Экологические последствия добычи каменной соли скважинным методом

№ 1 * 2001	Науковий вісник Національного Технічного Університету Нафти і Газу

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

|

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экологические последствия добычи каменной соли скважинным методом

Месторождение соли Лежковице имеет сложное геологическое строение [5,6, 11,12].

Наиболее существенным элементом региональной тектоники является надвиг образований тортонского яруса и старших миоценовых осадочных образований на автохтонный миоцен предгорья (рис. 2). В геологическом строении месторождения и его наиболее близкого окружения участвуют третичные и четвертичные отложения.

Третичные соленосные образования составляют скавинские пласты, серию эвапоритов и ходеницкие пласты.

Скавинские пласты как подсольные образования сформированы в виде уплотненной мергелистой глины, глинистых сланцев и аргиллитов с выступающими в кровле вставками глинистого доломита и песчаника с вяжущим ангидритовым веществом. В околице Лежковиц скавинские пласты выступают под месторождением соли и на юг от него, а в пределах месторождения соли как отдельные экзотические глыбы. Кроме того, они образуют подошву так называемой надвижной единицы, залегающей на ниже расположенных нарушенных пластах соли.

Свиту эвапоритов образуют перекрестные комплексы из пластов каменной соли, аргиллита, глинистых сланцев и ангидритовых глин. В профиле свиты выделено три литостратиграфических комплекса:

- наиболее старшие соли, пласты мощностью около 30 м,

- средние соли, первоначальная мощность около 25 м,

- северные соли.

Отдельные комплексы (седиментацийные циклы) показывают существенное литологенное различие в отношении сорта соли, её чистоты, содержания терригенного материала, прослоек пустой породы.

Свиту эвапоритов замыкают надсольные отложения, образованные из уплотненного ила и глинистых сланцев с вставками ила и обугленных остатков растительности, а также ангидритовые глины в кровле мощностью около 5 м с характеристическими конкрециями ангидрита.



№ 1 * 2001	Науковий вісник Національного Технічного Університету Нафти і Газу

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

|

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Карта локализации соляной шахты Лежковице [3,11]

1- пласты подэвапоритовые (пласты скавинские); 2 - подошвенный ангидрит); 3 - комплекс южных солей (S); 4 - уплотненная мергелистая глина, уплотненная ангидридная глина, сланцы глинисто-ангидритные; 5 - комплекс средних солей (M); 6 - ангидридная уплотненная глина; 7 - комплекс северных солей (N); 8 - кровельный ангидрит; 9 - ходеницкие пласты; 10 - четвертичные отложения (глины, пески, гравий)

Рисунок 2. Поперечное геологическое сечение месторождения соли Лежковице [4,5]

Ходеницкие пласты залегают выше выступающих конкреций ангидритов. Сформированы они в виде мергелистых глин с пропластками доломитов, мергели, доломитов, песчаника и вкладками туфа. Мощность ходеницких отложений сильно различается - от нескольких десятков до 100 м. Выступают они в ядре опрокинутой синклинали по северной стороне месторождения, а также в самом высоком тектоническом надвижном элементе над кровлей месторождения, непосредственно под четвертичными отложениями.

Четвертичные отложения представлены аллювиальными плейстоценовыми и голоценными образованиями. Аллювии, выстилающие долины рек, то пески, гравий, смесь песчано-гравелистая, булыжники, которые залегают непосредственно на миоцене сплошным пластом мощностью свыше 10 м. Самые молодые голоцены, которые покрывают речные террасы и заполняют долины потоков, образованы из песчаных и пыльных глин, пыли, глинистых песков и органических намоин толщиной до нескольких метров.

Гидрогеологические условия перед началом эксплуатации можно охарактеризовать следующим образом.

В районе Лежковиц выступают два гидрогеологических яруса - четвертичный и миоценовый [10,11].

В границах миоцена можно выделить водоносные уровни в пластах скавинских, эвапоритов и в ходеницких пластах.

Скавинские пласты ввиду своих физических свойств считаются практически непроницаемыми в пределах месторождения.

