способ гидрогеологического районирования шахтных полей калийных предприятий

Формула изобретения

Способ гидрогеологического районирования шахтных полей калийных предприятий, включающий определение гидравлической взаимосвязи водоносных горизонтов, отличающийся тем, что определяют мощность и состав водозащитной толщи, состав и строение ее кровли, мощность и литолого-фациальный состав надсоляного комплекса пород, прежде всего пород непосредственно перекрывающих водозащитную толщу, параметры гидрогеохимической структуры и зон гипергенного преобразования надсоляного комплекса пород, параметры гидродинамической структуры надсоляного комплекса пород, характеристики надсолевого водоносного комплекса, в том числе фильтрационные, гидрохимические, условия формирования и разгрузки, после этого по совокупности результатов проведенных исследований выполняют районирование шахтных полей по условиям гидрогеологической защищенности кровли водозащитной толщи, в соответствии с которым определяют порядок и параметры отработки продуктивных пластов калийной залежи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке месторождений калийной соли.

Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС) является уникальным по запасам, имеет протяженность в меридиональном направлении около 200 км, в широтном - около 55 км. Площадь развития калийных солей составляет 3750 км². Разработка Верхнекамского месторождения калийных солей была начата еще в 1932 г. До 1986 г. разработка солей велась семью рудниками, расположенными в центральной и южной частях месторождения. В 1986 году в результате нарушения сплошности водозащитной толщи (ВЗТ) был затоплен крупнейший в мире рудник БКРУ-3 с производительностью 8 млн.т. руды в год. Поэтому исследования, направленные на предотвращение затопления рудников, являются приоритетными.

Латеральные неоднородности строения водозащитной толщи на ВКМКС, связанные с полнотой ее разреза и изменениями литологического состава слагающих пород, проявляются главным образом в пределах положительных структур месторождения. Особенности строения ВЗТ в зонах тектонических нарушений и на участках флексурно-складчатых дислокации имеют линейную или изометрично-линейную форму проявления, преимущественно субмеридионального простирания.

Соленосные (соляные) породы ВЗТ повсеместно перекрыты мощным (100-300 м) комплексом надсолевых пород (НКП), включающим отложения верхней подтолщи соляно-мергельной толщи (СМТ₂, мощностью до 80-100 м), породы терригенно-карбонатной (ТКТ; 0-120 м) и пестроцветной (ПТ; 0-140 м) толщ, на денудированной поверхности которых залегают рыхлые глинисто-песчаные четвертичные отложения (Q; 5-30 м).

Надсолевая толща месторождения в различной степени обводнена. Коллекторские свойства надсолевых отложений на фоне возрастающей засоленности водовмещающих пород и увеличения минерализации подземных вод, в общем, снижаются с глубиной по мере уменьшения активности водообмена. Структура надсолевого водоносного комплекса (НВК), относящегося по типу коллекторов к трещинному и трещинно-пластовому, обуславливает разнообразие условий гидравлического взаимодействия отдельных его водоносных горизонтов (слоев) [1].

Под воздействием подземных вод на стадиях палео- и современных гипергенных процессов кровля соляной залежи (аналог кровли ВЗТ) преобразуется в "соляное зеркало".

В условиях Верхнекамской галогенной формации "соляное зеркало" ("СЗ") не имеет форму регионального пенеплена. Отмечается определенное соответствие его рельефа элементам пликативной тектоники региона:

гипсометрически более высокое положение "СЗ" - на поднятиях и более низкое - в прогибах и мульдах.

На современном этапе геологической истории региона зона активного водообмена охватывает надсолевые отложения до глубины абсолютных отметок порядка +(80-100) м, что на значительной площади ВКМКС вывело соляную залежь из области интенсивного гипергенеза. В то же время и в условиях затрудненного водообмена в пределах структурных сводов и склонов прогибов соленосные (соляные) породы в той или иной мере подвержены процессам сульфатно-галитового "расщелачивания". Только в днищах мульд при весьма затрудненном водообмене, где аккумулируются высококонцентрированные рассолы, природный гипергенез в кровле соляной залежи практически исключает его конвективную фазу.

