Оценка изменений фильтрационных свойств трещиноватых пород в условиях техногенного карста

© Т.И. Перкова, Д.В. Рудаков, 2014

УЛК 622.516:556.388

Т.И. Перкова, Д.В. Рудаков

ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЙ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО КАРСТА

Проведен комплекс лабораторных исследований и аналитического моделирования. Эксперименты по растворению монолитных образцов известняка растворами различного химического состава и ионной силы позволили количественно оценить кинетику выщелачивания кальция из исследуемой породы. В результате качественной оценки насыщения модельных смесей карбонатом кальция установлена степень агрессивности растворов по отношению к кавернозному известняку. Аналитическими исследованиями установлены диапазоны параметров выщелачивания карбонатных пород, что позволяет повысить достоверность прогнозирования миграции рассолов в известняках в зонах влияния водоотстойников горнодобывающих предприятий.

Ключевые слова: пруд-накопитель, шахтные воды, миграция, техногенный карст, кинетика растворения, индекс насыщения, проницаемость.

Постановка проблемы. Интенсивность развития карста зависит от рН, ЕЬ среды, температуры, присутствия в растворе посторонних и общих ионов, их химического взаимодействия, способности к диссоциации, степени дисперсности вещества [1, 2]. Активизация карстовых процессов приводит к необратимым изменениям, которые проявляются в снижении геомеханической устойчивости массивов горных пород вследствие появления трещин.

Проблема техногенного карстоо-бразования актуальна для центральной части Криворожского железорудного бассейна (Украина), где расположено несколько прудов-накопителей минерализованных шахтных вод. Типичным примером таких объектов является пруд в балке Свистуново в районе ЮГОКа. Противофильтрационное покрытие дна пруда выполнено из глин. Под экраном залегают суглинки, пон-тические пески и сарматские известняки. Однако вследствие разрушения целостности грунтов основания происходили утечки шахтных вод.

Нарушение природного режима фильтрации и поступление минерализованных вод в массив пород способствовало растворению солей и активизации карстообразования, о чем свидетельствует развитие суффози-онно-карстовых воронок и впадин на территории с. Новоселовка, расположенного в 3,5 км на северо-запад от пруда.

Таким образом, возникает задача количественной оценки кинетики растворения карбонатов, решение которой позволит повысить достоверность прогноза миграции солей в подземных водоносных горизонтах, выполненных ранее для зоны влияния пруда-накопителя [3], и установить связь с геодинамическими явлениями на поверхности земли.

Экспериментальному изучению динамики карстообразования в условиях, моделирующих природную среду, посвящены исследования Масло-ва Н.Н., Соколова Д.С., Лаптева Ф.Ф. и [4]. Влияние ионного состава и минерализации шахтных вод на кинетику выщелачивания карбонатных пород в

должной мере не исследовалось. В ра- I боте [5] основное внимание уделено I изучению техногенного карстообра- : зования в мело-мергельных породах, ] механизм растворения которых, со- I гласно Родионову Н.В., отличается от I известняков. ]

В практике экспериментальных I исследований карбонатного карсто-образования проводились опыты по изучению скорости растворения порошков или частиц определенной ] крупности, полученных механическим дроблением пород (Питьева К.Е., I Страхов Н.М.). Главный недостаток < методики состоит в том, что при исследовании скоростей растворения порошков наблюдаемый порядок ре- I акции иной, чем истинный порядок реакции на границе раздела фаз, что < обусловлено взаимодействием большей плошади реагирующей поверх- I ности с раствором. Существующие I модели трешинно-пористой среды Ромма Е.С. и [6] не учитывают слож- I ность гидрогеохимической обстановки техногенно-нагруженных регионов и структурные изменения пород при фильтрации рассолов. :

Методика исследований включа- I ла комплекс лабораторных исследований и аналитического моделирования, направленных на изучение параметров выщелачивания карбонатных пород в различной геохимической обстановке.

Таблица 1

Химические составы модельных растворов

Лабораторные исследования включали проведение экспериментов по растворению образцов карбонатных пород в модельных растворах различного ионного состава и минерализации. Аналитические исследования состояли в оценке изменений фильтрационных параметров исследуемых пород на основе базовых соотношений моделей трещиноватой среды.

