CC BY
70
разностей при моделировании анизотропных водоносных горизонтов на наклонном водоупоре дает возможность решать прогнозные задачи, используя детерминированные модели и тем самым упрощая математическое описание исходных условий и сам про-
цесс моделирования, а также использовать стандартный математический аппарат при решении достаточно сложных задач в условиях нестационарной фильтрации.
Библиографический список
1. Аузина Л.И. Экологические проблемы гидросферы урбанизированных территорий и пути их решения // Проблемы водных ресурсов геотермии и геоэкологии: материалы меж-дунар. научной конф. Минск: ИГиГ НАН Беларуси, 2005. Т. 2. С. 11-13.
2. Аузина Л.И. Анализ состояния гидросферы природно-техногенных систем урбанизированных территорий // Подземные воды Востока России: материалы Всероссийского совещ. по подземным водам Востока России. Тюмень: Тюменский дом печати, 2009. С.406-409.
3. Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях: справочное пособие к СНиП- 2.06.15-85. М.: Стройиздат, 1991. 450 с.
4. Ломтадзе В.Д. Словарь по инженерной геологии. СПб.: СПб горный институт, 1999. 360 с.
5. Гавич И.К. Гидрогеодинамика. М.: Недра, 1988. 349 с.
6. СНиП 2.06.15-85. Инженерная защита территории от затопления и подтопления. М.: Госстрой СССР, 1988. 17с.
7. СНиП 22-01-95. Геофизика опасных природных воздействий. М.: МинСтрой России, 1996. 10 с.
УДК 556.3.01:574.4
СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ ПРОМСТОКОВ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ АК «АЛРОСА» В ЗАПАДНОЙ ЯКУТИИ
А.В.Дроздов1, В.Ф.Попов2
Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА», 678170, г. Мирный, ул. Ленина, 39.
2Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Амосова, 677000, г. Якутск, ул. Кулаковского, 50.
Рассмотрены способы удаления промышленных стоков, которые используются в зависимости от токсичности жидких отходов, геологических, гидрологических, криогидрогеологических условий на крупнейших алмазных месторождениях Западной Якутии АК «АЛРОСА». Ил. 3. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: криолитозона; многолетнемерзлые породы; подмерзлотные водоносные горизонты; полигон захоронения; дренажные рассолы; резервуары.
METHODS TO REMOVE INDUSTRIAL EFFLUENTS OF MINING ENTERPRISES OF SC "ALROSA" IN WESTERN YAKUTIA
A.V. Drozdov, V.F. Popov
Institute "Yakutniproalmaz", SC "ALROSA", 39, Lenin St., Mirny, 678170.
FSAEI HPE "North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov", 50, Kulakovsky St., Yakutsk, 677000.
The methods to remove industrial effluents, which are used depending on the toxicity of liquid wastes, and geological, hydrological, cryohydrogeological conditions in major diamond deposits of Western Yakutia of SC "ALROSA" are di s-cussed.
3 figures. 6 sources.
Key words: cryolite zone; perennially frozen rocks; subpermafrost aquifers; landfill; drainage brines; reservoirs.
Введение. Отечественная и мировая практика показала огромную значимость природных подземных резервуаров как вместилищ различных промстоков, газа, нефтепродуктов и других жидких веществ, включая и радиоактивные отходы (РАО). Несмотря на определенные успехи в изучении данной проблемы, вопросы генезиса, морфологии, внутренней структуры, коллекторских свойств пород благоприятных гео-
логических образований в большинстве регионов остаются недостаточно охваченными. На Сибирской платформе АК «АЛРОСА» выполнены исследования различных криогидрогеологических структур, которые направлены на выяснение условий осадконакопления, постседиментационных, магматических, гидротермальных, криогенных преобразований отложений, их фациальных и температурных реконструкций, выяв-
1Дроздов Александр Викторович, кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией горно-геологических проблем разработки месторождений, тел.: (41136) 92038, e-mail: adrosdov@yna.alrosa-mir.ru
Drozdov Alexander, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Head of the Laboratory of Geological and Mining Pro b-lems of Mine Development, tel.: (41136) 92038, e-mail: adrosdov@yna.alrosa-mir.ru
2Попов Владимир Федорович, доцент геологоразведочного факультета, тел.: 89142326134, e-mail: pvf_grf@rambler.ru Popov Vladimir, Associate Professor of the Faculty of Geological Prospecting, tel.: 89142326134, e-mail: pvf_grf@rambler.ru
ление генетической связи разных коллекторов в осадочных толщах с интрузивными (базитовыми, кимбер-литовыми) телами, оценку роли неотектонических воздействий на состояние массивов и коллекторские свойства пород природных резервуаров.
