Выделение глубокозалегающего рассольного водоносного горизонта в породах хемогенного разреза по данным геофизических исследований скважин и 2D-сейсморазведки
- 1 — канд. геол.-минерал. наук доцент Санкт-Петербургский горный университет ▪ Orcid ▪ Elibrary ▪ Scopus ▪ ResearcherID
- 2 — канд. геол.-минерал. наук доцент Санкт-Петербургский горный университет ▪ Orcid ▪ Elibrary ▪ Scopus ▪ ResearcherID
- 3 — аспирант Санкт-Петербургский горный университет ▪ Orcid ▪ Elibrary ▪ ResearcherID
Аннотация
Развитие производства калийных удобрений является важной стратегической задачей, стоящей перед российской агропромышленностью. Запасы открытых месторождений калийно-магниевых солей при ежегодно растущих темпах добычи заметно снижаются, что требует обеспечения стабильного восполнения ресурсной базы как за счет открытия новых месторождений, так и освоения глубоко залегающих продуктивных горизонтов на уже разрабатываемых месторождениях. Освоение месторождений калийно-магниевых солей в большинстве случаев ведется шахтным методом. Для любого соляного месторождения основной проблемой является вода. Сухие соляные выработки не нуждаются во вспомогательных укреплениях и прекрасно выдерживают горное давление, но при поступлении воды они начинают интенсивно обрушаться, поэтому особое внимание уделяется гидроизоляции шахт. Определение пространственного положения и физико-механических свойств водоносного и водозащитного горизонтов в геологическом разрезе являются важным этапом разведки месторождения солей. Результаты этих исследований позволяют обосновать оптимальную систему разработки месторождения с целью минимизации экологических и экономических рисков. На территории России расположено уникальное по геологическому строению месторождение калийно-магниевых солей, продуктивный горизонт которого залегает на значительной глубине и имеет над кровлей региональный водоносный горизонт, что существенно ограничивает процесс разработки. Для определения параметров исследуемого объекта были проанализированы данные сейсморазведки МОВ ОГТ и комплекса скважинных методов радиоактивного и акустического каротажа с привлечением данных ВИКИЗ. В результате проведенного анализа установлено расположение водоносной толщи, определены средние мощности водоносных горизонтов и возможных водозащитных толщ. По результатам исследований были предложены методы повышения эксплуатационной надежности основного ствола проектируемой шахты с целью минимизации рисков прорыва воды в ствол шахты.
Введение
Основным способом извлечения соли из земных недр является шахтный метод с использованием тяжелой техники. Данный способ разработки имеет ряд преимуществ: относительно быстрое извлечение соли из целика и подъем на поверхность для дальнейшей переработки и обогащения.
Соль в условиях повышенного горного давления – пластичный и текучий материал, который при контакте с водой начинает быстро размываться и обрушаться [14, 26]. Поэтому главной проблемой любого солевого промысла, разрабатывающего месторождение шахтным способом, является наличие водоносных толщ в геологическом разрезе [29]. Разработка месторождений должна сопровождаться мерами по сдерживанию водопроявлений или полной гидроизоляции выработки, что в реальных горных условиях сделать трудно [17]. Главным способом сдерживания водопритоков к продуктивному отрабатываемому горизонту является камерная система выработки с поддержанием водозащитной толщи [2].
За многолетнюю практику разработки солевых месторождений было зарегистрировано множество аварий, связанных с газодинамическими явлениями [1] и затоплением рудников рассольными водами из вышележащих карбонатных отложений, сложенных глинисто-мергелевыми толщами, доломитистыми породами и др. [11-13]. Всего история солевого промысла в настоящее время насчитывает около 100 затопленных рудников в различных странах, среди них «Унфилд» (США), «Ванской» и «Пейшнс Лейк» (Канада), «Холл» (Конго), «Фон дер Гейдт», «Агата», «Майнтейфель» (Германия). В России крупнейшими авариями на солевом промысле стали случаи затопления первого и третьего рудников в Березниках, которые так и не были восстановлены и остались затопленными [3].
Самым экологичным способом разработки солевых месторождений является камерная разработка, при которой после извлечения и обогащения руды пустая порода возвращается в место выработки для поддержания горного давления и недопущения обрушения шахты, исключая сваливание породы на поверхности, существенно снижая при этом финансовую нагрузку на разработчика недр и экологическую нагрузку на разрабатываемую территорию [15, 22, 25].