Эвапориты в основной своей массе являются слабо проницаемыми пластами. Сернокислые отложения (так называемая глинисто-гипсовая шляпа) показали заводнение, особенно в пределах надвижной единицы. Водоносный уровень толщиной около 20 м был карсто-щелевого типа. В некоторых поисковых и рабочих скважинах наблюдались утечки бурового раствора (на глубине от 15 до 105 м) в пределах глинистых пластов с гипсами и ангидритами, а также в песчаных глинах с пропластками песчаника. Утечки бурового раствора были вероятно связаны с карстом, который возник в результате выщелачивания гипсов в условиях движения вод, вызванных разнообразием синклинального строения надвижной единицы.

Заводнение пластов было установлено в ходеницких отложениях. Водоносными отложениями являются ламины и прослойки песчанно-пыльные и пыльные, а также доломитовый мергель внутри серых мергелистых глин. Они пропускают небольшое количество воды и в большинстве своем являются отложениями слабо проницаемыми. Эти отложения образуют кровлю надвижной единицы и плотно охватывают целое месторождение с севера.

Четвертичный водоносный ярус образуют аллювиальные отложения террасы реки, в части подошвы, представленные гравием с булыжниками, занесенные песком либо глиной, а в части крыши, представленные разнородными песками, песчаными намоинами и пыльными глинами. Источником заполнения четвертичных отложений водой являются, главным образом, атмосферные осадки. Движение вод происходит в направлении с юга и юго-запада на север и северо-восток к реке.

Характеристика процесса эксплуатации

Эксплуатация месторождения соли на шахте «Лежковице» методом подземного выщелачивания с помощью скважин начато в 1968 г. а закончено 31.12.1987 г.

За этот период неоднократно изменялась система эксплуатации ввиду сложного геологического строения, а также специфических свойств пустой породы месторождения.

В первоначальном проекте эксплуатации была заложена добыча 10% геологических запасов месторождения в цилиндрических камерах диметром 25 м, которые возникнут вокруг эксплуатационных скважин на глубине от 450 м до 120 м [1,3,7,11].

Для защиты поверхности принято оставить полки безопасности над шахтой толщиной 120 м, которые должны были гарантировать:

- бурение вертикальных скважин в сетке равнобедренного треугольника со стороной 35 м;

- обсадку зацементированной до поверхности колонны трубой диаметром 9 5/8;

- постепенное развитие камер, обеспечивающее устойчивость междукамерных целиков.

В такой системе междукамерные целики составляли бы 53,8% поверхности месторождения, пробуренного скважинами.

Первые скважины были пробурены в 1967 г. в восточной части шахтного поля, а эксплуатация в этой части начата в 1968 г. на глубине около 400 м.

Последующие эксплуатационные скважины пробурены в западной части поля.

В 1978-1982 гг. по ликвидации защитных целиков и строительстве жилищных и хозяйственных объектов были проведены буровые работы в средней части поля. В общей сложности в поле шахты «Лежковице» пробурено 151 эксплуатационная скважина, а выработка месторождения проводилась на глубине от 425 м до 120 м. Во время эксплуатации оказалось, что не выдержаны заложения проекта эксплуатации в отношении габаритов камер, а также толщины полок безопасности. Вместе с тем требовалось проведение эксплуатации в условиях сохранения поверхности территории.

Сложная структура месторождения, специфические свойства пустых пород в соляной свите месторождения были причиной многократных изменений системы эксплуатации месторождения, а также модификаций, особенно в системе под давлением.

В исторической последовательности в период 25-летней эксплуатации месторождения применялись следующие системы разработки [3,4]:

- в 1967-1984 гг. система под давлением (с избыточным давлением),

- в 1984-1987 гг. туннельная система,

- в 1987-1992 гг. система эксплуатации с закладкой пустот, из которых откачан соляной раствор.

В системе с избыточным давлением применялись три варианта обсадки трубами:

Тип 1 - две свободно висящие колонны эксплуатационных труб 5 и 3 1/2 с соответственно различной глубиной их заложения, опущенные до подошвы самого нижнего пласта соли.

Тип 2 - колонны эксплуатационных труб 5 либо 6 5/8 и 3 1/2 запущенны в скважину таким образом, что колонны труб 5 либо 6 5/8 зацементированы на участке экранированного пласта (от верха самого нижнего пласта, предназначенного для выщелачивания).