Под природным подземным резервуаром подразумевается криогенное, криогидрогеологическое, гидрогеологическое образование (тело, толща, горизонт), сложенное породами с повышенными фильтрационно-емкостными показателями, ограниченное в пространстве слабо- или непроницаемыми отложениями и не имеющее связи с зоной активного водообмена. Важнейшими признаками природных резервуаров являются их морфология (мощность, латеральная выдержанность, форма тела) и внутренняя структура (литолого-генетическая принадлежность, фильтрационно-емкостные свойства пород). Морфология природных резервуаров обычно связана со структурно-тектонической обстановкой или условиями осадкона-копления. А внутренняя (емкостная) составляющая обусловлена как условиями седиментогенеза и характером тектонической нарушенности горных массивов или их части, так и последующими диагенетическими и катагенетическими преобразованиями различных типов коллекторов пород. Поэтому исследования природных резервуаров в криолитозоне включают: оценку структурно-тектонической, криогидрогеологической обстановки районов, участков или блоков верхней части земной коры, литолого-фациальный анализ перспективных для утилизации толщ пород, изучение постседиментационных, постмагматических, гидротермальных, криогенных процессов, а также оценку фильтрационно-емкостных показателей пород геологических, криогидрогеологических структур или их частей.
Развитие на территории Западной Якутии мощной толщи многолетнемерзлых пород (ММП), обладающей экранирующими свойствами от зоны интенсивного водообмена, позволяет использовать этот благоприятный фактор в природоохранных направлениях. Значение яруса ММП при выборе объекта под природный подземный или техноприродный резервуар можно рассматривать с разных позиций. С одной стороны, мерзлые породы обладают экранирующими свойствами, отделяющими зону активной жизнедеятельности от глубоких горизонтов земной коры, в которые можно удалять жидкие токсичные отходы. На этой основе возможна «консервация», складирование или обратная закачка некоторых видов промстоков. С другой стороны, сами ММП на определенных участках обладают повышенными фильтрационно-емкостными свойствами, поэтому на этой благоприятной основе построены и эксплуатируются полигоны захоронения дренажных рассолов АК «АЛРОСА».
Оптимизация вариантов удаления сточных вод алмазодобывающих предприятий. Разработка алмазных месторождений в Западной Якутии сопряжена с вовлечением значительных объемов сопутствующих стоков, прямой сброс которых на земную поверхность приводит к отрицательным экологическим последствиям. Существует много способов уда-
ления загрязненных вод, использование которых зависит от токсичности жидких отходов, гидрологических, криогидрогеологических условий и других факторов.
Подземное захоронение сточных вод в недра Земли основано в первую очередь на поглощающих способностях пород массивов или их участков вмещать и удерживать жидкие отходы. При принятии конкретного решения по удалению различных растворов необходимо обосновать геологические условия приемлемой для этих целей среды, произвести выбор места и технологии закачки промстоков. Требования к геологической среде разнообразны, но в отдельных случаях, в частности для криолитозоны, противоречивы. В природной обстановке трудно выбрать идеальный объект, удовлетворяющий всем необходимым показателям, особенно в условиях стохастически неоднородных сред, при разнообразных гидрогеохимических и криогидрогеологических системах (КГГС). Поэтому решение о природном объекте для захоронения стоков должно опираться на определенную оптимизацию этих требований.
По отношению к ММП основные модели используемых природных и техноприродных резервуаров в криолитозоне стратифицируются на над-, внутри- и подмерзлотные [Дроздов, 2007]. Природные подземные резервуары представляют собой многокомпонентные гетерогенные системы, включающие твердую, жидкую и газообразную фазы. В основе поглощающих свойств обводненной среды подмерзлотных резервуаров лежит способность к перераспределению и увеличению влагоемкости за счет упругого сжатия и миграции распространенных в них водных растворов и газов, а также упругих, пластичных и деформационных показателей пород. Каждый природный подземный резервуар для захоронения промстоков в криолито-зоне характеризуется взаимозависимыми параметрами, которые определяют эффективность его использования в данном регионе или на полигоне закачки и включают: фильтрационно-емкостные свойства толщ пород подземной крио- или гидросферы; граничные условия резервуара; физико-химические показатели среды для захоронения; температурный режим используемого и перекрывающего породного массива; совместимость природных вод и закачиваемых промышленных стоков; экранирующие свойства ММП и их динамику во времени. Роль ММП как флюидоупора должна оцениваться для каждого района и полигона захоронения индивидуально, с учетом климатических, криогидрогеологических, структурно-тектонических, геоморфологических и других условий. Выбранный природный подземный резервуар промстоков должен обладать совокупно установленной или прогнозируемой емкостью, подразделяемой на гравитационную и деформационную, каждая из которых может формироваться в процессе захоронения стоков. Поэтому существует прямая связь эффективности использования емкости природного резервуара с технологией и режимом удаления промстоков, их составом и физико-химическими показателями. При заполнении гравитационной емкости наземного или подземного резервуа-
ра применяется свободный (безнапорный) режим сброса промстоков, являющийся наиболее экономичным. Деформационная емкость подземного резервуара формируется, главным образом, при нагнетании жидких отходов под давлением в глубокозалегающие водоносные горизонты осадочного чехла.