Основными путями проникновения рассольных вод являются тектонические разломы и трещины, образовавшиеся в естественном залегании при формировании горного массива, а также техногенные трещины, возникающие вследствие нерациональной разработки месторождений и приводящие к аварийным ситуациям [7, 28]. Поэтому весьма актуальной является задача по детальному изучению месторождения на подготовительном этапе для получения априорной информации о залежи: геометрических параметрах, физико-механических свойствах, наличии тектонических трещин [8, 24, 32]. Полученные данные позволяют обосновать положение водозащитной толщи, т.е. мощного флюидоупора, который будет защищать горную выработку от проникновения рассолов. Мониторинговые геофизические работы, направленные на раннее выявление трещин, ослабленных и видоизменяющихся под действием рассолов толщ, позволяют вести оперативный контроль за выработкой и уточнять запасы месторождения.
Главными методами изучения солевых месторождений являются сейсморазведка МОВ ОГТ, электроразведка, скважинные измерения методами гамма-каротаж (ГК), нейтронный гамма-каротаж (НГК), спектрометрический гамма-каротаж (СГК), акустический каротаж (АК), электрокаротаж. Полный комплекс методов подбирается индивидуально для каждой залежи, основываясь на геологическом строении исследуемой территории и глубины залегания продуктивного интервала.
В настоящей работе рассматриваются особенности распространения Вятского регионального водоносного горизонта методами сейсморазведки МОВ ОГТ и каротажа скважин в пределах N-го месторождения калийно-магниевых солей.
При проведении поисково-оценочных работ на месторождении были выполнены сейсморазведочные исследования в пределах первого и второго участка недр. Были изучены материалы фондовых отчетов по геологическому строению, гидрогеологическим условиям исследуемой территории, а также результаты геофизических исследований ранее и вновь пробуренных скважин. Основной задачей изучения указанных методов является разработка критериев выделения в разрезе водонасыщенной толщи, выявление пород-флюидоупоров для обоснования водозащитной толщи, поиск зон трещиноватости в околоскважинном пространстве.
Так как N-е месторождение еще не введено в разработку, то результаты исследований будут являться априорными для дальнейшего мониторинга, и, возможно, на них будет основываться методика прохождения главного шахтного ствола.
Литературный обзор
В настоящее время большое количество российских и зарубежных исследователей изучают проблемы разработки месторождений калийных и магниевых солей со значительных глубин при наличии в геологическом разрезе водоносных горизонтов [17]. Многие работы посвящены проблемам, связанным с авариями, произошедшими при разработке месторождений [2]. Аварии на калийных и магниевых рудниках могут быть вызваны утечкой воды из водоносных горизонтов вблизи месторождения, газодинамическими явлениями [8, 10, 11]. Различные типы аварий на шахтах были зарегистрированы в Канаде, Германии, Украине и России, и некоторые из них затронули соседние шахты и территории. Например, во время аварии в Соликамске в 1995 г. земная поверхность над шахтой обрушилась за сутки на 4,5 м, а на шахте Крюгергалль в 1989 г. причиной аварии стал сейсмический сигнал магнитудой 5,5. Недостаточная информация о гидрогеологических условиях шахтного поля также привела к ряду серьезных аварий на шахтах [30]. Соляная шахта в Канаде была затоплена в 1985 г., а в 1997 г. произошла такая же авария. Однако в Канаде применялся ряд успешных мероприятий по предотвращению наводнений в шахтах путем закачки цементного раствора в подземное пространство через сеть скважин [9, 10]. В России последние аварии были зафиксированы на Верхнекамском руднике в 1986 и 2006 гг. Эти аварии связаны с затоплением двух шахт на месторождении. Оценены возможные пути проникновения воды из аномальных зон геологического массива. Такие участки представлены зонами трещиноватости водоносных горизонтов, возникающими в процессе промысловой эксплуатации [14].
Затопление шахт происходит в разных странах, и нет единого решения по предотвращению таких аварий [18, 20, 21]. Ученые предлагают внедрение геофизических методов мониторинга шахтных стволов для раннего обнаружения наличия воды в подземном пространстве, а также мониторинга напряженного состояния горного массива сейсмическими методами. Основными методами мониторинговых наблюдений на Верхнекамском месторождении являются наземная и шахтная электроразведка, сейсморазведка и гравитационная разведка [3, 27]. Однако эти методы очень дороги, и их применение в мониторинге только рекомендуется. Они не используются на многих месторождениях калийно-магниевых солей в процессе разработки, хотя их применение решило бы многие важные проблемы предотвращения аварий [4-6, 9, 31].
Большое количество исследований связано с методами математического моделирования возможного наличия воды, напряженного состояния массива и методами разработки коллекторов [23, 31]. Эти статистические оценки позволяют аппроксимировать риски, возникающие при разработке месторождений, рассчитать экономические и экологические последствия возможных аварий и предложить пути решения некоторых из них [15, 16, 19, 20].