Лабораторные исследования. Исходным материалом служили образцы карбонатных пород, отобранные в месте их выхода на поверхность в районе с. Новоселовка. Химическим анализом установлено, что исследуемый грунт является песчано-глинистым известняком.

Вырезанные образцы известняков объемом 9-10 см3 опускались в термостатированные стаканы, в которые заливались модельные растворы (табл. 1) в соотношении твердое - жидкое 1:15. Предпосылкой для создания модельных растворов № 1-5 является многообразие химических типов шахтных вод, состав которых зависит от горногеологических условий района. Раствор № 6 представлял собой шахтную воду, отобранную непосредственно из пруда. Температура реакционных смесей составляла 16 °С. Объем растворов поддерживался постоянным.

Исследуемые растворы солей с различной интенсивностью раство-

Раствор № Концентрация ионов, г/л

Са2+ Мд2+ С1- НСОз- рН

1 0,33 0,58 11,15 2,73 18,4 0,02 8,0

2 0,16 0,29 5,57 1,36 9,21 0,19 6,93

3 0,36 0,31 10,62 1,35 17,6 0,11 7,5

4 0,36 0,31 13,0 6,0 17,6 0,23 7,3

5 0,23 0,30 7,41 1,69 12,0 0,09 6,45

6 0,50 0,69 10,0 1,30 18,0 0,30 6,7

Время, Т, час

Рис. 1. Динамика выщелачивания кальция различными растворами: 1-5 - молельные растворы, 6 - шахтная вола

ряют образцы известняка. Наиболее агрессивными по отношению к по-роле являются шахтная вола, отобранная непосрелственно в месте ее сброса, и молельный раствор № 4. Это связано с присутствием в растворах повышенных концентраций хло-рилов и сульфатов магния и натрия, хотя №01 оказывает меньшее влияние на растворимость песчано-глинистых известняков.

Нарялу с высоким солержанием Мд012, МдЭ04 и На2Э04, в смесях также присутствуют соли 0а, которые уменьшают растворение 0а003, и опрелеляет истинную скорость физико-химического взаимолействия в системе «минерализованная вола -карбонатная порола».

В холе экспериментов зафиксировано изменение величины рН молельных растворов. Так, по завершению опыта значение рН в растворах № 1 и № 4 составило 7,0 и 6,7 соответственно. Вероятно, это объясняется склонностью присутствующих солей магния в смесях к гилролизу.

Остальным растворам свойственно увеличение значения волоролно-го показателя, что свилетельствует о преоблалании химически нейтральных солей На, которые не оказывают непосрелственного влияния на ве-

личину рН. В таких растворах воло-ролный показатель изменяется прямо пропорционально количеству растворенного карбоната кальция. Наличие в отобранных образцах органических веществ приволит к интенсификации растворения карбонатов, что обусловлено разложением органики и слвигом карбонатного равновесия в кислую сторону.

Для качественной оценки возможности выпаления 0а003 из раствора или растворения этой соли выполнен расчет насыщения молельных смесей карбонатом кальция по метолу Ёан-желье [1]. Значение инлекса Ёанже-лье I опрелеляется по формуле I = рН - рНБ;

рНз =рК2 - рПР0а00з - 1д[0а2+] - 1д[Щ]+ +2,5^ц + 7,6,

гле рН - волоролный показатель насыщения раствора; рК2 и рПРСаСО -отрицательные логарифмы константы второй ступени лиссоциации угольной кислоты и произвеления растворимости СаСО3; Са2+ и Щ - концентрации в растворе ионов Са2+ и слабых кислот, мг/л и мг-экв/л, соответственно; ц - ионная сила раствора, моль/л. В растворах 1-6 ионами слабых кислот являются бикарбонат - ионы, поэтому Щ = НСО3-.

Параметр кинетики растворения, а, г/см2-сут 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025

к 3 X

1) 3

а К

-22  -24

- - - - -

т„.

Я2 = 0.987'

6 "

Рис. 2. Зависимость интенсивности выщелачивания Са2+ от карбонатной агрессивности вол

Константа диссоциации Н2С03 определяется из выражения

С

К =

1 со2

С

со2

У

НС03 ' СНС03

где у№ Усо3' Унсо. ~ коэффициенты активности ионов Н+, С032- и НС03; Сн, Сс0, СНС0 - концентрации соответствующих ионов в модельных растворах.

