Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Анализ и изучение условий миграции загрязнения в комплексах трещиноватых пород крупноблочного строения (на примере района хвостохранилища Криворожского ГОКа окисленных руд)

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Анализ и изучение условий миграции загрязнения в комплексах трещиноватых пород крупноблочного строения (на примере района хвостохранилища Криворожского ГОКа окисленных руд)"

У

\ ^ ^ А-

ГОСКОМИТЕТ ПО НАУКЕ И ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ РСФСР ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ ШЗНИ Г.З. ПЛЕХАНОВА

На правах рукописи ШИПАНСКИЙ Александр Анатольевич

УДК 556. 332. 4. 04. : 556. 34

АНАЛИЗ И ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЯ МИГРАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ В КОМПЛЕКСАХ ТРШИНОВАТНХ ПОРОД КРУПНОБЛОЧНОГО СТРОЕНИЯ (НА ПРИ?,1ЕРЕ РАЙОНА ХВОСТОХРАНИЛИПА КРИВОРОЗСКОГО ГОКа 0К1ЕЛЕНКЫХ РУД)

Специальность 04.00.05 - Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

С. Петербург 1991

Работа выполнена з Ленинградском горном институте им. Г.В. Плеханова и в НПО ВИ0Г5М

Научный руководитель - чл.-корр. АН СССР, профессор

В.А. Мироненко

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических наук.

Я.С. Панковский,

кандидат геолого-мпнералогических наук В.Н. Назима

Ведущее предприятие - институт "Гипроруда"

Защита состоится " ^ " о? ^-¿^¡п_ 193Йг.

в час. ЗО мин. на заседании специализированного

совета Д 063. 15. 07 при горном институте км. Г.В.Плеханова по адресу: 199026, С. Петербург, В-26, 21 линия, д.2 ауд. //¡>У

Автореферат разослан "<£( " _ 1991 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленинградского горного института им. Г.В.Плеханова

Учёный секретарь специализированного совета

А. В. Кузьмин

Общая характеристика работа

-, л: от Актуальное ть проблемы. Прогнозы загрязнения подземных вод, разработка на пх основа сф$ектпгнюс защитит: керспраятлЗ предполагает проведение исследований, направленных на гибор и обоснование параметров, позволящих реально контролировать гидрогеологическую и эгео-логкческуз ситуацию при эксплуатации инженерного объекта - действующего или потенциального источника загрязнения водоносного горизонта. Наиболее слопгамя для прогноза является процессы з водоносных горизонтах л комплексах, образованных трещиноватыми породами, фильтрационные л миграционные свойства которых определяются развитие!.' сравнительно редких трещпн тектонического генезиса, что связано с несоблюдением выполнения критериев сплошности среды при опытных работах. Поэте,'у представляется веек,-л ватными исследования условий фильтрации и миграции в массивах горных пород, которые в масштабе полевых опытных работ не могут рассматриваться как сплснная среда. Следовательно, актуальность диссертации определяется ориентацией её, ео-первых, на обоснование требований к постановке и проведению фильтрационных и миграционных опытны:: работ в крупноблочных трещиноватых породах, а во-вторых, на оценку степени достоверности миграционных прогнозов в комплексах трещиноватых пород крупноблочного строения (ТПКС) с учётом неопределенности исходных параметров.

Цельв работы является изучение условий миграции загрязнения в коггплексах ТПКС применительно к постановке полевых гидрогеологических опробований и решении прогнозных задач.

Задачи исследований: I) анализ особенностей фильтрации и миграции в ТПКС в маситабе полевых работ; 2) разработка и анализ расчетной схемы, отражалцей особенности опробования крупноблочных трещиноватых пород; 3) интерпретация результатов опытно-фиштрацпонных и опытно-миграционных работ в трещиноватых породах крупноблочного строения для конкретного объекта; 4) оценка - с помощью математического моделирования - влияния параметрической неопределенности, свойствен-^ ной крупноблочным трещиноватым породам, на результаты решения прогнозных задач.

Общая методика выполнения работы включала адализ и обобщение литературного материала, аналитические и численные методы исследований фильтрационных и миграционных процессов, а также натурные гидрогеологические наблюдения и эксперименты.

