Моделирование влияния солеотвалов калийных комбинатов на фильтрационные свойства водовмещающих пород: на примере территории влияния 2-го Соликамского калийного рудоуправления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.07, кандидат геолого-минералогических наук Лю Юй

  • Лю Юй
  • кандидат геолого-минералогических науккандидат геолого-минералогических наук
  • 2012, Москва
  • Специальность ВАК РФ25.00.07
  • Количество страниц 142
Лю Юй. Моделирование влияния солеотвалов калийных комбинатов на фильтрационные свойства водовмещающих пород: на примере территории влияния 2-го Соликамского калийного рудоуправления: дис. кандидат геолого-минералогических наук: 25.00.07 - Гидрогеология. Москва. 2012. 142 с.

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Лю Юй

Введение.

1. Характеристика объекта исследований.

1.1. Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС).

1.1.1. Физико-географические условия.

1.1.2. Геологическое строение.

1.2. Территория взаимодействия с хвостохранилищами СКПРУ-2.

1.2.1. Гидрогеологическое разбиение разреза.

1.2.2. Анализ карты гидроизогипс.

1.2.3. Питание и разгрузка подземных вод.

1.2.4. Техногенные источники влияния на подземные воды.

1.2.5. Общие гидрогеохимические условия.

1.2.6. Минеральный состав заполнителя трещин.

2. Обоснование гидрогеологических моделей.

2.1. Плановая модель.

2.1.1. Схематизация гидрогеологических условий.

2.1.2. Область распространения соленых вод.

2.2. Обоснование профильной модели миграции рассолов с учетом трансформации поля проницаемости.

2.2.1. Схематизация гидрогеологических условий.

2.3. Формирование гидрогеохимической системы.

3. Вопросы методики моделирования влияния солеотвала на геологическую среду.

3.1. Общая последовательность моделирования.

3.2. Выбор модели миграции растворов.

3.3. Особенности процесса растворения вторичных минералов.

3.3.1. Динамика растворения заполнителя трещин.

3.3.2. Динамика растворения заполнителя пористых блоков.

3.4. Построение модели структуры трещиной среды.

3.5. Алгоритм пересчета изменений концентрации заполнителя в порово-трещинном пространстве.

3.6. Изменение проницаемости глинистых пород при фильтрации рассолов.

4. Моделирование влияния солеотвала на геологическую среду с учетом растворения-осаждения заполнителя трещин.

4.1. Выбор шагов по времени.

4.2. Моделирование начального условия.

4.3. Результаты моделирования на срок действия солеотвала.

4.3.1. Модель без изменения фильтрационных параметров.

4.3.2. Модель с изменяющимися фильтрационными параметрами.

4.3.3. Влияние изменения проницаемости глинистых пород.

5. Моделирование альтернативными способами.

5.1. Общая последовательность моделирования.

5.2. Влияние переменной плотности подземных вод на миграцию.

5.3. Влияние переменной плотности подземных вод на растворение гипса.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Гидрогеология», 25.00.07 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование влияния солеотвалов калийных комбинатов на фильтрационные свойства водовмещающих пород: на примере территории влияния 2-го Соликамского калийного рудоуправления»

Актуальность проблемы. Калийные производственные рудоуправления формируют комплексное влияние на геологическую среду. Долговременные хвостохранилища легко растворимых солей и пульп (солеотвалы, шламохранилища, рассолосборники), являются источниками загрязнения подземных вод и геологической среды, что в дальнейшем должно приводить к преобразованию пустотного пространства пород вследствие физико-химических процессов взаимодействия постепенно разбавляющихся в подземных водах рассолов и растворимых минералов пород (карбонатов, сульфатов) и может инициировать своеобразный карстовый процесс. Кроме того, выемка полезного ископаемого приводит к образованию пустот в продуктивных пластах в виде системы штреков. Даже при обратной закладке прочностные свойства хвостов, закладываемых в штреки значительно хуже, чем у породы. Это приводит к образованию своего рода мульд оседания, причем осадки могут быть значительными и неравномерными, что, в свою очередь, приводит к образованию новых и раскрытию старых трещин. Совокупность всех процессов влияет и на земную поверхность, переформирует пустотное пространство пород и изменяет распределение пористости и проницаемости (фильтрационно-емкостные свойства) массивов, ухудшает качество подземных вод и, в конечном итоге, поверхностных, принимающих разгружающиеся подземные воды.

На территории Верхнекамского месторождения калийных солей ВКМКС (Березни-ковско-Соликамский промышленный район) основным полезным ископаемым являются хлорид калия, содержащийся в руде в соизмеримых количествах с хлоридом натрия. Последний не может быть утилизирован в получаемых количествах и складируется в солеотвалы, имеющие значительную площадь 80-160 га с накоплением хлорида натрия к концу работы ГОК до 7-10 млн. тонн. При сроке работы ГОК 50-80 лет время полного растворения солеотвала около 500 лет. За это время рассол, поступающий из него в геологическую среду с концентрацией более 320 г/л, сформирует большое тело загрязненной воды. После растворения солеотвала загрязненная вода будет еще долгое время находиться в породах. Поэтому время влияния солеотвала больше времени его существования. Шламохранилища, так же сопутствующие калийному производству, имеют соизмеримые площади и из них поступает рассол около 160 г/л. Срок распреснения шламохранилищ меньше - около 200 лет, затем происходит распреснение подземных вод примерно за то же время, что и загрязнение.

Соленые подземные воды имеют большую ионную силу и могут растворять имеющиеся в породах карбонатные и сульфатные минералы в виде заполнителей трещин и в составе пород. Это в свою очередь будет приводить к возрастанию пористости и проницаемости трещиноватых водовмещающих пород, изменению скорости миграции солей. В рассматриваемых условиях это может привести к ухудшению защитных свойств надсо-левой толщи, препятствующей поступлению подземных вод на кровлю соляной залежи.