В 80-е годы на основе проведенных исследовательских и полевых работ к водоупорным галогенным породам (BST₁₊₂) присоединены терригенно-хемогенные отложения соляно-мергельной толщи (CMT₁), которые ранее считались обводненными в той или иной степени [2]. В результате мощность водозащитной толщи местами увеличилась на 50-100%. В то же время процессы деформации (расслоения) отложений CMT ₁ (ВЗТ₃) при подработке и сдвижении подработанного массива остались неизученными, так же как и возможность миграции подземных вод из зоны контакта терригенно-хемогенного водоупора по терригенным слоям данной пачки пород (в направлении их падения).

Комплексные гидрогеологические исследования, связанные как с разведкой на калий, так и с обеспечением технического и питьевого водоснабжения, показали, что основные запасы подземных вод региона приурочены к породам терригеннно-карбонатной толщи (ТКТ). Нижележащие глинисто-мергелистые отложения верхней подтолщи соляно-мергельной толщи (СМТ₂) служат буфером между "подземным морем" ТКТ и соляной залежью. В связи с этим следует полагать, что именно на основе совокупности ее характеристик (литологического состава, характера и глубины гипергенных преобразований, особенностей гидродинамической и гидрогеохимической зональности, гидравлической взаимосвязи водоносных слоев, коллекторских свойств пород, условий латеральной и межслоевой миграции подземных вод и др.) должна оцениваться гидрогеологическая "защищенность" соленосных пород (кровли ВЗТ).

Гидрогеохимическими исследованиями надсолевых и соленосных пород установлено, что практически весь надсолевой разрез подвергался процессам гипергенного преобразования под воздействием инфильтрационных вод. Последующее изучение признаков карстовых и сопутствующих явлений в разрезе надсолевых пород подтвердило данное положение и позволило осуществлять реконструкцию первичного состава пород, оценивать кинетику процессов, общие закономерности развития и распространение экзогенной трещиноватости, а также уточнило понятия "соляного зеркала" и "зеркала гипса".

При этом было выявлено, что гипергенез в толще надсолевых отложений в наиболее выраженной форме (соляной либо гипсовой) сосредоточен в разрезе верхней подтолщи соляно-мергельной толщи. С одной стороны это способствует разработке ее коллекторов, а с другой (по мере повышения гидродинамической активности подземных вод при расселении пород и "накоплении" преимущественно глинистого состава остаточного продукта выщелачивания) - их погашению ("самозалечиванию").

Место выщелоченных каменносоляных пластов СМТ занимают силифицированные карстогенные глинистые брекчии с прослойками своеобразных карбонатно-гипсовых пород. Доминируют в таких разрезах в разной степени нарушенные мергели и глины. Проседания и обрушения пород, залегающих над выщелоченными пластами каменной соли, сопровождаются раскрытием ранее существовавших, обычно залеченных трещин, а также формированием зон кососекущих трещин, субвертикальных и трещин отслоения. Экзогенная трещиноватость, "закрепленная" при вторичной силификации пород, способствует развитию коллекторских свойств. В прослоях с глиптоморфозами и псевдоморфозами по соляным минералам (галиту, глаубериту) неполное заполнение выщелоченных кристаллов новообразованиями также приводит к формированию слоев с повышенной ("кавернозной") скважностью. В то же время в разрезах, где в гипергенез вовлечены не только соляные пласты СМТ, но и породы ПКС и даже СКЗ, вся нижняя часть этой толщи нередко сложена нерасчленяющейся пачкой разрушенных глиноподобных пород, то есть практически лишена устойчивых коллекторов.

Гипергенные преобразования сульфатов кальция, - ангидрита и гипса, входящих в состав соленосных и надсолевых отложений, также оказывают влияние на изменение коллекторских свойств пород.

В целом гидрогеологическая защищенность водозащитной толщи калийных рудников (кровли ВЗТ) определяется: условиями седиментации, процессами уплотнения и литификации галогенных и надсолевых отложений; преобразованиями, происходившими на стадии их диагенеза и катагенеза, а также основными этапами и особенностями геологического и гидрогеологического развития региона в эпоху его структурных преобразований, когда в основном формировалась трещинная проницаемость пород, развивающаяся и преобразующаяся в последующем в процессах палео- и неогипергенеза, инициирующих растворение соленосных и других хемогенных пород подземными водами.

