МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЯКУБОВСЬКА ЗІНАЇДА МИКОЛАЇВНА

УДК 622.271.2:622.234.4:622.516+504.064.4

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ НЕЙТРАЛІЗАЦІЇ
ТЕХНОЛОГІЧНИХ РОЗЧИНІВ ТА ШАХТНИХ ВОД
ПРИ ПІДЗЕМНОМУ ВИДОБУТКУ КОРИСНИХ КОПАЛИН

Спеціальність 05.15.11 – Фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гідрогеології та інженерної геології у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м.Дніпропетровськ) |

САДОВЕНКО

Іван

Олександрович

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, професор кафедри розробки родовищ корисних копалин Національного університету водного господарства і природо-користування Міністерства освіти і науки України (м.Рівне) |

МАЛАНЧУК

Зіновій

Романович

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, старший науковий співробітник лабораторії фізичного та математичного моделювання незворотних процесів Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України |

САЖНЄВ

В’ячеслав

Петрович

Провідна установа: |

Український державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України (м. Донецьк), відділ охорони надр і зрушення земної поверхні

Захист відбудеться “ 7 ” вересня 2007 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м.Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, т. )

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м.Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19)

Автореферат розісланий “_5_”_серпня_ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д. 08.080.03

кандидат технічних наук, доцент Тимощук В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний видобуток корисних копалин в Україні супроводжується значними змінами геохімічних циклів у гірському масиві, гідродинамічному і гідрохімічному режимах підземних вод. Ці процеси спричиняє застосування технологічних розчинів при вилуджуванні корисних копалин, відкачка шахтних вод і їх скидання в гідрографічну мережу, складування гірських порід. Загальна маса відходів гірничодобувної, металургійної та інших галузей промисловості досягла 25 млрд. тонн.

Зміни в гірському масиві, що відбулися в районах підземного видобутку вугілля і руд металів, набули в багатьох випадках необоротного характеру. Широкого поширення досягло сульфатне насичення гірських порід і підземних вод, викликане окислюванням сульфідних мінералів у відвалах шахтних порід, на ділянках підземного вилуджування уранових руд і сховищ відходів їхньої переробки. Відкачка мінералізованих шахтних вод, обсяг яких тільки в межах Донбасу перевищив 700 млн. м3 за рік, призвела в багатьох районах до значної негативної зміни поверхневих і підземних вод.

Світовий досвід вказує на необхідність поєднання технологічних етапів видобутку корисних копалин і засобів нейтралізації негативних змін у гірському масиві в єдиний цикл. Ця задача може бути вирішена шляхом наукового обґрунтування заходів активного фізико-хімічного впливу в сполученні з технологіями згладжування пікових навантажень на гідросферу і літосферу, що використовують властивості природних і штучно створених бар’єрів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках досліджень кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету і є складовою частиною держбюджетних і договірних НДР, виконаних у 2003–2005 рр. (реєстраційні номери 0198U002438, 0198U015645, 0104U000785)

Мета роботи полягає в обґрунтуванні параметрів в етапах циклу відпрацювання родовищ корисних копалин підземним способом, що забезпечують локалізацію технологічних розчинів і шахтних вод шляхом активної нейтралізації інгредієнтів.

Задачі, вирішені в дисертаційній роботі, зводяться до наступного:

1) обґрунтувати математичні моделі фізико-хімічної нейтралізації залишкових продуктів дії технологічних розчинів при відпрацюванні родовищ корисних копалин і алгоритми реалізації моделювання;

2) обґрунтувати моделі оптимізації вибору параметрів фізико-хімічної нейтралізації залишкових продуктів видобутку корисних копалин і режими нейтралізації шахтних вод;

3) обґрунтувати режими фізико-хімічної нейтралізації технологічних розчинів і шахтних вод на об’єктах видобутку корисних копалин з урахуванням захисних властивостей гірського масиву.

Ідея роботи полягає у використанні законів рівноваги фізико-хімічних систем на основі адекватних чисельних моделей для прогнозування і керування процесом нейтралізації залишкових продуктів відпрацювання родовищ у гірському масиві і на поверхні.

Об'єкт досліджень – процеси накопичення і міграції речовин, що супроводжують підземний видобуток корисних копалин і створюють небезпечні концентрації інгредієнтів.

Предмет досліджень – параметри нейтралізації процесів міграції залишкових технологічних розчинів і шахтних вод на етапах відпрацювання родовищ і згортання гірничих робіт.