Основные выводы были сделаны из анализа мировых исследований в области соляных месторождений: соляные шахты постоянно подвергаются геологическим и экономическим рискам, и эти риски следует учитывать на стадии планирования разработки. Необходимо проводить мониторинговые наблюдения за зонами проникновения воды в подземное пространство шахт и оценивать непрерывность водоохранного слоя геофизическими методами.
Методология
В рамках исследовательской работы были поставлены следующие цели и задачи:
- изучение фондовых материалов по исследуемой области, представляющих описание геологического строения, стратиграфии и гидрогеологии изучаемой площади;
- изучение отчетных материалов по выполненным сейсморазведочным работам МОВ ОГТ по площади;
- загрузка и визуализация данных каротажа 33 скважин средней протяженностью 1200-1300 м с их последующей интерпретацией;
- выявление закономерностей простирания Вятского водоносного горизонта на основе данных сейсморазведочных работ и комплекса геофизических исследований скважин.
На исследуемых участках 1 и 2 выполнен анализ имеющихся материалов геофизических исследований скважин с целью определения и уточнения геологического строения изучаемого разреза в пределах глубин 950-1200 м с последующим выделением потенциальных водоносных горизонтов.
Анализ материалов проведенных геофизических исследований скважин (ГИС) на участке 1 позволил классифицировать скважины по пяти различным комплексам ГИС. В качестве опорных скважин по изучению закономерностей распределения физических свойств Вятского водоносного горизонта взяты скважины с максимально полным комплексом ГИС и литологической колонкой: ххх1, ххх2, ххх3, ххх4 (рис.1).
В группе этих скважин были выполнены методы гамма-каротажа (ГК), нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам (ННКт), измерение среднего диаметра скважины (Дс), плотностной гамма-гамма каротаж (ГГК-П), каротаж сопротивлений градиент- и потенциал-зондами (ГЗ, ПЗ), высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование (ВИКИЗ), акустический каротаж (АК).
В остальных скважинах комплекс был существенно меньше и в некоторых скважинах представлялся лишь методами ГК, ННКт и Дс. Однако, несмотря на это, материалов было достаточно для выявления основных закономерностей распространения Вятского водоносного горизонта и определения его пространственного положения в пределах исследуемой площади.
Сейсморазведочные работы МОВ ОГТ-2D в пределах изучаемых участков были выполнены в 2014 г., также были повторно обработаны и переинтерпретированы данные сейсморазведки, выполненной ранее, еще в 1980-1990 гг. С целью достижения целей и выполнения задач, поставленных в данной работе, были использованы структурные карты, полученные в ходе обработки и интерпретации сейсморазведочных данных по основным отражающим горизонтам (кровля соли, кровля перми, подошва перми), а также для сопоставления данных и получения более достоверной информации глубинные сейсмогеологические разрезы, проходящие по исследуемой территории и пересекающие скважины.
В геологическом строении участка недр месторождения калийно-магниевых солей принимают участие протерозойские и фанерозойские образования различного генезиса и состава. Раннепротерозойские образования, слагающие кристаллический фундамент, залегают на глубинах 1100-3350 м с общим погружением в западном направлении. Фанерозойский осадочный чехол представлен отложениями кембрия, ордовика, силура, перми, триаса, юры, мела и образованиями четвертичной системы.
Исходя из литологии объекта исследования, изучаемый интервал в пределах 950-1200 м представлен переслаиванием ангидридов, известняков, мергелей, глин и доломитов. Водовмещающие толщи, приуроченные к Вятскому водоносному горизонту, представлены переслаиванием доломитов, мергелей и известняков с включением глинистого материала. Особенность изучаемого интервала заключается в наличии выше и ниже исследуемых водовмещающих толщ слоя ангидритовых пород, являющихся флюидоупорами. Учитывая особенности литологии интервала исследования, водовмещающие толщи пород должны обладать интенсивной трещиноватостью с целью аккумуляции в них воды. Однако, на основе имеющейся геолого-геофизической информации можно лишь обеспечить пространственную корреляцию и интерполяцию интервалов толщи переслаивания доломитов, мергелей и известняков с включением глинистого материала без оценки пространственного распространения трещиноватости в толще пород Вятского водоносного горизонта, что напрямую влияет на изучение гидрогеологических свойств массива.