Использование тектонически нарушенных участков (зон) осадочного чехла в разных интервалах криогенных областей для захоронения промстоков считается несколько необычным и противоречащим основным требованиям, предъявляемым к геологической среде. Но как показывает многолетний положительный опыт на разных месторождениях, использование таких участков для удаления дренажных вод - вполне приемлемое и перспективное направление [Гольдберг и др., 1994; Дроздов, 2007]. К примеру, выбор участков в Западной Якутии и последующее строительство полигонов захоронения промстоков с высокой приемистостью скважин связан, главным образом, с существующей трещинной проницаемостью пород, которые зависят, в первую очередь, от структурно-тектонических условий криогидрогеологических массивов. Каждый генетический тип потенциального резервуара отличается закономерностями размещения в подземном пространстве, развитием пород-коллекторов и экранирующих толщ. Следует отметить, что не для каждого региона (района) перспективной может быть любая из выделяемых криогидрогеологи-ческих структур и не всегда применим метод аналогии. Поэтому подход к выбору объекта под захоронение жидких отходов в криолитозоне должен быть индивидуальным как по показателям природной среды, так и по показателям закачиваемых стоков.
Складирование промстоков в надмерзлотных поверхностных резервуарах. Одним из вариантов складирования, утилизации или временного накопления разнообразных промстоков для условий криолито-зоны Сибирской платформы, включая дренажные воды алмазодобывающих предприятий, является их поверхностное размещение в естественных выемках, а также котлованах и карьерных выработках [Долгих, Мауль, 1989; и др.]. Техноприродные или искусственно созданные надмерзлотные резервуары представляют собой накопители (пруды), хвостохранилища, карье-
ры, где ММП слагают полотно, борта сооружения и играют роль непроницаемого или слабопроницаемого экрана.
В таких резервуарах осуществляется складирование токсичных слабоминерализованных жидких отходов обогатительных фабрик (до 200 млн м3) с большим количеством механических взвесей, органических и неорганических соединений, соленых вод, реже дренажных рассолов, а также нефтенасыщенных шламов с высоким содержанием нефтепродуктов. Экстремальные климатические условия некоторых районов платформы с отрицательным температурным балансом атмосферы (до -10...-13 °С), низкие значения температур горных пород - ниже зоны сезонных колебаний (-2.-8 °С) при надежном контроле и управлении оптимальным процессом накопления жидких и пластичных отходов позволяют горнообогатительным предприятиям успешно решать эти проблемы.
В качестве емкости для надмерзлотных резервуаров, в основном, используют естественные долины временных водотоков с их перекрытием в пониженных участках и обустройством насыпных плотин слабоин-фильтрационного или других типов. В отдельных случаях котлованы наземных хранилищ создаются с помощью буровзрывных работ, экскавацией и последующей транспортировкой разрыхленной горной массы карьерным автотранспортом. На некоторых предприятиях (ГОКах) для складирования незначительных объемов жидких отходов (тыс. м3) используют отработанные карьеры строительного камня или песчано-гравийных смесей в толщах ММП. В крайних случаях, при наличии значительно больших объемов промстоков (до нескольких млн м3), задействуют отработанные карьеры некоторых месторождений, в том числе и алмазных. Так, для складирования промстоков рудника «Интернациональный» в течение нескольких лет использовали свободные пространства карьеров трубок имени XXIII партсъезда и Дачной, отработанных открытым способом. Для складирования пульпообраз-ных отходов обогатительных фабрик используют хвостохранилища, относящиеся к намывным сооружениям I балочного типа (рис. 1). Как правило, в долинных участках воздвигают плотины каскадного типа с ком-
Рис. 1. Схема сооружения бессточного хвостохранилища (надмерзлотного резервуара): 1 - пионерная дамба; 2 - намывные хвосты в теле ограждающей дамбы слабофильтрационного типа; 3 - плавучий водоприемник; 4, 6, 7, 9 - водоводы; 5 - дамбы обвалования; 8 - насосная станция оборотной воды; 10 - дренажная насосная станция; 11 - плотина мерзлотного типа маневровой емкости; 12 - мерзлотная завеса из жидкостных замораживающих колонок
плексом гидротехнических сооружений (ГТС). В состав ГТС входят: ограждающая дамба, емкость для складирования хвостов, пруд-накопитель, система гидротранспорта и укладки хвостов, система оборотного водоснабжения, система перехвата и отвода паводковых вод. Хвостохранилища намывного типа относительно недороги и имеют высокую механическую и фильтрационную устойчивость.
