Применения геофильтрационного моделирования при отработке карьеров Кременчугской магнитной аномалии

© Ю.И. Волков, Т.В. Жданова, 2015

УДК 556.3:622.23

Ю.И. Волков, Т.В. Жданова

ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ КАРЬЕРОВ КРЕМЕНЧУГСКОЙ МАГНИТНОЙ АНОМАЛИИ

Гидрогеологические расчеты методом математического моделирования широко применяются на различных этапах освоения месторождений полезных ископаемых. В настоящей статье рассматривается ряд гидрогеологических задач, которые решаются на постоянно действующих математических моделях, созданных в рамках программного комплекса ОМБ. Описаны решаемые задачи применительно к карьеру с полувековой историей развития («ОАО Полтавский ГОК»). Рассмотрены вопросы гидрогеологического сопровождения работы системы осушения на строящемся карьере («ООО Еристов-ский ГОК»). Приводится типовой алгоритм расчёта системы осушения на примере проектируемого карьера «ООО Белановский ГОК». Ключевые слова: гидрогеологическое моделирование, водоносный горизонт, система осушения карьера, водопонижающая скважина.

Кременчугский железорудный район расположен на левом берегу реки Днепр. Территориально представляет собой меридиональную полосу (длиной до 45 км и шириной 0,2— 3,5 км) железных руд, расположенных на глубине от десятка метров до 500 и более метров. В железорудной полосе условно выделяются 9 месторождений.

С 1964 года карьером ОАО «Полтавский ГОК» отрабатываются самые южные: Горишне-Плавнинское и Ёавриковское месторождения. В 2008 году карьером ООО «Еристовский ГОК» вскрыто Еристовское месторождение и с 2012 года на нем ведется добыча руды. В 2016 году намечается вскрытие Белановского месторождения. Освоение северной части месторождений Кременчугской аномалии ввиду сложности отработки и конъектуры рынка в ближайшие годы не предусматривается.

Вопросы, связанные с обводнением карьеров Кременчугского железорудного района (прогноз притоков подземных вод, разработка или оптимизация системы осушения, оценки влияния на окружающую среду и т.д.), решаются методом математического моделирования с использованием программного комплекса вМБ. Для месторождений созданы постоянно действующие гидрогеологические модели.

Месторождения Кременчугского железорудного района в гидрогеологическом отношении приурочены к дислоцированному комплексу пород, в кровле которых залегают переслаивающиеся, неустойчивые, обводненные песчано-глинистые отложения. Стратиграфической особенностью является погружение кристаллического фундамента и увеличение мощности песчано-глинистых отложений в северном направлении.

В пределах района сверху вниз выделяются:

1 - четвертичный водоносный горизонт, сложенный в основном мелкозернистыми - среднезернистыми песками (О);

2 - относительно водоупорная алевролито-глинистаая толща харьковской свиты палеогена (РЭЬг);

3 - харьковский водоносный горизонт, сложенный песчаником и мелкозернистыми песками (Р3Ьг);

4 - водоупорные мергели киевской свиты (Р2ку);

5 - бучакский водоносный горизонт, сложенный мелко- и среднезернистыми песками бучакской свиты палеогена (Р2Ьс);

6 - чередование водоупорных и водоносных песчано-глинистых триасовых и юрских отложений (Т+Л, присутствуют в северной части);

7 - водоносный горизонт верхней трещиноватой зоны кристаллических пород докембрия.

1. Горишне-Плавнинское-Лавриковское месторождения

Горишне-Плавнинское и Ёавриковское месторождения наиболее простые в горно-геологическом и гидрогеологическом отношении, что связано со сравнительно небольшой мощностью обводненных вскрышных отложений и быстрым затуханием трещи-новатости кристаллических пород с глубиной.

На протяжении длительного периода времени карьер развивался в рамках своих контуров, что способствовало формированию стабильных среднегодовых притоков воды в карьерный водоотлив - от 1110 до 1300 м3/час.