Цель работы - разработка методики моделирования трансформаций трещинного пространства геологической среды при воздействии поступающих с поверхности рассолов хлорида натрия.

В задачи исследования входили:

- Анализ литературных данных по проблемам влияния солеотвалов на подземные воды, рассолов на растворимость минералов, методикам моделирования геомиграционных процессов и обоснования моделей;

- Определение количественного распределения растворимых минералов в разных видах - в составе пород и заполнителя трещин;

- Построение геомиграционной схемы надсолевой толщи в окрестности объекта на основе анализа и обобщения фактических данных;

- Разработка метода моделирования миграции подземных вод с физико-химическими обменными процессами и трансформацией трещинного пространства;

- Математическое моделирование распространения рассолов и изменения пористости и проницаемости пород надсолевой толщи;

- Анализ возможностей альтернативных простых методов моделирования этих процессов.

Базисный объект исследований. Территория влияния 2-го Соликамского калийного производственного рудоуправления (СКПРУ-2) на подземные воды. Выбор этого объекта определяется не только наличием фактического материала по гидрогеологическим условиям, но и расположенными примерно в 15 км к северо-западу створами скважин с детальными исследованиями минералов заполнителей трещин, проведенными Л.В. Мигуновым [1977] в 1962-1966 годах при работах по инженерным изысканиям для Верхнекамской ГЭС. Развитая им теория инфильтрационной минеральной зональности надсо-левых толщ используются в этой работе. Рассмотренное геологическое строение и гидрогеологические условия, в той или иной мере, присущи территориям всех калийных рудоуправлений Березниковско-Соликамского промрайона.

Фактический материал. Геологическое строение и гидрогеологические условия объекта охарактеризованы более чем сотней скважин различного назначения (разведочные, структурные, гидрогеологические). Использовались результаты регулярных наблюдения за режимом уровней и химическим составом вод проводящиеся с 1987 года. Вследствие недостаточности данных на объекте о детальном распределении проницаемости по вертикали, привлекались данные расходометрии по скважинам территории ВКМКС. Характеристика и количественная оценка минерального заполнителя трещин выполнена на основе результатов кандидатской диссертации J1.B. Мигунова [1977].

Методы исследования. Основным методом исследования является математическое моделирование миграции подземных вод с учетом равновесных физико-химических процессов взаимодействия подземных вод и пород. Моделирование осуществлялось при помощи программного комплекса PMWin (Chiang W.H.), включающего необходимые для этого программы моделирования фильтрации (MODFLOW) и моделирования массопере-носа с физико-химическими процессами в многокомпонентной гидрогеохимической системе (PHT3D). При реализации модели взаимодействия была дополнена и откорректирована база термодинамических параметров, используемая PHT3D. Для учета эффектов, возникающих за счет высокой плотности поступающего рассола в однокомпонентной постановке использовалась программы MT3DMS и SEA WAT. Кроме того, для выбора наилучшего метода решения задач с переменной плотностью фильтрующихся растворов проводилось сравнение различных методов представления этого процесса с использованием других программ.

Для переопределения значений фильтрационно-емкостных свойств при растворении-осаждении минерального заполнителя трещин использовались собственные алгоритмы, развитые в данной работе и реализуемые при помощи электронной таблицы Excel. Модель строилась на основе параметров полученных при верификации геофильтрационных моделей и при анализе литературных данных, последнее было особенно необходимо для определения процессов массообмена подземных вод и пород. Дополнительные процедуры обработки фактического материала, построения геометрии области моделирования и взаимоотношений слоев выполнялись методами интерполяции на соответствующем математическом обеспечении.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика моделирования миграции подземных вод с учетом равновесных физико-химических процессов (растворения и осаждения минералов) и изменения во времени фильтрационно-емкостных свойств пород надсолевой толщи.

2. Для моделирования изменения пористости и проницаемости трещиноватых пород под действием техногенных рассолов необходимо начальное условие - природное распределение концентраций компонентов подземных вод, формируемое моделированием геомиграции до стабилизации полей концентраций, в случае данной работы втечение 1000 лет.

3. Под действием фильтрации рассола из солеотвала через первые десятки лет в верхней части пород, содержащих гипс в виде заполнителя трещин мощностью 4-8 м, гипс полностью исчезает. На кровле залегающего ниже слоя гипсов происходит растворение приводящее к резкому увеличению горизонтальной проницаемости. Размер области растворения по горизонтали около 2 км. Этот процесс идет до конца периода засоления подземных вод в этой части пород - около 500-700 лет.

4. Для решения задач с переменной плотностью потока от сосредоточенного источника применимы методы, основанные на конвективно-дисперсионном массопереносе. Методы, применяющиеся для моделирования миграции несмешивающихся разноплотност-ных жидкостей, дают результаты, не согласующиеся с фактическими наблюдениями.

5. Для прогноза изменения фильтрационно-емкостных параметров трещиноватых пород возможно ограниченное применение более простого моделирования миграции рассолов с дополнительными расчетами растворения минерального заполнителя трещин. Однако это является крайне трудоемкой задачей, практически вырождающейся в моделирование многокомпонентной миграции с физико-химическими процессами для достижения приемлемой точности.

Практическая значимость. В работе дан прогноз миграции соленых вод от солеотвала в трех постановках: без учета переменной плотности, с добавлением физико-химических равновесных процессов и изменением проницаемости и пористости пород, с учетом переменной плотности. Показана высокая вероятность сохранения водозащитных свойств надсолевой толщи.

Личный вклад автора. Начиная с 2006 года в рамках студенческих работ, а затем в аспирантуре автор исследует процессы, происходящие на территориях воздействия хвостового хозяйства калийных комбинатов, преимущественно Соликамских. Автором, на основе анализа фактической и опубликованной информации, была построена геомиграционная схема территории исследований, созданы теоретическое и методическое обоснование моделирования миграции подземных вод с постоянно изменяющимися фильтрацион-но-емкостными свойствами. Выполнены все работы по отладке моделей и собственно многовариантному моделированию рассматриваемых процессов в нескольких постановках решения задачи.