Однако аккумуляция и длительное хранение высококонцентрированных вод в накопителях, построенных на мерзлом трещиноватом основании, - дорогое и трудноосуществимое мероприятие. Бытующее представление о водоупорности ММП не всегда справедливо даже для хранения или накопления больших объемов пресных вод. Это наглядно проявляется при эксплуатации многих водохранилищ или ГЭС, построенных в условиях криолитозоны. При разработке и создании противофильтрационных экранов для крепких рассолов, агрессивных к льдистым грунтам, требуются значительные затраты времени и средств. В Западной Якутии на предприятиях АК «АЛРОСА» получен соответствующий опыт строительства и эксплуатации некоторых видов сооружений для минерализованных стоков определенных концентраций, разного состава, генезиса и токсичности. Рассолохранилище дренажных вод месторождения трубки Мир на ручье Тымтайдаах считается первым такого рода искусственным резервуаром в криолитозоне, где складиру-
3
ются миллионы м высококонцентрированных стоков. Знание процессов в крайне неустойчивой системе «рассол сверху-мерзлая порода снизу» имеет большую актуальность. Подобная ситуация в природе встречается не так часто и изучается в основном в лабораторных условиях, с помощью экспериментов. Большие объемы дренажных рассолов за счет сезонных климатических, температурных воздействий могут накапливать тепло или холод и впоследствии изменять состояние и свойства пород, подстилающих основание, а также прилегающих участков мерзлых массивов.
Поверхностное складирование некоторых природных вод в криолитозоне, в частности, высококонцентрированных хлоридных натриевых или кальциевых рассолов не всегда приводит к положительным результатам и является экологически опасным направлением без выполнения комплекса противофильтрационных мероприятий. В надмерзлотные технопри-родные резервуары предпочтительно утилизировать или временно складировать промстоки с минерализацией до 60 г/дм3, а растворы хлоридного кальциевого состава рекомендуется складировать при концентрациях, не превышающих 20-30 г/дм3, при этом необходимо выполнять все мероприятия по сооружению противофильтрационных экранов с сохранением отрицательно-температурного режима грунтов в основании и бортах ГТС.
Захоронение дренажных вод во внутримерз-лотные резервуары криолитозоны. Подземное захоронение дренажных рассолов в толще ММП явилось наиболее прогрессивным направлением в решении экологических проблем региона при отработке
трубки Удачной. В настоящее время предусматривается аналогичным образом осуществлять ликвидацию минерализованных стоков и на других алмазных месторождениях: Айхал, Комсомольская, Юбилейная, Нюрбинская, Ботуобинская, трубках Верхне-Мунского поля. По сравнению с другими методами удаления сточных вод этот способ ликвидации жидких отходов горного производства имеет преимущества практически во всех аспектах его рассмотрения (технических, технологических, финансовых и т.д.) [Дроздов, 2007]. В последующем он может найти применение не только на алмазодобывающих предприятиях Западной Якутии, но и в других регионах, которым свойственно развитие мощных толщ ММП.
В основе метода захоронения минерализованных стоков в мерзлом ярусе использовано свойство формирования полезной емкости при изменении фазового состояния воды из твердого в жидкое. Общая модель удаления стоков на эксплуатируемых полигонах Удачнинского ГОКа (Октябрьском, Киенгском) выглядит следующим образом. Мерзлые массивы обладают определенной естественной емкостью, в большей мере порово-трещинной. На перспективных участках, приуроченных к местам повышенных тектонических дислокаций, мерзлая часть криолитозоны разбита на отдельные блоки, сдвинутые относительно друг друга в вертикальной плоскости. Межблоковое пространство заполнено разрушенным материалом материнских пород, сцементированным льдом. К трещинно-жильным коллекторам тектонических нарушений, имеющих наибольшую открытость, приурочена свободная емкость толщ, полости которой заполнены газо-воздушной смесью. В объеме всей емкости потенциального резервуара эти полости составляют первые проценты. Внутри блоки также разбиты многочисленными трещинами на разнообъемные отдельности, но в них существуют локальные водоупоры, которые представлены глинистыми разностями отложений. Крупные блоки ММП по всему массиву обладают большей льдистостью или потенциальной пустотно-стью по сравнению с межблоковыми пространствами. Их льдистость достигает 30% при средних величинах 5-10%.
В начальный период сброса дренажные рассолы мигрируют локально, по свободным трещинным коллекторам межблоковых пространств, которые обладают высокой проницаемостью. Взаимодействуя с частью ледового наполнителя трещин, растворяют его и приобретают по отношению к нему все меньшую агрессивность. Данный этап характеризуется высокоскоростным, локальным распространением минерализованных вод в мерзлом массиве, достигающим 5-7 м/сут. При этом миграция рассолов подчиняется конвективным процессам за счет гидравлического градиента в обводненных полостях, с латеральным распространением на расстояние первых километров [Дроздов, 2007]. По мере разрушения льда рассолами происходит разубоживание закачанных вод. Наиболее опресненная смесь поднимается вверх, а более минерализованная опускается вниз, давая начало плот-ностной конвекции. Далее, при заполнении свободной
и дополнительной трещинной пустотности в межблоковых пространствах начинается диффузионный отток минерализованных вод в трещинно-поровые блоки мерзлых толщ. Этот процесс сопровождается механизмом капиллярного всасывания рассолов в пористую матрицу пород, стимулируемым растворением ледового наполнителя. При наличии градиентов концентраций и давлений в слабопроницаемых толщах проявляют себя осмотические и молекулярно-диффузионные процессы, имеющие подчиненный характер. Такой миграционный процесс описывается в рамках моделей макродисперсии, разработанных для сред с двойной емкостью. В то же время без поступления новых порций концентрированного раствора в поровые блоки процесс внедрения стоков при равновесных концентрациях и температурах практически затухает. При опробовании всех эксплуатационных скважин на начальных этапах захоронения наблюдается повсеместное 3-4- кратное разбавление закачанных дренажных вод до минерализации 40-80 г/дм3.
