Гидрогеологические исследования при подземном выщелачивании полезных ископаемых

Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых, к которым относится в частности и подземное выщелачивание, основаны на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние и выводе его на поверхность для дальнейшей переработки. При этом производится прокачка через недра растворителя с последующим извлечением из него добываемого компонента. Обязательным условием подобной добычи полезного ископаемого является хорошая проницаемость среды, содержащей извлекаемый компонент. Подземные выщелачивания могут осуществляться системой скважин с использованием естественной проницаемости руд и шахтным методом с созданием искусственной проницаемости (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Технологические схемы выщелачивания металлов:

а – кучное; б – в – подземное (б – из раздробленных и магазинированных блоков;

в – из проницаемых руд в естественном залегании)

Скважинная система подземного выщелачивания по режиму движения флюидов подразделяется на целый ряд методов (рис. 8.9), однако все они характеризуются высокой эффективностью, позволяющей резко сократить капитальные затраты, обеспечить постепенный ввод предприятия в эксплуатацию. Общая себестоимость продукции скважинного выщелачивания в 3 – 6 раз ниже ее себестоимости на предприятиях с горным способом добычи [11].

Рис. 8.9. Режим движения флюидов при геотехнологических методах

добычи полезных ископаемых:

а – в – в свободном пространстве (а – напорный;

б – безнапорный; в – в режиме струи); 2 – 3 – в пористой среде

(г – гравитационный; з – газовый)

Шахтная система выщелачивания с созданием искусственной проницаемости руд заключается в том, что раздробленная руда оставляется и магазинируется в блоках и затем обрабатывается растворителем. При этом общая величина капитальных затрат снижается по сравнению с традиционными способами по 15 – 20 %.

В Казахстане наибольшее развитие получила скважинная система подземного выщелачивания месторождения урановых руд. Это главным образом экзогенные, так называемые “инфильтрационные” месторождения, образованные выщелачиванием урана из горных пород инфильтрационными кислородсодержащими атмосферными водами и последующим сбросом урана в виде нерастворимых низковалентных соединений.

Добыча полезного ископаемого методом подземного выщелачивания осуществляется через специально оборудованные и подготовленные скважины. Последние, в свою очередь, подразделяются на закачные (нагнетательные), обеспечивающие подачу выщелачивающего реагента в недра, и откачные (разгрузочные), обеспечивающие удаление продуктивных растворов из объема выщелачивания. Кроме этого, сооружаются вспомогательные скважины различного целевого назначения (наблюдательные, разведочные, контрольные и др.).

Решение вопросов разработки месторождений геотехнологическими методами невозможно без детального изучения их геологического строения и гидрогеологических условий, свойств массива и флюидов, его насыщающих. Геологические, гидрогеологические и геофизические исследования проводятся комплексно и обязательно сопровождают разведку месторождения и предшествуют проектированию. Главной задачей этих исследований является изучение месторождения как гидроструктуры, гидродинамические свойства которой обуславливают ее пригодность для подземного выщелачивания.

Гидрогеологические исследования при применении метода подземного выщелачивания проводятся для решения следующих вопросов:

- установление гидродинамических условий месторождения, включая условия питания горизонтов, направления и скорости движения подземных вод, области и характера их разгрузки;

- количество и состав водоносных горизонтов, гидравлическая связь между ними, мощность и глубина их залегания, статические уровни и пьезометрические напоры; степень взаимосвязи подземных и поверхностных вод;

- химический и газовый состав подземных вод, физические их свойства;

- фильтрационные свойства руд и вмещающих пород, коэффициенты фильтрации, водоотдача, уровне- и пьезопроводность, радиус влияния скважин;

- характеристика водоупоров, подстилающих и перекрывающих рудную залежь;

- степень и характер изменчивости основных гидрогеологических параметров полезного ископаемого и вмещающих пород по площади и в разрезе;

- изменение естественных гидродинамических условий при подземном выщелачивании руд;

- изменение геоэкологической обстановки, и, в первую очередь, изменение санитарного состояния подземных и поверхностных вод;

- выявление источников хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения горнорудного предприятия.