Методи досліджень. Для досягнення мети і вирішення поставлених задач використані методи інженерного аналізу природних і технічних систем, аналізу фізико-хімічної рівноваги і масопереносу в замкнених системах, методи аналітичного і чисельного розв’язку диференціальних рівнянь масопереносу з використанням сучасних програмних засобів на ПЕОМ, методи лінійного програмування для оптимізації технологічних параметрів при видобутку корисних копалин, методи інженерної логіки.

Наукові положення, що виносяться на захист.

1. Оптимізація вибору параметрів фізико-хімічної нейтралізації залишкових продуктів дії технологічних розчинів при відпрацюванні родовища підземним вилуджуванням здійснюється на основі представлення рівняння руху нейтралізатора у вигляді лінійного функціонала, який визначається зі сполученого розв’язку задачі хімічної рівноваги для заданих концентрацій кислоти і лугу, що є керівним у процесі нейтралізації.

2. Ефективність фізико-хімічної нейтралізації залишкових продуктів технологічних розчинів після відпрацювання родовищ способом підземного вилуджування визначається місцем та інтенсивністю введення нейтралізатора, площею його контакту з розчинами, різницею сорбційних властивостей взаємодіючих речовин, що призводить до формування рухомого бар’єра нейтралізації.

3. Оптимальні параметри нейтралізації шахтних вод диференційованим водовідливом із групуванням накопичення в ставках-відстійниках і регульованим скиданням визначаються на основі синхронізації з річковим стоком і переходом на рівномірне скидання протягом весняної повені, а також використанням максимального об’єму головного ставка протягом осіннього періоду.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Доведено, що вибір оптимальних параметрів фізико-хімічної нейтралізації залишкових продуктів дії технологічних розчинів при відпрацюванні родовищ корисних копалин визначається шляхом чисельного моделювання міграції при адекватній схематизації протяжних у плані об’єктів і кінетики масообміну в гірському масиві.

2. Вперше встановлено, що довгострокова ізоляція залишкових продуктів підземного відпрацювання родовищ корисних копалин на термін більш 50 років забезпечується нестаціонарним фізико-хімічним впливом через поглинальні конструкції у поєднанні зі згладжуванням пікових концентрацій продуктів у гірському масиві і на поверхні.

3. Вперше обґрунтовані режими довгострокової локалізації залишкових продуктів від дії технологічних розчинів і шахтних вод при видобутку корисних копалин у вигляді взаємозалежних блоків, що включають міграційні параметри, параметри залишкових розчинів і параметри процесу нейтралізації при досягненні прийнятних концентрацій.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних положень теорії фільтрації і масопереносу, апробованих методів оптимізації, результатами аналізу й оцінки даних фізико-хімічного стану об’єктів видобутку корисних копалин і місць збереження відходів їхньої переробки, погодженістю результатів прогнозів з фактичними даними при вирішенні зворотних задач (узгодженість результатів досягає 80%).

Наукове значення роботи полягає у встановленні переважної ролі рухомих бар’єрів фізико-хімічних змін у гірському масиві і на поверхні в умовах підземного видобутку корисних копалин і обґрунтуванні параметрів нейтралізації міграційних течій у поєднанні з диференційованим водовідливом і регульованим скиданням шахтних вод.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1) складені методики для визначення динаміки й ефективності нейтралізації залишкових розчинів підземного вилуджування при різних параметрах локалізаційних заходів, що включають використання природних бар’єрів;

2) розроблена схема нейтралізації шахтних вод, що дозволяє здійснити оптимальний режим водовідливу і скидання зі ставків-накопичувачів з мінімальною мінералізацією поверхневих вод і зниженням техногенного навантаження на гідросферу в цілому.

Практична цінність роботи полягає в обґрунтуванні методичних підходів до прогнозування міграції залишкових продуктів видобутку корисних копалин та оптимізації технічних параметрів процесу нейтралізації у гірському масиві і на поверхні.

Реалізація роботи. Основні результати роботи використані при прийнятті технічних рішень щодо керування водовідливом і скиданням шахтних вод у Західному Донбасі та організації моніторингу вилудженого родовища урану.

Особистий внесок автора. Автором сформульована мета, ідея і наукові положення роботи. Розроблено модель оптимізації параметрів фізико-хімічної нейтралізації залишкових продуктів дій технологічних розчинів і шахтних вод при видобутку корисних копалин. Досліджені закономірності формування міграційних бар’єрів у масиві та об’єктах, що підлягають нейтралізації на поверхні. Обґрунтовані принципи прийняття технічних рішень, що дозволяють досягти технічної та екологічної безпеки гірничих робіт.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на міжнародних наукових конференціях “Форум гірників” (Дніпропетровськ, 2003 р.), “Математика, комп’ютер, освіта” (Дубна, 2000 р.), “Наука і освіта 2005” (Дніпропетровськ, 2005 р.).