Рассчитанные по методике Ланже-лье индексы насыщения изменяются в интервале от -22,9 до -13,1, что свидетельствует о склонности модельных растворов № 1-5 и шахтной воды к растворению известняка [7]. Наиболее агрессивными свойствами обладает шахтная вода и модельные растворы № 4 и № 5 (рис. 2).

Чем выше значение карбонатной агрессивности растворов, тем интенсивнее протекает процесс растворения известняка. Высокая сходимость результатов лабораторных исследований и аналитических оценок методом Ланжелье подтверждается близким к единице коэффициентом корреляции Я2 = 0,9874.

Аналитические исследования. Предполагается, что растворение происходит на поверхности трещин, площадь которых характеризуется параметром удельной поверхности фильтрации Для количественной оценки растворения твердой фазы

скелета рассматривается объем пород V, через которые фильтруются минерализованные воды. Объем трещин составляет Vf = п{ Vr, где п( - трещинная пористость. Площадь, с которой происходит растворение в объеме пород V, составляет Пусть Дп^ =

значения до и после проведения опыта. Обозначим через Дп = Дп{ / п{0 относительное изменение пористости. Пусть также 5 - раскрытие трещин, 50 и 5. - их среднее раскрытие в образ-

цах до и после опыта. Приближенно можно записать _ Дп{ = Б{ • (5. - 50), откуда 5. = (1 + Д т) .Проницаемость трещиноватой среды можно определить по формуле Буссинеска

А 52

к =--5 • п,

12

в которой коэффициент А учитывает извилистость и шероховатость трещин.

Тогда измененную проницаемость в результате выщелачивания можно определить через прирост относительной пористости: А

V ,1

А2 =

12

+ Дп() • 502 • (1 + Дп1 )2 = = к0 • (1 + Дп )3

А , = 12 ^(^

п,,- п,0 - изменение пористости в ре

зультате выщелачивания, п,0 и пп - ее

Таблица 2

Расчетная оценка фильтрационных параметров

Раствор № 1 2 3 4 5 6

0,071 0,014 0,033 0,11 0,12 0,17

1,23 1,04 1,1 1,37 1,41 1,6

Оцененные по результатам опыта изменения относительной пористости и проницаемости сведены в табл. 2.

Лаже при относительно кратковременном воздействии минерализованных шахтных вод существенно увеличивается трещинная пористость (до 15%) и проницаемость (до 40-60%). Оцененная по результатам проведенного опыта скорость расширения трещин составила (0,54-9,07)10-7 м/сут. Скорость увеличения пористости известняка достигла (0,5-6,5)10-4 1/сут.

Выводы. Проведены эксперименты по исследованию взаимодействия растворов, моделирующих техногенно измененные подземные воды, с монолитными образцами неогенового известняка. Установлено, что скорость

1. Лехов А.В. Физико-химическая гидрогеодинамика: учебник / Лехов А.В. М.: КДУ, 2010. 500 с.: ил., табл.

2. Гвоздеикий Н.А. Проблемы изучения карста и практика / Н.А. Гвоздецкий. М.: Мысль, 1972. 392 с.

3. Перкова Т. И. Моделирование фильтрации рассолов в зоне влияния накопителей рудничных вод (на примере Крив-басса) / Перкова Т.Н., Рудаков Л.В. // Проблемы недропользования: Междунар. научно-практ. конф., 21-23 апреля 2010 г.: Сборник научных трудов. Санкт-Петербург. Часть II. 2010. С. 121-123.

4. Dreybrodt, W. (1993), «A model of karstification in the vicinity of hydraulic structures. Hy-drogeological processes in karst terrains (Proceedings of the Antalya Symposium

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

выщелачивания известняков варьирует от 110-5до 210-4 г/см2-сут и зависит от ионного состава смесей. Повышенные концентрации хлоридов и сульфатов магния и натрия в растворах интенсифицируют растворение соли, а общие с CaCO3 ионы понижают ее растворимость. Выполнена качественная оценка насыщения модельных смесей карбонатом кальция, которая позволила установить прямую линейную зависимость интенсивности выщелачивания ионов Ca2+ от карбонатной агрессивности вод. Установлено, что скорость увеличения пористости известняка в условиях миграции шахтных вод достигает порядка 10-4 1/сут, при этом скорость расширения трещин составляет 10-7 м/сут.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

and Field Seminar, October 1990)», International Association of Hydrological Sciences Publication, Vol. 207, pp. 33-44.