Гидрогеологическое изучение подготавливаемых к подземному выщелачиванию месторождений проводятся главным образом путем опробования разведочных и специальных скважин (одиночных или площадного расположения), геофизическими наблюдениями в них, индикаторными опытами и лабораторными определениями (например, эффективной пористости), проведением режимных наблюдений за подземными и поверхностными водами, моделированием геофильтрации и др. (табл. 8.1).

Уже в процессе бурения гидрогеологических и разведочных скважин обязательным является наблюдение за уровнями подземных вод, параметрами и поглощением промывочной жидкости, фиксируются провалы бурового инструмента. При необходимости при бурении скважин с промывкой глинистым раствором возможно использование метода опережающего опробования, дающего значительный объем гидрогеологической информации без специальной подготовки скважины.

Наиболее важным и информативным является материал, полученный по результатам опытно-фильтрационных работ – опытных и кустовых откачек, нагнетаний (реже наливов) в скважины.

Опытные откачки дают возможность определить фильтрационные свойства водоносных горизонтов, определить такие параметры, как осредненная водопроводимость геологических тел, анизотропия водопроводимости в определенных направлениях. При проведении откачек опробуются подземные воды для последующей оценки их химического состава, степени возможного коррозионного влияния подземных вод на оборудование скважин при подземном выщелачивании руд.

Кустовые откачки осуществляются для оценки взаимосвязи между водоносными горизонтами, для выявления анизотропии свойств водоносных горизонтов по площади, для выявления степени взаимосвязи между поверхностными и подземными водами. Большое значение результаты кустовых откачек имеют (наряду с лабораторными определениями) при оценке величин проницаемости водоупоров, что весьма важно для установления предельных значений напоров в системах эксплуатационных скважин. Кустовые откачки необходимо проводить при возможно большем количестве равномерно расположенных по площади, совершенных по степени вскрытия скважин.

Таблица 8.1

Характеристика гидрогеологических исследований

Стадия изучения месторож-дения	Характеристика гидрогеологических исследований
Цели	Основные задачи	Основные способы решения
Поисково-оценочные работы	Оценка разрешаю-щих факторов: выяснение обводнен-ности рудовмещаю-щих пород, опре-деление возможнос-ти фильтрации раст-воров по породам рудовмещающего горизонта	Выделение водоносных горизонтов, установле-ние обводненности ру-довмещающих отложе-ний, оценка дебитов скважин, оценка гидро-геологических парамет-ров	Анализ материалов буре-ния поисково-оценочных скважин, выделение лито-лого-фациальных зон и структурных блоков; буре-ние одиночных гидрогео-логических скважин; каро-тажные исследования; от-качки и наливы (нагне-тания); изучение грануло-метрического состава по всем рудным оценочным скважинам, оценка филь-трационных свойств руд и пород в лабораторных условиях

Разведка

Определение влия-ния гидрогеологи-ческих условий на отработку место-рождения методом ПВ; гидрогеологи-ческое районирова-ние месторождения; гидрогеологическое обоснование катего-рии запасов, обосно-вание исходных дан-ных (по комплексу гидрогеологических параметров) к ТЭДу на детальную раз-ведку

Определение гидрогео-логических параметров; оценка проницаемости руд и безрудных пород продуктивных горизон-тов; обоснование литоло-го-фациальных типов руд и оценка возможных дебитов технологичес-ких скважин; оценка взаимосвязи рудовме-щающих безрудных водоносных горизонтов; установление взаимо-связи месторождения с водозаборами подзем-ных вод (если они имеются)

Бурение кустов и оди-ночных гидрогеологичес-ких скважин; опытно-фильтрационные работы: лабораторные исследова-ния гранулометрического состава и проницаемости пород; стационарные наблюдения