Публікації. Основні наукові і практичні результати роботи викладені в 8 друкованих працях, з яких 6 опубліковані у спеціалізованих виданнях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох глав, висновку, списку використаної літератури з 91 найменувань і містить 109 сторінок машинописного тексту, 49 малюнків і 8 таблиць на 35 сторінках, 2 додатка. Загальний обсяг роботи 146 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі охарактеризовані фізико-хімічні зміни у гірському масиві та на поверхні під впливом видобутку корисних копалин, а також існуючі засоби їх фізико-хімічної локалізації.

Найбільш впливовим чинником цих процесів є міграція технологічних розчинів та шахтних вод, накопичення та переміщення твердих компонент у зонах дії гірничодобувних комплексів. Переміщення великої маси порід на поверхню призводить до утворення техногенних ґрунтів, які інтенсивно змінюються внаслідок механічних, хімічних та біологічних процесів. Особливого значення у технологічному циклі видобутку корисних копалин набувають залишкові компоненти, що містять сполуки сірки (сульфіди), важкі та радіоактивні метали. Включення цих елементів до геохімічних циклів через їх скидання або тимчасове зберігання у хвостосховищах і відстійниках призводить до суттєвих змін у гірському масиві. Навіть безпечніша, у порівнянні з відкритим або шахтним способами, технологія підземного вилуджування спричиняє значні зміни гідрогеохімічного режиму в зонах видобутку. Вплив залишкових твердих компонентів підсилюється скиданням до гідрографічної мережі шахтних вод – побічного продукту вуглевидобутку.

В роботі показано, що механізми змін гідросфери у гірському масиві обумовлені процесами вертикальної та горизонтальної фільтрації у водоносні горизонти. Проведений аналіз свідчить про велике розмаїття процесів під час розробки родовищ, що виходять за рамки звичайної міграції та масообміну. Локалізація таких явищ часто неможлива лише за рахунок паліативних засобів згладжування пікових концентрацій у часі і просторі. Вона потребує заходів активного фізико-хімічного впливу.

Стосовно об’єктів видобутку корисних копалин найбільш адекватним заходом є їхня фізико-хімічна локалізація, яка полягає в нейтралізації змін у геологічному масиві. Такий тип локалізації базується на спільному використанні природних та штучних геохімічних бар’єрів з метою іммобілізації найбільш рухливих компонентів продуктів видобутку. Це дає можливість регулювати інтенсивність та характер впливу на різні об’єкти. Разом з цим фізико-хімічна локалізація потребує наукового обґрунтування технологічних процесів, особливо на заключних етапах розробки родовищ, під час їхнього виведення з експлуатації з дотриманням сучасних вимог безпечного ведення гірничих робіт.

Серед методів активного впливу на гірський масив виділяють засоби, засновані на фізичному або хімічному впливі на окремі компоненти видобутку. Найбільш ефективні з них виключають застосування спеціальних заходів щодо збирання та ізоляції залишкових продуктів, технологічних розчинів та шахтних вод. Ці заходи ґрунтуються на системному оновленні підземних водоносних горизонтів, поверхневих шарів ґрунту та поверхневих водостоків за рахунок використання природних бар’єрів: ресурсів самоочищення, використання сорбційної ємності гірських порід, зниженні швидкості окислювання сульфідів, диференціювання шахтного водовідливу тощо.

Окремі питання локалізації залишкових продуктів видобутку у гірському масиві досліджувались у роботах В.М. Шестопалова, Є.О. Яковлєва, З.Р. Маланчука, В.В. Назимка, Д.В. Рудакова, П.М. Петриченка, І.О. Садовенка, В.П. Сажнева, М.В. Фощія та ін. Разом з тим, засоби локалізації залишкових продуктів на об’єктах видобутку корисних копалин шляхом активної нейтралізації не мають на даний час обґрунтованого технологічного завершення у вигляді параметрів та технологічних схем, порядку їх визначення у конкретних гірничо-геологічних умовах.

