Оптимальный комплекс гидрогеологических и геоэкологических исследований месторождений металлов в корах выветривания применительно к отработке их способом подземного выщелачивания

Современные экономические, социальные и даже политические условия, в которых существует горнодобывающая промышленность нашей страны, претерпели за последние два десятилетия существенные изменения. Изменяющиеся условия, в свою очередь, непосредственно сказываются на современных технологиях добычи полезных ископаемых и в этом плане применение геотехнологических способов, в частности подземною выщелачивания, является неизбежным.

Подземное выщелачивание урана из гидрогенных месторождений в бывших республиках СССР достигло уровня индустрии, вносящей заметный вклад в экономику нынешних государств. Опыт использования подземного выщелачивания на месторождениях цветных и благородных металлов в корах выветривания пока невелик, но наметившиеся в последние годы тенденции свидетельствуют о реальных перспективах этого способа.

В настоящее время на Среднем Урале имеется около десятка объектов, находящихся на различных стадиях внедрения технологии подземного выщелачивания (Гагарское золоторудное месторождение, Гумёшевское месторождение меди — опытно-промышленная эксплуатацияВерхотурское золоторудное месторождение — опытная эксплуатацияРогожинское месторождение силикатного никеля — опытная эксплуатацияи т.д.). В геологическом и гидрогеологическом изучении большинства из них автор принимал непосредственное участие.

Первые месторождения, на которых проводятся работы по внедрению ПВ, имели тот или иной уровень гидрогеологической изученности. Но их изученность не могла удовлетворять требованиям к объектам ПВ. Богатый опыт разведки гидрогенных месторождений под ПВ мог служить лишь аналоговым подспорьем при подготовке месторождений под этот способ. Комплекс гидрогеологических и геоэкологических исследований подобных месторождений, который предстоит создать, должна обобщить опыт исследований, сложившийся на урановых месторождениях и новых методик, применённых на уральских месторождениях. В настоящей работе приводятся самые первые, не претендующие на завершенность, методические разработки, предложения, обобщения. Актуальность работы заключается в том, чго разрабатываемый комплекс исследований предназначен для изучения объектов, способных в значительной мере увеличить запасы металлов целого региона и повысить объёмы их добычи.

Одним из определяющих факторов пригодности месторождения к отработке способом ПВ является фильтрационная способность руд. Месторождения металлов в корах выветривания имеет по сравнению с гидрогенными месторождениями урана, широко освещенными в литературе, принципиально иную гидрогеологическую модель, высшей степени литолого-фильтрационную неоднородность, как правило, такую же высокую неоднородность по технологическим свойствам и, наконец, гораздо более сложные условия для ведения процесса выщелачивания в плане его экологической безопасности. Главной задачей, которую попытался решить автор, является дополнение и оптимизация существующего комплекса исследований, для того чтобы максимально адаптировать его к выполнению поставленных задач в новых для подземного выщелачивания геолого-гидрогеологических условиях уральских кор выветривания.

Научная новизна работы базируется на том, что разработка методики ведётся на основании уникального опыта исследований месторождений, которые до недавнего времени не рассматривались как объекты для подземного выщелачивания, а некоторые откровенно считались непригодными.

Опыт автора по изучению гидрогеологических условий уральских месторождений металлов излагается в настоящей работе и может быть сформулирован в виде кратких выводов:

1. Специфика геолого-гидрогеологических и экономических условий, в которых формировались основы комплекса исследований на объектах ПВ, заключалась в том, что основным видом исследований, определявшим пригодность месторождения к отработке способом ПВ, являлись геотехнологические, т. е. натурное моделирование с использованием реальных растворов. При этом гидрогеологические работы на большинстве стадий являлись сопутствующими исследованиями.

Приведённый анализ уральских месторождений металлов в корах выветривания указывает на существенные различия геологических, а главное гидрогеологических и геоэкологических условий этих объектов по сравнению с гидрогенными месторождениями урана, для которых разработан существующий комплекс гидрогеологических исследований. Различия заключаются, во-первых, в проницаемости рудных зон, сложенных существенно глинистыми выветрелыми разностямиво-вторых, в наличии резко хаотичной фильтрационной неоднородности, определяемой литологическим строением, тектонической активностью, либо сущностью самого процесса корообразования. И далее: в открытости гидрогеологической структуры месторождений, в частой нарушенности массива горными выработким, связанной с длительной горно-геологической историей региона, в сложности экологических условий, поскольку часто объекты находятся в непосредственной близости к населённым пунктам и ряде второстепенных факторов.

Таким образом, комплекс исследований на урановых месторождениях с главенствующей ролью натурного моделирования не способен полностью решить проблему уральских месторождений с их специфическими особенностями.

Основные гидрогеологические проблемы — низкая проницаемость глинистых разностей, которые зачастую являются рудами с высоким содержанием полезных компонентов, и высокая степень неоднородности фильтрационных свойств, определяющая сложный характер фильтрации подземных вод и технологических растворов (обусловленная зональностью кор выветривания, тектонической и техногенной нарушенностью горного массива, открытостью гидрогеологических структур) меняют приоритеты при проектировании и проведении гидрогеологических и геоэкологических исследований.