Одними из первостепенных исследований для оценки водопроводимости водоносных горизонтов и определения водоупорности пород кровли пласта являются опытные нагнетания. Особое значение этот метод приобретает, когда полезное ископаемое залегает на небольшой глубине. Поинтервальные нагнетания дают возможность построить фильтрационные разрезы по скважинам, а также определить стабильные величины водопоглощения при разных ступенях давления. При проведении нагнетаний необходимо соблюдать определенные условия, такие как проведение опыта поинтервально, опробование способом “сверху - вниз”, использование цементных поясов для создания лучшей изоляции интервалов и др. Прекращение опыта возможно лишь при стабилизации режима водопоглощения при заданном давлении. Нагнетанию в скважину должны предшествовать мероприятия по герметизации всех соседних скважин, а для оценки радиуса влияния они должны быть оборудованы манометрами.

Значительное место в исследованиях фильтрационных свойств и приемистости пласта, выявлении зон активного водопритока, других гидрогеологических характеристик полезного ископаемого принадлежит геофизическим (каротажным) методам исследования скважин. Помимо изучения геологического строения разреза и выделения при этом литологических разностей, мощностей и строения пластов, ослабленных интервалов разреза каротаж дает возможность выявления обводненных и проницаемых пластов и определения их эффективной мощности. Этими методами определяется качественная, сравнительная или количественная оценка порово-трещинной пористости горных пород, фильтрационные свойства пород-коллекторов, оценивается фильтрационная неоднородность разреза, выявляются величины гидростатического напора различных водоносных горизонтов, дается сравнительная или количественная оценка минерализации подземных вод. Методы электрокаротажа (КС), поляризационного (ДС) и радиоактивного (ГК, НГК) каротажа, а также термо- и кавернометрии рассматриваются в курсах специальных дисциплин. Подробнее остановимся лишь на методах резистивиметрии и расходометрии. При гидрогеологических исследованиях, связанных с изучением месторождений, отработка которых предусматривает подземное выщелачивание, этим методам отводится особая роль. Резистивиметрические измерения проводятся в скважинах зондом малого размера (благодаря чему устраняется влияние стенок скважин) и служат для определения мест притока пластовых вод в скважину, а также для измерения удельного электрического сопротивления воды для определения их минерализации.

Расходометрия – измерение расхода осевого потока воды, циркулирующего вдоль ствола скважины, дающей возможность в совокупности с гидравлическими построениями и расчетами получить сведения о глубине залегания, мощности, водопроводимости, удельном дебите, пьезометрическом напоре, коэффициенте фильтрации и других гидрогеологических параметрах водоносных пластов. При этом учитывается, что расход осевого потока воды, измеряемой в стволе скважины в режиме фонтанирования, откачки, налива или нагнетания изменяется лишь в интервалах проницаемых пород. Границы пластов, отличающиеся по фильтрационным свойствам, фиксируются на расходометрическом графике Q = f(h) точками излома кривой, а дебит водопритока или водопоглощения слоя устанавливается по разности между расходом воды в его кровле и подошве.

Расходометрия дает возможность оценить пьезометрические напоры в каждом отдельном водоносном пласте без их предварительной изоляции. Это достигается замером расходов при вертикальной циркуляции воды, обусловленной перетоками между пластами при неработающих скважинах. С помощью расходометрии также послойно определяются водопроводимость и коэффициент фильтрации пород, при этом режим фильтрации может быть как установившимся, так и неустановившимся, а скважина совершенной и несовершенной.

Режимные наблюдения должны проводиться как на самом месторождении, так и на участках, находящихся за пределами зоны влияния подземного выщелачивания. Сеть точек режимных наблюдений, к которым относится ряд разведочных и гидрогеологических скважин, поверхностные водотоки, водозаборы, специальные режимные наблюдательные скважины, организуется уже в период предварительной разведки, развивается при детальной. Наблюдения продолжаются вплоть до полной отработки месторождения.