С удалением от точки сброса и при отсутствии новой порции рассолов процесс их латерального распространения начинает снижаться. Температура и концентрация растворов принимают равновесное с мерзлой породой состояние, и наступает состояние эвтектики. Параллельно этому явлению происходит обратный процесс - незначительное криогенное концентрирование раствора с отжатием рассолов вниз, к слабопроводящим пластам. Замерзание минерализованных вод на контакте с мерзлой породой является положительным фактором при рассмотрении экологической надежности данного способа захоронения жидких отходов. Создание равновесных условий в системе «лед-рассол» без притока новых порций дренажных рассолов приводит к «самоконсервированию» растворов.
Таким образом, оценка возможности захоронения минерализованных вод на полигонах сводится к определению закономерностей распределения льдистости при формировании зоны техногенного талика в ММП. При этом важным показателем является температура замерзания стоков, напрямую зависящая от их минерализации. ММП как область закачки дренажных вод имеет тенденцию к изменению своих прочностных, емкостно-фильтрационных показателей, существенно воздействуя и преобразуя также подвижную (жидкую и газообразную) фазу. Механизм миграции рассолов тесно связан с их составом и свойствами криогенной среды. Внедрение концентрированных растворов в гомогенные, особенно глинистые, пласты - долговременный процесс и исчисляется месяцами и годами. Поровые коллекторы в мерзлых толщах являются основной аккумулятивной средой минерализованных вод с плохим качеством для дальнейшего транзита. На оценку водопроницаемости пород техногенного талика существенное влияние оказывают их фазовая проницаемость для разного массоносителя (жидкость, газ) и изменчивость среды (степень водонасыщения). При этом движение воды и газа (воздуха) происходит чаще всего в диаметрально противоположных направлениях по свойственным им законам и в неста-
ционарном режиме фильтрации. Скорость разрушения льда рассолами зависит от многих природно-техногенных факторов: температуры и минерализации дренажных стоков, их состава, криогенного строения, температуры мерзлого массива и т.д. В процессе захоронения дренажных вод в ММП происходит пространственно-временное изменение их проницаемой способности. Формируется техногенный талик, у которого фильтрационные свойства увеличиваются, главным образом, в 2-4 раза, в зависимости от характера и продолжительности взаимодействия с рассолами. Приемистость скважин при режиме свободного налива со временем возрастает, достигая 200-250 м3/ч.
Миграционные параметры формируемой среды, являясь составной частью фильтрационных свойств, зависят от состояния ММП, их тектонической нару-шенности, льдистости, характера и продолжительности взаимодействия с рассолами. Массообменные характеристики пород на полигонах захоронения очень низкие. Обобщенные показатели миграции рассолов рассчитывались, главным образом, по натурным данным. Наибольшими скоростями распространения характеризуются трещинные коллекторы юго-восточного направления, а минимальными - нарушения западного и восточного простираний. Действительная скорость миграции закачанных дренажных вод на Октябрьском полигоне по главному направлению распространения довольно стабильная и составляет 1,4-2,1 м/сут, на Киенгском - 1,97-6,63 м/сут. Анализируя полученные данные, можно констатировать, что основное направление миграции закачанных стоков связано с региональной нарушенностью ММП, контролируемой трапповыми интрузиями в районе. Ввод Киенгского полигона способствовал постановке дальнейших комплексных натурных и экспериментальных исследований (включая численное моделирование) для прогноза последствий закачки техногенных растворов в ММП. На основе схематизации условий произведена серия расчётов для оценки масштабов растекания рассолов, позволившая осуществить прогноз развития гидродинамической ситуации на 520 лет. Кроме этого, на полигонах закачки применяются различные наземные и скважинные методы исследований. Так, на Киенгском полигоне выполняются ежегодные электроразведочные работы с использованием метода переходных процессов (ЗМПП). Результаты исследований позволяют устойчиво отслеживать основные направления геофильтрационных потоков рассолов в криогенном массиве с последующей корректировкой данных по наблюдательным скважинам.