Тип 3 - колонны труб 5 и 3 1/2 запущенны в скважину, как и в предыдущих типах лишь с той разницей, что колонна труб 5 зацементирована по всей длине.

Тип 1 и 2 обсадки трубами был применен в 45% эксплуатационных скважин и в этих скважинах процесс выщелачивания протекал так, что не соответствовал заложенным в проекте показателям эксплуатации. Проблемы с обсадкой труб 1 и 2 типа были следующими:

- получение соляного раствора низкой концентрации,

- частая потеря проходимости скважин,

- зажим эксплуатационных труб.

В остальных 35% эксплуатационных скважин был применен тип 3, однако и в этом случае появлялись проблемы с достижением заложенных в проекте показателей эксплуатации. Это проблемы, связанные с перфорацией труб 5, а также с реконструкцией обсадки. Существенное значение для безопасности поверхности и возможности возникновения угрозы провала на поле скважин имело недостаточное цементирование обсадки. Неправильности в цементировании касались прежде всего:

- качества и высоты цементирования в пластах ходеницких, в том числе не учет геологического строения горной части месторождения,

- конструкции обсадки трубами, а также их длины,

- длины цементирования труб в серии солей на участке между подошвой ходеницких пластов и кровлей камер,

- технологии цементирования.

В связи с вышеуказанным, в 1980 году вернулись к обсадке типа 1 (при измененной технологии выщелачивания), применяя его в оставшихся 30 эксплуатационных скважинах. Применена новая технология выщелачивания, которая заключалась в том, что воду подавали на дно камеры, из которой откачивался полусоляной раствор и подавался в следующую камеру для насыщения. Промышленное насыщение (302г NaCl /1 л) достигалось обычно в третьей скважине, последовательно соединенной с двумя первыми. Движение соляного раствора в этой технологии через три последовательные скважины осуществлялось под давлением 1,6 MРa, измеренном на устье первой скважины.

В результате неточно запроектированной эксплуатации скважин в очень сложном месторождении, а также часто неточного бурения эксплуатационных скважин и отсутствия соответствующего метода прогнозирования количества камер, а также недооценки геологического строения верхней части поля месторождения Лежковице [2,8,13]:

· привело к уменьшению толщины междукамерных ярусов, а в большинстве случаев к возникновению обширных соединенных между собой камер вследствие:

- неточного прогнозирования размеров камер на основе данных эксплуатации до применения эхолота,

- добычи соляного раствора «любой ценой»;

· нарушены кровельные полки безопасности, так как:

- дошло до местного выщелачивания первого пласта соли,

- использовано на последней стадии эксплуатации слишком высокое давление воды (160 kPa - 200 kPa), что привело к растрескиванию пласта, а особенно кровельных полок камер (на поверхности 22 га образовалось свыше 150 соединений четвертичных вод с областью месторождения),

- использование от 1984 года барьера защитных колодцев для избежания засоления вод реки, а также туннельной системы эксплуатации привело к интенсификации карстовых явлений в разгерметизированной скважине,

· дошло до проникновения соляного раствора в подземные воды и реку в результате:

- разгерметизации скважины,

- возникновения гидравлических соединений между эксплуатационными камерами, а также между областью месторождения и водоносными четвертичными отложениями;

· соединены камеры в результате выщелачивания междукамерных ярусов,

· неэффективно изолированы водоносные пласты в эксплуатационных скважинах.

Это стало возможным из-за отсутствия проверенных на практике методов контроля герметичности скважин в процессе эксплуатации и по ее окончанию.

Добыча соляного раствора в шахте «Лежковице» проводилась вначале методом с избыточным давлением, а в последующее время также туннельным методом. В период с 1968 г. по 1985 г., проводя эксплуатацию методом под давлением, добыто в общей сложности 3.482.780 Мг каменной соли. Проведенная в последние годы (в период с 1983 г. по 1992 г.) добыча совместно с туннельным методом оценена в 1.523.963 Мг соли. В целом за период эксплуатации до конца 1992 г. добыто около 5. 006,7 тыс. Мг соли, извлеченной из 16. 438,5 тыс. куб. м соляного раствора.