При проведении гидрогеологических исследований ведутся журналы установленного образца, куда заносятся результаты всех первичных замеров и наблюдений. К сводным графическим документам относятся профили проницаемости пробуренных скважин, гидрогеологические и гидродинамические карты с выделением областей питания и разгрузки водоносных горизонтов, их гидравлического взаимодействия, распространения водоупорных пород, величины напоров, химического состава и минерализации подземных вод, водопроводимости и др.

8.9. Гидрогеологические исследования для организации полигонов захоронения промышленных стоков

Подземное захоронение жидких промышленных стоков в глубоких водоносных горизонтах является одним из методов утилизации отходов производства, имеющим достаточно много преимуществ перед традиционными, такими как организация различного рода хранилищ, прудов-испарителей, накопителей и т.п. В первую очередь захоронение промстоков в глубокие водоносные горизонты, осуществленное с соблюдением всех необходимых условий, является значительно экологически безопасным по сравнению с поверхностными, неизбежно являющимися источниками поступления загрязнений как в поверхностные и подземные воды, так и в атмосферу. Помимо этого, метод подземного захоронения промышленных стоков имеет лучшие экономические показатели по

сравнению с разработками систем безотходных технологий или глубокой очистки сточных вод.

В Казахстане выявлено более 700 потенциальных источников загрязнения поверхностных и подземных вод, из них более 200 непосредственно связано именно с промышленными стоками. Особенно актуальна проблема загрязнения водных объектов и окружающей среды для промышленного развитых регионов Казахстана, где первоочередную роль играют нефтегазодобывающая и перерабатывающая отрасли промышленности.

В соответствии с действующим законодательством Республики Казахстан проектирование подземных сооружений, связанных с захоронением вредных веществ, отходов производства и сточных вод, допускается только при наличии достоверных геолого-гидрогеологических данных о возможности локализации захороняемых веществ, стоков в строго определенных границах и обеспечении гарантий, исключающих проникновение захороненных веществ в соседние участки недр, подземные воды питьевого, бальнеологического или теплоэнергетического назначения, на земную поверхность и в атмосферу.

Осуществляется такое захоронение промстоков с помощью строительства специальных полигонов захоронения, располагаемых по возможности вблизи накопителей сточных вод (рис. 8.10). При организации работ по закачке промстоков существуют определенные требования как к водовмещающим породам водоносных горизонтов-коллекторов, так и к закачиваемой жидкости.

Рис. 8.10. Принципиальная схема захоронения промышленных

сточных вод в глубокие водоносные горизонты:

1 – накопительная емкость; 2 – насос; 3 – нагнетательная скважина; 4 – наблюдательные скважины; 5 – зона активного водообмена (пресные подземные воды); 6 – зона замедленного водообмена (солоноватые подземные воды); 7 – зона застойного режима (соленые подземные воды и рассолы); 8 – водоупорные породы; 9 – закачанные промышленные стоки

Некоторые из таких требований заключаются в следующем:

- горизонт не должен содержать пресные или слабосолоноватые воды, пригодные для питьевых целей, а также воды, используемые для бальнеологических или теплоэнергетических целей; закачка промышленных стоков возможна лишь в горизонт, содержащий минерализованные воды, непригодные для практического использования;

- пласт-коллектор в пределах исследуемой площади не должен содержать полезных ископаемых и эксплуатироваться;

- водоносные горизонты-коллектора, выбранные для закачки, должны быть надежно изолированы от эксплуатируемых или пригодных для какой-либо эксплуатации водоносных горизонтов;

- выше водоупора, перекрывающего пласт-коллектор, должно залегать не менее одного буферного водоносного горизонта, содержащего подземные воды, непригодные для питьевых, бальнеологических или промышленных целей;

- водоносный горизонт-коллектор в ближайшей окрестности (в радиусе 20 – 30 км) не должен выходить на поверхность или быть связан с рекой;

- подземное захоронение сточных вод нельзя осуществлять в тектонически сложных и сейсмически активных районах;

- пласт-коллектор должен обладать достаточно высокой водопроводимостью, обеспечивающей экономически эффективный сброс заданного количества промстоков;

- водовмещающие породы водоносных горизонтов-коллекторов не должны быстро кольматироваться при эксплуатации нагнетательных скважин;

- закачиваемые сточные воды должны быть совместимы с породами и подземными водами поглощающего водоносного горизонта, для чего необходимо проведение специальных исследований.