Научные положения.выносимые на защиту:

- постановка опытных гидрогеологических работ в условиях ТПКС требует учета реальной структуры миграционного потока в пределах зоны опробования и определения минимального объема массива трещиноватых пород, позволяющего переходить к терлинам сплошной среды; для этого наиболее приемлема схема линейно-радиальной фильтрации;

- масштаб миграционного опробования крупноблочных трещиноватых пород, доступный полевому эксперименту, часто достаточен для получения интегральных параметров массопереноса в рамках модели эквивалентной пористой среды; вместе с тем, на базе опробования таких пород возможно получение характеристик единичной трещины - эффективной длины и раскрытия;

- неопределенность прогнозов миграции в крупноблочных трещиноватых породах связана с параметрической неопределенностью водовме-щаицих горных пород, являющейся следствием масштабных эффектов при переходе от масштаба полевых работ к масштабу реальной инженерной задачи; результаты прогноза миграции загрязнения в условиях ТПКС наиболее чувствительны к соотношению величин инфильтрационного питания и ёмкостных параметров трещиноватого массива, которые могут быть определены с необходимой степенью надежности лишь на основе опытно-эксплуатационного подхода.

Научная новизна работы заключается: ■ - в получении новых аналитических решений для интерпретации опытных работ в условиях проявления линейного (плоско-параллельного) характера движения к возмущающей скважине;

- в обосновании метода оценки минимального масштаба массива трещиноватых горных пород, ниже которого среда не может рассматриваться в виде эквивалента пористой среды;

- в установлении особенностей фильтрации и миграции загрязнения в комплексах ТПКС;

- в разработке принципов прогноза загрязнения в условиях параметрической неопределенности.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики интерпретации опытно-фильтрационных и опытно-миграционных работ на основе схемы линейно-радиальной фильтрации, ориентированной на исследования в крупноблочных трещиноватых породах; в получении фильтрационных и миграционных параметров для района хвостохранилища Криворожского ГОКа окисленных руд; в количественном анализе динами-

ки процессов загрязнения подземных вод района исследований, позволяющем контролировать загрязнение при эксплуатации хвостохранилшца КГОКОР.

Реализация работы. Основные результаты исследований использованы проектной частью института ВИОГЕМ в рабочей документации при проектировании мероприятий по охране подземных вод в районе хвостохранилшца КГОКОР.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на первом Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов, г. Киев, 1388; на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Проектирование, строительство и эксплуатация горных предприятий", г. Белгород, 1989; на международном симпозиуме "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях", г. Белгород, 1991 г.; на постоянно действуицих семинарах кафедры гидрогеологии ЛГИ (1988-91 г.г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 работ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа общим объёмом 462 страниц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 наименований, сопровождается 18-ю таблицами и 47 рисунками.

Работа выполнена в 1989-91 г.г. в НПО ВИОГЕМ и ЛГИ под руководством чл.-корр. АН СССР, проф. В.А. Мироненко. Автор признателен к.т.н. Беспалову П.М., к.г.-м.н. Гензелю Г.Н., к.т.н. Карачевцеву И.О., к.г.-м.н. Коносавскому П.К., д.г.-м.н. Румынину В.Г. за ценные советы и полезное обсуждение ряда полокений диссертации.

Содержание работы

Первая глава посвящена анализу особенностей изучения трещиноватых пород крупноблочного строения применительно к задачам охраны подземных вод.

Традиционными способами получения исходной информации, используемой при решении прогнозных задач фильтрации и миграции загрязнения считаются полевые опытные работы. Если фильтрационное опробование позволяет обычно получить интегральные характеристики достаточно представительного в фильтрационном отношении объёма горных пород, то с помощью миграционного опробования зачастую невозможно выйти непосредственно на интегральные параметры массопереноса, необходимые для ре-

шения прогнозных задач; в первую очередь, это касается опробования ТПКС. Основной особенностью здесь является нарушение предпосылок сплошности среды в масштабе полевого эксперимента.

При изучении фильтрации и миграции в трещиноватых породах, кш в отечественной практике (Г.В. Баренблатт, Ю.П. Еелтов, I960, Б.В. Боревский, 1972, Е.С. Ромм, 1966, В.А. Инроненко, В.М. Шестаков, Ii В.А. Мироненко, В.Г. Румынии, 1986), так и зарубежной (Д.Т. Сноу, 1970; Д.В. Уоррен, П. Jfe. Рут, 1963; П.А. Визерспун, 1974; С.Р.Вил] сон, П.А.Визерспун, 1983; П.А. Хси, С.П. Ньшан, 1985 и др.), существует два подхода. Первый допускает рассмотрение трещиноватой поре ды в виде эквивалента пористой среды, и в отношении фильтрационных задач такой подход является наиболее приемлемым. Что ае касается mi грационных задач,' то описание процесса с помощью уравнения конвективно-дисперсионного переноса, справедливого для пористой (оплошно} среды, на стадии полевого эксперимента наталкивается на существенш трудности. Их отражением служит тот известный факт, что расчётные параметры дисперсии и активной трещиноватости меняются с увеличение масштаба опробовании, в том числе и в гомогенных трещиноватых породах. Это свидетельствует о несоответствии масштаба опробования услс виям применимости уравнения конвективно-дисперсионного переноса, оч вечанцего модели эквивалентной пористой среды.

