CC BY
17
© A.C. Курилко, В.И. Попов, Г.В. Шубин, Д.Д. Никифорова, 2012
УДК 622.271
A.C. Курилко, В.И. Попов, Г.В. Шубин, А.Д. Никифорова
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ РАССОЛЕНИЯ РАЗДРОБЛЕННЫХ ПОРОД ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЙ ПОДУШКИ РУДНИКА «УДАЧНЫ1Й»*
Проведен расчет варианта промывки раздробленных пород предохранительной подушки рудника. В рамках данного исследования показано, что за семь летних сезонов естественными осадками полностью промывается слой предохранительной подушки на глубину до пятнадцати метров. Это может привести к смерзанию пород подушки и снижению её подвижности. Ключевые слова: промывка, диффузия, породы.
Отработка подкарьерных запасов кимберлитов трубки «Удачная» будет осуществляться подземным способом под защитой предохранительной подушки, сформированной из руды и вмещающих пород на дне карьера. На весь период отработки месторождения подземным способом предохранительная подушка должна круглогодично находиться в подвижном состоянии, а также сохранять фильтрационные свойства чтобы не допускать скапливания дождевых и талых вод на дне карьера.
Руда и породы, из которых формируется предохранительная подушка, засолены и не смерзаются при темперарурах от 0 до -10°С. Засоленные мерзлые дисперсные породы представляют одну из сложных криогенных систем, отличающихся свойствами и составом компонентов. По многим параметрам (зависящим от содержания незамерзшей воды) они занимают промежуточное положение
между мерзлыми и немерзлыми породами, имеют особые инженерно-геологические свойства, отличаются низкой прочностью.
Незамёрзшая вода оказывает определяющее влияние на механические свойства грунтов при отрицательных температурах. Засоленные грунты отличаются её повышенным содержанием. Установлено [1—3], что даже при небольшом засолении 0за1 = 0,15 %, в диапазоне температур 1 = -2,8 — 6,5°С содержание жидкой фазы в грунте (суглинок) на 2,5 - 3,8 % больше, чем при отсутствии солей. Если Ээа1 = 1,0 %, то эта разница достигает 22,3 %. Поэтому основные механические характеристики мёрзлого грунта следует рассматривать как функции засоленности Оза1 и температуры 1:.
Засоление хотя и определяется условиями формирования и промерзания пород, не является постоянной характеристикой мерзлой толщи.
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках комплексного проекта № 2010-21801-001 по созданию высокотехнологического производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения.
Таблица 1
Содержание растворимых солей в породах
Горизонт -80метров Горизонт -125 метров Горизонт -170 метров
Серый Коричн Серый Коричн
Dsal, % 0,23 0,14 0,33 0,79 0,20
Вымывание ионов С л м Mg in породы с течением времени. Фракция-20+10
1800
а 2
Л' 1500
1=4
Q 1200
м
| 900
Е 600
сЗ
Ё" 300
53
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, чес
Рис. 1. Зависимость скорости вымывания водорастворимых ионов кальция и магния из породы (расчет на 1 кг породы) от времени (Фракция -20+10).
Таблица 2
Рассчитанные на основании графиков значения коэффициентов диффузии (жирный шрифт)
Фракция Изменение количества солей в омывающем растворе
At=3600 At=3600 At=3600 At=2*3600 At=9.5*3600
t=3600 t=2*3600 t=3*3600 t=5*3600 t=14.5*3600
AC=C1-C2 40,18 AC=C2-C3 23,438 AC=C3-C4 20,09 AC=C4-C5 26,805 AC=C5-C6 41,018
20-10 M1= AC*V 10,045 M2= AC*V 5,8595 M3= AC*V 5,0225 M4= AC*V 6,70125 M5= AC*V 10,2545
4,12*10-11 2,84*10-11 3,09*10-11 2,3*10-11 6,89*10-12
10-5 M1= AC*V 13,39 M2= AC*V 7,36 M3= AC*V 6,697 M4= AC*V 7,813 M5= AC*V 10,603
1,59*10-11 9,65*10-12 1,19*10~n 6,78*10-12 1,18*10-12
Осредненная величина коэффициента диффузии — а а=1,78-10"п
В результате миграции солей даже в мерзлых грунтах происходит изменение их содержания, при этом изменяется главным образом величина засоленности при сохранении в целом качественного химического состава солей. Миграция солей и в целом постепенное рассоление верхних горизонтов толщ засоленных мерзлых пород являются общей закономерностью их развития во времени.