Обоснованность и достоверность научных результатов базируется на анализе публикаций по тематике работы, анализе и обработке обширного фактического материала, проверке используемых методов моделирования сопоставлением с другими, многочисленным вариантным математическим моделированием исследуемых процессов.

Защищаемые положения

1. Миграция рассолов от накопителей отходов калийного производства вызывает растворение и осаждение карбонатных и сульфатных минералов пород и заполнителя трещин за счет переменной ионной силы растворов, приводя к изменению пористости и проницаемости. Формируются локальные области соизмеримые с источником рассолов со значительным, на несколько порядков, повышением проницаемости в местах резкой смены гидрогеохимических условий (контакты пород различного состава, уровень подземных вод) и повышенных скоростей фильтрации.

2. Для прогноза миграции рассолов и трансформации геологической среды необходимо использовать модели многокомпонентной миграции. Трансформация среды под действием рассолов поступающих сверху должна рассчитываться на основе расщепления уравнений геомиграции многокомпонентных растворов по физическим процессам в циклической последовательности решения задач геофильтрации, массопереноса, физико-химических преобразований и пересчета пористости и проницаемости с временным шагом, определяемым шагом массопереноса. Учет переменной плотности подземных вод приводит к увеличению глубины проникновения рассолов от солеотвала и ускорению процессов растворения в пределах 10-20 %.

3. Основное увеличение проницаемости происходит в зоне загипсованных пород мощностью 4-8 м над поверхностью гипсового зеркала и на самой кровле гипсового зеркала под солеотвалом и ниже по потоку подземных вод на протяжении 2 км. Это приводит к увеличению глубины проникновения рассолов в надсолевую толщу и к изменению путей миграции рассолов в направлении основной дрены - р. Камы с постепенным уменьшением скорости растворения. Защитные свойства надсолевой толщи над кровлей соляного зеркала сохраняются при отсутствии крупных вертикальных трещин, вызванных потенциально неравномерным оседанием пород над рудником.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены в пяти публикациях, в том числе в двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК, доложены на международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (2009 г. и 2011 г.), на научной конференции «Комплексные проблемы гидрогеологии» (2011 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 102 наименований, содержит 73 рисунка и 5 таблиц. Общий объем работы 142 страницы.

Похожие диссертационные работы по специальности «Гидрогеология», 25.00.07 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Гидрогеология», Лю Юй

Выводы:

1. Длительная фильтрация рассолов в породах имеющих растворимый заполнитель трещин (гипс, кальцит) приводит к изменению их пористости и проницаемости. Зона загипсованных пород мощностью 4-8 м над гипсовым зеркалом полностью лишается гипса заполнителя трещин на длине 2000 м.

2. В кровле терригенно-карбонатной толщи под солеотвалом и вблизи него формируется узкая зона отсутствия заполнителя трещин - кальцита.

3. На поверхности гипсового слоя может сформироваться узкая зона сильного повышения пористости и проницаемости в полторы тысячи раз с 0,03 до 50 м/сут. Последняя величина взята как предельная с учетом компенсации формирующейся пустоты горным давлением и неравномерностью растворения по поверхности слоя вследствие неоднородности условий растворения.

4. Возможное увеличение проницаемости глинистых пород при фильтрации рассолов так же приводит к неравномерному увеличению проницаемости загипсованных пород, увеличивая поток растворителя - рассола от солеот-вала в месте растворения.

5. При изменении проницаемости глинистых отложений под влиянием рассолов в областях, находящих ближе к основной дрене, гипс растворяется интенсивнее. Это определяется локальным повышением коэффициентов фильтрации в области пород, расположенной под солеотвалом, увеличивающих миграцию к основной дрене.

6. Скорость распространения рассолов при увеличении проницаемости и пористости пород увеличивается, что приводит к ускорению миграции соли и увеличению разгрузки ее в основную дрену по сравнению с вариантами постоянных пористости и проницаемости.

7. При учете изменении фильтрационных параметров в прогнозе распространения рассолов из солеотвала, глубина их проникновения в соляно-мергельную толщу увеличивается и наиболее концентрированная часть ореола соли практически достигает соляного зеркала.

Табл.4.3.1. Изменение концентрации гипса в блоках наблюдения в модели геомиграционной задачи

Время (1, лет) Концентрация гипса, моль/дм3 блок 50 блок 51 блок 52 блок 53 блок 54 блок 55 блок 56 блок 57 блок 58 блок 59 блок 60

1=0 11.99789 11.99858 11.99911 11.99946 11.99952 11.99952 11.9992 11.99697 11.9935 11.98741 11.98769

1=250 11.96882 11.93211 11.90364 11.83425 11.86803 11.86006 11.85789 11.83959 11.87021 11.85864 11.87054

1=500 11.90872 11.82563 11.76383 11.61114 11.69372 11.67895 11.67502 11.63343 11.70068 11.68214 11.70664 разница 0-500 -0.08917 -0.17295 -0.23528 -0.38832 -0.3058 -0.32057 -0.32418 -0.36354 -0.29282 -0.30527 -0.28105

Табл.4.3.2. Изменение концентрации гипса в блоках наблюдения в модели геомиграционной задачи после увеличения проницаемости глинистых пород

Время (1, лет) о Концентрация гипса, моль/дм блок 50 блок 51 блок 52 блок 53 блок 54 блок 55 блок 56 блок 57 блок 58 блок 59 блок 60

1=0 11.99789 11.99858 11.99911 11.99946 11.99952 11.99952 11.99920 11.99697 11.9935 11.98741 11.98769

1=250 11.94568 11.90483 11.89524 11.84861 11.88949 11.88452 11.88266 11.86000 11.88246 11.89081 11.90322

1=500 11.86217 11.76811 11.74679 11.64072 11.73962 11.73147 11.72800 11.67521 11.72494 11.75017 11.78198 разница 0-500 -0.13572 -0.23047 -0.25232 -0.35874 -0.2599 -0.26805 -0.2712 -0.32176 -0.26856 -0.23724 -0.20571

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫМИ СПОСОБАМИ

5.1. ОБЩАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Моделирование геомиграции при помощи программы PHT3D нуждается в достаточно большом наборе параметров физико-химического взаимодействия. В то же время она не учитывает переменную плотность растворов, приводящую к несколько другой картине скоростей фильтрации и, соответственно, к изменению мест и интенсивности растворения-осаждения минералов.

