На правах рукописи

МАКАШОВ Сергей Эдуардович

УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ

РАССОЛОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

ПРИРОДНЫХ ВОД НА ВЕРХНЕКАМСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ

КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ

(на примере шахтных полей 1-го Березниковского

и 3-го Соликамского калийных рудоуправлений) Специальность 25.00.07 – Гидрогеология автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет».

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор Румынин Вячеслав Гениевич

Официальные оппоненты:

Норватов Юлий Александрович доктор геолого-минералогических наук, профессор, Научный центр геомеханики и проблем горного производства СПГГУ, главный научный сотрудник Котлов Олег Николаевич кандидат геолого-минералогических наук, ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», старший научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Горный институт Уральского отделения Российской академии наук.

Защита состоится 30 мая 2012 г. в 18 часов на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу 199106 СанктПетербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 28 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. г.-м. н., И.Г. Кирьякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Проблема загрязнения подземных вод высокоминерализованными растворами, имеющими повышенную плотность относительно пресных пластовых вод, в последние десятилетия вызывает обеспокоенность у многих специалистов-гидрогеологов. В Российской Федерации особенно остро подобные проблемы встают в районе Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС). Начиная с середины 1980-х годов, основное негативное влияние на состояние подземных и опосредованно поверхностных вод в районах шахтных полей Березниковских (БКПРУ) и Соликамских (СКРУ) рудоуправлений оказывают техногенные рассолы, фильтрующиеся из шламохранилищ и рассолосборников вследствие образования проранов в противофильтрационных экранах. Для разработки мероприятий, связанных с предотвращением возможного ухудшения и контролем существующей гидрогеологической и гидрохимической обстановки необходимо составление прогнозов развития ореолов загрязнения подземных вод.

Другая проблема заключается в необходимости изучения гидрогеологических последствий аварийного затопления рудника 1-го Березниковского калийного производственного рудоуправления (БКПРУ-1), которое вызвало нарушение фильтрационного режима подземных вод, что отразилось и на составе поверхностных вод. В связи с этим необходимо выполнить прогнозные оценки изменения гидрохимической обстановки в районе г. Березники. Для этого требуется учет как естественной гидрохимической зональности подземных вод (до образования техногенного засоления), так и нарушенной, сформировавшейся к настоящему времени в результате длительной эксплуатации объектов хвостового хозяйства и аварийного события на БКПРУ-1. Сложные геолого-гидрогеологические условия месторождения, большой объем фактического материала, а также плотностные эффекты, сопровождающие фильтрацию крепких рассолов в подземных водах, могут быть в полной мере учтены только на численных моделях. На сегодняшний момент существует множество программ, позволяющих создавать такие модели. В связи с этим требуется провести исследования по оценке точности описания потоков переменной солености с применением программ численного моделирования на упрощенных моделях, при построении которых должны учитываться специфические гидрогеологические ситуации.

Цель работы состоит в изучении и математическом описании физических процессов, сопровождающих фильтрацию рассолов в водоносных горизонтах, а также в прогнозировании загрязнения природных вод на участках расположения шламохранилищ и рассолосборников (шахтные поля БКПРУ-1 и СКРУ-3) методами численного моделирования.

Основные задачи исследования.

1. Изучение поведения тяжелых жидкостей (рассолов) в водоносных горизонтах на упрощенных моделях с использованием различных численных алгоритмов.

2. Исследование механизмов, ответственных за формирование естественной плотностной стратификации природных подземных вод уфимского водоносного комплекса применительно к территории шахтного поля БКПРУ-1.

3. Оценка изменения гидрогеохимической обстановки шахтного поля БКПРУ-1 в период аварии и после затопления горных выработок.

4. Анализ влияния рельефа кровли водоупорной соляно-мергельной толщи на развитие ореолов техногенных рассолов в надсолевой части разреза на примере района шахтного поля СКРУ-3.

Основные методы исследований.

Настоящие исследования основывались:

– на решении задач динамики подземных вод, описывающих потоки жидкостей переменной плотности аналитическими методами и методами численного (математического) моделирования;

– на решении обратных задач при интерпретации данных моделирования фильтрации подземных вод в зонах влияния утечек рассолов из поверхностных бассейнов;

Для решения теоретических и практических задач применялись современные программные комплексы SUTRA (Voss and Provost, 2002), SEAWAT (Guo and Langevin, 2002), TOUGH2 (Pruess, 1991) и DENSFLOW (П.К. Коносавский, 2002).

Научная новизна.

Усовершенствованы решения для описания положения границы раздела пресных и соленых вод при их взаимном вытеснении в напорном пласте с учетом анизотропии его фильтрационных свойств. Получено решение, описывающее изменение минерализации воды во времени при подтягивании глубинных рассолов к контуру несовершенной эксплуатационной скважины.

