Прогноз условий формирования водопритоков в горные выработки и оптимизация систем осушения при разработке месторождений полиметаллических руд

к. г.-м. н., доцент
И. Г.Кирьякова

Вклад в развитие методики обоснования рациональных систем осушения внесли С.К.Абрамов, О.Б.Скиргелло, А.С.Белицкий, Д.Д.Беляев, Г.И.Пастухов, С.В.Троянский, А.И.Чекин и др. В развитии теории и методики численного моделирования в горнопромышленной гидрогеологии несомненны заслуги В.А.Мироненко, В.М.Шестакова, И.Е.Жернова, И.К.Гавич, Ф.П.Стрельского, Ю.И.Кутепова, И.Б.Петровой, В.В.Антонова, Е.А.Ломакина и др.; изучению техногенного режима подземных вод при эксплуатации горнодобывающих предприятий посвящены многочисленные работы Ю.А.Норватова.

В Рудном Алтае накоплен большой опыт разработки месторождений полиметаллических руд в гидрогеологических условиях различной степени сложности. Обобщение и анализ большого количества материалов, полученных в результате работы геологоразведочных и горнодобывающих предприятий района, использование численных геофильтрационных моделей позволяет типизировать и оптимизировать способы осушения карьерных и шахтных полей при освоении перспективных, а так же более глубоких горизонтов и флангов уже отрабатываемых месторождений.

Цель работы. Оптимизация систем осушения на эксплуатируемых и перспективных месторождениях Лениногорского района Рудного Алтая для повышения технико-экономической эффективности их разработки.

Основные задачи исследований: 1) Выявление закономерностей формирования водопритоков в горные выработки на горно-добывающих предприятиях Лениногорского района с учетом влияния природных и техногенных факторов; 2) типизация месторождений Лениногорского по гидрогеологическим условиям разработки с использованием геологоструктурных и гидрогеологических принципов; 3) разработка гидрогеологических, геомеханических и технологических критериев оптимизации осушения месторождений Лениногорского района; 4) определение эффективных методов прогноза водопритоков в горные выработки; 5) обоснование оптимальных способов осушения месторождений.

Основные методы исследований. Теоретические исследования динамики развития природных и природно-техногенных гидрогеологических процессов; типизация гидрогеологических условий; научно-практический анализ влияния специфики геологической и гидрогеологической обстановки на условия освоения месторождений; применение математического моделирования для имитации геофильтрационных процессов с целью расчетов и обработки результатов исследований.

Научная новизна работы.

• 
  Предложена типизация полиметаллических месторождений района и их участков по гидрогеологическим условиям разработки.
  
• 
  Установлены основные закономерности влияния применяемых горно-технологических систем на степень и характер изменения гидрогеологических условий разработки месторождений Лениногорского района.
  
• 
  Определены критерии целесообразности осушения руд и вмещающих пород на месторождениях Лениногорского района.
  

1. В качестве типизационных критериев оценки сложности гидрогеологических условий освоения месторождений Лениногорского района предложено использовать следующие: особенности геологического строения, фильтрационная неоднородность, преобладающий механизм формирования водопритоков и применяемые способ и система разработки.

2. Для прогноза водопритоков в горные выработки типизация месторождений Лениногорского района позволяет в простых и средней сложности гидрогеологических условиях использовать метод гидрогеологической аналогии при существенной минимизации разведочных работ. Однако на участках месторождений со сложными гидрогеологическим условиями разработки прогноз водопритоков необходимо выполнять на численной геофильтрационной модели с использованием типизационных критериев для схематизации гидрогеологических условий.

3. Специальные способы осушения водонасыщенного массива целесообразно применять только при условии вскрытия аллювиальных отложений в долинах реки открытыми горными выработками или зоной техногенной трещиноватости над подземными выработками, образовавшейся вследствие применения систем отработки с обрушением кровли.

На основе выявленных геолого-структурных и гидрогеологических признаков разработана типизация полиметаллических месторождений района по степени сложности гидрогеологических условий разработки.

Выполнен прогноз водопритоков в горные выработки и произведено их сравнение с фактическими.

Разработаны численные геофильтрационные модели участков Риддер-Сокольного и Тишинского месторождений.

