недостаточно эффективно. Причинами неэффективной отработки блоков может быть образование застойных гидродинамических зон с высокой концентрацией урана, подтягивание пластовых вод откачными скважинами, расположенными вблизи границы блока, растекание технологических растворов за контур блока и др.
На шестом этапе вырабатываются предложения по оптимизации отработки блоков, и проводятся многовариантные геотехнологические расчеты с целью проверки правильности сделанных предложений. Для проектируемых блоков возможно изменение схем расположения скважин (рядная, гексагональная и др.), расстояний между скважинами в ячеистых схемах, расстояний между рядами и скважинами в ряду, режимов отработки (дебиты технологических скважин, концентрации реагентов закислении на разных стадиях отработки и др.). Методами оптимизации работающих блоков являются: реверс, изменение дебитов откачных и нагнетательных скважин, вывод их из работы, сооружение дополнительных скважин, а также изменение содержания реагентов в выщелачивающих растворах.
На последнем, седьмом этапе, проводится сравнительный анализ результатов многовариантных расчетов и выбирается наилучший, с учетом технических возможностей, вариант отработки блоков, который рекомендуется для реализации. Критериями для выбора наилучших альтернатив являются повышение средней концентрации урана в продуктивных растворах, увеличение темпов добычи урана, уменьшение расхода реагентов.
Наряду с решением геотехнологических задач, комплекс можно использовать для оценки геоэкологических последствий отработки месторождения и планирования природоохранных мероприятий. На основе результатов эпигнозных расчетов отработки делается оценка распространения технологических растворов в подземных водах и изменения геологической среды. При необходимости, формируются предложения по изменению технологических режимов и проведению природоохранных мероприятий. По результатам прогнозных расчетов выполняется анализ геоэкологических последствий работы предприятия, который используется при проведении экологической экспертизы. После завершения работы комплекс используется для прогнозирования и оценки геоэкологических последствий, определения продолжительности и глубины самоочистки загрязнённых вод, обоснования выбора и подготовки планов по рекультивации водоносных горизонтов.
Таким образом, разработанный комплекс является эффективным инструментом для решения широкого спектра геотехнологических и геоэкологических задач, возникающих на различных стадиях отработки блоков месторождения урана методом сернокислотного СПВ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арене В.Ж., Гридин О.М., Крейнин Е.В. и др. Физико-химическая геотехнология. — М.: Изд-во МГГУ, 2010. — 575 с.
2. Лаверов Н.П., Абдульманов И. Г., Бровин К.Г. Подземное выщелачивание полиэлементных руд. — М.: Изд-во АГН, 1998. — 446 с.
3. Иетомин А.Д., Ноеков М.Д., Кеелер А.Г., Ноекова С.Н., Чеглоков А.А. Программный комплекс для управления разработкой месторождения полезных ископаемых ме-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ноеков Михаил Дмитриевич — доктор физико-минералогических наук, профессор, е-mail: [email protected],
Иетомин Андрей Дмитриевич — кандидат физико-математических наук, доцент, е-mail: [email protected],
Кеелер Аркадий Григорьевич, кандидат физико-математических наук, е-mail: [email protected],
Ноекова Светлана Николаевна — е-mail: [email protected],
Гуцул Михаил Владимирович — аспирант, е-mail: [email protected],
Северский технологический институт национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».
РИСУЕТ ДАРЬЯ АБРЕНИНА
— Маша, какие ты знаешь полезные ископаемые?
— Каменный уголь, железная руда, картошка...
тодом скважинного подземного выщелачивания // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2011. — №8. -С. 376—381.
4. Иетомин А.Д., Бабкин А.С., Ное-ков М.Д., Чеглоков А.А. Система информационной поддержки управления добычей урана методом скважинного подземного выщелачивания // Автоматизация в промышленности. — 2011. — № 1. — С. 5—9. Н2Е
