Спосіб прогнозування розповсюдження забруднюючих речовин по каналах гідродинамічного зв’язку

Винахід стосується гірничо-видобувної промисловості, а саме - оцінки масштабів впливу розповсюдження забруднюючих речовин у підземній гідросфері при розробці та ліквідації підземних родовищ (на прикладі калійних родовищ). Ґрунтується на побудові, за допомогою створеного програмного продукту, ореолів розсіювання забруднюючих речовин, за рахунок транспортуючої дії підземних вод, які виступають сприятливим міграційним середовищем для всіх водорозчинних, дрібнодисперсних речовин та речовин, які мають питому густину меншу за густину води і які здатні вступати в хімічні реакції з водою. Забруднення переносяться водами на різні віддалі від джерел і накопичуються у різних концентраціях в ґрунтах, гірських породах внаслідок їх поглинання та сорбції. Гірничо-видобувні підприємства є найбільшими забруднювачами навколишнього природного середовища, при цьому суттєва шкода завдається підземній гідросфері внаслідок змін гідрогеологічних умов, що призводить до змін гідродинамічного режиму і, як наслідок - до пониження або підвищення рівня підземних вод, формування депресійних лійок, мульд осідання або зон підтоплення та заболочування, забруднення водоносних горизонтів, виснаження запасів підземних та ґрунтових вод. При розробці калійних родовищ важливе значення має розробка раціональних способів використання надр з одночасними заходами по охороні та моніторингу довкілля, особливо при підземному складуванні відходів. На даний час оптимальним способом, підвищення віддачі і покращення охорони калійних родовищ, є двостадійна закладка відпрацьованого простору, при якій залишають міжкамерні цілики з певним запасом міцності і через кожні 150-200м встановлюють закладочні полоси, які містять не менше 3-х повністю закладених камер і 4-х міжкамерних ціликів, після чого інші камери заповнюють високомінералізованими розсолами. При відсутності закладки відробленого простору, з часом, внаслідок розвитку процесів деформації покрівлі, призводить до утворення провальних вирв з проникненням підземних вод у виробки. Заповнення відпрацьованого простору розсолами, завдяки гідростатичному тиску на покрівлю камер, в деякій мірі розвантажує міжкамерні цілики, що забезпечує стійкість покрівлі (Комплексное освоение калийных месторождений Предкарпатья /Б.Г. Тарасов, П.К. Гаркушин, В.М. Глоба. - Львов: Вища школа. Изд-во при Львов, ун-те, 1987. - С. 128.). Цей метод регульованого затоплення гірничих виробок концентрованими розсолами ефективний за умови, якщо в межах контакту соленосних порід з четвертинними відкладами утворилась гіпсо-глиниста „шляпа" значної потужності (20 і більше метрів), яка служить водоупорним прошарком, і перекриває доступ поверхневих вод у відпрацьовані соляні виробки. Однак, головна особливість калійних солей - їх легка розчинність і здатність до вилуговування під дією недонасичених агресивних розсолів. Тому, при малій потужності гіпсо-глинистої "шляпи", карстових порожнинах, провальних лійках, тектонічних порушеннях та недосконалих свердловинах, виникають канали гідродинамічного зв'язку надходження високомінералізованих розсолів у надсолеві водоносні горизонти. Розробка калійних родовищ, зважаючи на легку розчинність калійних руд, повинна вестись способами, які виключають можливість проникнення прісної або слабомінералізованої води в підземні виробки. Але, кожна свердловина, пробурена скрізь калійний поклад, стає каналом для надходження агресивних вод із розкритих водоносних горизонтів у виробки рудника і, відповідно стає каналом зв'язку між шахтними розсолами і надсолевими водами. Обов'язковий тампонаж стовбура свердловини не дає повної гарантії монолітного зчеплення цементу з навколишніми соляними породами. Для попередження та зменшення впливу наслідків регульованоного затоплення гірничих виробок високомінералізованими розсолами виконують ряд заходів, які поділяють на профілактичні, локалізаційні та відновлювальні. Оскільки відновлення водоносних горизонтів після забруднення є складною проблемою, яка вимагає великих матеріальних та фінансових видатків, то головну увагу слід приділяти профілактичним заходам, які дозволяють на основі прогнозних даних розробити локалізаційні заходи спрямовані на попередження та оцінку подальшого розповсюдження негативного впливу забруднюючої речовини. Відомий спосіб дослідження умов формування підземних вод та інших гідрогеологічних явищ, який полягає в тому, що в досліджуваному районі відбирають проби підземних вод, дегазують, і в складі газів аналізують радіогенні (гелій, ксенон) і радіоактивні (радон) гази, що пов'язані генетичною залежністю, з метою оцінювання ступеню застою вод, напрямку їх руху і віку, визначають співвідношення радіогенних та радіоактивних газів і за величиною цього співвідношення судять про характер гідрогеологічної ситуації [ А.