В этой главе проводится сравнение результатов полученных применением моделей миграции с учетом (программа SEA WAT) и без учета (программа MT3DMS) переменной плотности подземных вод. Естественно, прямое сравнение с результатами, получаемыми моделированием совместно с физико-химическими процессами (программа PHT3D) невозможно, т.к. последняя учитывает все особенности распределения концентраций веществ раствора и распределения скоростей фильтрации.

Для вычисления плотности раствора используется ее линейная связь с концентрацией до „

Р = Ро+т1с = Ро + £с ос где р - плотность подземных вод при концентрации растворенной соли с; ро - плотность пресной воды; Е -безразмерная константа, в данной модели задано значение 0,64. Корреляция плотности и минерализации реальных растворов (подземные воды, растворы рассо-лосборников и шламохранилищ) показана на рисунке 5.1.1. Для чистого раствора NaCl параметры уравнения связи с используемой точностью те же.

Общая методика решения задач одинакова с предыдущим вариантом моделирования с помощью программы PHT3D. Разница состоит в отсутствии возможности учета влияния концентрации хлорида натрия на равновесные концентрации минералов и определении накопления минералов при растворении или осаждении в условиях меняющегося во времени распределения составов подземных вод. Эти операции необходимо делать вручную, как и пересчет значений пористости и проницаемости. Отсюда следует необходимость более дробного шага по времени пересчета всех характеристик, особенно на начальном периоде миграции рассолов от днища солеотвала до реально растворяющегося гипса зоны загипсованности.

С, кг/л

Рис. 5.1.1. Корреляционный график для зависимости плотности от минерализации соленых вод по фактическим анализам

Гидрогеохимическая система не является единой. Вводятся две системы, а точнее два мигранта -хлорид натрия и сульфат кальция, каждый мигрирует независимо по физико-химическим трансформациям. Однако хлорид натрия определяет плотность раствора и, соответственно, определяет поле скоростей фильтрации. Вклад в плотность раствора сульфата кальция незначителен.

Граничные условия по хлориду натрия определяются постоянной концентрацией равновесия с галитом на нижней границе модели (соляное зеркало). При работе солеотва-ла на его подошве задается такое же граничное условие. Для сульфата кальция выставляется внутреннее граничное условие первого рода или постоянство концентрации в зоне загипсованности и в зоне гипса. Эта концентрация равновесия с гипсом и определяется по решению задачи миграции NaCl на основании зависимости, показанной на рис. 2.3.1 или расчетом при помощи программы моделирования химических равновесий (PHREEQC, HCh и т.п.) [Appelo and Postma, 2005]. Отсюда следует, что чем чаще по ходу решения задачи производится расчет этой концентрации равновесия, тем точнее решение задачи. В пределе это сводится к задаче решаемой программой PHT3D.

Обе задачи миграции решаются одновременно, искажения поля скоростей фильтрации за счет переменной плотности используются для определения массопереноса сразу двух компонентов.

Расчет выноса растворяющегося гипса и, соответственно, его остатка в породе проводится для каждого блока модели, находящегося на поверхности зон содержащих гипс расположенных со стороны поступления подземной воды в эти зоны (вверх по потоку). Полагается равновесный процесс растворения, т.е. вода, выходящая из блока содержащего

122 гипс, равновесна с гипсом и больше растворять его не может. Дефицит насыщения по гипсу определяется разницей концентраций сульфата кальция в предыдущем (без гипса) и последующем (с гипсом) блоках модели. Количество растворенного гипса АМ для блока модели, например, с двумя входящими потоками (рис. 5.1.2) рассчитывается по формуле

ДМ = е1(Ст-С1) + е2(Си-С2); =

Ьт где Ш - приращение концентрации гипса, Уьт - объем блока модели. Далее следует расчет новых значений пористости и проницаемости согласно алгоритму раздела 3.5. Отсюда следует, что необходим экспорт расходов поступающих в блок модели, кроме экспорта значений концентрации растворенного

0А А

3 Л>^ V * „ * г ч п ^<22С2 ч

Рис. 5.1.2. Схема блоков модели для расчета выноса массы минерала

5.2. ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕННОЙ ПЛОТНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА МИГРАЦИЮ

Задача решается с целью определения изменений интенсивности процессов массо-отдачи пород при учете переменной плотности подземных вод, возникающей вследствие фильтрации рассолов. Так как в данной постановке миграции одного компонента подземных вод невозможно так же корректно решать задачу как при моделировании миграции многокомпонентного раствора, для сравнения параллельно проводится моделирование в аналогичной однокомпонентной постановке но без учета переменной плотности подземных вод.

Поле начальных концентраций ЫаС1 получено в результате задачи в естественном режиме без солеотвала, соответственно в модели без учета и с учетом переменной плотности. На нижней границе модели задана постоянная концентрация ЫаС1 - 320 г/л, соответствующая кровле каменной соли. На верхней границе в области солеотвала задана концентрация 312 г/л, соответствующая постоянному поступлению рассолов из солеотвала.