На базе численной модели реконструирован процесс формирования естественной стратификации подземных вод по минерализации в районе Верхнекамского месторождения. Оценена длительность данного процесса.

Установлено, что изменение режима фильтрации подземных вод в период аварийного затопления рудника БКПРУ-1 вызвало временное реабилитирующее влияние на состояние подземных вод верхних водоносных горизонтов и опосредованно поверхностных вод.

Изучены главные факторы, контролирующие формирование техногенного ореола засоления в районе СКРУ-3. Показана значимость влияния рельефа водоупорной поверхности на динамику развития ореола рассолов в верхних водоносных горизонтах.

Фактический материал и личный вклад автора.

В основу диссертационной работы положен обширный фондовый материал по геолого-гидрогеологическим условиям Верхнекамского месторождения калийных солей. Автором выполнен анализ данных режимных наблюдений за состоянием подземных и поверхностных вод за 2002–2010 гг. в пределах шахтных полей Соликамско-Березниковского промышленного узла. Автор принимал участие в полевых работах (отборы проб техногенных рассолов, откачки, гидрологические работы) в районе исследуемых объектов. Автором выполнена бльшая часть численных расчетов в ходе тестирования программ и поиска новых аппроксимирующих зависимостей, а также разработаны миграционные модели шахтных полей БКПРУ-1 и СКРУ-3.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Установленные закономерности пространственно-временного положения контакта пресных и соленых в напорном водоносном горизонте и изменения минерализации воды в несовершенных скважинах при подтягивании рассолов базируются на аналитических решениях поршневого вытеснения при наличии плотностного градиента и анизотропии фильтрационных свойств пласта.

2. Формирование естественной гидрохимической зональности надсолевого уфимского водоносного комплекса происходило в течение 8– 10 тыс. лет и определялось совместным протеканием процессов растворения галита с поверхности соляной залежи, молекулярной диффузии, профильной гидродисперсии и плотностной конвекции, препятствующей в сочетании с площадной инфильтрацией пресных вод засолению верхней части разреза.

3. Аварийное затопление рудника БКПРУ-1 вызвало изменение конфигурации существующих ореолов техногенных рассолов в надсолевой толще пород и способствовало снижению выноса хлоридных натриевых солей в поверхностные водотоки, что подтверждается режимными наблюдениями и численным моделированием.

4. Формирование квазистационарного ореола растекания техногенных рассолов в районе шахтного поля СКРУ-3 определяется равнозначным влиянием естественного фильтрационного потока и уклона поверхности водоупорной толщи (кровли соляной залежи).

Достоверность полученных результатов подтверждается достаточным объемом выполненных ранее аналитических исследований потоков переменной плотности, основы которых заложены в расчетные алгоритмы программ, использованных для решения поставленных задач. Результаты исследований на численных моделях реальных объектов согласуется с данными многолетних наблюдений за состоянием поверхностных и подземных вод в районе рассматриваемых шахтных полей.

Практическая значимость работы:

Заключается в расширении возможностей использования аппарата численного моделирования при решении гидрогеологических задач, связанных с оценкой фильтрации рассолов из поверхностных бассейнов. Усовершенствованные зависимости могут быть применены для экспертных прогнозных оценок продвижения фронта соленых вод в профильно анизотропных пластах. Результаты работы могут быть использованы для разработки технологических решений, связанных с контролем и снижением техногенного засоления подземных и поверхностных вод в пределах Верхнекамского месторождения.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Первой Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной памяти В.А. Мироненко «Дерзость Надежд» (СПб, 2010), научной конференции, посвященной 75-летию кафедры гидрогеологии СПбГУ «Комплексные проблемы гидрогеологии» (СПб, 2011), VII-й ежегодной Общероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2011).

Публикации.

Основные положения диссертации отражены в шести публикациях, в том числе в двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 160 страниц, включает введение, 5 глав, заключение, список источников из наименований, содержит 84 рисунка и 17 таблиц.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю д.г.-м.н., члену-корр. РАН В.Г. Румынину за помощь и поддержку на всех этапах работы. За конструктивные консультации и помощь автор благодарит: к.г.-м.н. доц. кафедры гидрогеологии СПбГУ А.А. Потапова, к.г.-м.н., зав. кафедрой П.К. Коносавского и к.г.-м.н., в.н.с. СПбО ИГЭ РАН Л.Н. Синдаловского. Особую признательность автор выражает д.г.-м.н. проф. кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ Р.Э. Дашко за критический анализ работы и ряд предложенных формулировок отдельных ее положений. За моральную поддержку и ценные советы автор искренне благодарит к.г.м.н. Е.В. Мольского и к.г.-м.н. М.Н. Кочневу. Благодарность за помощь в полевых работах и получении фактических данных по объекту автор выражает В.П. Копшталеву, Л.И. Лесничему и А.О. Воробьевой.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