Для обоснования характерных особенностей распределения геофизических данных в исследуемом интервале и выше него были выбраны три опорных горизонта:
- слой глин, залегающий выше исследуемой толщи, отличающийся повышенными значениями ГК – 9 мкР/ч, низкими значениями ННКт – 1 у.е., наличием каверн по данным кавернометрии, плотностью около 2,4 г/см3, скоростью прохождения упругой волны около 3500 м/с;
- слой ангидридов, залегающий в кровле исследуемого интервала, характеризующийся низкими значениями ГК – 2-4 мкР/ч, высокими показаниями ННКт – 60 у.е., плотностью около 3 г/см3, высокой скоростью прохождения упругой волны – около 6200 м/с;
- слой солей, залегающий под исследуемой толщей, характеризующийся низкими значениями ГК – 3-5 мкР/ч, высокими показателями ННКтб – 45-70 у.е., плотностью около 2,2 г/см3, скоростью прохождения упругой волны около 4600 м/с.
Далее требуется выявить закономерности проявления пород Вятского горизонта и ангидритов по данным ГИС. Слой ангидритов определяется следующими показаниями кривых ГИС (рис.1, интервал глубин 1008-1018 м): низкой радиоактивностью – около 1-2 мкР/ч; высоким значением ННКт (низкое водородосодержание) – около 70 у.е. в кровле и 55 у.е. в подошве слоя; низким временем пробега упругой волны – около 170 мкс/м, что соответствует скорости 5880 м/с; повышенными показаниями плотности – 3,0 г/см3 по данным ГГК-П. Мощность представленных ангидритов по данным каротажа в разных скважинах колеблется в пределах 8-20 м.
Основные особенности кривых ГИС: изменение показаний ННКт от кровли к подошве, что может быть связано с изменением минерального состава; плавное повышение значений ГК от кровли к подошве пласта; пласт однороден по скоростной характеристике и плотности.
Следующий для выявления по кривым ГИС слой – первый водоносный горизонт, представленный переслаиванием мергелей и доломитов (рис.1, интервал глубин 1018-1028 м). Данный водоносный горизонт представлен следующими геофизическими параметрами: повышенными значениями радиоактивности – 8-10 мкР/ч; низкими значениями ННКт – 2,5 у.е.; увеличенным временем пробега упругой волны по породе – около 270 мкс/м, что соответствует скорости в 3700 м/с; пониженными по сравнению с вмещающими породами значениями плотности, определяемыми по ГГК-П, равными 2,4 г/см3.
В кровле слоя наблюдаются более высокие значения радиоактивности, характеризующие прослой мергелей. Однако не во всех скважинах отмечается данная закономерность, что затрудняет определение точной границы переслаивания мергелей и доломитов в других скважинах.
В качестве флюидоупора между первым и вторым водоносными горизонтами выступает слой ангидрита мощностью 7,6-29 м. Параметры геофизических данных у представленного слоя аналогичны вышележащему по разрезу слою ангидритов.
Вторая водоносная толща представлена переслаиванием доломитов с глинами (рис.1, интервал глубин 1044-1052 м). Она характеризуется изменчивыми параметрами от кровли до подошвы слоя по геофизическим данным.
Критерии выделения второго водоносного горизонта по каротажным данным: повышенные и средние показания радиоактивности по ГК в пределах 10,5 в кровле и 3,76 мкР/ч в подошве пласта; низкие показания ННКт в пределах 2,2 у.е.; увеличенное время пробега упругой волны от 250 мкс/м в кровле и до 200 мкс/м в подошве пласта, что соответствует скорости в 4000 и 5000 м/с; пониженные по сравнению с вмещающими породами значения плотности в пределах 2,47-2,7 г/см3 от кровли к подошве.
Особенности кривых ГИС: высокие значения ГК в кровле пласта по сравнению с подошвой; увеличение показаний кривой ННКт от кровли к подошве; уменьшение времени пробега упругой волны от кровли к подошве; увеличение плотности от кровли к подошве.
Из этого следует наличие переслаивания двух типов пород, обладающих разными физическими свойствами, причем в кровле пласта предположительно залегают глинистые породы, в подошве – доломит.
По полученным данным в ходе исследования интервала глубин была создана таблица физических свойств пород по скважинам (табл.1), в которой представлены средние значения физических параметров, регистрируемые геофизическими исследованиями скважин.