Притоки подземных вод в карьер формируются за счет разгрузки четвертичного, харьковского, бучакского водоносных горизонтов и верхней трещиноватой толщи кристаллических пород докембрия. Основной приток, до 72 %, поступает с четвертичного водоносного горизонта. На долю харьковских песчаников, бу-чакских песков и трещиноватых кристаллических пород приходится, соответственно, около 8, 13 и 7 %.

Дренажные мероприятия в контуре карьера состоят из водосборных канав на предохранительных бермах и вдоль автодорог.

Откачка подземных вод и атмосферных осадков в карьере осуществляется насосными станциями открытого типа. Кроме того, в карьере эксплуатируется подземный водоотливный комплекс. Сброс карьерных вод производится в шламохранилище. Карьер отрабатывается более 50 лет, и за это время вокруг него сложился квазистационарный режим фильтрации с незначительным снижением уровня подземных вод на всей территории.

Для карьера ОАО «Полтавский ГОК» и прилегающей территории разработана региональная геофильтрационная модель района, где отражены условия формирования режима и притока подземных вод в карьер. В рамках региональной модели построены локальные модели, на которых:

• Дан прогноз притоков подземных вод в карьер до конца его отработки.

Согласно модельных расчетов, при дальнейшем углублении и укручении бортов карьера, увеличении его площади до проектных контуров в северном направлении притоки подземных вод увеличатся на 10-20 % (таблица 1).

• Выполнен анализ эффективности работы новых дренажных устройств северного участка карьера.

Для снижения напоров в прибортовом массиве и уменьшения разгрузки подземных вод на северном участке карьера ОАО «Полтавский ГОК» пробурены 4 водопонижающих скважины на четвертичный (ВПС-О) и 4 скважины (ВПС-Ьс) на бучакский водоносные горизонты. Расстояние от скважин до контура карьера на начало водопонижения составило от 650 до 950 м. Расстояние между скважинами около 100 м. Фактический суммарный дебит ВПС-0 — 115 м3/час, и ВПС-Ьс — 75 м3/час.

Таблица 1

Притоки подземных вод в карьер ОАО «Полтавский ГОК»

Название водоносного горизонта (комплекса) Водоприток, м3/ч

2012* 2015 г.** 2021 г.** Конец отработки

Четвертичный +Харьковский 865 880 885 815

Бучакский 120 235 190 200

Кристаллических пород 75 120 125 120

X 1030 1235 1200 1135

Примечания. * - фактический, ** - конец года.

Рис. 1 Схема формирования депрессионной воронки при работе ВПС

Согласно расчетам на первый год водопо-нижения, эффективность работы скважин низкая. Скважины нахо-

дятся на значительном расстоянии от защищаемого участка борта карьера. Поэтому подземный поток огибает созданную скважинами депрессию и продолжает разгружаться на борту карьера. Притоки подземных вод снижаются только на 4-8 %. По мере продвижения карьера в северном направлении расстояние от водопонижающего контура до борта карьера уменьшается до 60-190 м, и увеличивается степень перехвата подземных вод до 48 % в четвертичном и до 27 % - в бучакском водоносном горизонте. Схема формирования депрессионной воронки при работе скважин приведена на рис. 1.

Однако, для существенного изменения гидродинамической ситуации на борту карьера рекомендуется нарастить контур водопониже-ния. Согласно выполненным расчетам, работа водопонижающего контура, состоящего из 11 ВПС^ и 11 ВПС-Ьс, снижает притоки подземных вод на 68-80 %, тем самым уменьшая выход подземных вод на уступы карьера и увеличивая устойчивость прибортового массива.

Выполненные расчеты позволяют сделать вывод:

• дальнейшая отработка карьера сопровождается увеличением притока подземных вод на 10-20 % за счет наращивания его площади в северном направлении;

• углубление карьера до проектных отметок не приводит к увеличению притоков подземных вод;

• на северо-восточном борту карьера ОАО «Полтавский ГОК» необходимо оптимизировать систему осушения путем наращивания водопонижающих скважин.