Произведена оценка изменения гидрогеологических условий разработки рудных месторождений при применении различных горно-технологических систем.

Определены оптимальные способы осушения карьерных и шахтных полей и их участков на месторождениях Лениногорского района.

• 
  На основе произведенной типизации месторождений Лениногорского района по гидрогеологическим условиям отработки предложены рациональные по затратам способы прогноза водопритоков в горные выработки и системы осушения для разрабатываемых (Тишинское, Риддер-Сокольное, Шубинское) и подлежащих разработке (Чекмарь, Ново-Лениногорское, Долинное и Обручевское) месторождений.
  
• 
  Дан прогноз водопритоков к горным выработкам месторождений Чекмарь, Ново-Лениногорское, Долинное и Обручевское.
  
• 
  Разработаны геофильтрационные модели формирования рудничных водопритоков для участков Риддер-Сокольного и Тишинского месторождений.
  
• 
  Дана оценка влияния применяемых горных систем разработки на изменение гидрогеологических условий месторождений.
  
• 
  Обоснована нецелесообразность применения специальных способов осушения метаморфических пород на месторождениях Тишинское и Шубинское.
  

Лениногорский район находится в северо-восточной части Рудного Алтая, в краевой зоне Зайсанской складчатой системы (прил. 1 и 2). Месторождения локализуются в 3-х рудоносных структурах: пологолежащих толщах Лениногорской грабен-синклинали (Риддер-Сокольное с 13 крупными рудными залежами, Ново-Лениногорское, Долинное и Обручевское) и расположенных на ее периферии крутопадающих зонах смятия – Кедровско-Бутачихинской (Тишинское) и Успенско-Карелинской (Шубинское и Чекмарь). Руды имеют гидротермальное происхождение.

Гидрогеологические условия проведения горных работ на месторождениях района и их отдельных участках существенно различаются в связи с особенностями геологического строения. Анализ гидрогеологической сложности промышленного освоения месторождений (в целом и участков) возможен на основе их типизации по признакам, указанным в табл. 1.

Таблица 1. Типизационные гидрогеологические признаки месторождений Лениногорского рудного района

По гидрогеологическому строению месторождения относятся к 2 видам: лениногорского (разрабатываемое Риддер-Сокольное и перспективные - Долинное, Обручевское, Ново-Лениногорское) и тишинского (разрабатываемые Тишинское, Шубинское и перспективное - Чекмарь).

На рис. 2 и 3 приведены гидрогеологические схемы месторождений лениногорского и тишинского видов, соответственно. На разрезах указаны средние значения фильтрационных параметров основных гидрогеологических структур, участвующих в формировании водопритоков в горные выработки.

Приведенные в табл. 1 признаки положены в основу типизации месторождений Лениногорского рудного района по степени сложности гидрогеологических условий их отработки (см. табл. 2).

Типизация не носит применимый для всех случаев характер, в ее основу положены природно-техногенные факторы, свойственные для рассматриваемых в работе месторождений.

Все месторождения района разделены на три типа: с простыми, средней сложности и сложными гидрогеологическими условиями. Каждому из них соответствует принципиальная схема формирования водопритоков и оптимальная система дренажа.

На месторождениях лениногорского вида при разработке карьеров или при образовании зон техногенной трещиноватости от ведения добычных шахтных работ системами с обрушением кровли изменяется вертикальная проницаемость массива, происходит интенсификация взаимосвязи подземных вод аллювиальных отложений с выработанным пространством, увеличивается инфильтрация атмосферных осадков. Водопритоки к этим участкам усложняют ведение горных работ, особенно при вскрытии водоносного комплекса, приуроченного к аллювиальным гравийно-галечниковым отложениям. Поэтому, на месторождениях лениногорского вида уровень сложности гидрогеологических условий зависит, прежде всего, от принятой системы разработки, которая определяет техногенную фильтрационную неоднородности нарушенного массива и условия формирования водопритоков в горные выработки.

Рисунок 2. Строение месторождений лениногорского вида в плане и разрезе на примере Риддер-Сокольного месторождения.