Анализ и прогнозирование фильтрации рассолов в водоносных горизонтах основывается на использовании методов численного моделирования. С другой стороны, решение типовых задач с использованием численных алгоритмов может быть направлено на совершенствование и модернизацию некоторых аналитических зависимостей, описывающих взаимную фильтрацию пресных вод и рассолов. Использование аналитических решений целесообразно при экспертных оценках, а также на отдельных этапах схематизации миграционных процессов, в частности, имеющих место в районе Верхнекамского месторождения.

Первое защищаемое положение. Установленные закономерности пространственно-временного положения контакта пресных и соленых в напорном водоносном горизонте и изменения минерализации воды в несовершенных скважинах при подтягивании рассолов базируются на аналитических решениях поршневого вытеснения при наличии плотностного градиента и анизотропии фильтрационных свойств пласта.

Обоснование данного защищаемого положения потребовало рассмотрения двух классических в гидрогеологии задач.

Первая задача – взаимное вытеснение двух разноплотностных жидкостей, формирующих общую наклонную границу раздела (рис. 1а).

Приближенное аналитическое решение, описывающее динамику поведения границы в изотропном пласте, имеет следующее безразмерное представление:

где 1 1.5 2, x x / m – координата пересечения контакта с кровлей (подошвой) пласта, k t / m n ( k – коэффициент фильтрации, м/сут; ( 1 2 ) / 2 – плотностной градиент ( 1, 2 – плотность рассола и пресной воды, кг/м3); m – мощность пласта, м; n – пористость, t – текущее время, сут. Решение (1) приводится в работах В.М. Шестакова (1960), а также Н.Н. Веригина и В.С. Саркисяна (1979).

Для исследования влияния анизотропии коэффициента фильтрации пласта на форму и положение контакта жидкостей была создана двухмерная (профильная) модель на базе программы SEAWAT. При анализе результатов моделирования кривые x f ( ) на соответствующем графике (рис. 1б) удалось аппроксимировать зависимостью учитывающей анизотропию фильтрационных свойств пласта; здесь 2 1.89, 3 () 0.813, ( k x / k z – фактор анизотропии, >1).

Полученная формула отвечает известным асимптотикам. Так, при больших и 1 формула дает результаты, близкие к решению (1), а при 1 5 безразмерная функция x линейно зависит от времени, что совпадает с ранее выполненными оценками Гарднера (G.F.H.

Gardner) с соавторами (1962) и Хеллштрма (G.Hellstrm) с соавторами (1988). Формула справедлива для случаев, когда не превышает 10 и обладает достаточной точностью (не хуже 10%) для выполнения экспертных оценок. Данную аппроксимационную зависимость применительно к условиям Верхнекамского месторождения рекомендуется использовать при предварительных прогнозных оценках положения поверхности тяжелых жидкостей, например, при закачке рассолов в нижние горизонты надсолевой толщи, породы которой характеризуются анизотропией фильтрационных свойств, или для вычисления положения фронта соленых вод при их фильтрации от линейного источника (бассейна).

Рис. 1. Концептуальная схема поршневого вытеснения (а) и сравнение результатов численного моделирования (кружки) с расчетами по формуле (2) (сплошные линии) (б). Прерывистая линия – приближенное решение (1) Вторая задача связана с оценкой изменения минерализации воды в откачивающей скважине при подтягивании более плотных соленых вод, залегающих в нижней части пласта (рис. 2а). В специальной литературе известно решение (Кисель, Абрамов, 1978) для однородных по плотности жидкостей, описывающее изменение относительной концентраций соли ( C ) в несовершенной скважине. В предельно упрощенном виде (точечный источник) это решение имеет вид:

где t 0 2 2 n b 3 / 3Q – время начала подтягивания соленых вод, Q – дебит скважины, м3/сут; n – пористость, b – начальная мощность пресных вод, м; k r / k z – фактор анизотропии, t – текущее время, сут.

Однако решение задачи в замкнутой форме для функции концентрации в откачивающей скважине при наличии плотностного градиента неизвестно. Поиск такой зависимости проводился на основе моделирования с использованием кодов TOUGH2 и SUTRA (см. далее).