2. Еристовское месторождение

Еристовское месторождение вскрыто в 2 км на север от карьера ОАО «Полтавский ГОК». Согласно проекту, на конечных кон-

Расстояние 750-950м Расстояние 650-950м Расстояние 60-190м

Приток не снижается Приток снижается на 8% Приток снижается на 48%

Бучакский водоносный горизонт

Расстояние 750-950м Расстояние 650-950м Расстояние 60-190м

Приток не снижается Приток снижается на 4% Приток снижается на 27%

турах расстояние между карьерами ООО «Еристовский ГОК» и ОАО «Полтавский ГОК» составит около 450 м при глубине 500 и 600 м соответственно.

Для карьера ООО «Еристовский ГОК» с помощью моделирования разработана система осушения на все этапы его развития, определены прогнозные притоки в систему осушения, скорость развития депрессионной воронки вокруг карьера и дан прогноз изменения минерализации дренажных вод во времени. Для этого построена гидрогеологическая модель, на которой имитирован процесс развития карьера ООО «Еристовский ГОК», северной части карьера ОАО «Полтавский ГОК» и работа различных вариантов (по составу и времени) схем защиты карьера.

По состоянию на октябрь 2015 года реализовано 2 этапа системы осушения карьера, рассчитанных методом математического моделирования.

• Первый этап осушения карьера реализован с 2008 по 2012 годы. На первом этапе система осушения карьера включала внешний и внутренний дренажные контуры. Внешний контур представлен ВПС, расположенными вдоль промежуточного контура карьера. Пятьдесят одна скважина оборудована на четвертичный (ВПС-О) и пятьдесят скважин на бучакский (ВПС-Ьс) водоносные горизонты. Расстояние между скважинами - 100 м, дебит одной скважины - 30 м3/час. Внутренний контур представлен горизонтальными дренами и карьерным водоотливом. Глубина дрен с поверхности более 20 м, протяженность — 650-700 м. Сброс дренажных вод осуществлялся в обводной канал. Схема первого этапа осушения карьера приведена на рисунке 2.

На конец первого этапа осушения карьера общий объем откачиваемых подземных и поверхностных вод составил около 2400 м3/час. Система ВПС откачивала на разных временных отрезках

ВПС

Рис. 2. Схема первого этапа осушения карьера

от 45 до 70 % от общего количества дренажных вод. Под защитой дренажных устройств были завершены вскрышные работы в центральной части карьера и на глубине 60 м от поверхности добыта первая руда.

Следует отметить, что добыча руды была начата на полгода раньше, чем предусмотрено начальными планами ведения горных работ. Корректировка проекта привела к необходимости максимального ускорения процесса осушения внутри карьера. Поэтому задача моделирования на этот период заключалась рассчитать в режиме «on line» минимальное количество ВПС- be, достаточное для осушения центральной части карьера, и определить их оптимальное месторасположение внутри карьера. В результате расчетов, многочисленных корректировок и согласований были пробурены 4 внут-рикарьерных ВПС на бучакский водоносный горизонт, что позволило интенсифицировать процесс осушения и существенно уменьшить напор водоносного горизонта при вскрытии рудной залежи.

• Второй этап осушения карьера реализуется с конца 2012 года по настоящее время согласно расчетной схеме. В существующую систему осушения добавлены пробуренные ВПС вдоль нового промежуточного северного контура карьера, и ведется откачка воды с горизонтальных внутрикарьерных дрен северной части карьера и карьерного водоотлива.

На 2015 год внешний дренажный контур карьера ООО «Ери-стовский ГОК» состоит из сорока ВПС-Q и шестидесяти пяти ВПС-be. Фактически, по разным причинам, откачивают воду 80 % скважин. Общий объем откачиваемых подземных и поверхностных вод составляет порядка 2380 м3/час. Из них половина приходится на внешний дренажный контур, остальная часть, вместе с атмосферными осадками, через систему внутрикарьерных дрен поступает в зумпфы карьерного водоотлива и откачивается за пределы карьера. Схема второго этапа осушения карьера приведена на рис. 3.