Отсюда следует первое защищаемое положение: Спеъщфические особенности уральских месторождений металлов в корах выветривания при проведении на них гидрогеологических и геоэкологических работ применительно к отработке их методом ПВ требуют комбинирования нескольких методов исследований, часто контролирующих друг друга.

2. В соответствии с поставленными задачами автор рекомендует к использованию следующие методы гидрогеологических и геоэкологических исследований:

— для получения основных гидрогеологических параметров, расчленения геологического разреза по фильтрационным свойствам и т. д.: гидрогеологическая съёмка с уточнением карты гидроизогипс при помощи гидрокомпасаопытно-фильтрационные работы (классические одиночные и кустовые откачки и наливы, поинтервальные испытания, площадные испытания, расходометрия), комплекс ГИС, метод заряженного тела по одиночным скважинам и в сочетании с моделированием ПВ на нейтральных растворах, лабораторные исследования — изучение химического и гранулометрического состава, определение коэффициента фильтрации.

— для уточнения контура активной проработки рудного массива и корректировки технологических режимов на стадиях отработки месторождения или опытных работ: метод заряженного тела (с обязательной съёмкой фоновых значений потенциала), скважинные исследования — термометрия, резистивиметрия, комплексный гидрогеохимический каротаж, моделирование работы технологических блоков.

— для контроля негативного воздействия полигонов ПВ на подземные воды: электропрофилирование для определения потенциально опасных направлений, скважинные исследования: термометрия, резистивиметрия, комплексный гидрогеохимический каротаж, поинтервальное опробование наблюдательных скважин, моделирование распространения технологических растворов за пределы технологических блоков.

Эти рекомендации кратко сформулированы в виде второго защищаемого положения: Оптимальный комплекс гидрогеологических и геоэкологических исследований месторождений металлов в корах выветривания включает следующие методы: режимные наблюдения с уточнением карты гидроизогипс при помощи гидрокомпасаопытно-фильтрационные работы (ОФР), комплекс ГИС, метод заряженного тела, лабораторные исследования, численное моделирование.

3. Несмотря на объективные трудности, возникающие при использовании методов моделирования в условиях уральских кор выветривания, определённые успехи, в сфере их применения для решения важнейших проблем технологии подземного выщелачивания, сегодня уже достигнуты. Автор полагает, что изучение технологических режимов ПВ, экологической безопасности полигонов, процессов самопроизвольного восстановления качества подземных вод при помощи моделирования миграции технологических растворов в недрах — один из главных путей оптимизации комплекса методов гидрогеологических и геоэкологических исследований.

Соответственно третье защищаемое положение формулируется как: Основным путём оптимизации комплекса методов исследований уральских месторождений является совместное решение гидрогеологических, технологических и геоэкологических задач.

Выводы.

Два рассмотренных выше примера — это наиболее логичные варианты использования моделирования применительно к способу подземного выщелачивания. Первый пример — это попытка с максимальной степенью детализации схематизировать гидрогеологические условия природного объекта. Полученная модель должна отражать основные особенности месторождения. В дальнейшем используется для постановки различных задач. Модель Рогожинского месторождения — пример тестового технологического моделирования, когда в основу исходных данных в соответствие со стадией (проектирование геологоразведочных работ либо их начало) закладываются усреднённые показатели характерные для региона, аналогичных месторождений и т. д.

Основной вывод, сделанный автором после применения численного моделирования на ряде объектов применительно к технологии подземного выщелачивания заключается в том, что,' несмотря на объективные трудности, возникающие при использовании методов моделирования в условиях уральских кор выветривания, определённые успехи, в сфере их применения для решения важнейших проблем технологии подземного выщелачивания. Автор полагает, что изучение технологических режимов ПВ, экологической безопасности полигонов, процессов самопроизвольного восстановления качества подземных вод при помощи моделирования миграции технологических растворов в недрах — один из главных путей оптимизации комплекса методов гидрогеологических и геоэкологических исследований.

Проблемы применения моделирования движения подземных вод следующие:

— во-первых, не совсем ясна стадия изучения месторождения, на которой применение моделирование было бы наиболее актуально. Ранние стадии характеризуются очевидным недостатком исходных данных, что не может не сказаться на результатах прогнозного моделирования (Так в модели Рогожинского месторождения уклон зеркала подземных вод задавался в восточном — северо-восточном направлении на основании материалов разведки 1955 года, в то время как сегодня вырисовывается строго южное направление движения подземных вод). Более поздние стадии (как например Гумёшевская модель) характеризуются густой сетью скважин различного назначения. Изучать динамическое и химическое влияние способа ПВ на подземные и поверхностные воды на этом этапе более логично проверенными скважинными гидрогеологическими и геофизическими методами (опробования, каротажи и т. д.).