Путем многовариантных решений тестовых задач с различными параметрами (дебит скважины, плотность соленой воды, длина фильтра и т.д.) в условиях прямой и обратной анизотропии фильтрационных свойств, была подобрана аппроксимация численных решений для случая фильтрации разноплотностных жидкостей:

Рис. 2. Концептуальная схема субвертикального подтягивания подошвенной соленой воды к несовершенной скважине (а) и пример сравнения численного (точки) и аналитического (сплошные линии, формула 4) решений одного из вариантов тестовой задачи (цифры на графике – плотность соленой воды, кг/м3); штриховая линия – решение (3) при Решение (4) справедливо при Q / Q 2 ( Q – предельный дебит, при превышении которого происходит «прорыв» соленых вод к скважине). Графики на рис. 2б указывают на удовлетворительную точность зависимости (4).

Полученную зависимость применительно к району ВКМКС рекомендуется использовать при экспертных оценках в рамках обоснования размещения заградительных (водозаборных) скважин в условиях близкого залегания подошвенных соленых вод.

Известно, что эффективность использования программ при решении задач взаимной фильтрации пресных вод и рассолов, особенно, в региональной постановке, во многом ограничена способностью тех или иных численных алгоритмов описывать поведение искомых функций (давлений, плотности и концентрации) на грубых сетках (Коносавский, и др, 2002; Куваев, 1995, 2002; Румынин, 2011.). В этой связи, до решения собственно практических задач, осуществлялся выбор программ посредством их взаимного тестирования, сравнения расчетов с данными физических экспериментов или с аналитическими решениями, а также адаптация сеточной разбивки модельной области к тому или иному типу решаемых численными методами задач.

В качестве тестов для наиболее широко освещенных в научной литературе программных комплексов (SUTRA, SEAWAT, TOUGH2 и DENSFLOW) были выбраны: 1) «задача Генри», которая описывает положение контакта пресной и соленой воды при внедрении морской интрузии в прибрежный пласт; 2) задача о подтягивания контура плотных вод, залегающих в основании водоносного горизонта, к несовершенному дренажу (линейный сток) в кровле пласта (аналитическое решение Я. Бэра и Г. Дагана); 3) физический эксперимент, выполненный Р. Шинкариолом и Ф. Шварцем с целью изучения нестабильности контакта разновесомых жидкостей при формировании двумерных профильных ореолов рассеяния.

На заключительном этапе выполнялось имитационное моделирование субвертикальной миграции рассолов от поверхностного источника.

Для настоящей работы данная задача представляет особенный интерес, поскольку подобные проблемы далее рассматривается применительно к реальным участкам расположения объектов хвостового хозяйства. Задача решалась в плоской профильной постановке при напорном режиме фильтрации подземных вод. Водоносный горизонт принимался однородным по фильтрационным параметрам.

Было показано, что при использовании программ, основанных на конвективно-дисперсионном подходе, возникают принципиальные сложности, связанные с трудностью воспроизведения на таких моделях струйного (эффект «фингеринга») механизма фильтрации рассолов под дном бассейна. Точность полученных результатов при этом всецело определяется дробностью сеточной разбивки расчетной области (ср. рис. 3а, 3в и 3б, 3г). Выполненное тестирование позволило выбрать наиболее подходящие программные комплексы для дальнейшего исследования процессов геофильтрации рассолов в районе Верхнекамского месторождения.

Рис. 3. Влияние дробности сеточной разбивки модели на степень структурирования потока рассола под дном бассейна ( С – относительная концентрация). Количество элементов модели по горизонтали и вертикали: а, б – 11020; в, г – Второе защищаемое положение. Формирование естественной гидрохимической зональности надсолевого уфимского водоносного комплекса происходило в течение 8–10 тыс. лет и определялось совместным протеканием процессов растворения галита с поверхности соляной залежи, молекулярной диффузии, профильной гидродисперсии и плотностной конвекции, препятствующей в сочетании с площадной инфильтрацией пресных вод засолению верхней части разреза.

Верхнекамское месторождения калийных солей расположено в центральной части Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба. С точки зрения рассматриваемых проблем миграции в подземных водах природных и техногенных (фильтрационных) рассолов, основной интерес представляет верхняя часть геологического разреза – надсолевой комплекс пород (рис. П-2): верхняя подтолща соляно-мергельная толщи – СТМ2 (P1u sl12), сложенная мергелями и глинами с прослоями гипса, терригенно-карбонатная толща – ТКТ (P1u sl2), состоящая из известняков, мергелей и песчаников, пестроцветная толща – ПЦТ (P1u ), сложенная красно- и зеленоцветными песками, и четвертичные отложения (Q).

Водоносные горизонты надсолевой толщи образуют уфимский водоносный комплекс. Водовмещающие породы горизонтов этого комплекса характеризуются трещиноватостью и закарстованностью.