Второй подход заключается в рассмотрении трещиноватой среды ке системы дискретных трещин определенной геометрии и применяется, в основном, при исследовании относительно небольших объемов низкопроницаемых кристаллических пород с целью изоляции п захоронения ядерных и токсичных отходов d глубокие горизонты. При всей привлекателх ности таких моделей, для решения реальных практических задач исполе зование их весьма ограничено. Это объясняется крайней неопределенностью, а зачастую и отсутствием необходимой исходной информации в масштабе прогнозной задачи.

На основании анализа и обобщения ряда работ по исследованию движения потока и вещества в трещиноватых породах, можно заключить, что:

I) гидрогеологическое опробование ТПКС в рамках модели эквивалентной пористой среды требует оценки минимального масштаба экспери мента, при котором плотность дискретных трещин достаточна для представления среды как сплошной;

2) переход от модели единичной трещины к модели сплошной среды на основе стохастических моделей практически невозможен вследствие высокой степени неопределенности информации относительно дискретных трещин.

Таким образом, специфической задачей опробования ТПКС с позиций охраны подземных вод является определение масштаба опробования, позволяющего переходить к терминам сплошной среды.

В качестве альтернативной модели при гидрогеологическом опробовании, допускавдей переход от континиума к дискретной среде, (модель единичной трещины), в частности, является схема линейно-радиальной фильтрации (Карасакя, Лонг и Влзерспун, 1987). Согласно этой схеме, возмущажая скважина вскрывает одну или несколько вертикальных (субвертикальных) трещин и движение вблизи скважины считается линейным (плоскопараллельным). По мере роста числа взаимопересекаюцихся трещин, охваченных возмущением, на определенном расстоянии от скважины движение рассматривается как радиальное - выполняются предпосылки сплошности среды.

В работе приводятся решения в изображениях (по Лапласу) для данной схемы относительно понижения напоров в зонах линейной и радиальной фильтрации при граничном условии второго рода на возмущающей скважине. Обращение к оригиналу выполнялось численно с помощью алгоритма Стефеста. В результате получены типовые графики относительных пошшз-ний £^ = ¿5т%-5/(2 в зависимости от безразмерных параметров ;

; Сл - %т/г.5г (7^ - водопроводкмость

и пьезопроводность зон линейной и радиальной фильтрации,соответственно,^/- радиус зоны линейной фильтрации, т - мощность опробуемого массива, £ - радиальное расстояние, Ь - время, $ - понижение). Типовые кривые могут быть использованы при обработке откачек по схеме линейно-радиальной фильтрации для оценки фильтрационных параметров и радиуса зоны линейной фильтрации, или половины длины эффективной единичной трещины

Автором получено асимптотическое решение для данной схемы в начальный период откачки (^£<3,2 ) для зоны линейной фильтрации:

и для зоны радиальной фильтрации:

Анализ выражения (I) показывает, что при малых значениях пони-

жение в скважине, вскрывающей единичную трещину, пропорционально. С практической точки зрения

уже при г/{ал'<01& , поскольку рост первого слагаемого в (I) происходит значительно быстрее второго. Фактически это означает существование важного диагностического признака для скважины, вскрывающей единичную трещину: понижение в возмущающей скважине или скважине, расположенной на достаточно близком расстоянии от возмутцахщей, в первые моменты откачки пропорционально корню квадратному из времени.

Согласно выражению (2), понижение по наблюдательным скважинам, расположенным в зоне радиального движения, обратно пропорционально корню квадратному из расстояния до центральной/ . Тогда на один и тот же момент времени (начальные этапы откачки) понижение по дальним скважинам должно апроксимироваться прямой линией в зависимости от

Проведенный в первой главе диссертационной работы анализ схемы линейно-радиальной фильтрации использовался автором при интерпретации опытно-фильтрационного и опытно-миграционного опробования в районе строящегося хвостохранилища Криворожского ГОКа окисленных руд (КГОКОР гидрогеологические условия и проектные решения по защите подземных вод для которого анализируются во второй главе.