На рисунках 5.2.1-5.2.2. показано распределение рассолов из солеотвала в течение 50, 250 лет. В начальный период основной поток рассолов из солеотвала направлен вертикально вниз. Поперечный размер ореола рассолов (С > 250 г/л) в модели без учета переменной плотности подземных вод больше, чем размер ореола рассолов с такой же концентрацией в модели с учетом переменной плотности подземных вод. По вертикальному направлению ореола рассолов в модели с учетом плотности глубже примерно на 30 м, глубина -120 м. Ширина ореола рассолов 250 г/л составляет 1200 м.

Ореолы рассолов (С> 50 г/л) поступающих из солеотвала в двух постановках модели встретятся с ореолом рассолов от кровли каменной соли через пятьдесят лет. В зоне (от реки Камы до солеотвала) миграция рассолов при учете плотности происходит практически по горизонтальному направлению, тогда как без учета плотности получается заметное поднятие рассолов к руслу Камы.

На рисунке 5.2.2 видно, что рассол (250 г/л), попадая в водоносную толща движется по направлению подземного потока, преимущественно по верхнесоликамскому водоносному горизонту. Область распределения рассолов (изолиния концентрации 250 г/л) дойдет до р. Камы. Миграция рассолов с концентрацией ЫаС1 более 250 г/л в модели с учетом плотности быстрее, чем в задаче без учета переменной плотности подземных вод. Области занятые рассолом практически одинаковы в задачах с учетом и без учета переменной плотности подземных вод. Характерным является наличие языков опускания рассолов с подошвы верхнесоликамского водоносного горизонта в нижнесоликамский - своего рада эффект образования "пальцев" большого размера.

После расчетного периода в 500 лет считается, что солеотвал полностью растворен, и в его положении вместо солеотвала формирован бассейн в контуре обваловки с таким же инфильтрационным потоком пресных вод.

На основании поля концентрации рассолов, полученного в результате моделирования 500-летнего цикла существования солеотвала, выполнено моделирование рассоления водоносной соликамской толщи. Все геофильтрационные и миграционные параметры задаются как в модели с солеотвалом, только исключена концентрация на верхней границе в положении солеотвала. Эта задача тоже выполнена двумя методами, без учета и с учетом переменной плотности подземных вод. Результаты распределения уменьшающих концентраций соли приведены на рисунках 5.2.3-5.2.4. fo o O л <x ra « o o ío я « о ra со

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 номер блока

SEA WAT сутки

-4500

---- 10900 14100 о— 17300 —X—20500 —ж—23700 —— 26900 30100 —*— 33300 —■— 36500 -MT3DMS

Рис.5.3.1. График расхода подземных вод в программах SEA WAT и MT3DMS со

1-Г ° ы с о = х £ о я о

О. U о

3.0Е-06

2.5Е-06

2.0Е-06 о

55 и ^ 1.5Е-06

-а я с;

CQ и о

О a. S о 1.0Е-06

Q '-) га S са н

CJ

СЗ а.

5.0Е-07

0.0Е+00

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 номер блока

SEA WAT сутки 4500

----- 10900 14100 о— 17300 —х—20500 —ж—23700 —+—26900 —♦— 30100 —А— 33300 —■—36500

Рис.5.3.2. График массового расхода растворенного гипса в программах SEA WAT et

О X О га

О. «

3 са О Q о га S я о с s U

О U о я

X о о. о н ь га о.

3.00Е-06 2.50Е-06 2.00Е-06 н >> is 1.50Е-06 с; о

S 1.00Е-06 5.00Е-07 О.ООЕ+ОО

MT3DMS сутки

4500 -- 10900 --• 14100 —17300

36500

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 номер блока

Рис.5.3.3. График массового расхода растворенного гипса в программах MT3DMS

Результаты растворения гипса по массовым расходам подземных вод в программе МТЗОМБ показаны в рисунке 5.3.4. Видно, что в блоках 54-60 количество растворения гипса больше, максимальное значение - 0,149 моль/дм3. Количество растворения гипса в блоках 50-53 все меньше 0,05 моль/дм3.

50 51 52 53

54 55 56 57 номер блока

58 59 60 сутки

-О- 17300 -х- 20500 -ж- 23700 -+- 26900 30100 —*— 33300 —■— 36500

Рис. 5.3.4. Изменение количества растворения гипса в задаче без учета переменной плотности подземных вод (МТЗОМБ) с 50 лет до 100 лет

Растворение гипса по массовым расходам растворенного гипса в программе 8ЕА\¥АТ отличается от полученного в МТЗОМБ. На рисунке 5.3.5 видно, что в блоках 50-53 количество растворенного гипса в два раза больше количества раствореннного гипса в МТЗБМЗ (больше 0,1 моль/л). Максимальное значение растворения гипса - 0,2 моль/дм3 в блоке 54. А в блоках 58-59 растворение гипса очень мало, количество меньше 0,2 моль/дм3.

50 51 52 53

54 55 56 номер блока

57 58 59 60 сутки

-О- 17300 -х- 20500 -ж-23700 -+- 26900 -•-30100 -а-33300 36500

Рис. 5.3.5. Изменение количества растворения гипса в задаче с учетом переменной плотности подземных вод (SEAWAT) с 50 лет до 100 лет процесса растворения гипса на кровле гипсового зеркала на 10-20 %. При этом увеличивается время достижения солеными водами русла реки Камы. Область распространения рассолов несколько отличается от полученной без учета плотностных эффектов, но не принципиально.

Моделирование миграции тяжелых рассолов, поступающих из основания солеот-валов, соответствующее природному распределению солености в наблюдательных скважинах и не может быть осуществлено программами, основанными на миграции несмеши-вающихся разноплотностных жидкостей. Несмотря на общую тенденцию к формированию на нижнем водоупоре купола соленых вод повышенной плотности, как и в обычных программах с переменной плотностью растворов, при таком способе моделирования не образуются конвективные ячейки, и не происходит реальное повышение солености в верхних частях разреза в отдалении от солеотвала.