Наиболее важной гидрогеологической особенностью месторождений тишинского вида является наличие зоны гидротермально-измененных рудовмещающих пород (серицито-хлорито-кварцевых сланцев, алевролитов, алевропелитов) мощностью от 50 м до 300 м. Плановая фильтрационная неоднородность массива обусловливает формирование высоких водопритоков к горным выработкам, пройденым за пределами указанной зоны, за счет привлекаемых ресурсов четвертичного водоносного комплекса, гидравлически связанного с рекой. Поэтому в качестве основного типизационного критерия определен преобладающий источник формирования водопритоков в выработанное пространство, который зависит от расположения горных выработок относительно границы зоны метаморфизма.

Рисунок 3. Строение месторождений тишинского вида в плане и разрезе на примере Тишинского месторождения.

Таблица 2. Типизация месторождений по степени сложности гидрогеологических условий их отработки

Степень сложности	Набор типизационных признаков (из табл. 1)				Водопритоки в горные выработки (мин. – макс), м3/ч	Месторождения и их локальные участки
	1	2	3	4
простая	I	Б	2	а	12-194	Долинное, Обручевское, Ново-Лениногорское, Риддер-Сокольное: Заводская, 2-я Риддерская, Новая, Быструшинская, Северо-Восточная залежи
	II	Б	2 3	а	14-140	Шубинское, Тишинское: центральный участок
средняя	I	Б	1 2	б	120-307	Риддер - Сокольное: Перспективная, Победа, 3-я Юго-Западная залежи
	II	А Б	1 2 4	а	150-375	Чекмарь, Тишинское: северо-восточный и южный участки
сложная	I	А Б	1 2	в	187-1410	Риддер - Сокольное: Центральная, Риддерская, 1-я и 2-я Юго-Западные залежи. Карьер Риддер-Сокольного месторождения.
	II	А Б	1 3 4	в	450-700	Карьер Тишинского месторождения.

2. Для прогноза водопритоков в горные выработки типизация месторождений Лениногорского района позволяет в простых и средней сложности гидрогеологических условиях использовать метод гидрогеологической аналогии при существенной минимизации разведочных работ. Однако на участках месторождений со сложными гидрогеологическим условиями разработки прогноз водопритоков необходимо выполнять на численной геофильтрационной модели с использованием типизационных критериев для схематизации гидрогеологических условий.

Основной проблемой прогнозирования водопритоков в карьеры и шахты является тот факт, что на стадиях предварительной и детальной разведки месторождения изучается естественный и слабонарушенный режим подземных вод. В то же время именно на основе оценки гидрогеологических условий на стадии разведки в проекте принимаются основные решения по технологии вскрытия и эксплуатации месторождения, осушению шахтного и карьерного полей. На базе получаемой в ходе разработки месторождения гидрогеологической информации прогнозы подлежат корректировке.

В период проектирования вскрытия Тишинского, Риддер-Сокольного и Шубинского месторождений при прогнозе водопритоков к карьерам и подземным выработкам применялись гидродинамические расчеты, учитывающие фильтрационные параметры и условия питания дренируемых комплексов. В процессе освоения месторождений, с помощью решения обратных задач, были уточнены фильтрационные и емкостные параметры горного массива.

При идентичности гидрогеологических условий участков, на месторождениях района для прогноза водопритоков используются методы гидравлического и гидрогеологической аналогии с использование зависимостей вида , где S – понижение уровня подземных вод, F – площадь горных работ, q – удельный водоприток на единицу длины или площади выработок, К_В – коэффициент водообильности рудника. Они основаны на применении полученных опытным путем закономерностей, в которых учтены интегрированные показатели фильтрационных и емкостных характеристик горного массива. Результаты наблюдений за дренирующим влиянием горных выработок для массива пород информативнее точечных данных по нему, полученных в ходе разведочных опытно-фильтрационных исследований, особенно для зоны распространения трещинно-жильных вод, в которой ведутся горные работы на месторождениях района.

Рациональность применения указанных методов для месторождений и их участков, имеющих простые и средней сложности гидрогеологические условия разработки, согласно их типизации для Лениногорского района, подтверждено сравнением рассчитанных методами гидродинамическим и аналогии водопритоков с фактическими. В большинстве случаев разница не превышала 8-10% (табл. 3). Использование методов аналогии для прогноза водопритоков в горные выработки при развитии горных работ на эксплуатирующихся месторождениях по площади или на глубину позволило минимизировать дополнительные гидрогеологические разведочные работы. Аналогичный метод был использован при прогнозе водопритоков к горным выработкам перспективных месторождений.