Для оценки последствий аварии на руднике БКПРУ-1, расположенного под г. Березники (рис. П-1) на глубине 250-300 м, в результате которой были затоплены выработки объемом порядка 80 млн. м3, необходимо было сначала воссоздать на численной модели исходную (до начала техногенного засоления) гидрогеохимическую зональность (по минерализации). Она выражается в наличии в разрезе надсолевого комплекса пород природных хлоридных натриевых соленых вод и рассолов, содержание солей в которых увеличивается с глубиной (рис. 4, рис.

П-3). Высокоминерализованные воды приурочены, в основном, к нижнесоликамскому водоносному горизонту, и, предположительно, образуются вследствие растворения NaCl с кровли соляной залежи.

Рис. 4. Изменение минерализации подземных вод с глубиной в пределах Верхнекамского месторождения (точки соответствуют интервалам опробования толщи) Поскольку кинетика растворения солевых минералов (галита, карналлита и сильвина) носит чисто диффузионный характер, т.е. в данных условиях определяется гидродинамическими характеристиками потока, рассеивающими свойствами среды и интенсивностью плотностной конвекции, для имитации растворения каменной соли возможно применение программ, использующих конвективно-дисперсионный подход.

Расчеты производились на трехмерной модели, созданной на базе программы SEAWAT (рис. П-4) вплоть до стабилизации трехмерного поля минерализации, которое отвечало бы естественному. Данная задача решалась в стационарной фильтрационной постановке для ненарушенного режима, т.е. при отсутствии каких-либо техногенных объектов. В качестве единственного природного источника солей в подземных (инфильтрогенных) водах рассматривалось растворение галита с «соляного зеркала» – первого от поверхности выдержанного слоя каменной соли.

Контроль совпадения модельного и реального трехмерных полей минерализации подземных вод уфимского комплекса после наступления квазистационарного режима производился как по известным гидрогеохимическим профилям субширотного направления, так и по минерализации подземных вод (рис. П-5), отобранных из различных интервалов скважин, пробуренных еще на стадии разведки месторождения, т.е.

до эксплуатации объектов хвостового хозяйства. В ходе калибровки были уточнены фильтрационные и миграционные параметры (табл. 1).

Табл. 1. Параметры модели принятые после ее калибровки Результаты расчетов показывают, что приблизительно через 10000 лет после начала растворения каменной соли, концентрационный профиль, отвечающий современному, вошел в динамическое равновесие (рис. П-6). В течение этого периода практически полностью заканчивается формирование природной гидрохимической стратификации подземных вод. Мощность зоны рассолов выщелачивания, полученная в ходе расчетов, как и в реальности, возрастает в направлении погружения «соляного зеркала», а наиболее интенсивное поступление соли идет с присводовых областей поднятий. Такая картина залегания природных рассолов обусловлена совокупным действием гравитационных сил и гидродинамической конвекции, работающих в западном направлении.

Третье защищаемое положение. Аварийное затопление рудника БКПРУ-1 вызвало изменение конфигурации существующих ореолов техногенных рассолов в надсолевой толще пород и способствовало снижению выноса хлоридных натриевых солей в поверхностные водотоки, что подтверждается режимными наблюдениями и численным моделированием.

В октябре 2006 г. на руднике БКПРУ-1 произошла авария, связанная с нарушением сплошности водозащитной толщи (ВЗТ) и прорывом относительно пресных подземных вод со средним расходом около 4500 м3/ч из надсолевой части разреза в подземные горные выработки.

В июле 2007 г. в зоне прорыва образовался провал земной поверхности глубиной до 80 м, обусловленный растворением пород ВЗТ. Провал постепенно расширялся вплоть до момента полного затопления рудника в октябре 2008 г., когда его размеры по поверхности достигли 300400 м (рис. П-7). К настоящему времени (2011–2012 гг.) практически завершилось полное восстановление уровней подземных вод во всей надсолевой толще. По официальным данным, причиной аварии послужила «совокупность геологических и технологических факторов».

Оценка последствий аварии с точки зрения ее влияния на существующую гидрохимическую обстановку в районе г. Березники в данном случае является необходимой по следующим причинам. Во-первых, образовавшийся провал создал гидравлическую связь как между затопленными выработками и надсолевой толщей, так и между ранее относительно изолированными друг от друга водоносными горизонтами, содержащими воды различной солености. Во-вторых, даже после затопления рудника будет продолжаться деградация (растворение) межкамерных целиков. По оценкам специалистов ГИУрОРАН вследствие сокращения объемов горных выработок, связанного с осадками поверхности, произойдет вытеснение части находящихся в них крепких рассолов с минерализацией более 320 г/л через зону провала в надсолевую толщу. Наконец, мощное гидродинамическое возмущение повлияло на пути миграции существующего ореола загрязнения подземных вод.