Недосконалість існуючих методичних підходів щодо означених параметрів, невисока ефективність застосовуваних заходів нейтралізації залишкових продуктів дії технологічних розчинів та шахтних вод при видобутку корисних копалин визначили мету, задачі та ідею дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячений теоретичному обґрунтуванню моделей як засобу параметризації фізико-хімічної нейтралізації залишкових продуктів видобутку корисних копалин. Розроблені моделі ґрунтуються на кінцево-різницевому розв’язанні системи рівнянь фільтрації та масопереносу

(1)

, (2)

де H – п’єзометричний потенціал або напір, S – ємність пласта, Tx, Ty – компоненти його водопровідності, – концентрація речовин; f – інтенсивність їх надходження (убування) за рахунок хімічних реакцій, сорбції, іонного обміну, перетоку з сусідніх водоносних горизонтів; D – коефіцієнт дифузії; u, v, w – компоненти швидкості фільтрації; n – активна пористість гірських порід; ne – коефіцієнт ефективної пористості; – швидкість нейтралізації. Рівняння виду (2) застосовується для прогнозування міграції як залишкових продуктів видобутку, так і нейтралізаторів.

Розрахунок хімічної взаємодії виконується на основі мольного балансу:

, (3)

де 1 – концентрація нейтралізатора, k та m – коефіцієнти у рівнянні хімічної реакції нейтралізації, та 1 – молярні маси, – концентрація після взаємодії за певний проміжок часу.

Реакція нейтралізації сульфатів вапняним молоком з осадженням майже нерозчинного гіпсу описується рівнянням

H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4+H2O.

У цьому випадку коефіцієнти k та m у рівнянні (3) дорівнюють одиниці.

Розв’язок двовимірних рівнянь (1) та (2) одержаний за допомогою ло-кально-одновимірного методу з наступною прогонкою на кожнім часовім кроці. Складні за формою ділянки розташування технологічних розчинів та гідрогеологічні особливості рудоносних горизонтів відображуються в моделі за допомогою певних маркерів на кінцево-різницевій сітці.

Вибір оптимальних параметрів фізико-хімічної нейтралізації компонентів технологічних розчинів підземного вилуджування у відпрацьованих рудоносних горизонтах (розташування закачаних свердловин, їхні дебіти) здійснюється на основі вирішення лінійного функціонала вигляду

, (4)

де Qi – масові витрати нейтралізатора, який закачується через N свердловин, розташованих у точках з координатами (xi, yi), t0 – час запуску, – концентрація, яка визначається як розв’язок рівняння, спряженого до рівняння масопереносу (2).

Спряжене рівняння виводиться шляхом інтегрування рівняння переносу нейтралізатора за часом і у просторі. Перевага запропонованого підходу до оцінювання оптимальних параметрів нейтралізації полягає у тому, що замість багаторазового розрахунку вихідного рівняння переносу нейтралізатора для всіх можливих варіантів достатньо виконати один розрахунок концентрації, виходячи зі спряженого рівняння.

Функціонал (4) використаний в роботі для визначення параметрів фізико-хімічної нейтралізації технологічних розчинів у рудоносному горизонті після підземного вилуджування урану кислотним способом. Зокрема, на типових прикладах розраховані координати розташування закачних свердловин, які забезпечують повну нейтралізацію або зниження до прийнятних рівнів вмісту сульфатів у підземних водах.

Представлення функціоналу загального виду (4), записаного як розв’язок спряженої задачі масопереносу, показало, що максимальні значення функціоналу (близько 40% нейтралізації початкової кількості рухомих сульфатів) досягаються у разі розташування свердловин нижче за напрямком течії підземних вод на 50-70 м. У разі більшої швидкості фільтрації ця відстань збільшується, досягаючи у даному випадку 110–120 м. Рис. показує значний вплив положення запускної свердловини на форму об’єму залишкових розчинів у водоносному шарі.

Рис. 1. Концентрація сульфатів (г/л) після нейтралізації
при різному розташуванні запускних свердловин (показані точками);
прямокутник – початкове положення технологічних розчинів

Модель нейтралізації шахтних вод базується на принципі диференційованого за рівнем мінералізації водовідлива, змішування вод з різною мінералізацією з урахуванням динаміки річкового стоку та ємності ставків-накопичувачів (рис. ).

Рис. 2. Схема нейтралізації шахтних вод диференційованим водовідливом
та регульованим скиданням з двома ставками-накопичувачами:
фільтрація и скидання прісних вод, те ж мінералізованих вод, q1 та q2 – витрата шахтних водовідливів відповідно з уклінної
та бремсбергової частин шахтного поля, Q1 и Q2 – витрата випусків шахтних
вод зі ставків-накопичувачів; РГВ – рівень ґрунтових вод

Середня мінералізація річкової води на виході із зони вуглевидобутку мінімізується при наявності декількох ставків-накопичувачів. Один із ставків визначається як головний, а допустимі обсяги скидання шахтних вод з інших визначаються співвідношеннями між мінералізацією у головному ставку та залежних від нього ставках-накопичувачах. При наявності трьох ставків допустимі обсяги скидання розраховуються за співвідношеннями

(5)

де Qp, Q1, Q2, Q3 – витрати води у річці та скидання зі ставків, Mp, M1, M2, M3 – мінералізація води в них.