Промплощадка строящегося КГОКОРа расположена в 5 ил от г.Долин-ская Кировоградской области. К югу от промплощадки, в балке Крикиче-ватской, сооружается хвостохранилище, являющееся крупным потенциальным источником загрязнения подземных вод. В обогатительном цикле на КГОКОРе будут использоваться флотореагенты•- талловое масло и лигнин-сульфонаты, токсичные вещества, содержание которых в хвостохранилище будет выше норм ЦЦК.

В геоструктурном отношении рассматриваемая территория соответствует восточной части Кировоградского блока Украинского-кристаллического щита. Особенностью района является наличие Изаевского разлома, к которому приурочена балка Криничеватская (хвостохранилище КГОКОР). В геологическом строении района принимают участие докембрийские образования, представленные метаморфогенными гранитами, мигматитами, гнейсами, палеозой-кайнозойская кора выветривания кристаллических пород, а также неогеновые и четвертичные глинистые, реже песчано-гли-нистые отложения.

Подземные воды кристаллических пород, частично разгружающиеся в

долины рек Березовки, Висуни и крупные балки, является основным источником водоснабжения юга Кировоградской области, - несмотря на повышенную минерализации (до 2-3 г/л в пределах балок, до 5 - 7 г/л -ка водоразделах). Питание водоносный комплекс получает за счет пн-фпльтрацип атмосферных осадков, релям его в естественных условиях (до эксплуатации хЕостохрашшпца) напорно-безнапорннй.

Наибольшая обводнённость кристаллических пород проявляется в зоне Исаевского разлома, где они характеризуются как весьма неоднородные в фильтрационном отношении. Фильтрационная неоднородность оценивалась с помощью статистической обработки производительности 32 опытных скважин, пройденных в зоне разлома. Математическое окида-нй0,37 м2/сут, дисперсия = 0,37, коэффициент вариации

100/,.

Водопроводимость трещиноватых гранитов в зоне Исаевского разло-иа составляет 15 - 20 м /сут, вне зоны - менее I м2/сут, в среднем 0,(Б м^/сут. Коэффициент фильтрации отлояений коры выветривания составляет 0,04 - 0,09 м/сут. Активная трещиноватость в кристаллических породах развита в среднем до 30 - 50 метров от кровли, реже до 80 -120 м. Мощность коры выветривания - от первых метров до десятков метров.

Угроза загрязнения подземных вод кристаллических пород связана о неизбежностью фильтрационных потерь из хвостохранилища. Для снижения величины фильтрационных потерь проектом предусмотрено сооружение грунтового (в "магнитном" отсеке) и грунтово-плёночного (во "флотационном" отсеке) экранов. Для перехвата фильтрационных потерь запроектировано двадцать водопонизительных скваетн на кристаллические породы, располагающихся низе основной плотины в б.Кршичеватской. Производительность Скважин заложена не менызе проектной величины фильтрационных потерь (9500 м^/сут). Обоснованность данного выбора при проектировании в значительной мере зависит от степени определенности исходной информации и процессов, реально контролирующих миграцию загрязюшдих компонентов. Ясно, что подобный подход к проектированию защитных мероприятий от загрязнения, наиболее приемлем для сравнительно однородных, хорошо проницаемых пористых пород. Чисто механический его перенос на неоднородные трепщноватые породы является проблематичны!.!. Действительно, в миграционном плане трещиноватые крупноблочные породы характеризуются довольно высокими рассеивающими свойствами, и поэтому поступление в водоносный горизонт загрязненной воды определенного объема может вызвать загрязнение значительно большего объёма воды в пласте за счет процесса дисперсии. Следовательно,

необходимо определить условия миграции, при которых запроектированные мероприятия будут эффективными и достаточными с учётом неопределённости фильтрационных и миграционных параметров, а также оценить, насколько эти условия могут считаться обоснованными на стадии.проекта

Третья глава посвящена интерпретации и анализу результатов фильтрационного и миграционного опробования трещиноватых крупноблочных пород.

