Проблема экологически безопасного захоронения дренажных вод рудника "Интернациональный"

Проблема экологически безопасной утилизации дренажных вод, возникающих при отработке месторождений, на настоящий момент весьма актуальна, т.к. в общемировой практике безальтернативно взят вектор не только на снижение техногенной нагрузки на окружающую среду, но и на введение новых, экологически безопасных методик и технических решений. При изучении мировой практики, несложно заметить, что наиболее перспективным направлением утилизации практически всех жидких отходов является закачка в недра, в том числе в глубокозалегающие экранированные коллектора, с низкими коэффициентами фильтрации. Именно обратный возврат дренажных и рудничных вод в водоносный комплекс был выбран при утилизации дренажных вод рудника «Интернациональный».

Рудник «Интернациональный» эксплуатирует коренное месторождение алмазов - трубку «Интернациональную», расположенную в Мало-Ботуобинском алмазоносном районе, относящемся к Якутской алмазоносной провинции, являющуюся уникальным месторождением, как по промышленному содержанию, так и суммарным запасам. Кимберлитконтролирующим для данного месторождения выступает Кюеляхский разлом [1]. До глубины 125 м тело трубки представлено классической воронкообразной формой, в последующем переходящем в цилиндрообразную диатремовую часть, без выделения дополнительных слепых тел и корневых даек.

Месторождение находится в верховьях ручья Маччоба-Салаа - правого притока реки Ирелях [2], являющейся правым притоком реки Малая Ботуобия, которая, в свою очередь, принадлежит бассейну р. Вилюй [3].

В административном отношении месторождение находится на территории Мирнинского района Республики Саха (Якутия). Центральным населенным пунктом района является г. Мирный - центр алмазодобывающей и обрабатывающей промышленности Западной Якутии (рис).

Рис. Карьер трубки «Интернациональная»

Краткая гидрогеологическая характеристика вмещающих пород околотрубочного пространства (в интервалах отработки месторождения)

Месторождение расположено в области сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП), мощность которых изменяется в пределах 300-390 метров. Верхняя граница ММП контролируется глубиной сезонного протаивания, которая к концу августа на песчаных породах достигает 2,5-4,0 м, а на суглинистых отложениях - 0,3-1,2 м. Сезонные колебания температуры грунтов наблюдаются до глубин 10-12 м. Нулевая изотерма проходит на глубине около 700 м. Локальные опускания границы ММП приурочены к несквозным таликам, развитым под водотоками и водоемами. Существенные изменения в температурный режим почв и пород внес существующий карьер, где сезонное протаивание пород по бортам в летний период достигает 6-8 м.

Согласно общепринятой схемы [Толстихин, 1941; Романовский, 1966], которая устанавливает взаимоотношение подземных вод и ММП, в верхних частях осадочного чехла района выделяются три основных типа подземных вод: надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные [4].

В формировании дренажных вод рудника участвуют:

- дренажные воды карьера, перепускаемые на гор. - 85 м, через систему дренажных скважин;

- рудничные воды.

Рассмотрим процесс формирования каждого типа дренажных вод отдельно.

Дренажные воды карьера преимущественно формируются за счет метеорных вод и надмерзлотных вод сезонно-талого слоя. Для данных вод характерен чаще всего гидрокарбонатно-кальциевый состав, который характеризуется достаточной стабильностью, и изменяется только при наличии легкорастворимых соединений и минералов в водовмещающих породах. На указанный тип вод приходится до 98 % от объема формируемых вод. Оставшиеся до 2 % от объема формируются за счет межмерзлотных вод, приуроченных к карбонатным отложениям нижнего ордовика и верхнего кембрия. Данный тип вод в районе исследований распространен спорадически, генетически связан с криолитологическими процессами и формированием изолированных линз. Межмерзлотные воды были встречены при отработке месторождения открытым способом, все водопроявления были малодебетны. Состав изливающихся вод был различен: от сульфатного до сульфатно-хлоридного, с изменением состава росла минерализация вод, также рост минерализации уверенно коррелировался с увеличением глубины залегания.

Рудничные воды формируются преимущественно за счет подмерзлотных рассолов (до 90 %) и технологических вод (до 10 %).

Технологические воды генетически связаны с поверхностными пресными водами и используются для приготовления закладочных смесей, орошения шарошек проходческого оборудования и при торкретировании.

Поступающие в выработки рассолы приурочены к метегеро-ичерскому, олекминскому и толбачанскому водоносным комплексам. Рассолы данных комплексов имеют существенное отличия, поэтому приведем их краткую раздельную характеристику.