Рис. 3 Схема второго этапа осушения карьера

Интенсивная откачка подземных вод на Еристовском месторождении в течение восьми лет сопровождается снижением уровня подземных вод вокруг карьера и на прилегающей территории. В настоящее время радиус депрессионной воронки составляет около 5 км.

• Третий этап осушения карьера планируется начать с 2016 года. На этом этапе закладываются постоянные ВПС вдоль конечного контура карьера. Выполненные предварительные расчеты свидетельствуют о снижении притока подземных вод в карьер на его конечных контурах до 1400 м3/час.

Для уточнения фильтрационных свойств водовмещающих пород по контуру заложения постоянных ВПС в настоящее время ведутся опытно-фильтрационные работы. Полученные результаты планируется использовать при модельных расчётах технологических параметров конечного контура системы осушения карьера ОАО «Еристовский ГОК».

Выполненные работы позволяют сделать вывод: гидрогеологические расчеты на базе постоянно-действующей модели Ери-стовского месторождения целесообразно сопровождать весь период строительства карьера ОАО «Еристовский ГОК».

3. Белановское месторождение

Для разработки Белановского месторождения создан «Бела-новский ГОК». Предполагается, что в 2016 году начнется вскрытие месторождения. Период вскрытия — 6 лет. Скорость углубления карьера 45 м/год. Высота уступов 15 м. Площадь вскрываемого участка по поверхности 1,2 км2.

В настоящее время участок вскрытия Белановского месторождения попадает в зону влияния карьера ООО «Еристовский ГОК». Поэтому при обосновании площади моделирования учитывался максимальный радиус развития депрессионных воронок от двух карьеров, и расчет системы осушения Белановского месторождения проводился с учетом развития карьера ООО «Еристовский ГОК».

На примере Белановского месторождения приводится типовой алгоритм расчета системы осушения карьера методом математического моделирования.

Разработка системы защиты от подземных вод строящегося карьера предполагает следующий алгоритм расчётов:

1 - определение прогнозных притоков подземных вод в карьер;

2 - обоснование необходимости дренажных мероприятий;

3 - выбор способа защиты карьера;

4 — расчёт основных параметров системы осушения карьера.

Таблица 2

Приток подземных вод в карьер

Время Приток подземных вод на конец года, м3/час Общин

вскры- Четвертич- Харьков- Бучак- Трещиноватая приток, м3/час

тия, год ный в. г. скин в. г. скин в. г. зона кристаллических пород

1 200 - - - 200

2 560 - - - 560

3 350 40 - - 390

4 300 100 - - 400

5 200 85 40 110 435

6 170 90 10 140 410

1. Согласно выполненным расчетам, приток подземных вод в проектируемый карьер «ООО Белановский ГОК» на период вскрытия не превышает 560 м3/час. Основной приток подземных вод на всех этапах приходится на верхний, четвертичный, водоносный горизонт (табл. 2).

2. Рациональные пределы дренажа карьерного поля при модельных расчетах устанавливались, исходя из допустимых удельных притоков подземных вод на борт карьера, при которых горно-геологические явления не осложняют ведение горных работ. Допустимый удельный приток грунтовых вод на борт карьера ООО «Белановский ГОК», сложенный мелкозе3рнистыми четвертичными песками, не должен превышать 0,05 м /час на 1 м откоса. По данным моделирования, первые четыре года вскрытия месторождения удельные притоки грунтовых вод с четвертичного водоносного горизонта на борт карьера существенно выше предельно допустимых значений (табл. 3).

Таблица 3

Расчётные удельные притоки подземных вод с четвертичного водоносного горизонта

Время Допустимын Длина об- Расчётнын Расчётнын

вскрытия, удельнын приток, м3/час на 1 м откоса ласти раз- приток, 3 . * м /час удельнын приток, м3/час на 1 м откоса

год грузки, м

1 0,05 750 200 0,27

2 0,05 3000 560 0,19

3 0,05 3000 350 0,12

4 0,05 3800 300 0,08

5 0,05 3900 200 0,05

6 0,05 3900 170 0,04

Примечание. - приток подземных вод на конец года.