При проектировании и строительстве полигона для захоронения промстоков осуществляется комплекс мероприятий, включающих как специальные изыскания по выбору наиболее подходящих для этих целей горизонтов и мест заложения поглощающих скважин, так и выбор системы водоподготовки стоков для кондиций, обеспечивающих совместимость с подземными водами горизонта-коллектора.

Для выбора полигона захоронения промстоков в глубокие водоносные горизонты проводится определенный комплекс геолого-разведочных работ, включающих выбор наиболее перспективных пластов-коллекторов по результатам гидрогеологических, геофизических и гидрогеохимических исследований, бурение скважин и проведение специализированного изучения поглощающих возможностей нагнетательных скважин.

Благоприятными для подземного захоронения промстоков с точки зрения геологического строения являются осадочные отложения, имеющие спокойные, без тектонических нарушений условия залегания. Таким условиям удовлетворяют в первую очередь территории платформ и краевых прогибов и, за редким исключением, – межгорные и предгорные впадины.

Гидрогеологические условия, благоприятные для захоронения, – застойный режим или замедленный водообмен, что характеризуется в первую очередь повышенной минерализацией подземных вод и небольшими скоростями движения. Глубина залегания поглощающего пласта коллектора должна быть определена для каждого конкретного района отдельно, но при этом, с одной стороны, должна соблюдаться санитарная безопасность, а с другой, – техническая осуществимость мероприятий по захоронению.

Одним из условий, лимитирующих захоронение промышленных стоков, являются фильтрационные свойства горизонта-коллектора, определяющие приемистость скважин. Однако эти показатели могут измениться (чаще всего ухудшаться), так как при закачке промстоков, насыщенных минеральными солями, органическими веществами, бактериями, механическими примесями в призабойной зоне происходит выпадение осадка, рост бактерий и другие процессы, что в свою очередь приводит к кольматации призабойной зоны.

Проблемы захоронения промышленных стоков в глубокие водоносные горизонты многогранны и включают большое количество вопросов, соприкасающихся с различными областями знаний:

- изучение геологического строения и гидрогеологических условий с целью выявления возможных поглощающих горизонтов;

- бурение и исследование скважин для определения их приемистости и гидрогеологических параметров водоносных горизонтов;

- лабораторные исследования для изучения физико-химических свойств водовмещающих пород водоносных горизонтов, разделяющих их слабопроницаемых отложений и подземных вод;

- изучение взаимодействия промышленных стоков с горными породами и пластовыми водами;

- прогноз изменения приемистости скважин во времени и миграции отдельных компонентов сточных вод в подземных водах;

- обеспечение экологической безопасности в районах полигонов захоронения промышленных стоков и др.

Исследования по оценке условий захоронения промышленных стоков следует проводить в следующие стадии: предварительная оценка и детальные исследования.

Цельюгидрогеологических исследований для предварительной оценки возможности захоронения промстоков является выяснение принципиальной возможности захоронения промстоков в глубокие водоносные горизонты и обоснование проекта дальнейших гидрогеологических исследований.

Задачи стадии предварительной оценки:

1. Изучение геологических, тектонических, гидрогеологических и других условий по району.

2. Сравнительная оценка гидрогеологических условий отдельных горизонтов, рекомендуемых для подземного сброса сточных вод.

3. Обоснование выбора рабочего пласта-коллектора для последующего детального изучения и его будущей эксплуатации.