Общая последовательность моделирования миграции соленых вод с трансформациями геологической среды основывается на расщеплении общего уравнения миграции по физическим процессам и заключается в серии последовательных моделей-шагов:

- фильтрации подземных вод (получение поля скоростей фильтрации)

- конвективного и дисперсионного переноса растворенных веществ (получение полей концентрации растворенных веществ)

- физико-химических процессов с системе подземная вода - порода (получение полей концентрации растворенных веществ и соединений пород, в частности минералов)

- трансформации пустотного пространства пород, преимущественно трещинного на основании изменения концентраций минералов в породах (получение полей пористости и проницаемости в вертикальном и горизонтальном направлениях)

Начальным условием каждой последующей модели является результат предыдущей. Наилучшие результаты получаются при одинаковом временном шаге для всех частных моделей, что требует модификации программного обеспечения.

Для корректного моделирования миграции веществ обменивающихся с породами и трансформации геологической среды необходимо начальное условие воспроизводящее равновесное состояние подземных вод, минералов и других соединений пород. Это достигается аналогичным циклическим моделированием природного состояния объекта изучения до стабилизации полей концентраций растворенных веществ подземных вод и устойчивых тенденций растворения-осаждения твердых соединений.

Наибольшим преобразованиям подвергается зона загипсованных пород, располагающихся над гипсовым зеркалом и кровля самого гипсового зеркала в окрестности соле-отвала. Это приводит к ускорению миграции соленых вод в направлении основной дрены р. Камы, но практически не изменяет водозащитных свойств толщи пород от соляного до гипсового зеркала, вследствие большого запаса гипса на время действия солеотвала до его полного растворения около 500 лет.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Лю Юй, 2012 год

1. Опубликованная литература

2. Белоновская Л.Г., Булач М.Х., Гмид Л.П. Роль трещиноватости в формировании емкостно-фильтрационного пространства сложных коллекторов // Нефтегазовая геология. Теория и практика, 2007. № 2. С. 28-46.

3. Бельтюков Г. В., Голубев Б. М. Антропогенный карст Верхнекамского месторождения калийных солей // Гидрогеология и карстоведение. Пермь, 1966. Вып.З. С. 77-85.

4. Брилинг И.А. Фильтрация в глинистых породах (Гидрогеология и инженерная геология; Обзор) // ВНИИ экономики минерального сырья и геологоразведочных работ ВИЭМС. М., 1984. 57 с.

5. Борисов М.В., Шваров Ю.В. Термодинамика геохимических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1992. 256 с.

6. Веригин H.H. О кинематике растворения солей при фильтрации воды в грунтах // Растворение и выщелачивание горных пород. М.: Изд-во лит. по стр. и архитект., 1957. С 84-113.

7. Вострецов С.П. Фильтрационный расчет солеотвала // Экол. проблемы районов деятельности калийных предприятий. Тр. ВНИИГ. Л.:, 1989. С. 54-68.

8. Галицкая И.В. Геохимическая опасность и риск на урбанизированных территориях: анализ, прогноз, управление // Дисс. . докт. геол.-мин. наук, М.: ИГЭ РАН, 2010. 396 с.

9. Геология СССР. Т. XII. 4.1. Кн.1. М.: Недра, 1969. 723 с.

10. Гидрогеология СССР. Т. XIV, Урал. М.: Недра, 1972. 648 с.

11. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П. Проницаемость и фильтрация в глинах. М.: Недра, 1986. 160 с.

12. Горбунова К. А. Особенности гипсового карста. Пермь, 1965. 119 с.

13. Горбунова К.А., Андрейчук В.Н., Костарев В.П., Максимович Н.Г. Карст и пещеры Пермской области. Пермь: Изд-во Перм. ун-та. 1992. 200 с.

14. Грайфер Б. И., Романов П. П., Залкинд И. Э. Стратиграфия и литофании кунгурско-го яруса Пермского Прикамья // Стратиграфические схемы палеозойских отложений. Пермская система. М.: Гостоптехиздат, 1962. 267 с.

15. Джиноридзе Н.М., Аристаров М.Г., Поликарпов А.И. и др. Петротектонические основы безопасной эксплуатации Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей. СПб.; Соликамск, 2000. 400 с.

16. Зверев В.П. Гидрогеохимические исследования системы гипсы подземные воды. М.: Наука, 1967. 99 с.

17. Зверев В.П. Подземные воды земной коры и геологические процессы. М.: Научный мир. 2006. 256 с.

18. Здановский А. Б., Ляховская Е. И., Шлеймов Р. Э. Справочник экспериментальных данных по растворимости многокомпонентных водно-солевых систем, т. 2. Л.: ГНТИХЛ, 1954. С. 677-1272.

19. Иванов A.A., Воронова М.Л. Верхнекамское месторождение калийных солей. Л.: Недра, 1975.219 с.

20. Инженерная геология СССР, Т. 1. М.: Изд-во МГУ, 1978. 528 с.

21. Иконников Е.А., Яковлев Ю.А., Шестов И.Н. Гидрогеология // Минерально-сырьевые ресурсы Пермского края. Пермь, 2006. С. 111-123.

22. Ильин Н.И., Чернышев С.Н., Дзекцер Е.С., Зильберг B.C. Оценка точности определения водопроницаемости горных пород. М.: Наука, 1971. 149 с.

23. Коносавский П.К., Румынии В.Г., Синдаловский Л.Н. Особенности численного моделирования фильтрации потоков переменной плотности // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики. Сб. докл. конф. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2002. С. 533-550.

24. Конюхов В.М., Храмченков М.Г., Чекалин А.Н. Моделирование распространения тяжелых жидких загрязнений в слоистом водоносном пласте // Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ). Сер. Математическое моделирование физических процессов. 1998. Вып. 4. С. 36-43.

25. Конюхов В.М., Храмченков М.Г., Чекалин А.Н. Моделирование миграции разно-плотностных жидкостей в сильнонеоднородных пластах // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики. Сб. докл. конф. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2002. С. 405-412.