У третьому розділі визначені режими нейтралізації технологічних розчинів залишкових продуктів розробки родовищ радіоактивних руд.

Апробація математичної моделі фізико-хімічної нейтралізації залишкових розчинів у водоносному горизонті після підземного вилуджування виконана для родовища уранових руд у Дніпропетровській області. Під час відпрацювання до напірного водоносного горизонту, де знаходяться рудні тіла, було подано понад 200 тис. тонн сульфат-іона. За даними спостережень, у підземних водах на ділянках вилуджування та поблизу них спостерігаються підвищені концентрації урану, свинцю, полонію, а вміст сульфатів перевищує допустимі концентрації у десятки разів.

Прогнозні дані, зіставлені з даними моніторингу, свідчать про можливість просування зони з підвищеними концентраціями сульфатів на 800 –  м за течією підземних вод. Локалізація залишкових розчинів виконується їх нейтралізацією у напрямку розповсюдження шляхом розташування свердловин для закачування вапняного молока перед фронтом міграції. Задача оптимізації параметрів подачі нейтралізатора розв’язана для п’яти закачувальних та п’яти відкачувальних свердловин, які забезпечують стабільну ізоляцію сульфатів при періодичній роботі протягом шести місяців, один раз на сім років.

Виконаний аналіз надійності локалізації хвостосховища продуктів переробки уранових руд природними геохімічними бар’єрами в гірському масиві. Зазначений об’єкт, у якому в підвищених концентраціях знаходяться ізотопи урану, свинцю, полонію та інших радіонуклідів, розташований у товщі лесових суглинків та неогенових водоносних пісків. Поширення радіонуклідів у підземних водах описується моделями нестаціонарної міграції у різних шарах ґрунтів за умов рівноваги масопотоків на верхній межі водоносного горизонту.

Для кількісної оцінки захисних властивостей геохімічних бар’єрів виконані прогнозні розрахунки поширення найбільш рухливих радіонуклідів з використанням параметрів, що відповідають несприятливому сценарію. Верифікація прогнозу виконана згідно даних режимних спостережень за міграцією окремих компонентів. Результати розрахунків свідчать про локалізацію залишкових компонентів видобутку урану за рахунок їхньої сорбції в породах водоносного горизонту протягом 15-20 років. Разом з тим, через 25 років у межах найближчого населеного пункту (1200 м вниз за течією підземних вод) можливе певне підвищення концентрації урану порівняно з фоновим значенням, що потребує коригувати мережу моніторингу та регулювати водовідбір на основі прогнозованих напрямків та швидкості міграції.

Розроблена схема визначення параметрів нейтралізації технологічних розчинів у вигляді взаємопов’язаних блоків (рис. ), що включають геотехнологічні та гідрогеохімічні параметри, керування якими необхідне для досягнення прийнятних концентрацій продуктів вилуджування у підземних водах.

На основі прогнозних розрахунків встановлено, що ефективність нейтралізації залишкових розчинів у відпрацьованому горизонті визначається площею контакту з нейтралізатором. За умови однакових сорбційних властивостей під час нейтралізації відбувається переміщення по течії зон, де залишаються компоненти технологічних розчинів (рис. ). При цьому утворюються рухомі межі, де осаджуються нерозчинні продукти реакції. Одержані кількісні оцінки зниження ступеня нейтралізації в залежності від зменшення швидкості реакції осадження. Доведена можливість створення фронту нейтралізації, що рухається за течією підземних вод і нейтралізує більш швидку міграцію залишкових розчинів.

Рис. 3. Співвідношення параметрів фізико-хімічної нейтралізації
залишкових розчинів на об’єктах підземного вилуджування

Рис. 4. Формування рухомих бар’єрів нейтралізації сульфатів уздовж лінії току:
––––– концентрація сульфатів, ––––– концентрація нейтралізатора через 30 років після відпрацювання, позначка (x=250 м) – місце введення нейтралізатора

У четвертому розділі обґрунтовані технологічні режими фізико-хімічної нейтралізації міграційних течій на полях шахт з інтенсивним водообміном, а також оцінена ефективність запропонованих захисних заходів.