Таблица 3. Прогнозные и фактические водопритоки к выработкам месторождений с простыми и средней сложности гидрогеологическими условиями

С помощью программы Visual Modflow 4.3 были построены две численные геофильтрационые модели для участков со сложными гидрогеологическими условиями – карьер на Тишинском (Тишинский карьер) и зона техногенной нарушенности массива на залежи Риддерская на Риддер-Сокольном месторождении. Основные характеристики моделей приведены в прил. 3.

В данных условиях гидрогеологическая схематизация определялась выделенными в табл. 1 типизационными критериями и требованиями к комплексным прогнозным оценкам, которые включают: определение прогнозных водопритоков к горным выработкам и анализ систем осушения месторождений.

Калибровка моделей заключалась в уточнении коэффициентов фильтрации аллювиального и водоносного комплекса, приуроченного к зоне распространения региональной трещиноватости, на основе данных об их уровенном режиме.

Впервые созданные численные геофильтрационные модели для месторождений Рудного Алтая были использованы для расчета водопритоков к горным выработкам. Анализ результатов расчетов водопритоков в горные выработки Риддер-Сокольного месторождения и карьеру Тишинского месторождения на модели (соответственно, 150 м³/ч и 509 м³/ч) в сравнении с фактическими (соответственно, 148 м³/ч и 500 м³/ч) показал эффективность применения моделирования при оценке водопритоков в сложных гидрогеологических условиях.

3. Специальные способы осушения водонасыщенного массива целесообразно применять только при условии вскрытия аллювиальных отложений в долинах реки открытыми горными выработками или зоной техногенной трещиноватости над подземными выработками, образовавшейся вследствие применения систем отработки с обрушением кровли.

При разработке месторождений Лениногорского района минимально использовались активные способы осушения. В основном применялся водоотлив из горных выработок и, частично, бурение из подземных горных выработок опережающих скважин. Большая часть проектировавшихся специальных дренажных мероприятий на шахтных полях не реализовывалась, а созданные на карьерах ряды водопонижающих скважин работали не рационально. Дальнейшая разработка месторождений в благоприятных гидрогеологических условиях подтвердила необоснованность проектных решений.

На месторождениях тишинского вида активные способы осушения, в виде заградительных рядов водопонизительных скважин, применялись при разработке рудного тела карьером, бортами которого был вскрыт аллювиальный водоносный горизонт. В данном случае задача по оптимизации системы осушения сводится к выбору оптимального количества скважин, их места расположения, глубин и дебитов. Для наиболее эффективного решения данной задачи необходимо применение численной геофильтрационной модели Тишинского месторождения. Для осушения четвертичного водоносного горизонта были построены ряды водопонижающих скважин (всего 35 скважин) с начальным суммарным дебитом 700 м³/ч (включены все скважины) и установившимся 110 м³/ч (в работе 9 скважин). Решение оптимизационной задачи с помощью имитации процесса осушения на модели показало, что требуемый дренажный эффект мог быть достигнут 15-18 скважинами.

Для эффективного решения вопроса осушения шахтного поля на месторождениях тишинского вида важно учитывать расположение горных выработок относительно границы зоны слабопроницаемых метаморфических пород. При необходимости проведения горных выработок за пределами этой зоны наиболее эффективным решением по осушению является календарное планирование, при котором необходимо учитывать возможность первоочередной проходки горной выработки на максимально возможной, на данном этапе разработки, глубине. Данная выработка кроме технологической, выполняет роль дренажной. В этом случае водопритоки к сооружаемым выше по разрезу горным выработкам будут сокращены до минимума. Такой порядок вскрытия был успешно апробирован на Тишинском месторождении.