На данном этапе производилась модельная реконструкция истории техногенного засоления водоносных горизонтов (до аварии), которая производилась на фоне ранее рассчитанной гидрохимической зональности. Загрязнение формируется в результате фильтрационных потерь рассолов из поверхностных емкостей-накопителей БКПРУ-1, которые эксплуатируются с 1964 г. В модель были добавлены источники загрязнения – шламохранилище, рассолосборник и солеотвал. Негативное влияние указанных объектов подтверждается данными наблюдений по скважинам, расположенным в районе шахтного поля и оборудованным на четвертичный водоносный горизонт. В период до аварии по ним фиксировались повышенные значения минерализации подземных вод (до 287 г/л). Утечки рассолов также сказываются на химическом составе поверхностных вод. Так, минерализации воды в р. Зырянка на участке в пределах шахтного поля не редко превышала 2.5 г/л.

Общая интенсивность утечек в соответствии с ранее выполненными оценками специалистов ВНИИ Галургии и СПб пред-ва ГИУрОРАН составила порядка 2000 м3/сут. Минерализация техногенных рассолов принималась при моделировании равной 300 г/л. Докалибровка модели заключалась в уточнении фильтрационных параметров только в зоне, прилегающей непосредственно к накопителям.

По результатам расчетов было выявлено, что до аварии 30% от объемов утечек крепких рассолов попадали в поверхностные воды, основная же их часть (около 70%) под действием гравитационных сил аккумулировалась в нижней части надсолевой толщи, формируя обширный ореол загрязнения: солевые растворы мигрировали в западном направлении по поверхности соляной залежи («соляного зеркала»).

Следующий этап – прослеживание изменения конфигурации ореола засоления в период оттока подземных вод из надсолевой толщи в выработанное пространство рудника в ходе его аварийного затопления в 2006–2008 гг. Результаты расчетов показали, что ранее сформировавшийся (в ходе 43-летней нисходящей фильтрации рассолов) ореол оказался в зоне гидродинамического возмущения. Это привело к тому, что тяжелое ядро ореола сместилось в юго-восточном направлении – в сторону провала (рис. П-8), что подтверждается падением минерализации подземных вод в скважинах, расположенных в западной части шахтного поля рядом с источниками загрязнения (рис. П-9, П-10). Вследствие этого произошло снижение интенсивности разгрузки рассолов в поверхностные водотоки: отток рассолов в зону провала почти в шесть раз (с 30% до 5% от суммарных потерь) сократил вынос солей в поверхностные водотоки. При этом в ходе натурных наблюдений в период затопления рудника было зафиксировано снижение прироста концентрации калия в р. Зырянка между гидропостами г/п-1 и г/п-2 (рис. 4).

Рис. 4. Изменение концентрации К+ в р. Зырянке в период затопления рудника.

На заключительном этапе (решение прогнозной задачи) прослеживалось изменение конфигурации ореола засоления подземных вод после затопления рудника, вплоть до 2020 года. В данном случае было учтено, что даже после полного затопления рудника в нем будет продолжаться деформация и частичная деградация межкамерных целиков, что обусловит дополнительные осадки земной поверхности и, соответственно, сокращение объема выработанного пространства. В результате этого будет происходить вытеснение части находящихся в выработанном пространстве крепких рассолов через зону провала. Поэтому вместо откачки из надсолевой толщи в зоне провала в было задано дополнительное «нагнетание» рассолов из рудника с постоянным расходом 1.4 тыс. м3/сут (в соответствии с оценками специалистов ГИУрОРАН) и минерализацией 320 г/л. Результаты моделирования показали, что подавляющая часть крепких рассолов, вытесняемых из рудника, будет идти на формирование локальной линзы в нижней и средней частях СМТ2 (рис. П-11), при этом разгрузка рудничных рассолов в поверхностные воды полностью исключается. К 2020 г. вынос солей из шламохранилища и рассолосборника в местную гидросеть практически восстановится и его объем достигнет прежнего уровня, наблюдавшегося до аварии (более 25%). Следовательно, загрязнение подземных вод зоны активного водообмена и поверхностных вод, как и ранее, будет происходить только за счет утечек техногенных рассолов из емкостейнакопителей. Интенсификации процессов засоления природных вод после аварии не произойдет. Данный вывод уже подтверждается натурными наблюдениями, выполнявшимися в 2009–2011 гг.

Четвертое защищаемое положение. Формирование квазистационарного ореола растекания техногенных рассолов в районе шахтного поля СКРУ-3 определяется равнозначным влиянием естественного фильтрационного потока и уклона поверхности водоупорной толщи (кровли соляной залежи).