Нейтралізація відвалів шахтних порід в районах вуглевидобутку передбачає використання сорбційних властивостей гірських порід як природного бар’єру на шляху вертикальної міграції продуктів окислення сульфідів до водоносного горизонту та шахти, а також засоби фізико-хімічного впливу у разі перевищення допустимих концентрації сульфатів у підземних водах (рис. ).

Рис. 5. Схема нейтралізації сульфатної міграції з шахтного відвалу:
1 – шахтний відвал, 2 – зона аерації, 3 – водоносний горизонт,
4 – водотривкі породи, 5 – зона розповсюдження нейтралізатора,
сірчанокисла течія, нейтральний фільтраційний потік

Розрахунок вертикальної міграції проведений на основі розв’язку одновимірного рівняння масопереносу з урахуванням змінної за глибиною кінетики окислювання сульфідів у відвалах шахтних порід. Модель міграції продуктів окислення у водоносному горизонті базується на системі рівнянь (1), (2). У разі перевищення прийнятних концентрацій сульфатів у підземних водах передбачається їхня нейтралізація вапняним розчином. Дебіти запускних свердловин для подачі нейтралізатора та їх розташування оптимізуються шляхом обчислення функціонала (4), фізичний зміст якого адаптовано до конкретних геотехнологічних та гідрогеологічних умов.

Нейтралізація шахтних вод має на меті підтримання мінералізації річкової води на виході із зони вуглевидобутку. Вона здійснюється диференціюванням водовідливу з групуванням накопичення у ставках-відстійниках на основі синхронізації з річковим стоком і переходом на рівномірне скидання протягом весняної повені (рис. ). Річний максимальний об’єм головного ставка має використовуватись протягом вересня – грудня, що визначає його абсолютну величину.

а) б)

Рис. 6. Зміна витрати скидання шахтних вод Qs, млн. м3/міс (штрихова крива) і ємності ставка-накопичувача Vs, млн. м3 (суцільна крива) протягом
гідрологічного року: а) б. Косьминна, б) б. Свідовок (Західний Донбас)

Питання техніко-економічної ефективності регульованого скидання шахтних вод включає оцінку розподілу шахтного водовідливу, стану поверхневих водотоків, а також оцінку необхідних для цього капітальних витрат. Згідно з розрахунками, проведення регульованих скидань дозволяє знизити вплив підвищення мінералізації вод р. Самара більш, ніж на 40%. При цьому перевищення вмісту солей у річковій воді складе не більше 0.6 г/л. Орієнтовні капітальні витрати, пов’язані, головним чином, з реконструкцією ставків, не перевищать 3 млн. грн., а експлуатаційні – 0.2 млн. грн. за рік. Такий спосіб нейтралізації шахтних вод є найбільш ефективним у порівнянні з іншими заходами зменшення вмісту солей у річковій воді. Очікуване попередження збитку для шахтного поля в Західному Донбасі складає 0,4 млн. грн. на рік.

У разі наявності у підземних водах компонентів технологічних розчинів після вилуджування уранових руд у неприйнятних концентраціях збиток дорівнює вартості додаткового очищення води, що подається водозабором. Зазначені річні експлуатаційні витрати складуть від 274 до 1100 тис. грн. Засоби фізико-хімічної нейтралізації або використання природних геохімічних бар’єрів дозволять запобігти таких витрат.

ВИСНОВОК

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена наукова і прикладна задача ефективної та безпечної нейтралізації технологічних розчинів та шахтних вод на основі врахування закономірностей фізико-хімічних змін у гірських породах, формування природних бар’єрів і диференційованого водовідливу шахтних вод з їх регульованим скиданням, що дозволяє знизити вплив на гірський масив та поверхню при підземному видобутку корисних копалин.

В процесі виконання роботи одержані наступні наукові і практичні результати.

1. Чисельна модель фільтрації і масообміну адаптована для розв’язання прогнозних задач міграції залишкових продуктів підземного вилуджування руд металів у підземних водах. Розроблений алгоритм чисельного моделювання адекватно відображає фізико-хімічну взаємодію залишкових розчинів з нейтралізатором, забезпечуючи баланс маси продуктів реакції.

2. Оптимізація параметрів фізико-хімічної нейтралізації залишкових продуктів видобутку масою до 200 тис. тонн на основі спряженого розв’язку задачі масопереносу дозволяє врахувати її найважливіші параметри: форму і розташування ділянок, що підлягають нейтралізації, положення закачувальних свердловин, їхні дебіти, час запуску і концентрацію нейтралізуючих розчинів у зоні, що сягає 1000 м.