— во-вторых, не определена сфера использования моделирования, т. е. то спектр задач, решение которых при помощи моделирование не вызвало сомнений ни у недропользователя, ни у контролирующих органов. Здесь проблемы связаны и со сложностью самой технологии ПВ и со сложностью метода моделирования и со сложностью природных геолого-гидрогеологических условий уральских месторождений. Положа руку на сердце, вряд ли кто-либо из специалистов по моделированию даст гарантию того, что проведённая им схематизация природных условий учитывает все ключевые особенности объекта. Та же геофильтрационная модель Гумёшевского месторождения при всей детальности сети скважин не может полностью учесть неоднородность фильтрационного потока, связанную с природной и техногенной анизотропией геологической среды.

Тем не менее, сегодняшняя сфера использования компьютерных технологий для способа ПВ уже просматривается, и в первую очередь это отладка работы технологических ячеек и блоков. Здесь проявляются главные преимущества моделирования — возможность проработки множества вариантов. Задавая различные входные параметры и иммитируя на них движение технологических растворов, у современных исследователей есть возможность разрабатывать различные варианты гидродинамической защшы технологических блоков (форма элементарных ячеек, барражи и т. д.), которая позволила бы в некоторой степени пренебрегать фильтрационной неоднородностью среды.

Заключение

.

Накопленный автором опыт по проектированию, проведению и обработке результатов гидрогеологических и геоэкологических исследований применительно к технологии подземного выщелачивания последовательно изложен в четырёх главах.

В первой главе проведён анализ имеющейся по этому вопрос} литературы. В свое время СССР занимал ведущие позиции по добыче урана способом ПВ, поэтому основу мирового опыта составляют издания отечественных авторов о разведке и отработке его гидрогенных месторождений.

На основании этого анализа сделан вывод о том, что особенное! и урановых месторождений позволяли использовать в качестве ведущего метода исследований натурное моделирование процесса ПВ с использованием реальных реагентов. При этом недостаточное внимание уделялось изучение пространственной изменчивости фильтрационных свойств, поскольку необходимости в этом не возникало.

Таким образом, обосновывается направление дальнейшей работыоптимизация комплекса методов гидрогеологических исследований в соответствии с изменившимися требованиями к качеству изучения месторождений.

Во второй главе рассмотрены примеры месторождений, изучение которых проводилось при непосредственном участии автора.

Комплексная оценка гидрогеологических и геоэкологических условий этих объектов дана с точки зрения применимости подземного выщелачивания для их отработки на основании специализированных исследований. Подчёркнуто, что ряд характеристик руд и вмещающих пород, в условиях кор выветривания приобретают особое значение.

На основании этого сделаны выводы о том, что уральские месторождения металлов, в отличие от гидрогенных урановых месторождений имеют ряд общих специфических особенностей, которые не могут быть полностью раскрыты стандартным набором гидрогеологических изысканий.

Третья глава содержит методику и примеры изысканий, выполненных автором на уральских месторождениях. Рассмотрены основные особенности проведения работ в условиях кор выветривания и варианты их постановки на различных стадиях освоения месторождения применительно к подземному выщелачиванию.

Описана специфика начальных стадий изучения месторождения — анализа материалов предыдущих исследований и гидрогеологической съёмки. Также рассмотрены нестандартные ситуации при проведении опытно-фильтрационных работ.

Далее описан комплекс изучения разведочных скважин с целью детальной характеристики фильтрационной неоднородности месторождения. Комплекс включает в себя геофизические исследования скважин сразу после завершения буровых работ, аналитические и лабораторные работы, а также расходометрию после сооружения технологической колонны.

Кроме того, рассмотрен ряд примеров скважинных исследований, применимых на стадии отработки месторождения для проведения технологического и экологического контроля процесса ПВ.

Сделан вывод о том, что совершенствование комплекса метода идёт в правильном направлении, однако о его завершении речи пока не идёт. И здесь следует подчеркнуть, что автору очень хотелось сохранить открытость данной работы (это в первую очередь проявляется в отсутствие строгой структуры исследований), с тем, чтобы любой исследователь, применивший не описанный здесь метод, либо получивший новые результаты методом, включённым в настоящий труд, мог легко вписать сюда новую главу, приблизив тем самым комплекс гидрогеологических исследований на объектах ПВ к завершению.

В четвёртой главе рассмотрены попытки автора применить численное моделирование геофильтрации и массопереноса для решения актуальных вопросов геотехнологии.

Современные программные комплексы за последнее время делают гигантские шаги по направлению к конечным пользователям — геологам, гидрогеологам и геоэкологам. И сегодня это проявляется в неуклонно растущем качестве обработки и хранения геологической информации. Моделирование геологических и гидрогеологических процессов также с каждым днём обретает всё больше удачных примеров. И эта тенденция, безусловно, положительна, поскольку моделирование позволяет прогнозировать возможные негативные последствия для геологической среды и решать широкий спектр задач.

Однако не стоит забывать о том, что геологическая среда на 100% изучена быть не может, а значит, сохраняет элемент непредсказуемости, в определённой степени инертна, поэтому применение математических методов для описания и прогнозирования процессов в ней следует вести с особой осторожностью.