Таблица 1
Средние значения кривых ГИС напротив основных литологических типов пород в исследуемом интервале
Порода |
ГК,мкР/ч |
ННКт, у.е. |
Плотность, г/см3 |
АК, мкс/м |
Скорость, м/с |
Доломит |
6,05 |
2,3 |
2,44 |
256 |
3906,25 |
Мергель |
6,87 |
3,88 |
2,41 |
240 |
4166,67 |
Известняк |
6,95 |
2,96 |
2,5 |
253 |
3952,57 |
Ангидрит |
2,9 |
28,92 |
3,1 |
168 |
5952,38 |
Глина темная |
12,32 |
2,95 |
2,3 |
202 |
4950,50 |
Соль (галит) |
3,46 |
49 |
2,1 |
217 |
4608,29 |
На основе анализа геолого-физических данных была создана таблица физических свойств горных пород, слагающих изучаемый разрез, исходя из которой можно выделить следующее:
- породы Вятского водоносного горизонта характеризуются повышенными показаниями радиоактивности, пониженными значениями нейтронного каротажа, пониженной по сравнению с ангидритами плотностью, увеличением интервального времени пробега упругой волны по данным акустического каротажа, пониженными значениями удельного электрического сопротивления, низкими значениями каротажа потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС);
- вмещающими толщами Вятского горизонта служит ангидрит, характеризующийся низкими значениями радиоактивности, высокими показаниями нейтронного каротажа, уменьшением интервального времени пробега упругой волны по породе, высокими значениями удельного электрического сопротивления, и ПС, повышенной плотностью;
- слой, подстилающий ангидриты, представленный черными глинистыми породами, распространен повсеместно и характеризуется локальным повышением значений ГК, средней мощностью около 2,5 м.
Основными результатами прослеживания пород Вятского водоносного горизонта стало создание собственной базы данных по всем скважинам и межскважинном пространстве, на основе которых стало возможным построение структурных карт по кровле водоносных толщ и карт эффективных толщин. Пример структурной карты по двум участкам N-го месторождения представлен на рис.2.
В базу вошла информация о литологии исследуемой толщи Вятского водоносного горизонта, средние показания кривых каротажа, зафиксированные в скважинах, глубинные отметки кровли, подошвы и мощности каждого водоносного горизонта. По комплексу ГИС и литологии скважин был прослежен маломощный пропласток глинистых пород в подошве ангидритов над отложениями солей.
Как видно из рис.2, происходит погружение кровли Вятского водоносного горизонта в юго-восточном направлении, а также прослеживается зона быстрого градиента изменения абсолютных отметок глубин в центральной части карты, что может быть связано с тектоническими особенностями формирования исследуемой территории. Перепад глубин составляет около 100 м.
На карте эффективных толщин (рис.3) наблюдается выдержанное значение мощности водоносной толщи в пределах 9-10 м. В центральной части карты, также как и на карте абсолютных глубин, наблюдается нарушение корреляции толщин, что обуславливается тектоникой данного региона.
В 2019 г. в рамках проведения гидрогеологических исследований пород Вятского горизонта были проведены опытные откачки в скважинах, находящихся рядом с проектируемым стволом шахты, и отбор проб воды для химического анализа. Пробные откачки проводила подрядная организация методом желонирования в интервале залегания водоносной толщи, после чего была выполнена опытная откачка тем же методом с восстановлением уровня подземных вод до статического уровня, который установился выше поверхности земли на 43,6 и 16,9 м для первого и второго водонасыщенных горизонтов соответственно. В дальнейшем были проведены расчеты коэффициента фильтрации и прогнозный дебит каждой из водоносных толщ. Для первой водоносной толщи коэффициент водопроводимости составил 0,046 м2/сут, коэффициент фильтрации 0,0055 м/сут, для второй водоносной толщи коэффициент водопроводимости составил 0,013 м2/сут, а коэффициент фильтрации 0,0011 м/сут. Величина водопритока в шахту диаметром 11 м рассчитывалась по формуле «большого колодца» и составила 63 и 20 м3/сут для каждой из толщ соответственно. Все расчеты были проведены на основе гидрогеологических исследований с учетом средней мощности (около 8,3 и 11,9 м) двух водоносных горизонтов в исследуемой скважине, расположенной в непосредственной близости от проектируемого ствола шахты. По итогам анализа проб, отобранных при проведении опытных гидрогеологических работ в скважинах, выявлено, что воды исследуемых горизонтов относятся к отложениям пермского возраста, в химический состав вод входят хлоридные и натриевые крепко рассольные растворы (по Е.В.Пиннекеру) с минерализацией от 170,6-185,3 до 199,8-234,0 г/л, вода очень жесткая, по водородному показателю изменяется от нейтральной до слабощелочной.
По степени агрессивности вод к бетонным сооружениям по SO4 к портландцементу группы сульфатостойкости I варьируются от сильноагрессивной (W4-W14) до среднеагрессивной (W16-W20), к портландцементу и шлакопортландцементу II группы определяются как среднеагрессивная (W4) и слабоагрессивная (W6). Степень агрессивности к арматуре железобетонных конструкций по Cl зоны изменяемого уровня воды является высокой. По радиологическим показателям подземные воды исследуемых водоносных горизонтов считаются безопасными.