3. Розроблена схема нейтралізації шахтних вод шляхом поєднання диференційованого водовідливу і регульованого скидання оптимізується на основі синхронізації з динамікою річкового стоку, переходом на рівномірне скидання протягом весняної повені та використанням максимального об’єму головного ставка протягом осені.

4. Обґрунтована схема визначення режимів нейтралізації залишкових продуктів у вигляді взаємопов’язаних параметричних блоків. Встановлено, що ефективність нейтралізації залишкових розчинів у відпрацьованому горизонті залежить від площі контакту з нейтралізатором. За умов однакової сорбції речовин відбувається зміщення зон з частково прореагованими продуктами за течією, що супроводжується осадженням нейтральних сполук на рухомих межах. Уповільнення швидкості осадження призводить до зниження ступеня нейтралізації. Доведена можливість створення рухомого фронту нейтралізації за течією з наступним напливом міграційного потоку, що для реального родовища дозволяє локалізувати залишкові розчини протягом 7 років.

5. Розроблена схема нейтралізації міграційних потоків з відвалів шахтних порід шляхом спільного розв’язання рівнянь масопереносу і кінетики вилуджування сульфідів. Показники нейтралізації контролюються інтенсивністю шахтного водовідбору, положенням місць, дебітом і часом запуску нейтралізатора.

6. Обґрунтовано методичне впровадження довгострокової локалізації залишкових продуктів дії технологічних розчинів шляхом їх нейтралізації на тер-мін понад 50 років, а також прийняті проектні рішення щодо відвернення збитку у межах шахтного поля у Західному Донбасі та контрольованого режиму руху зони вилуджування уранового родовища.

Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи опубліковані в наступних роботах:

1. Беляев Н.Н., Якубовская З.Н. Численное моделирование процесса ликвидации аварийного пролива на грунт вредных веществ // Вісті Академії Інженерних наук України, Д. – 1998. – С. 184–187.

2. Якубовская З.Н. Исследование вертикального загрязнения многослойного грунта // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Механіка. – 2000. – Т. 1, Вип. 3, –
С. –154.

3. Якубовская З.Н. Моделирование процесса реабилитации участка кислотного загрязнения подземных вод путем закачивания нейтрализатора // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Механіка. – 2001. – Т. 1, Вип. 5. – С. 66–73.

4. Якубовская З.Н. Оптимизация процесса реабилитации участка кислотного загрязнения подземных вод путем закачивания нейтрализатора // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Механіка. – 2002. – Т. 1, Вип. 6. – С. 92–101.

5. Садовенко И.А., Хрущ В.К., Рудаков Д.В., Якубовская З.Н. Моделирование процесса нейтрализации загрязнения грунтовых вод вблизи отвалов шахтных пород // Сб. науч. трудов НГУ. – 2003. – Т. , №17, – С. 487–491.

6. Якубовская З.Н. Обоснование технологических параметров физико-химической локализации объектов добычи полезных ископаемых // Сб. науч. трудов НГУ, – 2005. – №23. – С. –263.

7. Якубовская З.Н. Моделирование химической локализации кислотного загрязнения в геологической среде // Матеріали VIII міжн. наук.-практ. конф. “Наука і освіта 2005”, серія “Технічні науки”, Д. – 2005. – С. 19–20.

8. Belyaev N.N., Klimenko I.V., Yakubobskaya Z.N. Hydraulics protection of ground water from pollution. Mathematical simulation of the process // Тр. VII межд. конф. “Математика, компьютер, образование”. Дубна, 24 – .01.2000, С. 375.

Особистий внесок автора в роботи, написані у співавторстві: [1, 8] – розробка програмних засобів, проведення розрахунків міграції у водоносних горизонтах, [5] – чисельне моделювання оптимального співвідношення параметрів нейтралізації сульфатів, аналіз результатів.

АНОТАЦІЯ

Якубовська З.М. “Обґрунтування параметрів нейтралізації технологічних розчинів та шахтних вод при підземному видобутку корисних копалин”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена питанням обґрунтування технологічних параметрів фізико-хімічної нейтралізації залишкових продуктів видобутку корисних копалин з метою зниження впливу на гірський масив. Розроблені моделі міграції враховують закономірності фізико-хімічної нейтралізації залишкових розчинів на ділянках підземного вилуджування уранових руд, динаміку формування природних геохімічних бар’єрів, диференційований водовідлив та регульоване скидання шахтних вод.