Основным гидрогеологическим объектом, осложняющим горнотехнические условия отработки кимберлитовой трубки Интернациональная в отм. - 85 м/200 м, является надсолевой метегеро-ичерский водоносный комплекс (МИВК), имеющий региональное распространение. Кровлей комплекса на участке работ является подошва многолетнемёрзлых пород (ММП). Абсолютные отметки кровли изменяются от - 12,0 м. (скв. 306) до - 35,0 м. (скв. 2гг). Подошвой комплекса являются сульфатно-карбонатные породы нижней пачки ичерской свиты. Абсолютные отметки подошвы комплекса от (-118,1 м) до (-136, 8м). Общая мощность метегеро-ичерского водоносного комплекса на участке месторождения варьирует в пределах 130,1 м. ^ 158,0 м. Водоносный комплекс характеризуется фильтрационной неоднородностью в плане, изменяясь от слабопроницаемого до проницаемого. Основными элементами плановой фильтрационной неоднородности являются зоны тектонических нарушений. Проницаемые пласты (коллектора) водоносного комплекса сложены пористыми кавернозными и трещиноватыми известняками, доломитами известковистыми, участками породы огипсованы. Общая пористость изменяется от 3,5 до 15 %. Суммарная эффективная мощность колеблется от 40,2 до 56,8 м. Тип пористости - трещинно-кавернозно-межзерновой, величины Km от 46 до 70 м²/сут.; коэффициент пъезопроводности (а) в среднем составляет 10⁶ м²/сут. Коллектора метегерской свиты №№ 1-7 значительно отличаются по своим фильтрационным свойствам от коллектора №8. Размерности полученных, для коллекторов метегерской свиты №№ 1-7, коэффициентов проводимости и пьезопроводности в 10 раз меньше, размерностей соответствующих параметров, охарактеризовывающих 8-й коллектор. По химическому составу воды комплекса хлоридно-натриевые с минерализацией до 120 г/л. Для вод комплекса характерна сероводородная зараженность. Содержание сероводорода до 130 мг/л. Геохимический облик подземных рассолов надсолевого комплекса является характерным для рассолов выщелачивания.

Формула солевого состава:

Для рассолов данного типа характерно повышенное содержание сульфатов до 6000 мг/дм³ и более.

Они обеднены относительно их минерализации микрокомпонентами. Содержание брома не превышает 58, лития - 1,51, рубидия - 0,04, стронция - 28,6 мг/дм³. Температура подземных вод от (1,5) до (-2,0 °С). Подземные воды метегеро-ичерского водоносного комплекса обладают сульфатной агрессивностью по отношению к бетону. Состав газов, растворенных в рассолах комплекса изменяется от азотного до азотнометанового. Газовый фактор колеблется от 0,01 до 0,25.

Необходимо отметить, что минерализация пластовых вод в рамках комплекса имеет некоторые отличия. Для рассолов метегерской свиты минерализация изменяется не в широких пределах 115-120 г/литр. А минерализация рассолов ичерской свиты - 94-120 г/литр. Такое отличие минерализации между пластовыми водами свидетельствует об отсутствии прямой связи между коллекторами и вероятностном отсутствии перетока между пластами-коллекторами. Что в свою очередь позволяет рассматривать восьмой коллектор ичерской свиты как отдельный водный объект, отличный не только по основным гидрогеологическим и ёмкостным параметрам, но и по гидрохимическим показателям. Более низкая минерализация в кровле восьмого коллектора, по всей видимости, связана с плотностной седиментацией пластовых вод в толще пласта. Но необходимо отметить, что опосредованное воздействие (и связь) между коллекторами всё-таки существует. Это обусловлено наличием гидравлических окон в структурно-тектонических зонах, связанным в данном случае с отсутствием экранирующих свойств в зонах оперяющих разломов, приводящее к опосредованной (непрямой) связи между системами коллекторов метегерской и ичерской свит в разных блоках.

Межсолевой олёкминский слабоводоносный комплекс приурочен к нижней пачке карбонатных отложений олёкминской свиты. Породы в интервале коллекторов представлены трещиноватыми и кавернозными доломитами, доломитами известковистыми. Горизонт содержит 2-3 пласта -коллектора (№№ 5-6), разделённых между собой глинистыми доломитами, доломито-ангидритами. Мощность пластов - коллекторов от 0,4 м, до 2,5 м. Общая мощность горизонта колеблется от 19,1м до 30 м. По химическому составу рассолы комплекса хлоридного кальциевого состава с минерализацией до 490 г/л. Они коренным образом отличаются от надсолевых рассолов метегероичерского водоносного комплекса и характеризуются кислой реакцией (рН=3,7-5,8), очень высокими концентрациями брома (более 2750 мг/л), калия (более 8900 мг/л), стронция (>689 мг/л), лития (> 38 мг/л), цинка (> 3,8 мг/л), марганца (>2,1 мг/л).

Формула солевого состава:

В составе газов решающую роль играет метан (до 95 % по объему), присутствуют тяжелые углеводороды. Характерной особенностью является отсутствие сероводорода. Рассолы являются агрессивными к бетону и металлам по величине pH и содержанию магния.