Мерзлый массив, как объект под захоронение дренажных рассолов, является термодинамически неустойчивой толщей. Температура закачиваемых вод находится в прямой зависимости от температуры окружающего воздуха; при этом разница значений в летние и зимние периоды года изменяется существенно. Вариации температурного режима на эксплуатируемых полигонах зависят от целого ряда факторов, как природных (теплофизических, емкостных и других свойств горных пород), так и технологических
(объемы дренажных вод, интенсивность сброса и т.д.). Установлено, что температура внутри поглощающей криогенной толщи определяется режимом водосброса и имеет сезонно-цикличный характер. За 15-летний срок захоронения дренажных вод на Октябрьском полигоне температура горных пород в пределах границ техногенного воздействия снизилась в среднем на 1,2°С, а процесс охлаждения криогенных толщ продолжается. Это является положительным фактором экологической надежности используемого варианта удаления жидких техногенных отходов, т.к. снижается риск растепления мерзлого экрана. Фиксируемая степень охлаждения горного массива весьма неоднородна и изменяется от -0,2 до -2,3°С. На Киенгском полигоне захоронения наблюдается аналогичный процесс снижения температур в пределах интервалов мерзлого яруса (рис. 2). В то же время вариации разнонаправленных сезонных температурных колебаний вблизи поглощающих интервалов разреза по эксплуатационным скважинам значительны и варьируются в зафиксированном диапазоне от +8,2 до -6,5°С.
ГС
40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280
-23.04.2001 г. 15.12.2001 г. 13.01.2005 г. 15.08.2005 г.
Рис. 2. Характер изменения температур в скважине 411 (Киенгский полигон Удачнинского ГОКа)
Объем сброса,
Емкостные показатели ММП связаны с существующей и формируемой пустотностью пород. Основным условием при эксплуатации полигонов захоронения является безнапорный режим сброса рассолов с поддержанием уровней на определенных экологически безопасных отметках. К примеру, для Октябрьского и Киенгского полигонов уровенной границей является отметка +280 абс. м. В формировании емкостных запасов ММП на полигонах играет роль вся совокупность водопроводящих и вмещающих коллекторов трещинно-жильного, порово-кавернозного и трещинного типов. Когда рассуждаем о емкостных свойствах пород техногенного талика, то имеем в виду гравитационную составляющую. Упругой емкостью пластов при безнапорном режиме закачки пренебрегаем, т.к. она на 2-3 порядка меньше формирующейся гравитационной емкости и практически не сказывается на конечном результате.
Обратная закачка дренажных рассолов в под-мерзлотные подземные резервуары. При выборе и использовании подмерзлотных подземных резервуаров для удаления промстоков основными условиями считаются наличие прямых показателей, основанных на поглощающих свойствах толщ пород, масштабности их распространения, а также мощности перекрывающего мерзлого экрана. Решение о пригодности того или иного объекта под захоронение принимается на основе данных опытно-промышленных закачек сточных вод с прогнозом экологической безопасности применяемой технологии удаления. Рассмотрим примеры обратной закачки дренажных вод, применяемые в подразделениях АК «АЛРОСА», в благоприятные подмерзлотные криогидрогеологические структуры (КГГС).
Вариант обратной закачки минерализованных стоков карьера Удачный в среднекембрийский водоносный комплекс (СВК) - как в наиболее водообильную КГГС - произведен на одном из участков Далдынской флексуры. Сущность проводимых экспериментов по закачке рассолов заключалась в следующем. Из одной скважины, оборудованной на СВК, осуществлялась откачка подземных вод с последующей их транспортировкой по водоводу и закачкой в другую
□ за год
□ всего
аТ- с>> а1* аЬ ^ аЬ аЧ с?> ^ Л с^ с\> (\ь ^
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
Рис. 3. Объемы обратной закачки дренажных рассолов на полигоне ОПУ из карьера Мир
0
0
20
И. м
млн. м
60
40-
20
00-
80
60-
40
20-
0
скважину, расположенную в 2 км по оси структуры. По наблюдаемым скважинам, расположенным вкрест и по простиранию флексуры, проводился комплекс гидродинамических, газогидрохимических и температурных наблюдений. На начальной стадии экспериментов сброс рассолов производился в режиме свободного налива; в последующем опыт осуществлялся в режиме нагнетания с разными режимами. Результаты экспериментов показали, что обратная закачка рассолов сопровождается рядом проблем, решение которых приводит к невысокой ее эффективности. К ним относятся: малая водоприемистость скважин (коэффициент приемистости 0,5-2,0 м3/сут-МПа), которую можно компенсировать только поддержанием высоких устьевых давлений; частичный возврат в карьер сброшенных вод; высокая себестоимость и другие факторы.