С. СССР №334533, бюлетень №12, 28.04.1972, МПК G 01v 5/00, G 01v 9/00]. Вище наведений спосіб дозволяє здійснювати експресну оцінку гідрогеологічної обстановки в районі і вирішувати деякі практичні задачі гідрогеології та пошукової геохімії. Проте спосіб не прогнозує зміну обстановки з часом і за ним не можна одержати дані прогнозних змін концентрацій забруднюючих речовин на майбутнє, до того ж не дозволяє заздалегідь попередити або уникнути катастрофічні ситуації, що можуть виникнути при забрудненні підземних вод. Відомий спосіб оцінки забруднення водоносного горизонту при підземному захороненні промстоків (А.С.Малышев. Оценка загрязнения водоносного горизонта при подземном захоронении промстоков // Тр. ин-та / ВНИИ ВОДГЕО. - М., 1992. - Гидрологические исследования и расчеты защиты подземных вод от загрязнения. - С. 31-33.). В якому моделюється розповсюдження забруднюючої речовини при витоку останньої через різьбові з'єднання і місця руйнування обсадних колон, яке схематизоване закачуванням промстоків через стовбур однієї нагнітаючої свердловини у водоносний і поглинаючий горизонти, вивчають гідродинамічні властивості пласта, проводять хімічний аналіз проб і встановлюють концентрації забруднюючих речовин, на основі цих даних оцінюють ступінь забруднення. Недоліки способу зумовлені тим, що його неможливо застосовувати за умов повної відсутності конвекції по каналах гідродинамічних зв'язків, так-як тоді буде проявлятися лише ефект дифузійного виносу речовин в напрямку водоносного горизонту, та для попередження та прогнозу зміни в часі забруднення, тому що не враховується фільтрація забрудненої речовини у висхідному напрямку переносу. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб використання чисельного моделювання геофільтрації для прогнозу розповсюдження забруднень у водоносних пластах (Е.В. Мольский, Н.С. Петров, Н.Г. Головина, М.Н. Кочнева. Использование численного моделирования геофильтрации для прогноза распространения загрязнений в водоносных пластах. // Сб. Теоретические основы и методика гидрогеологического прогноза загрязнения подземных вод. - М.: Наука, 1990. - 54-57 с.). При якому, після проведения гідродинамічних досліджень, визначення хімічного складу вод і введення умовного горизонту живлення з ефективним параметром перетікання, який з'єднує усі водоносні шари, що залягають вище забруднюваного горизонту, чисельним методом прогонки варіантів різної тривалості процесу фільтрації моделюють інфільтрацію забруднень і вважають її рівномірно розподіленою по всій території з постійною витратою. За даними моделювання для розрахунку часу розповсюдження забруднення і наступного прогнозу зміни якості підземних вод будують карту п'єзоізогіпс водоносного горизонту. Однак спосіб дозволяє спрогнозувати забруднення підземних вод лише з наземного точкового джерела і враховує тільки низхідний потік міграції, введення в модель умовного горизонту унеможливлює його застосування для різних водоносних комплексів, що пов'язано з постійним підбором параметрів для умовного горизонту, їх постійної підгонки та калібрування. Для ефективного вибору заходів та засобів захисту підземної гідросфери від джерел забруднення, які знаходяться в земних надрах (ліквідовані відпрацьовані рудники, шахти, підземні сховища радіоактивних та високотоксичних речовин) і мігрують по каналах гідродинамічних зв'язків, необхідні аналітичні залежності зміни в просторі і часі концентрацій забруднюючих речовин, що дозволить спрогнозувати можливі ореоли розповсюдження мігрантів при обмеженій кількості вихідної інформації. Багаточисельність існуючих моделей руху підземних вод, із різним рівнем адекватності відповідному природному явищу, викликає необхідність розробки моделей з подальшою можливістю їх практичної реалізації. Це зумовлено тим, що гідродинамічна модель дозволяє не лише відтворити і дослідити особливості розповсюдження забруднюючих речовин по гідродинамічним каналам зв'язку, але й поставити вимоги до вхідної експериментальної інформації та безпосередньо вплинути на методику гідрогеологічних досліджень, що в кінцевому результаті дасть змогу запропонувати конкретні ефективні природоохоронні заходи. В основу винаходу поставлено задачу створити спосіб прогнозування розповсюдження забруднюючих речовин по гідродинамічних каналах зв'язку у висхідному напрямку, який на підставі розробленої узагальнюючої моделі геофільтрації, враховуючи гідрогеологічні та геохімічні спостереження на досліджуваній площі, дозволяє спрогнозувати механізм руху і поведінку потоку підземних вод з розчиненими забруднюючими речовинами в напрямку до вищезалягаючого водоносного горизонту з відтворенням результатів у просторі і часі. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що у відомому способі оконтурення площ розповсюдження забруднень, який включає гідродинамічні дослідження, аналіз проб хімічних елементів і сполук, характерних для відповідного виду забруднення, оцінку характеру і ступеню забруднення, згідно з винаходом, будують прогнозну модель міграції забруднень в тріщинувато-пористому середовищі з конвективним зносом на одній із границь у висхідному напрямку, для чого встановлюють початкову концентрацію природних вод (які забруднюються) до забруднення, концентрацію речовини-забруднювача, швидкість молекулярної дифузії для вміщуючих порід, глибину залягання джерела забруднення в гірському масиві, дійсну швидкість водного припливу. На підставі цих даних, після розв'язання одновимірного диференційного рівняння дифузійної міграції, розв'язання двох завдань оцінки кількісного привнесу солей у водоносний горизонт у випадку повного заповнення каналу зв'язку розсолами та визначення швидкості, часу та масштабів забруднення підземного водоносного горизонту, з урахуванням граничних умов чисельним методом будують графіки зміни концентрації забруднюючої речовини у природному підземному потоці, в залежності від глибини і часу, та методом екстраполяції прогнозують розповсюдження забруднення. Створена на підставі аналізу чотирнадцятирічних експериментальних досліджень і попередніх наукових розробок, модель міграції забруднень, яка відтворює і досліджує особливості механізму руху та поведінку забрудненого потоку підземних вод в просторі і часі, в напрямку до вищезалягаючого водоносного горизонту, що не можливо було відтворити на підставі відомих моделей. Модель адекватна природному явищу - міграції солей в пористо-тріщинуватому середовищі з конвективним зносом на одній із границь у висхідному напрямку і узгоджена з можливістю її практичної реалізації, що обумовлює вимоги до складу початкової експериментальної інформації, для чого визначають початкову концентрацію природних вод, які забруднюються, концентрацію речовини-забруднювача, швидкість молекулярної дифузії для вміщуючих порід, глибину залягання джерела забруднення, дійсну швидкість водного припливу. При повній відсутності конвекції, по цих каналах буде проявлятися лише ефект дифузійного виносу солей із концентрованих шахтних розсолів в напрямку водоносного горизонту. Для пояснення суті винаходу та його переваг, в описі наведені графічні матеріали, де на фігурі 1 зображено графіки зміни концентрації забруднюючих речовин у природному підземному потоці з часом за розрахунковою моделлю та за багаторічними експериментальними даними. Приклад. Застосування способу показано на прикладі Калуш-Голинського родовища калійних солей (північне каїнітове поле), де скупчення калійних покладів знаходиться у великих тектонічних (теригенносоленосних) лусках насунутих одна на одну і складених товщею соленосних глин. Геологія і тектоніка розроблюваних родовищ на стадіях попередніх розвідок була недовивченою, а геофізичні дослідження, фізико-механічні характеристики гірських порід, що складають родовище, відбір валових проб для технологічних досліджень рудних покладів ігнорувались при попередній та детальній розвідках. Відсутність відомостей по цім показникам привела до аварій (наприклад - Стебник, Калуш, Березники). Геологічна будова родовища представлена глинисто-соленосною товщею з каїнітовим пластом, який знаходиться між двома несоленосними товщами порід, що сильно розсланцьовані, тріщинуваті, схильні до самовивалювання та самообвалів. Потужність глинисто-соленосної товщі неоднакова по площі її розповсюдження, найменша вона в місцях виходу під четвертинні гравійно-галькові відклади, де складає 20-30м. При підробці пласта камерами знизу вгору деякими буровибуховими свердловинами підсікалась налягаюча покривна товща порід, про що свідчив витік розсолів у стовбурах свердловин, це означає, що потужність надпластової соленосної глини досягла 1-2м і менше. Оголення зволожених і нестійких порід в стелині камери приводить до порушення природних взаємозв'язків між частинками породи, знижуючи їх міцністні характеристики, внаслідок чого порода спочатку осипається у вигляді дрібних крихт, а потім вивалюється кусками. Процес зменшення стійкості зростає в напрямку знизу-вверх, утворюючи при цьому вирву круглої форми з прямовисними стінками. Для попередження обвалення покрівлі відпрацьованих камер потрібно залишати вище покрівлі камер захисну стелину ЗО метрів, в свій час цей захід був не виконаний. Гірські породи в районі Калуш-Голинського родовища інтенсивно деформовані тектонічними процесами, які призвели до прориву соленосної товщі породами, що підстилають стебницьку свиту, контакт між ними тектонічний, всі породи інтенсивно роздроблені, розсланцьовані, мають низькі міцнісні характеристики. Осідання земної поверхні над відпрацьованими камерами прискорилось у процесі ліквідації проходів для людей, при їх підробці буровибухові свердловини захоплювали міжкамерні цілики і відбивали з них частину руди, або повністю їх. руйнували. Дифузійна модель розроблена стосовно шахти "Калуш", де каналом зв'язку між розсолами і водоносним горизонтом є провальна вирва (фіг. 2). Врахувавши експериментальне встановлені початкові та граничні умови і використовуючи матеріали гідрогеологічних та геохімічних спостережень, які проводились на руднику "Калуш" з 1990-2002 р.р, та ввівши їх у створений авторами програмний продукт, одержали прогнозні дані розповсюдження забруднення у часі. Як видно з фіг. 1, експериментальні та теоретичні криві практично співпадають (розходження не перевищує 6%). Скачок концентрації на експериментальній кривій спричинено раптовим збільшенням мінералізації підземних вод внаслідок видавления висоиомінералізованих розсолів Із затопленої гірничої виробки, що проходить внаслідок обвалу гірських порід у камеру.