На фоне литолого-фациальных и геолого-структурных особенностей изучаемого региона, с учетом пространственных условий гидродинамической и гидрогеохимической зональности СМТ₂ , а также особенностей миграции и разгрузки подземных вод, представляется возможным достаточно обоснованное выделение представительных гидрогеологических данных, характеризующих районы и подрайоны с различной фильтрационной и гидродинамической активностью подземных вод подтолщи.

Как уже отмечалось выше, в надсолевой толще региона происходило и происходит активное перераспределение коллекторских свойств в результате "расселения" и выщелачивания пород в соответствии с активностью и глубиной процессов их гипергенного преобразования под воздействием подземных вод. Современное протекание данных процессов контролируется, во-первых, гидрографической сетью региона и дифференцированностью его рельефа, во-вторых, сформированными на их основе гидродинамической и гидрохимической зональностью НКП, не одинаковой для площадей различного геолого-структурного строения, а также гидравлическим взаимодействием водоносных горизонтов НВК.

Оценочными факторами условий и масштаба проявления и протекания гипергенных процессов непосредственно над ВЗТ служит состав поверхности "СЗ" - кровли соляной толщи, особенности ее градиентной структуры и гипсометрического положения относительно основных гидродинамических и гидрохимических зон региона, состав и фильтрационные свойства перекрывающих пород, условия миграции и разгрузки подземных вод, а также характер развития высококонцентрированных - нейтральных по отношению к солям - рассолов. Мощность, конфигурация и структура слоя рассолов хлоридно-натриевой гидрогеохимической подзоны отражает результирующий эффект интенсивности водообмена в кровле солей.

Для прогноза развития рудничных водопроявлений, гидравлически связанных с надсолевыми водами, особенно при разработке инженерных мероприятий по предупреждению либо ликвидации (локализации) водопритоков в рудники, актуально определение гидравлической взаимосвязи отдельных водоносных горизонтов нижней части разреза НКП и общих ресурсов надсолевого водоносного комплекса (НВК) для различных его гидрогеологических разрезов.

Известен способ гидрогеологического районирования шахтных полей калийных предприятий, включающий определение гидравлической взаимосвязи водоносных горизонтов, являющийся наиболее близким аналогом и принятый за прототип [3].

Недостатком известного способа является недостаточно полный комплекс проводимых исследований, приводящий к повышению вероятности затопления калийных рудников и высоким потерям в аварийных ситуациях.

Цель изобретения - снижение вероятности затопления калийных рудников и минимизация потерь в аварийных ситуациях.

Поставленная цель достигается тем, что по совокупности проводимых исследований выполняют районирование шахтных полей по условиям гидрогеологической защищенности кровли водозащитной толщи и разрабатывают рекомендации по порядку и параметрам отработки продуктивных пластов калийной залежи.

Способ осуществляют следующим образом.

Для гидрогеологического районирования шахтных полей калийных предприятий определяют гидравлическую взаимосвязь водоносных горизонтов, определяют мощность и состав водозащитной толщи, состав и строение ее кровли, мощность и литолого-фациальный состав надсоляного комплекса пород, прежде всего пород непосредственно перекрывающих водозащитную толщу, параметры гидрогеохимической структуры и зон гипергенного преобразования надсоляного комплекса пород, параметры гидродинамической структуры надсоляного комплекса пород, характеристики надсолевого водоносного комплекса, в том числе фильтрационные, гидрохимические, условия формирования и разгрузки. После этого по совокупности результатов проведенных исследований выполняют районирование шахтных полей по условиям гидрогеологической защищенности кровли водозащитной толщи, в соответствии с которым определяют порядок и параметры отработки продуктивных пластов калийной залежи.