Апробація моделей нейтралізації залишкових продуктів видобутку урану виконана стосовно реальних об’єктів для схем активного фізико-хімічного впливу і постійного контролю над міграційними процесами. Ефективність нейтралізації шахтних вод шляхом диференційованого водовідливу оцінена на прикладі ставків-накопичувачів у Західному Донбасі.

Ключові слова: гірський масив, видобуток корисних копалин, технологічні розчини, водоносні горизонти, шахтні води, міграція, моделювання, оптимізація, фізико-хімічна нейтралізація, локалізація.

АННОТАЦИЯ

Якубовская З.Н. “Обоснование параметров нейтрализации технологических растворов и шахтных вод при подземной добыче полезных ископаемых”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена вопросам обоснования параметров эффективной и безопасной нейтрализации технологических растворов и шахтных вод с целью снижения влияния на горный массив при подземной добыче полезных ископаемых. Разработанные модели миграции адекватно учитывают закономерности физико-химической нейтрализации, формирования природных геохимических барьеров и дифференцированного водоотлива шахтных вод с регулируемым сбросом.

Численная модель фильтрации и массопереноса адаптирована для решения прогнозных задач миграции остаточных растворов подземного выщелачивания в водоносных горизонтах. Разработанный алгоритм адекватно учитывает процесс физико-химической нейтрализации остаточных растворов, обеспечивая баланс продуктов реакции в ходе расчета. Оптимизация параметров нейтрализации остаточных растворов на основе решения сопряженного уравнения задачи переноса нейтрализатора позволяет учесть важнейшие параметры защитных мероприятий: сложную форму и расположение участков, подлежащих нейтрализации, положение закачных скважин, их дебиты, время запуска и концентрацию подаваемых растворов.

Разработанная схема нейтрализации шахтных вод основана на совмещении дифференцированного водоотлива и регулируемого сброса. Оптимизация параметров сброса выполняется путем синхронизации с динамикой речного стока, что обеспечивает минимальную концентрацию солей в поверхностных водотоках в зоне угледобычи при полном использовании объемов прудов-накопителей шахтных вод.

Получены закономерности миграции остаточных растворов на отработанных участках подземного выщелачивания в условиях их нейтрализации, на основании чего определены размеры и динамика зон распространения сульфатов, оптимальные положения закачных скважин, их дебит, влияние параметров массообмена и сорбции.

С помощью моделей нейтрализации остаточных продуктов добычи урана даны оценки степени локализации двух объектов в Днепропетровской области. Применительно к местным условиям разработаны схемы активного воздействия – физико-химической нейтрализации участков с повышенным содержанием сульфатов, а также постоянного мониторинга подземных вод для контроля над распространением радионуклидов от хвостохранилища продуктов переработки урановых руд.

Разработана схема нейтрализации миграционных потоков из отвалов пород на шахтном поле путем решения системы уравнений массопереноса и кинетики выщелачивания сульфидов. Показатели нейтрализации контролируются интенсивностью шахтного водоотбора, положением мест, дебитом и временем запуска нейтрализатора.

Технология нейтрализации рассматривается как неотъемлемая часть цикла разработки месторождений. Ее технико-экономическая эффективность оценена для остаточных продуктов добычи урановых руд, а также для прудов-накопителей шахтных вод. Ожидаемый предотвращенный ущерб для шахтного поля в Западном Донбассе составляет 0,4 млн. грн. в год.

Ключевые слова: горный массив, добыча полезных ископаемых, технологические растворы, водоносные горизонты, шахтные воды, миграция, моделирование, оптимизация, физико-химическая нейтрализация, локализация.

ABSTRACT

Yakubovskaya Z.N. “Substantiation of parameters to neutralize technological solutions and mine waters in underground mining”. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in special sciences in the field “Physical processes of mining” 05.15.11, National Mining University. Dnipropetrovsk. 2007.

The thesis deals with the substantiation of technological parameters of physical and chemical neutralization of the residual products of mining. It aims at reduction of influence upon the geological structures. The developed transport models take into consideration the basic principles of physical and chemical neutralization of residual solutions on the uranium ore in-situ leaching sites, dynamics of the natural geochemical barriers, differentiated mine water outflow and discharge into surface water bodies.

The models of residual solutions neutralization are applied to the real sites using two approaches providing active ground water cleaning and screening the transport processes with expanding the monitoring network. The efficiency of mine water neutralization carried out by differentiated outflow and discharge is estimated for accumulation ponds in the Western Donbass.

Key words: geological structures, mining, technological solutions, aquifer, mine water, transport, modeling, optimization, physical and chemical neutralization, localization.