Гидрогеологические условия после эксплуатации месторождения

Формирование гидрогеологических условий и вытекающих из этого последствий можно оценить, проведя анализ хода эксплуатации [1,4,10,11].

Первоначально применялся метод с избыточным давлением. Получено два типа эксплуатационных камер, связанных соответственно со способом обсадки скважин трубами:

- камеры малого диаметра и большой высоты (преимущества потолочного выщелачивания над боковым), в случае двух свободно висящих труб,

- камеры в форме цилиндра (относительное состояние равновесия между боковым и потолочным выщелачиванием), в случае колонны труб, зацементированных по всей длине.

В результате эксплуатации под давлением (при давлении от 1,4 до 2,0 МРа) возникли камеры с объемом от 5 до 80 тыс. куб. м и выше на глубине ниже 200 м. Возникла разгерметизация скважины, а ярусы и защитные перекрытия были разрушены выщелачиванием. Затем в результате соединения отдельных камер возникли огромные камеры. Вследствие неконтролируемого выщелачивания и высокого давления в соляной свите внутри единицы образовалась каверна, которая получила контакт с расположенными выше пластами, содержащими гипс, а также с четвертичным ярусом. Большое значение в образовании и увеличении неконтролируемых и непредвиденных пустот в кровельной полке имеет легкое намокание пустых пород. Многие пространственные камеры возникли также в полке перекрытия, например камера 127-134 (рис. 3). Между всеми пустотами существовали гидравлические соединения.



- четвертичные отложения; - ходеницкие пласты; - пласты соли в соляной свите; - пласты пустой породы в соляной свите; - пласты подсольные; - сечение камер после выщелачивания; контур камеры по измерениям эхолота с 1997г.; - номер скважины; направление движения подземных вод; подошва камеры, определенная последними измерениями

Рисунок 3. Гидрогеологический профиль месторождения соли Лежковице с показом пустот, образовавшихся около скважин [3,10]

В гидрогеологическом устье образовался затем бассейн соляного раствора, охватывающий отдельные камеры, соединенные камеры, каверны и разрушенные выщелачиванием трещины. Этот бассейн имел гидравлический контакт с четвертичным ярусом через трещины в надвижной единице [2,3,8,13]. В сечении видны пустоты, подтвержденные в профилях исследовательских скважин (рис. 3). В пределах эвапоритов движение соляного раствора происходило в основном в северном направлении. Об этом свидетельствует развитие пустот в пределах надвижной единицы в районе к северу от комплекса 127-134 (касается это скважин №99, 108, 114, 119, 120 и 124).

Наступило быстрое выщелачивание гипсов в шапке глинисто-гипсовой, а также в соляном комплексе - в пластах пустых пород, содержащих гипс и ангидрит.

Одновременно с 1976 г. в результате эксплуатации под давлением наблюдается постоянный и систематический рост засоления вод четвертичного яруса и реки.

С целью снижения этой угрозы и предотвращения проникновения соляного раствора на поверхность земли в 1983 г. построен и введен в строй барьер из отводных колодцев, расположенный в северной стороне поля.

С начала 1986 г. наступила смена системы эксплуатации. Соляной раствор откачивался глубинными насосами. Слабый соляной раствор закачивался в скважину под давлением

0,4 МРа, а в других определенных скважинах, благодаря гидравлическим соединениям (проникая по щелям между существующими камерами, раствор достигал насыщения) происходил отбор насыщенного раствора. Эта система эксплуатации привела к образованию камер большого объема. Затем наступил рост объема возникшего бассейна соляного раствора. Этот процесс был частично изменен путем одновременной закладки пустот. Уровень соляного раствора удерживался ниже кровли миоцена, что явилось причиной депрессии к месторождению пресных сточных грунтовых вод через существующую систему трещин и привело к дополнительному выщелачиванию полки перекрытия. Это стало причиной перехода к туннельной системе эксплуатации, которая в известной мере привела к выщелачиванию ярусов в их верхней части, что было выявлено, например, в районе эксплуатационных камер 127-134. Подобная ситуация имела место в районе скважин 3-4, 104, 137-138. Правдоподобно наиболее мелко залегающие области выщелачивания (например, комплекс 127-134) возникли в результате большой депрессии в скважинах (доходящей до 100 м и выше), через которые откачивался соляной раствор. Это приводило часто к быстрейшему доплыву воды через трещины из четвертичных ярусов, чем доплыв соляного раствора, закачанного в отдаленные скважины, а соответственно и к снижению засоления грунтовых вод в северной части шахтного поля и уменьшению угрозы для реки.