В ходе эксплуатации рудника массив пород предохранительной подушки на дне карьера «Удачный» будет промываться дождевыми водами, что приведет к изменению его свойств, породы станут смерзаться, может снизиться подвижность подушки.
Нами были проведены лабораторные и вычислительные эксперименты, с целью получения оценки интенсивности рассоления.
Лабораторные исследования проводились на образцах карбонатных пород отобранных с горизонтов -80, -125, и -175м карьера «Удачный».
Состав растворимых солей породы представлен в таблице 1
Для оценки величины коэффициента диффузии водорастворимых солей в кусках породы были проведены эксперименты по вымыванию солей из навесок породы фракций -20+10 и 10+5мм.
Так как основными катионами в растворимых солей являются кальций и магний, то скорость вымывания солей в породе считали по этим двум ионам. Для определения концентрации кальция и магния в растворе водной вытяжки воспользовались ком-плексонометрическим методом анализа. Результаты исследований для фракции -20+10 приведен на рис. 1.
По полученным данным был сделан расчёт коэффициента диффузии. Для определения коэффициента диффузии солей в засоленных круп-
нообломочных породах использован квазистационарный метод для шарообразных частиц.
Составим баланс диффундирующего вещества в раствор и соответственное изменение концентрации раствора.
4
дС д г
д С
Д =-Дt.
дt
(1)
Полагаем, что проба весом Р состоит из раздробленного до радиуса И0 материала породы с плотностью р. Тогда количество шарообразных частиц N определим из выражения
3 ля03р
Полагаем, что концентрационный профиль в сферической частице можно представить в линейном виде
( " ^
С = С г
1 --
я
яо - я;
(2)
где Я — радиус концентрационного влияния, зависящий от времени. Составив уравнение баланса для концентрационного профиля, получим
¥ (с" 4 ^
= 4 1с\-
(3)
Откуда найдем зависимость для радиуса влияния
и, = и0(4)
После подстановки полученных зависимостей в исходное уравнение (1) найдем
дс
та=-&
3 РС
(5)
п
В табл. 2 приведены значения рассчитанного коэффициента диффузии — а для пород горизонта 80 м карьера «Удачный».
Базовым для построения модели промывки является балансовое уравнение переноса мигрирующего вещества [3], которое составляется при следующих предположениях:
— среда имеет изотропное неоднородное крупнообломочное строение, т.е. состоит из системы относительно слабопроницаемых кусков, из которых в промывочный раствор соли перемещаются за счет диффузии,
При описании конвективного переноса предполагаем что скорость течения воды между кусками породы, равна средней скорости течения V =v/n0 (где v — скорость фильтрации; по — активная пористость породы).
Уравнение баланса для нашего случая имеет вид
дС д 2 С ..дС . — = а—- - V— + Z(x, t) (6)
dt дх2 дх
где первый член в правой части уравнения определяет диффузионный перенос в одномерном потоке промывных вод, второй конвективный перенос солей с потоком и третий — Z(x,t) характеризует вымывание солей из сферических кусков породы и их диффузию через внешнюю поверхность в поток промывных вод.
Лля оценки скорости конвективного переноса фильтрационным потоком воспользуемся данными гидрометеорологических наблюдений согласно которым средний уровень годовых осадков, фильтрующихся за летний период (ориентировочно 120 -150 суток) составляет 325 мм. Приближенная усредненная скорость фильтрации V0= 2.5 10-8 м/сек.
Решение уравнения конвективного переноса соли в результате промывки проведем разностным методом, ис-
пользуя схему расщепления по физическим процессам.
Лля этого представим уравнение (6) в виде системы поочередно решаемых уравнений (1, 2, 3) из системы (7) отражающих влияние различных физических процессов
дС д2 С д1 дх2
(2) = -У (7)
дt дх
(3) ^ = г(х, г) дг
Будем считать что куски породы радиусом 0,1 м. равномерно распределены в объеме предохранительного целика на дне карьера. Их начальная засоленность имеет величину СПо.
В начальный момент времени в поток воды с нулевой концентрацией с поверхности кусков начинает поступать соль 2(х,1:). Плотность диффузионного потока соли с поверхности сферического куска породы в рамках квазистационарного распределения определена следующим образом: 2(х, t) = N ■ Б ■ J;
дС
J п — - a
д Г
— - a
Cп - C Л (8) R - R(t) ) '
где R - R(t) = V2at, S — поверхность одного куска.