Межсолевой толбачанский слабоводоносный комплекс обладает низкими коллекторскими свойствами и приурочен к нижней пачке карбонатных отложений толбачанской свиты. В породах толбачанской свиты было выделено 8 рассолосодержащих (водонасыщенных) коллекторов (№№ 7-15). Эффективная мощность коллекторов от 2,0 до 20,0 м. Породы в интервале коллекторов представлены доломитами тонко-мелко-зернистыми тёмно-коричневого цвета слаботрещиноватые. Каждый коллектор содержит от 3 до 10 проницаемых пластов-коллекторов, разделённых между собой глинистыми доломитами, доломито-ангидритами. Мощность пластов - коллекторов от 0,6 м. до 4,5 м. Тип пористости - межзерновой и межзерново-кавернозный. Коэффициент общей пористости варьирует от 3,7 до 6,8 %. Более высокие значения коэффициента общей пористости (до 6,8 %) отмечаются в коллекторах №№ 7, 8, 14 и 15. Общая эффективная мощность коллекторов толбачанского водоносного комплекса 62,2 м. Воды комплекса высоконапорные. По химическому составу рассолы комплекса хлоридного кальциевого состава с минерализацией до 510 г/л. Они несколько отличны от рассолов олёкминского водоносного комплекса и характеризуются кислой реакцией (рН до 5,8), очень высокими концентрациями брома, калия, стронция, лития, цинка, марганца.

Формула солевого состава:

В составе водорастворенных газов доминирует метан (до 98% по объему), присутствуют тяжелые углеводороды. Сероводород отсутствует. Рассолы являются агрессивными к бетону и металлам по величине pH и содержанию магния. [5].

Краткая характеристика существующей системы защиты рудника от затопления

Существующая система защиты от затопления подземного рудника построена по классической схеме и состоит из:

- дренажных скважин с устройствами управляемого перепуска;

- дренажных скважин без устройств управления расходом;

- водоотливных канавок;

- участковых и главных водосборников и связанных с ними насосных станций.[6].

Существующая система водоотлива позволяет откачивать в рабочем режиме 1,0 млн. м³ дренажных и рудничных воды в год.

Краткая характеристика существующей системы экологически безопасного захоронения откачиваемых дренажных, рудничных вод и бытовых стоков

Дренажные воды от насосной зумпфового водоотлива по трубопроводу диаметром 100 мм перекачиваются на горизонт -380 м, откуда по одному из двух водоводов диаметром 200 мм, проложенным в клетевом стволе, откачиваются на поверхность в буферную ёмкость и далее самотёком к канализационнонасосной станции узла обратной закачки, который эксплуатируется в промышленном режиме с производительностью от 74 до 2822 м³/сут.

Прямая обратная закачка в коллектора метегероичерского водоносного комплекса поступающих вод, после их предварительной очистки, осложнена смешанным химическим составом вод, формируемым по причине описанного выше генезиса. При осуществлении прямой подачи данных вод в пласт неизбежно возникли бы проблемы с совместимостью уже циркулирующих рассолов и закачиваемых (суммарная минерализация дренажных вод позволяет классифицировать их как ненасыщенные рассолы, в периоды интенсивного поступления дренажных карьерных вод - соленые воды). Из-за происходящих химических реакций происходило бы осаждение менее растворимых соединений и кальматация призабойной и пристволовой зон закачных скважин. Данная проблема была решена существенным непосредственным разбавлением от 1/5 до 1/10 дренажных вод рассолами метегеро-ичерского водоносного комплекса. Отбор вод из пласта производится при помощи водозаборных скважин, пробуренных на расстоянии 1750 метров от эпицентра закачки смешанных природно-техногенных вод. Применение указанного технического решения позволяет рассматривать данный процесс как обратную закачку вод, т.к. подаваемые воды становятся преимущественно рассолами метегеро-ичерского водоносного комплекса, также обратный возврат вод не позволяет формироваться площадной депрессионной воронке вокруг водозаборных скважин.

Вопрос возврата закачиваемых вод в пределы шахтного поля рудника «Интернациональный», был проработан в рамках моделирования и учтен при определении места для строительства узла обратной закачки. Поэтому для недопущения и минимизации объемов возвращаемых вод все закачные скважины были пробурены за региональным Западным разломом. Данный разлом является классическим тектоническим нарушением участков растяжения, формируемых в рамках палеорифтовых систем. В осевой части данного разлома произошло внедрение продуктов основного магматизма даечного типа. Сформированная дайка долеритов и ее фильтрационные параметры, позволяют относить ее к слабопроницаемым породам, что в свою очередь позволяет формировать изометричный купол растекания вдоль Западного разлома и препятствует возврату закачиваемых вод в пределы шахтного поля рудника «Интернациональный». Для контроля над процессом закачки, а также отстраивания площадного распространения и фронта пьезометрической поверхности, было пробурено и включено в режимную сеть порядка 30 наблюдательных скважин. В процессе работ производится контроль над техническим состоянием эксплуатируемых скважин и формируемым уровенным режимом (который существенно ниже экологически безопасных значений).

Выводы