В связи с увеличением глубины отработки карьера Мир, была разработана схема водозащиты месторождения, включающая: создание кольцевой тампонаж-ной завесы вокруг трубки, ввод внутрикарьерного водоотлива с обратной закачкой остаточных притоков рассолов в водоносный комплекс. Для этих целей за Восточным разломом был сооружен опытно-промышленный участок (ОПУ). На начальном этапе опытная установка по закачке включала 2 нагнетательных и несколько наблюдательных скважин с расположением по двухлучевой схеме [Вигандт, 1994]. Начальный этап испытаний показал, что приемистость скважин не зависит от их диаметра, а напрямую связана с технологией проходки и местом расположения в разломной зоне. Оказалось, что на фоне линейных субширотных пласт-полос с разным коэффициентом водопроводимости (кт=70-150 м2/сут) выделяются приконтактовые зоны с трапповыми интрузиями, обладающие повышенной проницаемостью (кт до 350 м2/сут). Дайка долеритов, заполняющая осевую часть разлома, играет роль барражной завесы.
На полигоне с 1993 г. функционирует система обратной закачки рассолов, объёмы которой за весь период эксплуатации составили свыше 190 млн м3 (рис. 3). Суммарная среднемесячная интенсивность сброса на полигоне изменяется от 1000 до 1550 м3/ч. Закач-ные скважины эксплуатируются от безнапорного до напорного (с давлением на устье до 0,45 МПа) режимов. Их приемистость изменяется в широких пределах: от 50-150 до 900-1200 м3/ч. Полученные данные свидетельствуют о водоупорных свойствах ММП на полигоне и отсутствии разгрузки закачиваемых вод на поверхность и в прилегающую речную сеть. В целом, эксплуатационные скважины периодически выходят из строя. Большинство выработок характеризуется относительно небольшой приемистостью при свободном наливе (50-100 м3/ч), а при ухудшении их водоприемной способности необходима регенерация (гидроразрыв пласта, солянокислотная обработка и т.п.). В то же время вблизи долеритовой интрузии существуют зоны повышенной проницаемости, при попадании в которые увеличиваются на порядок поглощающие свойства скважин. Пьезометрические уровни метеге-ро-ичерского водоносного комплекса за период отработки трубки Мир претерпевали существенные изме-
нения. В последние годы сформирована сложная пьезометрическая поверхность уровней с чётко выраженным репрессионным куполом от обратной закачки дренажных вод на полигоне ОПУ и депрессионной воронкой от водопонижения в карьере Мир.
Проблема удаления сточных вод рудника «Интернациональный» в требуемых объемах полностью не решена в настоящее время. Существующий полигон закачки (УОЗ) для промстоков рудника начал эксплуатироваться с 2001 г., имея производительность от 74 до 2822 м3/сут [Букин и др., 2004]. Бытовые, шахтные и прочие стоки рудника после перемешивания с рассолами удаляются в подмерзлотный комплекс со средней интенсивностью 20-40 м3/ч. Закачка осложняется присутствием нефти в стоках, которая ухудшает водоприемную способность скважин. Снижение приемистости скважин и необходимость постоянных их чисток существенным образом снижают эффективность системы обратной закачки. В сравнении с запроектированными четырьмя нагнетательными скважинами, к настоящему времени уже сооружено несколько дополнительных. Хотя на сегодня полигон УОЗ справляется с поступающими объемами минерализованных вод, но отсутствие резерва вынуждает продолжать поиски природных резервуаров вблизи рудника. За весь период существования полигона УОЗ в подмерз-лотный водоносный комплекс было закачано свыше 3,7 млн м3 смешанных вод.
При отработке подкарьерных запасов месторождения основной объем стоков составят рассолы мете-геро-ичерского водоносного комплекса с интенсивностью притока до 400-500 м3/ч. Поэтому рост объема сточных вод на порядок превышает возможности существующего полигона УОЗ. Поиски перспективных резервуаров в интервалах метегеро-ичерского комплекса для нового полигона выполнялись в зонах региональных разломов субмеридионального простирания (Западный, Параллельный и Центральный), которые на всем протяжении сопровождаются линейными, грабенообразными структурами с малоамплитудными деформациями. Сочетания этих структур в их взаимоотношениях с поднятиями межразломных блоков и сколовыми разломами рассматриваются как благоприятные объекты для закачки рассолов.
Анализируя данные по разным поисковым участкам, можно сделать следующие выводы. Фильтрационные свойства пород подмерзлотного водоносного комплекса крайне неоднородны и в разрезе, и по площади. Существующие тектонические нарушения играют как барражирующую роль, так и служат зонами повышенной проницаемости и обводнённости. Толщи водоносного комплекса на участке «Интер-2», расположенном южнее УОЗ, характеризуются коэффициентом водопроводимости 30-60 м /сут. Водопроводи-мость дайки долеритов, выполняющей осевую часть Параллельного разлома, оценивается в 10 м2/сут. Межразломная зона (Западный-Параллельный) на северном склоне Хататского поднятия обладает пониженными фильтрационно-ёмкостными параметрами комплекса. Водопроводимость зоны Центрального разлома оценивается следующими показателями:
приконтактовая западная часть - до 60 м /сут; восточная часть (50-100 м от контакта) - до 150 м2/сут. Коэффициент приёмистости скважин составляет 0,541,93 м3/чхм.