26. Копнин В.И. Верхнекамское месторождение калийных, калийно-магниевых и каменных солей и природных рассолов // Изв. ВУЗов. Горный журнал. Уральское горное обозрение. 1995. № 6. С. 10-43.

27. Крайнов С.Р., Шваров Ю.В., Гричук Д.В. и др. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии. М.: Недра, 1988. 254 с.

28. Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия. М.: Недра, 1992. 463 с.

29. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М.: Наука, 2004. 677 с.

30. Кудряшов А.И. Роль подземных вод в формировании калийной залежи Верхнекамского месторождения // Гидрогеология и карстоведение. Пермь, 1975, Выл. 7. С. 6676.

31. Кудряшов А.И. Верхнекамское месторождение солей. Пермь: Изд-во ОГУП, 2001. 429 с.

32. Кудряшов А.И., Васюков В.Е., Фон-Дерлаасс и др. Разрывная тектоника Верхнекамского месторождения солей. Пермь. ГИ Уро РАН, 2004. 194 с.

33. Лебедев А.Л., Лехов A.B. Кинетика растворения природного гипса в воде при 5-25 °С // Геохимия, 1989, № 6. С. 865-874.

34. Лебедев А.Л., Лехов A.B. Моделирование изменения проницаемости массива загипсованных трещиновато-пористых пород // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2011, № 1. С. 63-74.

35. Лехов A.B. Моделирование карстового процесса. 2. Теоретическое исследование моделей массоотдачи трещин карстующихся пород // Инж. геология, 1981, № 4. С. 70-79.

36. Лехов A.B. Физико-химические условия распределения закарстованности массивов карбонатных пород // Инж. геология, 1986, № 2. С. 78-85.

37. Лехов A.B. Физико-химическая гидрогеодинамика. М.:КДУ, 2010. 500 с.

38. Лукнер Л., Шестаков В.М. Моделирование миграции подземных вод. М.: Недра, 1986. 208 с.

39. Максимович Г.А., Горбунова К.А. Карст Пермской области. Пермь, 1958. 183 с.

40. Максимович Г. А. Соляной карст Земли i i Общие вопросы карстоведения. М.: Изд-во АН СССР, 1962. С. 105-107.

41. Максимович Г. А. Основы карстоведения, Т.1. Пермь, 1963. 444 с.

42. Мигунов Л.В. О содержании понятий "соляное зеркало" и "зеркало гипса" // Советская геология. 1977. № 2. С. 144-150.

43. Мигунов Л.В. Формирования гидрогеохимических условий пермских отложений центральной части Соликамской впадины (в связи с проектированием Верхнекамской ГЭС) // Дисс. канд. геол.-мин. наук, М.: Геол. ф-т МГУ, 1977.

44. Мигунов Л. В. Гидрогеологические границы в отложениях надсолевых комплексов Верхнекамского и Нурекского месторождений // Изв. АН СССР, Сер. геол. 1986, № 8. С. 116-123.

45. Мигунов Л.В. Инфильтрационная минеральная зональность надсолевых толщ. СПб.: Наука, 1994. 150 с.

46. Мироненко В.А., Мольский Е.В., Румынии В.Г. Изучение загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах. Л.: Недра, 1988. 279 с.

47. Мироненко В.А., Румынии В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии. Т.1. М.: Изд-во МГГУ, 1998. 610 с.

48. Мироненко В.А., Румынии В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии. Т.З, Кн.1. М.: Изд-во МГГУ, 1998. 311 с.

49. Орадовская А.Е. Изменение фильтрационных свойств засоленных пород при длительной фильтрации // Растворение и выщелачивание горных пород. М.: Гос. Изд-во литературы по строительству и архитектуре, 1957. С. 175-185.

50. Павилонский В.М. Изменение проницаемости суглинка при длительной фильтрации растворов едкого натра. // Тр. ВОДГЕО, 1977, Вып. 68, С. 6-9.

51. Павилонский В.М. Исследования хвостохранилищ и накопителей промстоков: сборник научных трудов. // Тр.института "ВОДГЕО", 1982, С. 12-28.

52. Попов О.В. Оценка подземного притока в реки Нечерноземной зоны Европейской части РСФСР. Л.: ГГИ, 1980.

53. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. М.: Недра, 1970, 160 с.

54. Робинсон Р., Стоке Р. Растворы электролитов. М.: Изд-во иностр. лит, 1963. 646 с.

55. Ромм Е.С. Структурные модели порового пространства горных пород. Л.: Недра, 1985.240 с.

56. Ромм Е. С. Фильтрационные свойства трещиноватых горных пород. М., Недра, 1966.283 с.

57. Румынии В.Г. Геомиграционные модели в гидрогеологии. СПб.: Наука, 2011, 1158 с.

58. Самарина B.C. Гидрогеохимия. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1977. 360 с.

59. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: МИР, 1979. 392 с.

60. Сергеев Е.М., Голодковская Г.А., Зиангиров P.C. и др. Грунтоведение. М.: Изд-во МГУ, 1971.595 с.

61. Скворцов Н.П. Результаты исследования начального градиента фильтрации в глинах. -Тр. ВСЕГИНГЕОД983, вып.152, С. 66-75.

62. Скворцов Н.П. Изучение влияния гидрохимических условий на проницаемость глинистых водоупоров в связи с оценкой, защищенности подземных вод от загрязнения // Использование и охрана подземных вод Урала. Свердловск, 1983. Ч. 1. С. 72-74.

63. Справочник химика, Т.З. Л.: Химия, 1965. 1008 с.

64. Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А. и др. Грунтоведение. М.: Наука, 2005. 1024 с.

65. Третьяков Ю.А., Сапегин Б.И. Стратификация соляно-мергельной толщи района Верхнекамского месторождения калийных солей // Строение и условия образования соленосных формаций. Новосибирск: Наука, 1981. С. 52-59.

66. Уразов Г.Г. О порядке отложения солей Соликамского калиевого месторождения. М.;Л.:ГГРУ, 1932. С. 28-58.