Кустовые откачки в районе хвостохранилища КГ0К0Р проводились в основном в пределах зоны Исаевского разлома. По данным расходометрии весь расход скважин на трещиноватые граниты в исследуемом районе формируется из одного-трех интервалов по открытому стволу скважины, а точнее одной-трех трещин. Наблюдения за керном свидетельствуют о сильной трещиноватости, но в то же время весь водоприток образуется из нескольких водопроводящих трещин, которые хорошо идентифицируются по ожелезненгао стенок трещин. Результаты акустического видеокаротажа и визуальные наблвдения за керном позволяют заключить, что трещины в зоне Исаевского разлома - преимущественно крутопаданцие (углы падения больше 65°). Наличие таких единичных трещин, формирующих расход скважин (в подавляющем большинстве менее трёх трещин на 40-45 м открытого ствола), значительная вктянутость депрессионной воронки, отмечаемая по ближайшим скважинам, свидетельствуют о реальной возможности линейной (плоскопараллельной) фильтрации к возмущающей скважине. На "индикаторных" графиках, построенных в координатах ^rft1 для ряда скважин четырёх опытных кустов, в первые моменты времени откачки (10-15 минут) отмечается линейная зависимость. По дальним скважинам куста 916 фиксировалась линейная зависимость S-r^ft^ , справедливая в начальные моменты откачки для зоны радиальной фильтрации. Всё это свидетельствует о допустимости использования схемы,линейно-радиальной фильтрации для обработки опытных откачек в районе хвостохранилища КГСКОР.

Обработка откачек по данной схеме проводилась для четырех кустов, Oétë 916, 902, 900, 901), характеризующихся довольно представительным числом наблюдательных скважин (более шести). Методики интерпретации для каждого куста отличались между собой, что связано с особенностями качественной диагностики. В диссертационной работе приводятся разработанные автором способы обработки откачек на основе типовых кривых и аналитических зависимостей, которые могут быть использованы в инженерной практике для определения фильтрационных параметров и оценок

размеров зоны линейной фильтрации. Анализ результатов таких определений в сочетании с данными о трещиноватости массива горных пород в зоне Исаевского разлома позволяет сделать следующие выводы относительно фильтрации в условиях крупноблочных пород:

- преимущественное направление фильтрации не всегда совпадает с преобладающим направлением трещиноватости, что объясняется наличием единичных фильтрукщих трещин, простирание которых не связано с основной трещиноватостью массива;

- количество хорошо проводящих трещин вдоль зон разломов в ме-таморфогенных гранитах и мигматитах обычно не превышает 3% от общего числа, пересекаемых скважиной;

- размер зоны линейной фильтрации при опробовании ТПКС возрастает до первых сотен метров - в случае несовпадения направления простирания хорошо проводящих трещин с преобладающим направлением трещиноватости и сокращается до первых десятков метров при их совпадении, что означает лучшую взаимосвязь между трещинами при фильтрации по трещинам преобладающего простирания.

Модель линейно-радиальной фильтрации в чисто трещиноватых породах даёт при 10 эффект, напоминащий "двойную" пористость, что объясняется увеличением гидравлической "связности" среды с ростом масштаба возмущения.

Характерны.! размером области линейной фильтрации при опробовании трещиноватых гранитов в районе хвостохранилища КГОКОР являются значения = 30 - 40 м: это минимальный масштаб, ниже которого среда не может рассматриваться как эквивалент пористой среды. Оценка масштаба, характеризующего область невыполнения предпосылок сплошности среды по фильтрационному опробованию, является необходимым условием для обоснования масштаба применимости модели эквивалентной пористой среды для задач миграционного опробования. Однако, требования для последних могут оказаться вше (В.А.Мироненко, 1987).

Непременным условием миграционного опробования ТПКС с целью получения интегральных характеристик массива пород является увеличение масштаба эксперимента как линейного, так и площадного. Ясно, что наиболее простые точечные индикаторные запуски становятся вообще неприемлемыми в условиях ТПКС для получения параметров в рамках модели эквивалентной пористой среды и предпочтение должно отдаваться дуплет-ной схеме опробования. Однако, на практике зачастую возможно сильное искажение дуплетной схемы естественным потоком и неконтролируемыми

потерями индикатора. Кроме того, в крупноблочных трещиноватых породах структуру фильтрационного потока при дуплетном опробовании не всегда можно считать априорно известной вследствие возможного проявления линейности этой структуры. Поэтому, единственной альтернативой для достоверного определения миграционных параметров ТПКС следует считать опытно-эксплуатационный подход, сочетавший достижение представительного площадного и временного масштаба опробования, что в общем то выходит за pai.mii полевых миграционных опытов.