Вскрываемые карьером нижележащие Харьковский и Бучак-ский водоносные горизонты сложены, соответственно, сцементированными устойчивыми песчаниками и средне-крупнозернистыми песками. Харьковский водоносный горизонт полностью устойчивый к фильтрационным деформациям, Бучакский - обладает небольшим удельным притоком, в 5-10 раз меньше предельно допустимых значений. Следовательно, специальные дренажные мероприятия по контуру карьера на период его вскрытия необходимы только для верхнего четвертичного водоносного горизонта.

3. Дренажные системы на бортах карьера выбираются применительно к выделенной категории сложности месторождений. Гидрогеологические условия Белановского месторождения относятся к III категории сложности: дислоцированный комплекс пород, в кровле которых залегают переслаивающиеся, неустойчивые, обводнённые песчано-глинистые отложения.

Согласно категории сложности и местным условиям, в качестве дренажных мероприятий для четвертичных песков целесообразно использовать ВПС, расположенные по контуру карьера. Особенностью работы такого дренажа является снижение уровня грунтовых вод по линии заложения скважин за счёт откачки, и, как следствие, уменьшение разгрузки грунтовых вод в карьер вблизи их подошвы. При этом полный перехват грунтового потока при горизонтальном водоупоре водоносного горизонта принципиально невозможен, и задача дренажа заключается в обеспечении условий, при которых на откос карьера разгружается фильтрационный поток, допустимый с точки зрения устойчивости откоса.

Для интенсификации процесса водопонижения целесообразно применять дополнительные внутрикарьерные устройства -опережающие дренажные траншеи. На участках выхода подземных вод на борта карьеров в основании уступов закладываются неглубокие канавы. Вода по канавам поступает в карьерный водоотлив и откачивается за пределы карьера. В местах высачива-ния подземных вод осуществляется дренажная пригрузка откосов.

4. Обоснование основных параметров системы осушения карьера заключается в расчете режима эксплуатации ВПС, расстояния между скважинами, количества и времени ввода в эксплуатацию скважин начального контура и контура наращивания, количества и времени сооружения горизонтальных дрен. На этом этапе моделируется несколько вариантов по каждому расчетному элементу системы осушения и выбирается оптимальный результат на все периоды вскрытия месторождения. В результате принята система осушения, состоящая из ВПС и дрен, которые заклады-

ваются параллельно с началом строительства карьера и наращиваются опережающими темпами за один гол до продвижения карьера в южном направлении. Полная схема системы осушения карьера на период вскрытия Белановского месторождения приведена на рис. 4.

Согласно прогнозным расчетам, реализация дренажных мероприятий позволит снизить притоки грунтовых вод на борт карьера ниже предельно допустимых значений на всех этапах вскрытия Белановского месторождения. Приток подземных вод при реализации дренажных мероприятий приведен в табл. 4.

Таблица 4

Общий приток подземных вод

Время Приток подземных вод на конец года, м3/час

вскры В ВПС и Проскок на Харьков- Бучак- Трещинова- Об-

тия, дрены с борт карь- скии в. г. скии в. г. тая зона щии

год четвертич- ера с чет- кристалли- при-

ного в. г. вертичного в. г. ческих пород ток

1 680 - - - - 680

2 390 130 - - - 520

3 405 85 40 - - 530

4 255 105 100 - - 460

5 190 95 85 40 110 520

6 160 75 90 10 140 475

Рис. 4. Схема осушения карьера ООО «Белановский ГОК» на период вскрытия месторождения

Рис. 5. Уровень грунтовых вод на конец вскрытия Бе-лановского месторождения

Вскрытие Белановско-го месторождения сопровождается формированием депрессионной воронки вокруг карьера радиусом до 1,3 км, которая будет развиваться при дальнейшем наращивании горных работ. Распределение уровней грунтовых вод на конец вскрытия Беланов-ского месторождения приведено на рис. 5.