Во время эксплуатации без повышенного давления имело место оседание грунта, что повлияло на ограничение проходимости возникших у скважин от выщелачивания проходов. Кроме того области впадин и оседания грунта следует признать как области, в которых наступило наибольшее выщелачивание и развитие способности проникновения вод различных водоносных ярусов.

Явления на поверхности территории

В результате проведенных горных работ на территории шахты Лежковице происходят как постепенное оседание, так и деформации в виде поверхностных впадин [3,4,7,8,9,11,12]. Возникновение впадин наблюдается с начала 80-х годов по сегодняшний день. Принимая во внимание генезис их возникновения, можно говорить о трех видах впадин. Первые из них это впадины, вызванные возникновением относительно широких столбов около пробуренных скважин, другим видом - обвалы камер с очень большим открытием кровли, и наконец, третий - это впадины, возникшие в результате выщелачивания мелко залегающих первых пластов соли.

Возникновение поверхностных впадин было вызвано значительным выщелачиванием кровельных полок, что дополнительно приводило к разлому защитной полки над месторождением. Непосредственной причиной впадин является полное вышелачивание верхней соляной свиты, залегающей на глубине примерно от 120 м в южной части шахты до 30 м в северном поясе на выходе пласта. Глинистые кровли при размокании столбили, достигая критической толщины перекрытия. Под тяжестью такого перекрытия наступало разрушение третичных связанных пород, а затем и четвертичных пластов. В 1984-1991 годах образовались две большие впадины в районе скважин 99-108 (1984 г.) и 114-120 (1986 г.), а также 5 меньших впадин в районе скважин 4, 21, 29, 7, 20 общим объемом 330.000 куб. м (рис. 1).

Первая впадина в поле скважин образовалась в августе 1984 года в районе скважины 108 в результате обвала кровли камеры, расположенной на глубине от 36 м до 57 м. Впадина камеры вблизи скважины 108 достигла соседних скважин 99, 107, 113. Первоначально впадина имела форму эллипса с осями 28х23 м а также почти вертикальные боковые стены. Глубина впадины вначале составляла 28 м. Через неделю размеры впадины на поверхности увеличились до 55х45 м, а еще через неделю впадина на поверхности уже имела размеры 74х58 м.

Начальная ликвидация последствий этих деформаций заключалась в заполнении их породой и различным сыпучим материалом с поверхности земли. В этой области постоянно наблюдается опускание поверхности, и поэтому периодически через несколько лет производилась досыпка породы. Данные измерений, представленные шахтой, свидетельствуют о том, что воронка впадины, первоначально небольшая с течением времени увеличивалась в несколько раз. Примером может быть выше приведенный случай. В результате обвала камеры с кровлей на глубине 36 м, начальный объем впадины оценивался в 14 тыс. куб. м, а по получению окончательных размеров объем ее возрос и составлял 54,5 тыс. куб. м. Полная ликвидация впадины наступила после засыпки ее выработкой в количестве 90,6 тыс. куб. м. Такие пропорции вызваны размоканием смешанной с соляным раствором засыпанной выработки, которая плотно заполняет не опавшую часть пласта.

В результате разрушения неглубоко залегающей кровли составной камеры также возникла впадина в районе скважины 119. Эта впадина образовалась в январе 1986 г. Достигла она скважин 114 и 120 а также привела к разрушению обсадных труб в скважинах 125 и 125а. Конечные размеры воронки впадины следующие: на поверхности эллипс с осями 75х55 м и глубиной 21 м. Для ликвидации впадины потребовалось 88.033 куб. м горной породы.