В то же время, полевые миграционные опробования, даже точечные, могут быть весьма полезными для исследования в рамках модели единичной трещины, например применительно к инъекционным противофильтраци-онным завесам. Средняя эффективная длина трещины и объёмное раскрытие единичной трещины являются параметрами, управлявши переносом вещества в пределах локального участка. Первый показатель характеризует минимальный размер массива трещиноватых пород, ниже которого среда не может рассматриваться как эквивалент пористой среды. При тампонаже, следовательно, это минимальный размер трещиноватого массива, в пределах которого изменения фильтрационных свойств могут прогнозироваться,- исходя из принципов механики сплошных сред. Второй показатель определяет объём тампонажного раствора. Вышеназванные параметры могут рассматриваться как исходные данные для разработки или Быбора технологии сооружения инъекционных противофилътрационных завес в условиях трещиноватых пород. Такая завеса запроектирована, в частности, в зоне Исаевского разлома на КГОКОРе.

На основании трех миграционных опытов в районе хвостохранилшца КГОКОР, выполненных в рамках модели единичной трещины, были оценены значения раскрытия Ь трещины на основании схемы линейно-радиальной фильтрации. Значения $ составили 1,4; 2,8; и 5,2 мм, соответственно (в среднем около 3 мм). Оценка раскрытия трещины на основе известного "кубического" закона ( водопроводимость трещины пропорциональна кубу её раскрытия), даёт величину примерно в пять раз меньшую, чем по результатам индикаторных запусков. Ка основании литературных данных, а также наших опытов, можно заключить, что оценки раскрытия по фильтрационному и индикаторному опробованиям близки по значениям для трещин большего раскрытия, водопроводимость,которых порядка нескольких сотен - тысяч м^/сут. Однако различие в оценках возрастает при низких фильтрационных параметрах трещины: значения раскрытия, получа-

емые по фильтрационному опробованию, оказываются сильно заниженными в сравнении с результатами индикаторного опробования.

Помимо опытно-миграционных работ на КГОКОРе, автором проведены пять индикаторных запусков в рамках модели единичной трещины в скальных породах (мраморовидный известняк титонского яруса юры) в районе горы Гасфорт, вблизи г.Севастополя. Опробовалась горизонтальная единичная трещина, вскрытая тремя скважинами. Способы опробования были различными: дуплетное опробование в режиме непрерывного запуска, ду-плетное опробование в режиме импульсного запуска, импульсный запуск при откачке. На основании опытов было заключено, что характер выхода индикатора при любом режиме опробования единичной трещины определяется её "каналовым" строением трещины: структура фильтрационного потока в масштабе индикаторного опробования не может считаться априорно заданной вследствие проявления каналовой природы трещины, которая и предопределяет линейный характер движения. Среднее значение максимального раскрытия трещины по результатам проведенных опытов оценивается в 2,5 - 3 мм. , .

В четвертой главе исследуется влияние параметрической неопределенности, свойственной крупноблочным трещиноватым породам, на результаты прогноза миграции загрязнения в районе хвостохранилища КГОКОР.

На основании построенной гидродинамической схемы района, с помощью численного моделирования (программа PF'5" , автор Карачевцев Н.Ф., 1985), сделан прогноз изменения уровенного режима в водоносном комплексе кристаллических пород и коры выветривания, а так же оценены фильтрационные потери из хвостохранилища в течение двадцати лет его эксплуатации. Безвозвратные фильтрационные потери из хвостохранилища, при обоснованной нами производительности дренажных скважин (выбранных в качестве главного защитного мероприятия) от 1000 м3/сут в первый год до 1600 м3/сут к двадцатому году, не превысят 400 м3/сут в течении первых десяти лет, а к двадцатому году возрастут до 950 м3/сут. Наличие таких безвозвратных фильтрационных потерь создает опасность загрязнения водоносного горизонта и р.Березовки, несмотря на достаточно высокие сорбционные свойства перекрывающих осадочных отложений, распространенных в чаше хвостохранилища, и противофилътрационного экрана.

Миграционная задача ставилась в условиях параметрической неопределенности. Понятно, что решение уравнения массопереноса в рамках прогнозной задачи требует знания миграционных параметров. Для условий

КГОКОРа это параметры, характеризующие:

- ёмкостные свойства трещиноватого массива (в рамках модели эквивалентной пористой среды);

- рассеивание вещества (параметр гидродинамической дисперсии в рамках схемы конвективно-дисперсионного переноса);

- разбавление загрязнения (инфильграционное питание). Ёмкостные свойства трещиноватого массива определяется активной тре-щиноватостыо пт и мощностью тт зоны активной трещиноватости, а сведения об этих параметрах крайне отрывочны и ненадёжны. Другим весьма неопределенным параметром при прогнозах является инфильтрационное питание VI . Нельзя недооценивать влияние этого фактора, так как движение загрязнения будет происходить по трещинам, ёмкость которых мала, так что влияние инфильтрации должно быть весьма ощутимым. Отметим, что величина инфильтрационного питания ^ «при решении фильтрационной задачи принималась равной 10 мм/год (по результатам исследования обратной задачи). Проведенный анализ влияния инфильтрации на результаты фильтрационной задачи показал малую чувствительность -увеличение её в 2,5 раза и уменьшение в 5 раз дают практически одинаковые результаты.