Особенностью условий геомиграции рассолов в районе СКРУ-3 является то, что естественный поток подземных вод направлен на северозапад – в сторону р. Усолка (рис. П-12), а центр локальной депрессионной структуры (Тверитинского прогиба) расположен на юго-западе относительно шламохранилища (рис. П-13). Сложное взаимодействие гидродинамического переноса и плотностной конвекции может привести к самым неожиданным формам миграции рассолов – например, к их движению навстречу потоку подземных вод, а Тверитинский прогиб будет служить естественной емкостью для аккумуляции плотных некондиционных вод. В этой связи необходимо было оценить роль уклона поверхности водоупора в развитии загрязнения в данном районе.

Общий расход фильтрационных потерь техногенных рассолов из шламохралилища СКРУ-3, определенный водно-балансовым методом и варьирующий от 1270 м3/сут (2006 г.) до 5652 м3/сут (1996 г.), можно разделить на две составляющие. Первая (~70%) отвечает рассолам, которые после инфильтрации быстро погружаются в нижнюю часть водоносного комплекса и продолжают миграцию по кровле водоупорной (соляной) толщи, не разгружаясь в поверхностные водотоки. Пятно загрязнения, сформированное этими крепкими рассолами можно назвать ореолом растекания или «интрузией».

Ко второй составляющей относятся фильтрационные потери, оказывающие уже в настоящее время непосредственное воздействие на поверхностные и подземные воды зоны активного водообмена (~30% от общих утечек). Загрязнение образуется за счет частичного выноса подземными водами фильтрующихся рассолов (в разбавленном виде), а также их «смыва» с ореола растекания. При этом формируется ореол рассеяния (рис. П-12). Минерализация подземных вод в нем – 20–30 г/л.

Конфигурация и количественные параметры этого ореола, были детально анализированы еще до настоящих исследований (Мольский, Кочнева, Липницкий и др., 1990-2007 гг.). Поэтому, для нас особый интерес представляет процесс развития именно «интрузии» рассолов, динамику которой весьма сложно оценить по натурным наблюдениям.

Эпигнозные и прогнозные миграционные расчеты на плановой модели, созданной на программе DENSFLOW, показали, что силы, разнонаправленно действующие на ореол растекания рассолов, приведут его в итоге в статичное положение (рис. П–15, рис. П–16). «Интрузия» окажется как бы «подвешенной» на северо-восточном склоне Тверитинского прогиба (на склоне водоупорной соляно-мергельной толщи). В связи с этим была выполнена качественная оценка степени влияния гидродинамических и гравитационных сил на ореол растекания. На модели «проигрывалась» гипотетическая история формирования ореола растекания сначала при отсутствии геофильтрационного потока (If = 0), а затем при отсутствии уклона кровли водоупора (Is = 0). В первом случае воздействие на поверхностные воды оказывается минимальным, поскольку рассолы движутся в противоположном от реки направлении (рис. П-17а) и заполняют наиболее глубокую часть депрессии, что затрудняет их смыв с поверхности ореола и последующую разгрузку. Во втором случае рассолы движутся строго с фильтрационным потоком в направлении местной дрены (рис. П-17б). На модели отмечается контакт «интрузии» с руслом р. Усолка, что приводит к существенному увеличению (в три раза) минерализации речной воды.

Поскольку оба сценария в действительности не фиксируются, можно утверждать, что гидродинамические и гравитационные силы принимают соизмеримое участие в динамике развития загрязнения подземных вод шахтного поля СКРУ-3. Недоучет одного из этих факторов при прогнозе геомиграции тяжелых вод в схожих гидрогеологических условиях может привести к принципиально неверным результатам.

Заключение Основные результаты исследований заключаются в следующем:

1. Получены новые зависимости для описания взаимного вытеснения пресных вод и рассолов, имеющих общую границу раздела, а также для описания изменения концентрации растворенных солей в несовершенной скважине при подтягивании глубинных соленых вод. Зависимости учитывают профильную анизотропию коэффициента фильтрации породы и наличие плотностного градиента.

2. Определены области применения программ, предназначенных для моделирования потоков переменной плотности в пористой среде, при решении различных гидрогеологических задач. При анализе плановых потоков (площадных ореолов загрязнения) это могут быть компьютерные коды, основанные на предпосылке Гибена-Герцберга, в других случаях требуется более строгое решение трехмерных уравнений конвективно-дисперсионного переноса для потоков переменной плотности.

3. Доказано, что естественная профильная гидрохимическая зональность Верхнекамского месторождения калийных солей формировалась в результате растворения каменной соли с поверхности соляной залежи («соляного зеркала») относительно пресными инфильтрационными водами. Длительность ее формирования составляет порядка 10000 лет.