Обсуждение
Задачей исследования являлось изучение геологического строения и гидрогеологических условий, прослеживание пород Вятского водоносного горизонта, представленного переслаиванием карбонатных и глинистых пород. На основе предоставленных исходных данных по скважинам лицензионных участков 1 и 2 была разработана методика выделения пород Вятского водоносного горизонта, представленных переслаиванием доломитов, известняка и мергелей и перекрывающих отложений, сложенных ангидритами, глинистыми породами и солевыми отложениями (галитами).
Вятский горизонт представлен двумя водоносными толщами, первая из которых сложена мергелями в кровле пласта и доломитами в подошве, вторая сложена доломитами и глинистыми породами. Водовмещающими толщами являются трещиноватые доломиты и известняки.
Суть методики – выявление особенностей зарегистрированных кривых каротажа напротив каждого типа пород, слагающих изучаемый интервал глубин, и сопоставление этих показаний с литологическими колонками по скважинам ххх1, ххх2, ххх3, ххх4.
В последующем данная методика была применена в скважинах, где не было детального литологического описания горных пород, имелся ограниченный комплекс ГИС, и на ее основе была определена литология пород Вятского водоносного горизонта в скважинах участков 1 и 2.
Итогом исследования стала база данных скважин, в которой отображены глубины залегания кровли, подошвы и мощности пород Вятского водоносного горизонта, а также средние значения показаний кривых ГИС (табл.2).
Таблица 2
Фрагмент базы данных по первой водоносной толще Вятского горизонта
Скважина |
Первая водоносная толща |
Показания ГИС |
|||||||
Нк, м |
h, м |
Литология |
ГК, мкР/ч |
ННКт, у.е. |
ПС, мВ |
АК, мкс/м |
КС, Ом∙м |
Плотность, г/см3 |
|
ххх1 |
–1007,00 |
10,00 |
Доломиты, мергели, глины |
8,45 |
– |
– |
– |
– |
– |
ххх2 |
–1016,00 |
8,00 |
Доломиты, мергели, глины |
7,8 |
1,7 |
–321 |
– |
7,2 |
2,02 |
ххх3 |
–1020,00 |
9,60 |
Доломиты, мергели, глины |
7,8 |
1,32 |
–344 |
– |
6,16 |
2,33 |
ххх4 |
–1008,60 |
9,00 |
Доломиты, мергели, глины |
6,88 |
1,68 |
–220 |
– |
– |
2,37 |
ххх5 |
–1019,40 |
9,60 |
Доломиты, мергели, глины |
7,8 |
1,44 |
–276 |
– |
6 |
2,43 |
ххх6 |
–1010,00 |
10,00 |
Доломиты, мергели, глины |
6,87 |
1,92 |
–54,3 |
– |
6,4 |
2,15 |
ххх7 |
–989,00 |
13,80 |
Доломиты, мергели, глины |
8,43 |
3,61 |
–244 |
– |
4,8 |
2,44 |
ххх8 |
–1010,00 |
7,60 |
Доломиты, мергели, глины |
7,55 |
1,61 |
–265 |
– |
2,4 |
2,31 |
Заключение
На основе созданной базы данных были построены структурные карты кровли и карты изопахит, отображающие распространение Вятского водоносного горизонта по исследуемой площади.
В ходе гидрогеологических исследований были рассчитаны параметры коэффициента фильтрации для первого Вятского водоносного горизонта, равный 0,0055 м/сут и мощности водовмещающих пород, составляющей 8,3 м, с учетом полученных параметров прогноз водопритока в шахтный ствол оценивается в 63 м3/сут.
В интервале, где расположен второй Вятский водоносный горизонт, коэффициент фильтрации равен 0,0011 м/сут, мощность водовмещающих пород достигает 11,9 м, при расчете данных параметров прогноз водопритока в шахтный ствол составляет 20 м3/сут.
В результате анализа рассчитанных данных, сделан вывод о целесообразности введения специальных методов проходки для дальнейшей постройки шахтного вертикального ствола на месторождении калийно-магниевых солей. В условиях разработки месторождений калийных солей защита от затопления обеспечивается, главным образом, за счет удержания однородной водозащитной толщи (ВЗТ) необходимой мощности над продуктивным (соляным) пластом и подборе параметров способа разработки, соответствующих действительной мощности ВЗТ. Таким образом, образуемые в процессе подземных работ водопроводящие трещины, залегающие над разрабатываемыми слоями солей, не должны доходить до кровли ВЗТ через перекрывающие слои ангидритов, доломитов и мергелей с минимальной мощностью 10-15 м.
Безопасная эксплуатация ВЗТ определяется контролем суммарной мощности слоев водозащитной толщи, в которых при деформации отрабатываемой толщи пород не образуются техногенные трещины.