5. Мохонько В.И. Исследование причин активизации карстовых процессов в мело-мергельных породах маастрихта северо-западного Донбасса / В.И. Мохонько, А.В. Суворин, А.В. Чепижко // Экология окружающей среды и безопасность жизнедеятельности. 2006. № 2. С. 17-22.

6. Palmer A.N., Palmer M.V. (1999), «Patterns of dissolution porosity in carbonate rocks. Karst modeling», Karst Waters Institute Special Publication, Vol. 5, pp. 71-78.

7. Осложнения в нефтедобыче / [Ибрагимов Н.Г., Хафизов А.Р., Шайдаков В.В. и др.]; под ред. Ибрагимова Н.Г., Ишемгужина Е.И. Уфа: Изд-во Монография, 2003. 302 с. [ГШ

Перкова Татьяна Ивановна - ассистент кафедры, e-mail: ti86@i.ua,

Рудаков Дмитрий Викторович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, e-mail: dmi3rud@mail.ru,

кафедра гидрогеологии и инженерной геологии, Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет», ГВУЗ «НГУ» г. Днепропетровск, Украина.

UDC 622.516:556.388

ANTIMONY ORES OF EASTERN ZABAIKAL REGION PERSPECTIVE DEVELOPMENT WITH RADIOMETRIC ORE PREPARATION AND HEAP LEACHING METHODS

Perkova T.I., Assistant of Chair, e-mail: ti86@i.ua,

Rudakov D.V., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, e-mail: dmi3rud@mail.ru, State Higher Educational Institution «National Mining University», Dnepropetrovsk, Ukraine.

A range of laboratory investigations and analytical modeling have been performed. Experiments on dissolving of limestone specimens in different chemistry and ionic strength solutions produced quantitative evaluation of calcium leaching kinetics. The qualitative assessment of calcium carbonate-saturated model mixtures yielded degree of a mixture aggressivity to cavern limestone. Analytic surveys found ranges of leaching parameters for carbonaceous rocks, which allows higher reliable forecasting of brain migration in limestone in the influence zones of water sedimentation at mining-and-processing plants.

Key words: gathering pond, mine water, migration, mining-induced karst, dissolving kinetics, saturation index, permeability.

REFERENCES

1. Lehov A.V. Fiziko-himicheskaja gidrogeodinamika: uchebnik (Physicochemical hydrogeodynamics: Textbook), Moscow, KDU, 2010, 500 p.

2. Gvozdeckij N.A. Problemy izuchenija karsta i praktika (Karst investigation problems and practice), Moscow, Mysl', 1972, 392 p.

3. Perkova T.I. Modelirovanie fil'tracii rassolov v zone vlijanija nakopitelej rudnichnyh vod (na primere Krivbassa) Problemy nedropol'zovanija: Mezhdunar. nauchno-prakt. konf., 21-23 aprelja 2010 g.: Sbornik nauchnyh trudov (Modeling brain filtration in the influence zones of mine water storage lagoons (in terms of the Krivoi Rog Iron-Ore Basin). Proceedings of International Conference on Problems in Management of Mineral Resources, April 21-23, 2010), Saint-Petersburg, Part II, 2010, pp. 121-123.

4. Dreybrodt, W. (1993), «A model of karstification in the vicinity of hydraulic structures. Hy-drogeological processes in karst terrains (Proceedings of the Antalya Symposium and Field Seminar, October 1990)», International Association of Hydrological Sciences Publication, Vol. 207, pp. 33-44.

5. Mohon'ko V.I. Jekologija okruzhajushhej sredy i bezopasnost' zhiznedejatel'nosti, 2006, no 2, pp. 17-22.

6. Palmer A.N., Palmer M.V. (1999), «Patterns of dissolution porosity in carbonate rocks. Karst modeling», Karst Waters Institute Special Publication, Vol. 5, pp. 71-78.

7. Ibragimov N.G., Hafizov A.R., Shajdakov V.V. Oslozhnenija v neftedobyche (Oil production hazards), Ufa, Izdatel'stvo Monografija, 2003, 302 p.

A