Заключение. Завершая рассмотрение используемых АК «АЛРОСА» способов удаления загрязненных стоков в существующие природные и формируемые техноприродные резервуары криолитозоны, можно суммировать полученные результаты исследований в следующих основных выводах. Развитие на территории Якутии мощной толщи ММП, обладающей экранирующими свойствами, позволяет использовать этот естественный благоприятный фактор в природоохранных направлениях. Представляя историю геологического и криогидрогеологического развития региона, оценивая генетическую приуроченность возможных коллекторов в геологических образованиях, рассматривая седиментационные, структурно-тектонические и
другие факторы в формировании емкостей породных массивов, можно с определенной степенью достоверности прогнозировать перспективность многих объектов для закачки стоков. В целом, при принятии решения о геологической среде и месте захоронения, утилизации, обратной закачке жидких отходов необходимо сделать обоснованный выбор из множества альтернативных вариантов, а также учесть особенности криогидрогеологических условий, в которых данный процесс осуществляется.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проекта № 2010-218-01-001 «Создание комплексной экологически безопасной инновационной технологии добычи и переработки алмазоносных руд в условиях Крайнего Севера», выполняемого с участием АК «АЛРОСА» (ЗАО) и ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова».
Библиографический список
1. Букин Г.Н., Иост Н.А., Майданенко Г.Ю. Утилизация дренажных и сточных вод рудника «Интернациональный» в сложных гидрохимических условиях // Горный журнал. 2004. № 5. С. 73-76.
2. Вигандт В.А. Опыт сооружения и эксплуатации обратной закачки дренажных вод карьера «Мир» // Горный журнал. 1994. № 9. С. 60-62.
3. Гаев А.Я., Щугорев В.Д., Бутолин А.П. Подземные резервуары: Условия строительства, освоения и технология эксплуатации. Л.: Недра, 1986. 223 с.
4. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П., Лукьянчикова Л.Г. Подземное захоронение промышленных сточных вод. М.: Недра, 1994. 282 с.
5. Долгих С.Н., Мауль В.К. Опыт строительства и эксплуатации бессточных хвостохранилищ в условиях Крайнего Севера // Горный журнал. 1996. № 7-8. С. 26-28.
6. Дроздов А.В. Захоронение дренажных рассолов в много-летнемерзлых породах (на примере криолитозоны Сибирской платформы). Иркутск: Изд-во ИГТУ, 2007. 296 с.
УДК 550.42(571.53)
РУДНЫЕ И РЕДКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ ПРИБАЙКАЛЬЯ (КОРЕННЫЕ ПОРОДЫ, ПОЧВЫ, ДОННЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ)
1 9
Н.А.Китаев1, В.И.Гребенщикова2
Институт геохимии им. В.И.Виноградова СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а.
Изучены содержания и распределения рудных и редких химических элементов (Sc, Ga, Y, Yb, La, Li, Rb, Cs, Zr, Nb, Au, Ag, Sn, Mo) в основных компонентах окружающей среды (коренные породы, почвы, донные отложения) в Прибайкалье, полученные на основе мелкомасштабного (1:1000000) эколого-геохимического картирования. Рассматривается распределение химических элементов в различных структурно-формационных зонах и геохимические особенности региона в пределах Байкальского полигона. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 7.
Ключевые слова: рудные и редкие элементы; окружающая среда; коренные породы; почвы; донные отложения.
ORE AND RARE CHEMICAL ELEMENTS IN THE ENVIRONMENT OF TRANS-BAIKAL REGION (BASEMENT ROCKS, SOILS, BED SILT) NA Kitaev, V.I. Grebenshchikova
Institute of Geochemistry named after V.I. Vinogradov SB RAS, 1a, Favorsky St., Irkutsk, 664033.
The article studies the contents and distribution of ore and rare chemical elements (Sc, Ga, Y, Yb, La, Li, Rb, Cs, Zr, Nb, Au, Ag, Sn, Mo) in the basic components of environment (basement rocks, soils, bed silt) in the Trans-Baikal Region, which were derived from the small-scale (1:1000000) eco-geochemical mapping. The distribution of chemical elements in different structural and formational zones and geochemical features of the region in the Baikal polygon are examined.
1Китаев Наум Анисимович, ведущий научный сотрудник, кандидат геолого-минералогических наук, тел.: (3952)426149, email: vgreb@igc.irk.ru
Kitaev Naum, Leading research worker, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, tel.: (3952)426149, e-mail: vgreb@igc.irk.ru
2Гребенщикова Валентина Ивановна, доктор геолого-минералогических наук, тел.: (3952)426600, e-mail: vgreb@igc.irk.ru
Grebenshchikova Valentina, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, tel.: (3952) 426600, e-mail: vgreb@igc.irk.ru