67. Фивег М.П. Об условиях формирования Верхнекамской соленосной толщи // Тр.ВНИИГ, 1955. Вып.ЗО. С. 182-195.

68. Фивег М.П. О значении колебаний уровня рапы солеродных бассейнов при седиментации соленосных серий // Тр.ВНИИГ, 1964. №6. С. 172-173.

69. Ходьков А. Е. Вопросы формирования и использования естественных рассолов Верхнекамского месторождения // Тр. ВНИИГ. Л., 1953. Вып.28. С. 3-36.

70. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М.: Изд-во МГУ, 1995. 368 с.

71. Шестов И.Н. Гидрогеология и гидрохимия нижнепермского водоносного комплекса //Тр. ВНИГНИ. 1973. Вып. 118. С. 304-326.

72. Штернина Э.Б. Фролова Е.В. Растворимость гипса в водных растворах солей // Известия сектора физико-химического анализа ИОНХ АН СССР. Т. 17. М.,1949.

73. Эрдеи-Груз Т. Явления переноса в водных растворах. М.: Мир, 1976. 595 с.

74. Яржемский Я.Я. Калийные и калиеносные галогенные породы. Новосибирск: Наука, 1967. 132 с.

75. Appelo C.A.J., Postma D. Geochemistry, groundwater and pollution. A.A. Balkema Publishers, 2005.

76. Krahn J. Transport modeling with CTRAN/W. GEO-SLOPE International Ltd. Canada, 2004.

77. Marshall W.L., Slusher R. Thermodynamics of calcium sulfate dihydrate in aqueous sodium chloride solutions, 0-110 °C. // J. Phys. Chem.1966, 70(12), p. 4015-4027

78. Мао X., Prommer H., Barry D.A., Langevin C.D., Panteleit В., Li L. Three-dimensional model for multi-component reactive transport with variable density groundwater flow. // Environmental Modelling & Software, 21, 2006. p. 615-628.

79. Pitzer K.S. Thermodynamics of electrolytes. I. Theoretical basis and general equations. // J. Phys. Chem. 77, 1973. p. 268-277.

80. Processing Modflow An Integrated Modeling Environment for the Simulation of Groundwater Flow, Transport and Reactive Processes. Simcore Software. 2011. 413 p.

81. Prommer H and Vincent P (2010), PHT3D Version 2 A Reactive Multicomponent Transport Model for Saturated Porous Media. WWW.PHT3D.ORG. 183 p.

82. Prommer H., Barry D.A., Chiang W. H. and Zheng C. PHT3D A MODFLOW/MT3DMS-based reactive multi-component transport model, Ground Water, 2003, 42 (2), p. 247-257.

83. Surfer 8 / Surface Mapping System Golden Software, Inc., USA, 2002.

84. Guo W., Langevin C.D. User's Guide to SEA WAT: a computer program for Simulation of Three-Dimensional Variable-Density Ground-Water Flow. U.S.G.S., 2002.

85. Анализ результатов наблюдений за 1993 г. по режимной сети скважин на БКПРУ-1, 2, 3 и СКРУ -2. С-Пб.: ВНИИГ, 1994.

86. Анализ результатов режимных наблюдений, выполненных в 1998 году на шахтных полях калийных предприятий СКРУ-1, 2 и 3 ОАО Сильвинит (отчет о НИР). С-Пб: ОАО ВНИИГалургии, 1999.

87. Блинов С.М. и др. Инженерно-гидрологические изыскания на объекте «Расширение солеотвала СКРУ-2». Отчет. Пермь, ФГНУ ЕНИ, 2006,48 с.

88. Крайнев Б.А., Липницкий В.К. Анализ результатов режимных наблюдений, выполненных в 1998 году на шахтных полях калийных предприятий СКРУ-1, 2 и 3. Соликамск, ОАО «Сильвинит», 1999.

89. Лехов A.B. и др. Исследование процессов загрязнения подземных вод от производственных объектов СКРПУ-2. Фонды Пермской КГРЭ, ПО Уралкалий, 1978.

90. Лехов A.B. Оценка влияния солеотвала СКРУ-2 на подземные воды. Пермь, ЕНИ ПГУ, 2007.

91. Лехов A.B. Гидрогеологическое моделирование с оценкой влияния расширения солеотвала БКПРУ-3 на подземные воды. Пермь, ОАО Галургия, 2007.

92. Липницкий В.К. и др. Исходные данные для разработки рабочего проекта на строительство опытно-промышленной установки по закачке избыточных рассолов БКПРУ-3 в поглощающие горизонты надсолевого комплекса пород. С.-Пб., 2004.

93. Липницкий В.К. и др. Разработка численной модели фильтрации техногенных рассолов и их миграции в подземной гидросфере применительно к рассолосборникам СП БКПРУ-3. ОАО Уралкалий. СПб.:, 2001.

94. Липницкий В.К. и др. Результаты опытных испытаний по закачке технологических рассолов флотофабрики и промстоков производства сульфата калия в поглощающий горизонт надсолевого комплекса пород. Кн. 1. СПб.:, Березники, 2004.

95. Липницкий В.К., Мольский Е.В. и др. Результаты численного моделирования миграции техногенных рассолов в подземной гидросфере (применительно к участку расширения солеотвала БКПРУ-4). Информационно-аналитический отчет. СПб.:, ООО Техгео, 2006.

96. Морошкина Ю. Н. Геологическая характеристика района солеотвала СКПРУ-2. Пермь, ООО НПФ Геопрогноз, 2006.

97. Отчет Сылвенской гидрогеологической партии по результатам гидрогеологической съемки масштаба 1:200000, листа 0-40-III за период 1973-1975 г.г. Пермь, 1975.

98. Режимные наблюдения в скважинах, гидрохимическое опробование подземных и поверхностных вод, химико-аналитические работы. СПб.: ВНИИГ, 1993.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.