В августе 1986 года в результате обвала областей около скважин 70-71 образовалась впадина объемом 1.360 куб. м. Такого же типа впадины это

- впадина в районе скважины 29, возникшая в октябре 1987 года объемом 70 куб. м,

- впадина в районе скважины 21, возникшая в июне 1988 года -1520 куб. м,

- впадина в районе скважины 4, возникшая в марте 1989 года -5000 куб. м,

- впадина в районе скважины 7, возникшая в декабре 1990 года -3000 куб. м,

- впадина в середине треугольника, обозначенного скважинами 117-118-123 с июня 1997 года,

- впадина в районе скважины 29, образовавшаяся в феврале 2000 года, -30.000 куб. м (при этом произошло здесь соединение обвала с выщелачиванием не глубоко залегающего первого пласта соли).

Независимо от указанных выше зарегистрированы также впадины за пределами защитного целика шахтного поля. В 1985 году образовалась впадина небольших размеров (190 куб. м), расположенного в северной части выхода (головы) пласта в северо-западной части шахтного поля. Раньше в этом районе наблюдались выплывы соляного раствора.

Возникшие в пределах шахты впадины, принимая во внимание их генезис, можно разделить на три группы:

1 - камеры после эксплуатации с большой открытой кровлей;

2 - глубоко залегающие камеры с выщелоченными вокруг скважин столбами;

3 - мелко залегающие под поверхностью земли карстовые пустоты.

Для иллюстрации на рис. 4 представлена фотодокументация впадины в районе скважины 29, возникшая 1.02.2000 г., при этом для показа динамики явления и его масштабов ниже на рис. 5 представлено сечение впадины, полученное на основе измерений, проведенных зондированием.



Рисунок 4. Фотодокументация впадины, образовавшейся 1.02.2000г. в районе скважины 29

Рисунок 5. Сечение впадины, образовавшейся 1.02.2000г. на территории соляной шахты «Лежковице» [3]

Литература

Технико-экономический анализ возможностей и целей ликвидации пустот в шахте Лежковице после ее эксплуатации. Разработка OBR CHEMKOP. - Краков, 1995 (пол. яз.).

Комплексный анализ области камер 104-110, 127-134, 137-138. Разработка OBR CHEMKOP. - Краков, 1991 (пол. яз.).

Анализ выполненных ликвидационных работ а также геодезических, геофизических и гидрогеологических наблюдений на шахте Лежковице в аспекте охраны поверхности шахтного поля и реки Рабы / Программа ликвидации. Документация KS Bochnia. - Бохня, 2000 (пол. яз.).

Научно-исследовательская и научная документация для определения объема ликвидационных горных работ на соляной шахте Лежковице с проведением актуальной оценки горно-геологических явлений и опасности состояния ее поверхности. Этап I и II. Разработка GEOINFOTESTa. - Краков, 1991 (пол. яз.).

Garlicki A.: Месторождение каменной соли в Лежковицах на Рабе. Kwart. Geolog. 1971, N4. (пол. яз.).

Garlicki A.: Геология месторождений Бохни. Материалы симпозиума - Шахта Бохня - 750 лет. Изд. PSGS. Краков, 1998 (пол. яз.).

Оценка целесообразности и эффективности закладочных работ на соляной шахте Лежковице. Работа под. рук. K. Slizowskiego. Институт горного дела и безопасности труда AGH. - Краков, 1992 (пол. яз.)

Определение состояния поверхности в области скважин 127-134 соляной шахты Лежковице на основе геофизических исследований. Разработка OBR CHEMKOP. - Краков, 1994 (пол. яз.).

Программа ликвидации ZG OKS Лежковице на 1997-2004 гг. Разработка KS Bochnia. - Бохня, 1997 (пол. яз.).

Проект гидрогеологических исследований в районе шахты Лежковице. Разработка проектно- исследовательского института Geo-Consulting. - Краков, 1996 (пол. яз.).

Slizowski K.: Программа охраны территории шахты Лежковице. Тема N5/С-2/1993. Польская Академия Наук, Краков 1993 г. (пол. яз.).

Slizowski K., Saluga P.: Химическое сырье. Каменная соль. Изд. Центр PPGSMiE PAN, Краков 1996 г. (пол. яз.).

Результаты измерений с помощью эхолота на шахте Лежковице. Камера LST-5. Разработка OBR CHEMKOP, Краков 1998 г. (пол. яз.).

Размещено на Allbest.ru

...