При этом проводятся следующие виды работ:

- сбор, систематизация и обобщение геологических, гидрогеологических и геофизических материалов по району исследований. Изучение и обобщение всех имеющихся по району материалов глубокого бурения структурных, нефтяных и гидрогеологических скважин с обязательным анализом результатов каротажных исследований скважин;

- составление на основе анализа обобщенных материалов предыдущих работ: геолого-структурной карты и следующих карт отдельно для каждого горизонта (погоризонтных карт):

- глубин залегания кровли водоносного горизонта;

- общей и эффективной мощности водоносного горизонта;

- водопроводимости водоносного горизонта;

- минерализации и химического состава подземных вод;

- схем сопоставления геолого-геофизических материалов с выделением пластов, перспективных для захоронения сточных вод;

- составление отчета с обоснованием предварительно выбранной схемы нагнетания и определением задач дальнейших стадий исследований.

На основании анализа результатов предварительной стадии исследований рассматриваются следующие основные вопросы [13]:

- обосновывается необходимость осуществления подземного захоронения промстоков с учетом мнения научно-исследовательских и проектных организаций;

- приводятся сведения по объемам, химическому составу и режиму поступления промстоков для захоронения;

- приводятся сведения о геологическом строении и гидрогеологических условиях района;

- подтверждается отсутствие в районе исследований месторождений полезных ископаемых, в том числе подземных вод, могущих испытать влияние захоронения промстоков;

- осуществляется выбор пласта-коллектора, “буферного” горизонта, а также дается оценка надежности водоупоров, изолирующих эти горизонты;

- осуществляется предварительный расчет давления при закачке промстоков в скважины и прогнозируется распространение компонентов промстоков по площади (определяются размеры санитарно-защитных зон полигона);

- рассматриваются условия взаимодействия удаленных отходов с пластовыми водами и вмещающими породами пластов-коллекторов (при необходимости обосновывается схема подготовки промстоков к захоронению);

- обосновывается местоположение полигона захоронения промстоков, его принципиальная схема и состав основных сооружений;

- разрабатываются мероприятия по созданию санитарно-защитных зон полигона и созданию системы мониторинга по контролю недр;

- оценивается влияние захоронения промстоков на окружающую среду;

- уточняются задачи проведения детальных исследований применительно к схеме проектируемого полигона.

В составе детальных исследований для подземного сброса стоков проводятся следующие виды гидрогеологических работ:

- проведение наземных геофизических работ с целью уточнения условий залегания пласта-коллектора и разделяющих его водоупорных горизонтов;

- бурение разведочно-эксплуатационных и наблюдательных скважин с размещением их по площади детальной разведки применительно к принятой технологической схеме нагнетания стоков для подземного их сброса с целью более детального изучения гидрогеологических условий выбранной площади в целом и рабочего пласта-коллектора;

- каротаж гидрогеологических скважин (электрокаротаж, гамма-каротаж, кавернометрия, резистивиметрия и другие виды) с целью детального изучения литологического разреза и предварительной оценки коллекторских свойств водоносных пластов;

- опытно-фильтрационные работы с целью детального изучения коллекторских свойств выбранного рабочего пласта-коллектора и определение необходимых расчетных гидрогеологических параметров. Опытные откачки и нагнетания проводятся по общепринятой методике;

- лабораторные исследования по определению химического состава пластовых вод, исследование кернового материала с целью определения проницаемости и детального изучения процессов химического взаимодействия со сточными водами, в том числе изучение возможного естественного обеззараживания стоков при длительной их закачке;

- опытные работе по закачке реальных или имитированных стоков, выбор оптимальной конструкции фильтров и предварительное изучение режима нагнетания при будущей эксплуатации;

- камеральные работы, составление отчета с рекомендациями по технологической схеме нагнетания в условиях длительной эксплуатации пласта коллектора и методике стационарных наблюдений за режимом нагнетания.

На основании полученных материалов детальных исследований составляется рабочий проект, где даются конструктивные решения по отдельным сооружениям и узлам полигона захоронения промстоков.