В пределах зоны метаморфизма на месторождениях тишинского вида проницаемость пород и руд незначительная, суммарный водоприток в горные выработки протяженностью в несколько десятков километров оценивается в 90-150 м³/ч на Тишинском и 50-77 м³/ч на Шубинском месторождении. В данном случае гидрогеологические вопросы крайне важны не с позиции снижения водопритоков в горные выработки, а возможности обеспечения технологических критериев: улучшения условий транспортировки руды и породы, устойчивости рудовмещающих пород и руды в обнажениях горных выработок, обеспечение заданной влажности руды. Преобладание в рудовмещающих сланцах глинистых минералов позволяет предполагать о значительных запасах в рудовмещающем горном массиве гигроскопической и рыхлосвязанной воды. Влажность и условия транспортировки рудной и породной массы определяется количеством именно данного вида подземных вод и содержанием в горной массе глинистых частиц (d<0,04 мм). Влажность меньше 4%, обеспечивающая сыпучесть, может быть достигнута при содержании в породе глинистых части менее 2%, что невозможно, поскольку их фактическое содержание в породе около 9-10% и влажность 5,5-6,0%. Исследованиями по устойчивости руд и вмещающих пород в обнажениях горных выработок установлено снижение их прочных свойств в 1,5-3,0 и более раз при водонасыщении. Таким образом, улучшение гидрогеологических условий с целью обеспечения технологических критериев не может быть решено с помощью осушения горного массива. Поэтому на Тишинском руднике была изменена технология системы рудо- и породоспусков, камерная этажная (60 м) система разработки, которая не удовлетворяла критерию по устойчивости горных выработок, заменена на слоевую и камерную подэтажную (30 м) с закладкой выработанного пространства, оставлен водозащитный целик между 7 и 8 горными горизонтами.

На месторождениях лениногорского вида основным источником формирования водопритоков к горным выработкам является четвертичный водоносный комплекс аллювиальных отложений в долинах рек. Его разгрузка происходит либо непосредственно в борт отработанного карьера и зону техногенной трещиноватости при условии их выхода под аллювиальные отложения (75% от общего водопритока в горные выработки), либо дренируется горными выработками при наличии прямой гидравлической взаимосвязи.

Водопритоки в горные выработки, формирующиеся за счет разгрузки четвертичного водоносного горизонта в зоны техногенной трещиноватости, не создают проблем с их приемом и отводом. Влияние воды на устойчивость горных выработок, влажность и условия транспортирования руды и породы на месторождениях лениногорского вида минимально. В данном случае главной задачей осушения является предупреждение прорыва воды, скопившейся в пустотах зон техногенной трещиноватости, в действующие горные выработки. Наиболее значительный прорыв воды в выработки произошёл на Риддер-Сокольном месторождении: при стабильном водопритоке 50-90 м³/ч произошло его резкое увеличение до 578 м³/ч, через 5 часов он составил 317 м³/ч, через 12 - 220 м³/ч, а через сутки снизился до первоначальных величин. Опыт бурения скважин для обнаружения мест накапливания воды в зоне обрушения в условиях неопределенности и больших финансовых затрат показал низкую эффективность данного метода на месторождениях Лениногорского района. Эффективными мерами по снижению риска прорыва являются изоляции зоны техногенной трещиноватости от притока подземных вод из аллювиальных отложений с помощью заградительного скважинного дренажа и снижение величины инфильтрационного питания путем искусственной кольматации слабопроницаемой породой воронки выхода зоны деформации на земную поверхность.

С целью оценки эффективности дренажных мероприятий была использована численная геофильтрационная модель Риддерской залежи Риддер-Сокольного месторождения. Выбор оптимальных параметров дренажной системы был произведен путем «проигрывания» на модели множества вариантов и выбора из них наиболее технико-экономически оптимального. Расположенные по периметру этой зоны 7 водопонижающих скважин, оборудованных на аллювиальные отложения обеспечивают перехват 128 м³/ч, при снижении притока в зону обрушения на 92%.

Анализ систем осушения на месторождениях района показал возможность снижения затрат на их сооружение и эксплуатацию за счет применения относительно низкозатратных способов дренажа горного массива, а иногда оптимизации их параметров на математической модели.

На Риддер-Сокольном, Шубинском и Тишинском месторождениях доля затрат на осушение от общих эксплуатационных составляет 1,2-2,4%.