Пример осуществления способа. Гидрогеологическое районирование было проведено на шахтном поле Первого Березниковского калийного рудоуправления. Определили мощность и состав водозащитной толщи: мощность составила по данным бурения геологоразведочных скважин 60-120 м при галитовом, в основном, ее составе. Состав и строение ее кровли были однородными и представленными мелко-, среднезернистой каменной солью. Мощность пород, непосредственно перекрывающих водозащитную толщу, к которым относятся отложения соляно-мергельной толщи, составила 84 м. Соляно-мергельная толща характеризуется четкой седиментационной цикличностью. Толща разделена на 9 ритмопачек. При этом первые 7 объединяют в основном по два пласта, нижний из которых сложен глинами или мергелями, а верхний каменной солью или соответствующей ей глинисто-гипсовой породой. Последняя чаще всего является продуктом выщелачивания соли и значительно реже ее фациальным аналогом. В западной, наиболее погруженной части шахтного поля Первого Березниковского калийного рудоуправления, каменная соль зафиксирована вплоть до седьмой пачки (скважина 104-с), а на восточном склоне - во второй (скважины 99,115-с). На южном склоне Березниковского поднятия, в пределах шахтного поля, каменная соль встречена в третьей ритмопачке (скважины 110-с, 97, 187-б). В купольной части поднятия каменная соль полностью выщелочена, геолого-структурная и геоморфологическая неоднородность площади шахтного поля БКРУ-1 обуславливает существенно различные инженерно-гидрогеологические условия в сводовой части Березниковского поднятия, на его крыльях и в мульдах сопредельного с поднятием Камского прогиба. Затем определялся состав и строение кровли водозащитной толщи. Далее были выполнены кадастровые обобщения и систематизированы данные гидродинамического (опытно-фильтрационного) и гидрогеохимического изучения надсолевых пород (НКП), построены опорные гидрогеологические разрезы по основным структурным направлениям площади. Типизация разрезов НКП осуществлялась с учетом мощности, литолого-фациального состава и проницаемости пород, характера их гипергеннных преобразований, прогнозных условий гидравлического взаимодействия подземных вод отдельных водоносных слоев надсолевых отложений и их активности вблизи кровли солей.

На основе кадастровых материалов (использовались данные около 100 скважин) были составлены предварительные карты, отражающие специфику гидрогеологической структуры, в том числе: изомощностей ВЗТ и ее отдельных составляющих, рельефа и состава поверхности "соляного зеркала", изменения соленасыщенности пород CMT₁, изопахит СМТ₂, литолого-фациальных особеностей ее состава, площадной изменчивости водопроводимости (km), водообильности (q) пород и напоров подземных вод на уровне кровли соленосных отложений, а также мощности основных гидрогеохимических зон НКП (в том числе и рассолоносных пород).

Были исследованы параметры гидрогеохимической структуры и зон гипергенного преобразования надсоляного комплекса пород, параметры гидродинамической структуры надсоляного комплекса пород, характеристики надсолевого водоносного комплекса, в том числе фильтрационные, гидрохимические, условия формирования и разгрузки, гидравлической взаимосвязи водоносных горизонтов.

По совокупности результатов проведенных исследований было выполнено районирование шахтного поля по условиям гидрогеологической защищенности кровли водозащитной толщи, в соответствии с которым наименее защищенной оказалась выщелоченная купольная часть соляного поднятия. На чертеже показаны изопахиты глинистых отложений 1, их контур распространения 2, площадь с повышенным содержанием хлорида натрия в породах и подземных водах слабозасоленной части разреза надсолевых пород 3, менее защищенная часть кровли водозащитной толщи 4 и более защищенная часть 5. Для менее защищенной части 4 был определен порядок и параметры отработки продуктивных пластов калийной залежи.

Источники информации

1. В.К.Липницкий, Т.К.Шлендова, И.П.Мустель, Т.В.Смирнова. Инженерно-гидрогеологические основы разработки Верхнекамского месторождения. В сб.: Актуальные вопросы добычи и переработки природных солей. ОАО "ВНИИ галургии". В 2-х томах. T.1: Добыча природных солей./ Под ред. Б.АКрайнева. - СПб.: Информ.-изд. агентство "ЛИК", 2001, С.32-43.

2. Петротектонические основы безопасной эксплуатации Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей. Под ред. Н.М.Джиноридзе. СПб.-Соликамск: ОГУП Соликамская типография, 2000.

3. Андреичев А.Н. Разработка калийных месторождений, Москва, Недра, 1966, с.23-25, 28-30.