Специальные меры для ликвидации притока рассолов при нарушении гидроизоляции шахты:
- строительство водонепроницаемых перемычек в подземной выработке, которые оперативно ограничат затопляемую зону от других участков;
- закупоривание техногенных трещин между подземными выработками и водоносными горизонтами с помощью закачки в них цементных растворов;
- возведение в штреках строений-ловушек для подземных вод с последующим их отводом в выработанные подземные выемки или на поверхность шахты.
Избежание затопления обеспечивается тем, что добыча калийных солей осуществляется там, где суммарная мощность слоев перекрывающих отложений, в которых не возникают трещины при деформировании толщи пород, больше минимально допустимой общей мощности переслаиваемых слоев ВЗТ.
По результатам обработанных, данных в скважинах месторождения водозащитная толща, представленная переслаиванием доломитов, мергелей и известняков, и перекрывающие отложения толщ ангидритов и глинистых пород, залегающие над соляным пластом, в сумме имеют мощность более 15 м, создавая условия для безопасного строительства и дальнейшей разработки шахты по добыче калийно-магниевых солей.
Литература
- Барях А.А. Газодинамическое обрушение кровли при разработке месторождений калийных солей / А.А.Барях, С.С.Андрейко, А.К.Федосеев // Записки Горного института. 2020. Т. 246. С. 601-609. DOI: 10.31897/PMI.2020.6.1
- Барях А.А. О мерах охраны калийных рудников от затопления / А.А.Барях, Е.А.Губанова // Записки Горного института. 2019. Т. 240 С. 613-620. DOI: 10.31897/PMI.2019.6.613
- Вагин В.Б. Исследование и оценка состояния водозащитного слоя над калийными горизонтами геофизическими методами / В.Б.Вагин, А.М.Ефимов, Е.В.Кулагов // Горный журнал. 2014. № 2. С. 11-15.
- Глебов С.В. Обоснование исходных данных для оценки информативности геофизических методов при разработке Верхнекамского месторождения солей // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005. № 9. С. 75-78.
- Зубов В.П. Снижение рисков затопления калийных шахт при прорывах в горные выработки подземных вод / В.П.Зубов, А.Д.Смычник // Записки Горного института. 2015. Т. 215. С. 29-37.
- Квиткин С.Ю. Об экологической эффективности и правовой возможности размещения минерализованных вод в послесолевом комплексе горных пород Верхнекамского месторождения/ С.Ю.Квиткин, В.И.Трофимов, В.В.Ковальская // Записки Горного института. 2017. Т. 228. С. 731-737. DOI: 10.25515/PMI.2017.6.731
- Кобылкин С.С. Особенности проектирования вентиляции угольных шахт, применяющих камерно-столбовую систему разработки / С.С.Кобылкин, А.Р.Харисов // Записки Горного института. 2020. Т. 245. С. 531-538. DOI: 10.31897/PMI.2020.5.4
- Колесов Е.В. Разработка мероприятий по удалению взрывоопасных газов из выработанного пространства при затоплении калийных шахт / Е.В.Колесов, А.В.Шалимов, М.А.Семин // Промышленная безопасность. 2019. № 12. С. 60-65. DOI: 10.24000/0409-2961-2019-12-60-65
- Кологривко А.А. Снижение геоэкологических последствий при подземной разработке калийных месторождений // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Прикладные науки. Строительство. 2014. № 16. С. 101-110.
- Константинова С.А. К оценке геомеханической роли закладки выработанного пространства на калийных рудниках / С.А.Константинова, В.А.Соловьев, И.Б.Ваулина // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: Труды Всероссийской конференции, посвященной 80-летию академика М.В.Курлени (с участием иностранных ученых), 3-6 октября, 2011, Новосибирск, Россия. 2011. Т. 1 . С. 394-399.
- Лаптев Б.В. Аварийные ситуации на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей // Безопасность труда в промышленности. 2009. № 8. С. 28-31.
- Лаптев Б.В. Историография аварий при разработке соляных месторождений // Промышленная безопасность. 2011. № 12. С. 41-46.
- Пачгин В.В. Обоснование технологии интенсивной отработки пологих калийно-магниевых пластов под водоносными горизонтами // Проблемы недропользования: Сборник научных трудов. Ч. 1. Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб, 2015. С. 82-83.
- Повышение безопасности шахт при разработке верхнекамских калийных и магниевых солей / В.П.Зубов, Е.Р.Ковальский, С.В.Антонов, В.В.Пачгин // Горный информационно-аналитический вестник. 2019. №5. С. 22-33. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-05-0-22-33
- Сиренко Ю.Г. Совершенствование селективной добычи калия с использованием короткостенных горных выработок с частичной засыпкой / Ю.Г.Сиренко, Е.Р.Ковальский // Горный журнал. 2016. № 1. С. 24-26. DOI: 10.17580/gzh.2016.01.05
- Шкуратский Д.Н. Использование отходов производства калийных удобрений в породных смесях для закладки выработанных пространств / Д.Н.Шкуратский, М.И.Русаков // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2015. № 3. С. 87-97.