Опыт осушения месторождений Лениногорского рудного района был использован в разработке рекомендаций по осушениюперспективных месторождений района. Отмечено, что применение шахтного водоотлива обеспечит эффективность и безопасность ведения горных работ на Ново-Лениногорском, Долинном и Обручевском месторождениях, на месторождении Чекмарь – опережающая во времени проходка нижележащих шахтных выработок, выполняющих роль дрен.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научно-квалификационная задача по совершенствованию системы управления подземными водами на карьерных и шахтных полях месторождений полиметаллов Лениногорского района Рудного Алтая, обеспечивающая повышение рентабельности их освоения.

Основные научные и практические результаты исследований заключатся в следующем:

1. Разработана типизация месторождений Лениногорского района по степени сложности гидрогеологических условий, в основу которой положены особенности геологического строения месторождений, фильтрационная неоднородность рудовмещающего  массива, преобладающий источник формирования водопритоков и применяемая на месторождении система отработки. Типизация позволяет эффективно планировать разведочные гидрогеологические работы на участках месторождений, унифицировать методики прогноза водопритоков в горные выработки и разработку систем осушения месторождений или их локальных участков.

2. Установлены динамика и характер техногенного изменения гидрогеологических условий месторождений Лениногорского района при применении различных систем отработки. Данная концепция позволяет обосновать применение конкретного способа отработки в определенных гидрогеологических условиях и выбрать оптимальную схему осушения для повышения эксплуатационной надежности разработки месторождений.

3. Определены критерии целесообразности осушения шахтных полей месторождений и на их основе разработаны схемы осушения для предложенных типов месторождений. Сделан вывод о нецелесообразности применения специальных способов осушения участков месторождений с простыми и средней сложности гидрогеологическими условиями разработки.

4. На основе обобщенных фактических данных для Тишинского и Риддер-Сокольного месторождений разработаны численные геофильтрационные модели, позволившие определить параметры наиболее оптимальных дренажных систем на участках со сложными гидрогеологическими условиями.

1. Колпаков В.Б. Прогноз обводненности шахты на Шубинском месторождении в Рудном Алтае./ Материалы 9-го международного симпозиума «Вопросы осушения, горнопромышленной геологии и охраны недр, геомеханики, промышленной гидротехники, геоинформатики, экологии». Белгород, ВИОГЕМ, 2007. – с. 53-58

2. Колпаков В.Б. Прогнозирование рудничных водопритоков на месторождениях Лениногорского района (Рудный Алтай)./ Материалы 9-го международного симпозиума «Вопросы осушения, горнопромышленной геологии и охраны недр, геомеханики, промышленной гидротехники, геоинформатики, экологии». Белгород, ВИОГЕМ, 2007. – с. 69-75

3. Колпаков В.Б. Осушение Тишинского рудного месторождения в метаморфических породах./ Материалы 9-го международного симпозиума «Вопросы осушения, горнопромышленной геологии и охраны недр, геомеханики, промышленной гидротехники, геоинформатики, экологии». Белгород, ВИОГЕМ, 2007. – с. 75-79

4. Колпаков В.Б. Оптимизация систем осушения разрабатываемых и перспективных полиметаллических месторождений Лениногорского района Рудного Алтая. Первая Всероссийская конференция молодых ученых, посвященная памяти Валерия Александровича Мироненко / под ред. П.К.Коносавского, Р.А.Филина. – СПб.: С.-Петеррб.гос.ун-т, 2010. с. 61-64

5. Колпаков В.Б. Прогнозирование техногенного режима подземных вод и оптимизация систем осушения на вулканогенно-метаморфических полиметаллических месторождениях Рудного Алтая. Естественные и технические науки. Выпуск 5. –М.: Спутник Плюс, 2010. с. 253-258.

ТИШИНСКОЕ	РИДДЕР-СОКОЛЬНОЕ
Характеристики модели Параметр Значение 1. Мощность моделируемой толщи 2. Интервал абсолютных отметок 3. Общее количество ячеек 4. Количество слоев 5. Значение инфильтрации 480 м +400м / +880м 20280 17 2,5*10-4 до 5,0*10-4 м/сут	Характеристики модели Параметр Значение 1. Мощность моделируемой толщи 2. Интервал абсолютных отметок 3. Общее количество ячеек 4. Количество слоев 5. Значение инфильтрации 230 +650м / +880м 8460 7 1,3*10-4 до 5,2*10-4 м/сут