4. По результатам изучения гидрогеологических последствий аварии на руднике БКПРУ-1 был сделан вывод о том, что авария оказала временное реабилитирующее влияние на состояние подземных и поверхностных вод, что выразилось в снижении степени их засоленности. В дальнейшем (до 2020 г.), интенсивность выноса солей в поверхностные воды вернется к доаварийным показателям.

5. На примере шахтного поля СКРУ-3 установлена возможность формирования в реальных условиях квазистационарных ореолов загрязнения подземных вод тяжелыми жидкостями. Экспериментальные модельные исследования чувствительности процесса миграции рассолов доказывают равнозначную степень влияния гидродинамических и гравитационных сил на формирование загрязнения в данном районе.

Публикации по теме диссертации 1. Коносавский П.К., Потапов А.А., Макашов С.Э. Прогнозная оценка растворения карналлита в целиках горных выработок рудника БКПРУ-1 после его аварийного затопления (Верхнекамское месторождение калийных солей) // Сергеевские чтения. Моделирование при решении геоэкологических задач. Вып. 11. – М.: ГЕОС, 2009. – С. 408Румынин В.Г., Синдаловский Л.Н., Макашов С.Э., Боронина А.В.

Новые аналитические зависимости для описания подтягивания глубинных рассолов к контуру несовершенной скважины // Вестник СПбГУ, Сер. 4, Геология, география. – 2010, №2 – С. 17-37.

3. Макашов С.Э. Исследование миграции техногенных рассолов методами численного моделирования в районе СКРУ-3 Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей // Первая Всероссийская конференция молодых ученых, посвященная памяти В.А. Мироненко. – СПб.: Изд-во СПбГУ, 2010. – С. 77-88.

4. Потапов А.А., Коносавский П.К., Макашов С.Э. Прогноз изменения гидрогеоэкологической обстановки в районе рудника БКПРУ- (Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей) после его аварийного затопления // Инженерные изыскания в строительстве. Материалы седьмой общероссийской конференции изыскательских организаций. М.: 2011. С. 192-194.

5. Потапов А.А., Макашов С.Э., Коносавский П.К. Прогноз изменения гидрогеохимической обстановки в районе рудника БКПРУ-1 (Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей) после его аварийного затопления // Комплексные проблемы гидрогеологии. Тезисы докладов научной конференции. – СПб.: Изд-во СПбГУ, 2011. – С. 145Макашов С.Э., Потапов А.А. Численное моделирование влияния аварийного затопления соляного рудника БКПРУ-1 на миграцию рассолов в надсолевом комплексе пород // Естественные и технические науки. Выпуск 2. –М.: Спутник плюс, 2012. С. 208-212.

4 – шламохранилище и рассолосборник, 5 – солеотвал, 6 – граница выклинивания ПЦТ, 5 – гидрокарбонатные (М – 110 г/л) г/л; 6 – сульфатные (М – 10100 г/л);

Рис. П-2 Субширотный геологический разрез нижнепермских отложений по линии I-I.

1 – пески, супеси, суглинки (Q), 2 - песчаники, аргиллиты, алевролиты (ПТ), 3 – известняки, мергели, песчаники, алевролиты (ТКТ), 4 –мергели, глины, гипс (СМТ2), 5 – мергели, каменная соль (СМТ1), 6 –покровная каменная соль (ПКС), 7 – карналлит, каменная соль, сильвинит (СКЗ), 8 – сильвинит, каменная соль (СЗ), 9 – подстилающая каменная соль (ПДКС).

Рис. П-12. Схематическая карта гидроизогипс верхних водоносных горизонтов Площади распространения водоносных горизонтов (комплексов):

2 - верхнесоликамского водоносного (в отложениях карбонатных фаций верхнихсредних слоёв ТКТ); 3 - верхне-нижнесоликамский водоносный горизонт (в сульфатсодержащих отложениях ТКТ и верхних-средних слоях СМТ2).

4 - водоносного горизонта в отложениях карбонатных фаций верхних-средних слоёв ТКТ; 5 - водоносного горизонта в сульфат-содержащих отложениях ТКТ - СМТ2.

6 - линия геолого-гидрогеологических разреза, 7 – фиксируемый ореол рассеяния Рис. П-13. Схематический геолого-гидрогеологический разрез по линии I-I (рис. П-12).

1 – скважина, ее номер и уровень подземных вод, 2 – уровень подземных вод в отложениях карбонатных фаций верхних-средних слоёв ТКТ, 3 – уровень подземных Рис. П–15. Результаты эпигнозных (а) и прогнозных (б) миграционных расчетов