- Экспериментальные и теоретические исследования длительной устойчивости несущих элементов камерной системы разработки калийных пластов / В.А.Асанов, И.Л.Паньков, А.В.Евсеев и др. // Вестник Пермского научного центра. 2017. № 1. С. 8-14.
- An experimental study of strain and damage recovery of salt rock under confining pressures / C.Jie, J.-X.Liu, D.-Y.Jiang et al. // Rock and Soil Mechanics. 2016. Vol. 37. № 1. P. 105-112. DOI: 10.16285/j.rsm.2016.01.012
- Barker J. New Mexico potash – past, present, future / J.Barker, I.Gundiler // New Mexico Earth Matters. 2008. Vol. 8. № 2. P. 1-6.
- Belkhiri L. Using multivariate statistical analysis, geostatistical techniques and structural equation modeling to identify spatial variability of Groundwater quality / L.Belhiri, T.S.Narany // Water Resources Management. 2015. Vol. 29. P. 2073-2089. DOI: 10.1007/s11269-015-0929-7
- Cocker M.D. U.S. geological survey assessment of global potash production and resources – A significant advancement for global development and a sustainable future / M.D.Cocker, G.J.Orris, J.Wynn // Geoscience for the public good and global development: Toward a sustainable future: Geological Society of America Special Paper. 2016. Vol. 520. Р. 89-98. DOI: 10.1130/2016.2520(10)
- Cocker М.D. World potash developments / M.D.Cocker, G.J.Orris // Proceedings of the 48th Annual Forum on the Geology of Industrial Minerals, 30 April – 4 May, 2012, Scottsdale, Arizona, USA. Arizona Geological Survey, 2013. Chapter 1. P. 1-16.
- DEM micromechanical modeling and laboratory experiment on creep behavior of salt rock / W.Li, Y.Han, T.Wang, J.Ma // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2017. Vol. 46. P. 38-46. DOI: 10.1016/j.jngse.2017.07.013
- Khaustov V.V. Formation of drainage waters of Tyrnyauz deposit in ecological aspect / V.V.Khaustov, D.L.Ustiugov // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017. Vol. 87. Iss. 4. № 042006. DOI: 10.1088/1755-1315/87/4/04200
- Kowalewski O. Stock market response to potash mine disasters / O.Kowalewski, P.Śpiewanowski // Journal of Commodity Markets. 2017. Vol. 20. P. 1-45. DOI: 10.1016/j.jcomm.2020.100124
- Litvinenko V. Advancement of geomechanics and geodynamics at the mineral ore mining and underground space development // Geomechanics and Geodynamics of Rock Masses: International European Rock Mechanics Symposium (EUROCK 2018), 22-26 May, 2018, St. Petersburg, Russian Federation. OnePetro, 2018. Vol. 1. P. 3-16.
- Ponomarenko T. Ecological, economic and social consequences of emergencies on potash mines // Management Systems in Production Engineering. 2012. Vol. 2. Iss. 6. P. 28-31.
- Pospehov G.B. Geoengineering researches for the restoration of the lands disturbed by mining operations / G.B.Pospehov, K.V.Pankratova, I.A.Straupnik // Engineering and Mining Geophysics 2018 – 14th Conference and Exhibition, 23-27 April, 2018, Almaty, Kazakhstan. European Association of Geoscientists & Engineers, 2018. Vol. 2018. P. 1-5. DOI: 10.3997/2214-4609.201800528
- Rudakov M. Risk-based thinking as a basis for efficient occupational safety management in the mining industry / M.Rudakov, E.Gridina, J.Kretschmann // Sustainability. 2021. Vol. 13. Iss. 2. P. 470. DOI: 10.3390/su13020470
- Whyatt J. Catastrophic Failures of Underground Evaporite Mines / J.Whyatt, F.Varley // Proceedings of the 27th International Conference on Ground Control in Mining, 29-31 July, 2008, Morgantown, USA. College of Engineering and Mineral Resources, West Virginia University, 2008. P. 1-10.
- Zubov V.P. Exploration method of potash and magnesium salts of the complex structure at great depths / V.P.Zubov, A.D.Smychnik // Ecology, Environment and Conservation. 2017. Vol. 23, Iss. 3. P. 1697-1701.
- Zuev B.Y. Application prospects for models of equivalent materials in studies of geomechanical processes in underground mining of solid minerals / B.Y.Zuev, V.P.Zubov, A.S.Fedorov // Eurasian mining. 2019. №1. P. 8-12.