Выполненные модельные расчеты используются для проектирования системы осушения карьера на период вскрытия Белановского месторождения.

Общая региональная депрессионная воронка вокруг карьеров ООО «Белановский ГОК» — ОАО «Полтавский ГОК» с квазистационарным режимом фильтрации будет сформирована только при выходе карьеров на конечные контуры.

Выполненное моделирование убедительно показало, что на стадии проектирования карьера геофильтрационная модель в наибольшей степени соответствует концептуальной и позволяет создать оптимальный вариант системы осушения как основу для её дальнейшего развития. На стадии строительства карьера модель в наибольшей степени адаптируется к технологии ведения вскрыши и обеспечения безопасных и экономически целесообразных темпов углубления горных работ для первоочередной добычи полезного ископаемого. На стадии длительной эксплуатации карьера геофильтрационная модель усложняется в силу необходимости решения детальных задач на отдельных участках бортов, что обеспечивается рациональным симбиозом региональной и системы локальных моделей, охватывающих весь спектр задач по развитию горнодобывающего и обогатительного производства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пособие по проектированию защиты горных выработок от подземных и поверхностных вод и водопонижение при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений (к СНиП 2.06.14-85 и СНиП 2.02.01-83).

2. Жданова Т.В. Применения математического моделирования при освоении Горишне-Плавнинского и Лавриковского месторождений Кременчугской магнитной аномалии. Материалы 13-го международного симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» Белгород, 2015г. С. 60-70. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Волков Юрий Иванович - кандидат технических наук, директор, viogem@mail.belgorod.ru,

Жданова Таиса Викторовна - старший научный сотрудник, ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике, геологии и маркшейдерскому делу» (ОАО ВИОГЕМ),

UDC 556.3:622.23

APPLICATION OF GEOFILTRATION MODELING WHEN DEVELOPING OPEN-PITS OF THE KREMENCHUG MAGNETIC ANOMALY

Volkov J.I., general director, Ph.D. (Eng.), Open joint-stock company «VIOGEM», Russia, Gdanova_TV@viogem-sp.ru,

Zhdanova T.V., senior researcher, Open joint-stock company «VIOGEM», Belgorod, Russia.

Hydrogeological calculations through mathematical modeling methods are widely applied at different stages of mineral deposits development. The paper observes some hydrogeological tasks which are solved through constantly acting mathematical models designed within GMS software. The tasks have been described for an open-pit with 50-year mining history (OJSC Poltavskiy GOK). The issues have been examined of hydrogeological maintenance of a drainage system for the open-pit being under construction (OJSC Eristovskiy GOK). A typical calculation algorithm for a drainage system is presented on a case study of an open-pit under design (OJSC Belanonvskiy GOK).

Key words: hydrogeological modeling, water-bearing level, open-pit's drainage system, dewatering borehole

REFERENCES

1. Posobie po proektirovaniju zashhity gornyh vyrabotok ot podzemnyh i poverhnostnyh vod i vodoponizhenie pri stroitel'stve i jekspluatacii zdanij i sooruzhenij (k SNiP 2.06.14-85 i SNiP 2.02.01-83).

2. Zhdanova T. V. Primenenija matematicheskogo modelirovanija pri osvoenii Gorishne-Plavninskogo i Lavrikovskogo mestorozhdenij Kremenchugskoj magnitnoj anomalii (Application of mathematical modeling in the development Gorishne-Plavninskoe and Lavrikovskoe deposits of Kremenchug magnetic anomaly). Materialy 13-go mezhdunarodnogo simpoziuma «Osvoenie mestorozhdenij mineral'nyh resursov i podzemnoe stroitel'stvo v slozhnyh gidrogeologicheskih uslovijah» Belgorod, 2015, pp. 60-70.