По достижении фронтом диффузионного влияния центра блока выражение для плотности потока представляется в виде 'Э Cл
Jn — -a
дг
[(О, - C)exp
— -a-
12 at R2
R
(9)
Т
£ 250
ас
гт о.
| 200
л о.
0
1 150 £
2
$
о
£3.
! 100
3
а £ х
о
а
50
ада
/ ( > Ж суток
/ / ( -У=Уо
/ / —
/ У
1. / ш. * * ¥ ^^
10 15 20
Глубина (м)
25
Рис. 2. Распределение засоленности исходной ( Ь=30 суток ) и через 450 суток естественной промывки с различной скоростью фильтрации
На рис. 2 представлены результаты расчета процесса промывки в теле предохранительной подушки на дне карьера. Из графиков видно, что при фильтрации воды через толщу предохранительной подушки происходит вымывание солей. В зависимости от скорости фильтрации (объема промывных вод) возможны различные уровни обессоливания предохранительной подушки. Увеличение объемов фильтрующихся промывных вод (увеличение скорости фильтрации) способствует более эффективному, быстрому удалению солей из предохранительной подушки.
Таким образом, лабораторными исследованиями установлен уровень засоленности пород и получены кинетические кривые растворения соли содержащейся в породе. На основании кинетических кривых рассчитан
коэффициент диффузии солей в породах усредненная величина которого составляет 1.78 10-11 м2/сек. Получена оценка скорости фильтрующегося потока промывных вод У= 2.5 10-8м/сек. Результаты математического моделирования с использованием полученных параметров позволили сделать прогноз динамики процесса промывки пород предохранительной подушки. За семь летних сезонов полностью промывается слой предохранительной подушки до уровня пятнадцати метров. Увеличение скорости фильтрации равносильное увеличению подаваемых объемов воды может существенно сократить это время вплоть до трех летних сезонов.
Уменьшение засоленности пород предохранительной подушки будет способствовать их смерзанию в зим-
ний период, что в свою очередь может ухудшить сыпучие свойства породы и подвижность подушки. Необходимо разработать мероприятия, кото-
1. Велли Ю.Я. Устойчивость зданий и сооружений в Арктике. - Л.: Стройиздат, 1973. - 152 с.
2. Пекарская Н.К., Чапаев A.A. Влияние засоленности мерзлых грунтов на их де-формативные свойства // Инженерное мерзлотоведение. - М.: Наука, 1967. - С. 5 - 19.
рые будут способствовать сохранению подвижности предохранительной подушки на весь период подземной отработке запасов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Хименков А.Н., Брушков A.B. Океанический криолитогенез. М.:, Наука, 2003, 251 с.
4. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М: Наука, 1976.
5. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. Наука, М.; 1964, 488 е.. ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Курилко Александр Сардокович — доктор технических наук, старший научный сотрудник, a.s.kurilko@igds.ysn.ru
Попов В.И. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Никифорова А.Д. - аспирант,
Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН, Шубин Г.В. - кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой,
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Амосова, mine_academy@mail.ru.
ГОРНАЯ КНИГА-2012 -
Сооружение укрупненных скважин с использованием взрывного воздействия на рабочий горизонт и перспективы их применения в горной промышленности
Приходько Н.К. Год: 2012 Страниц: 120 ISBN: 978-5-98672-293-1 UDK: 622.24
Изложены технологические преимущества укрупненных скважин, сооружаемых с использованием взрывов, и перспективы их использования в нефтегазодобывающей промышленности. Приведены новые способы герметизации ствола зарядных скважин на момент проведения в них взрыва, которые успешно использованы при производстве подземных ядерных взрывов и обеспечили безопасность проведения взрыва, а также возможность быстрого и малозатратного перевода зарядных скважин в эксплуатационные. Эти способы могут быть использованы при сооружении укрупненных скважин с применением химических ВВ, особенно при подрыве зарядов повышенной мощности.
Особое внимание уделено возможности использования укрупненных скважин при внедрении бессточных технологий при разработке обводненных нефтяных, газовых месторождений, при добыче природного газа, растворенного в агрессивных пластовых водах, которые не извлекаются на поверхность. Рассмотрена возможность использования укрупненных скважин и в других областях горного дела.