Анализ параметрической неопределенности на прогноз миграционного процесса проводился при различных значениях гидродинамической дисперсии ¿1. относительно безразмерного параметра ( t - расчетное время, соответствующее фронту поршневого вытеснения), совокупно отражающего влияние инфильтрационного питания и ёмкостные свойства массива горных пород. Результаты численного моделирования миграции флотореагентов (программа МСН-2, авторы Гензель Г.Н., Караченцев Н.Ф., 1983) свидетельствуют, что при отсутствии разбавления загрязнения ( Я*/ =6,2 • 10~4), эффективность работы водопонизитель-ных скважин в значительной мере определяется эффектом рассеивания вещества. В условиях большого проявления рассеивания вещества ( <$1 порядка ста метров), загрязнение охватывает достаточно большие площади и работа скважин не обеспечит полного перехвата всего загрязнения, которое в конечном итоге достигнет р.Березовки.

В наибольшей степени результаты моделирования оказались чувствительными к параметру Р« . Проведенное моделирование показало, что * при Р*» 6, загрязнение не достигнет р.Березовки. Например, при емкостных параметрах 1СГ4, 60 м, на расчётный момент 10 лет, величина инфильтрационного питания в 3,65 мм/год ни расстоянии 1000 м

от хвостохранилшца обеспечит разбавление лигнинсульфонатного загрязнения до норм ПДК. В то же время, неопределенность в ёмкостных свойствах крупноблочных трещиноватых пород не позволяет считать данную величину инфильтрационного питания достаточной для обеспечения требуемого разбавления. В конечном итоге, приведенный в работе анализ показывает, что эксплуатация хвостохранллица экологически допустима лишь при определенных, хотя и достаточно реальных условиях, которые, однако, не могут быть предопределены на стадиях изысканий и проектирования. Данные анализа чувствительности расчётной модели миграции, заложенные в проект, должны использоваться при обосновании защитных мероприятий для обеспечения условий надёжности эксплуатации объекта.

В работе рассмотрены варианты защиты подземных вод и р.Березовки от загрязнения флотореагентами при гипотетических, крайне неблагоприятных, условиях миграции ( =6,2 . ПГ4, Оь = 100 м), которые свидетельствуют о принципиальной возможности защиты. Однако, окончательные решения о реализации разработанных мероприятий должны приниматься по результатам наблюдений при эксплуатации хвостохрани-лища, что позволит ответить и на вопрос о корректности прогнозной расчётной схемы. Тем самым рекомендуется опытно-эксплуатационный подход к обоснованию экологической безопасности предприятия - в рамках известной (В.А.'&гроненко, 1936) концепции контролируемого загрязнения подземных вод.

Выводы и рекомендации.

Результаты работы могут быть кратко сформулированы следующим образом.

I. При гидрогеологическом опробовании трещиноватых пород крупноблочного строения часто характерно нарушение предпосылок сплошности среды в масштабе полевого эксперимента. Поэтому гидрогеологическое опробование крупноблочных трещиноватых пород в рамках модели эквивалентной пористой среды, получинней в инженерной гидрогеологии доминирующее распространение, требует оценки минимального масштаба эксперимента, при автором плотность дискретных трещин достаточна для предпосылки о сплсгшости среды. Непрерывный переход от дискретной среды к коктиниуму может быть осуществлен с помощью расчётной схемы линейно-радиальной фильтрации. При этом, с одной стороны, возможно получение информации относительно масштаба опробования, ниже которого

массив трейщноватых пород не может рассматриваться как эквивалент пористой среды; с другой ке стороны, зона линейной фильтрации вокруг возмущавдей сквазшны отражает эффективный размер фильтрующей трещшш.

2. Полученные аналитические решения относительно понижений в наблюдательных скважинах для начальных моментов откачки позволяют обосновать ряд диагностических признаков применимости схемы линейно-радиальной фильтрации в гидрогеологической практике. Разработаны способы интерпретации опытно-фильтрационных работ в условиях крупноблочных трещиноватых пород на основе схемы линейно-радиальной фильтрации, а также способы обработки индикаторных запусков в рамках модели единичной трещины.

3. Постановка опытных гидрогеологических работ в условиях трещиноватых пород крупноблочного строения требует более детального учета действительного характера движения в масштабе опробования, что предопределяет необходимость: в увеличении числа наблюдательных сква-жщг; большего числа изолированных друг от друга интервалов как в возмущающей, так и в наблюдательных скважинах (не отказываясь ни в коей мере и от параллельного проведения крупномасштабных экспериментов с "длинными" интервалами возмущения и наблюдения); предварительных и сопутствующих гидрогеофизическнх опробований; большего упора на эксперименты с достаточно жёстко регулируемой структурой фильтрационного потока. При опробовании ТПКС необходим опытно-эксплуатацп-онный подход, поукольку всегда остаётся сильное сомнение в представительности локальных опытов как в смысле области влияния эксперимента, так и с точки зрения надёжности результата.

4. Установлено, что миграция загрязнений в районе хвостохрани-лица КГОКОР контролируется степенью рассеивания вещества (дисперсией) и, главным образом, соотношением величины инфильтрационного питания и ёмкостных свойств трещиноватого массива за пределами зоны Изаевского разлома. Параметры, контролирующие миграцию в условиях крупноблочных трещиноватых пород, обычно остаются на стадиях изысканий и проекта весьма неопределенными величинами - их оценка с необходимой степенью надёжности представляется возможной лишь на базе опытно-эксплуатационного подхода.

5. Следовательно, на стадии проекта необходим специальный анализ чувствительности расчетных моделей миграции, их параметрической неопределенности, направленный на выяснение экологической безопасности, в частности, - условий надёжности защиты подземных вод при эксплуата-

ции объекта. Подобный анализ в сочетании с комплексом мер, предусмотренных для контролирования загрязнения в период эксплуатации инженерного объекта (хвостохранилшца), является основой для корректировки расчетной схемы и оценки необходимости реализации дополнительных защитных мероприятий. Использование принципов последовательного, "мягкого" проектирования, основанного на контролируемости и управляемости процесса загрязнения, обеспечит приемлемую эффективность решений по защите подземных вод.

Направление дальнейших исследований следует сосредоточить на разработке:

- способов миграционного опробования ТПКС, по размерам отвечающим критериям сплошной среды, чтобы, во-первых, максимально снизить осложняющие факторы, влиящие на выбранную расчётную схему, во-вторых, приблизиться к интегральным характеристикам массопереноса, в третьих, более детально изучить фильтрацию и миграцию в трёхмерной постановке;

- требований к контрольным наблюдениям в комплексах трещиноватых крупноблочных пород;

- моделей управления качеством подземных вод в условиях параметрической неопределённости, свойственной крупноблочным трещиноватым породам с целью принятия оптимальных решений по охране водных ресурсов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Беспалов II.M., Кичигин Е.В., Щипанский A.A. Контролирование процессов загрязнения и его роль в управлении качеством и ресурсами подземных вод: Тез. докл. I Всессюз. съезда пня.-геол., гидрогеолог, и геокриол. "Проблемы инженерной геологик, гидрогеологии и геокриологии районов интенсивной инженерной нагрузки и охрана геологической среды". - 4.5: Прогнозирование изменений геологической среды под влиянием техногенных воздействий, Киев, 1988, с.17-18.

2. Щипанский A.A. Гидрогеологический анализ опытных работ в условиях КГОКОРа /Тезисы докладов научно-технической конференции "Проектирование, строительство и эксплуатация горных предприятий", Белгород, ВШГЕМ, 1989, с. 13-14.

3. Щипанский A.A. Анализ и интерпретация опытно-фильтрационных работ в условиях трещиноватых пород крупноблочного строения // Изв. вузов. Геология и разведка, 1990, й 9, с.86-94.

4. Щипанский A.A. Неопределенность в прогнозах миграции загрязнения в комплексах трещиноватых пород крупноблочного строения / Материалы международного симпозиума "Освоение месторсгэденлй минеральных ресурсов и подземное строительство в слогашх гпдрогеологк-ческих условиях". Том I. Вопросы осуненпя и экологии, Белгород, СССР, 20-24 мая 1991, с.270-27?.

5. Щипанский A.A. К вопросу оценки раскрытия фильтрующей трещины // йшенерная геология, 1991, ]ё 5, с.94-100.

Подписало к печати II.II.9I Объем 1,0 Тир. 100. Зак.й 834. Ротапринт ВЙОГЕМ.

п.л.