Закономірності фізико-хімічних змін масиву гірських порід в основах відстійників мінералізованих рудничних вод

Abstract

Дисертація присвячена визначенню закономірностей змін фільтраційних та геомеханічних властивостей гірських порід в основах відстійників рудничних вод та хвостосховищ, обумовлених міграцією мінералізованих рудничних вод, що є теоретичним підґрунтям для визначення параметрів технічних рішень з локалізації гідродинамічного та фізико-хімічного впливу відстійників рудничних вод та хвостосховищ на масив гірських порід з метою попередження фільтраційних деформацій. Методам чисельного моделювання фільтрації та міграції вод змінної густини оцінена зона гідродинамічних та фізико-хімічних змін у масиві порід внаслідок втрат мінералізованих вод з відстійників та хвостосховищ на прикладі об'єктів у центральній Україні. Установлено, що процес фізико-хімічної взаємодії рудничних вод з суглинистими породами основ водовідстійників в умовах високих гідравлічних градієнтів супроводжується зростанням швидкості фільтрації за кубічною залежністю, що призводить до збільшення проникності суглинку та змін його фізико-механічних властивостей. Експериментально визначено параметр кінетики вилуговування іонів Ca2+ із органогенного вапняку внаслідок міграції мінералізованих рудничних вод, що дозволяє адекватно оцінювати масштаб техногенного карсту карбонатних порід. Обґрунтовано технологічне рішення з локалізації впливу хвостосховищ на породний масив з метою попередження фільтраційних деформацій. Ключові слова: відстійники, протифільтраційні покриття, фільтраційні втрати, міграція солей, кінетика вилуговування, проникність ґрунту, фізико-механічні властивості.

В диссертационной работе решена актуальная научно-практическая задача по установлению закономерностей физико-химических изменений массива пород в результате миграции минерализованных рудничных вод, которые определяют его геомеханические свойства. Разработаны численные модели фильтрации и миграции солей в слоисто-неоднородной толще для территории, расположенной в зоне воздействия отстойника и хвостохранилищ ЮГОКа и НКГОКа (Кривбасс) с учетом изменений геоимеханических свойств пород. Это позволило достоверно оценить зону гидродинамического и физико-химического влияния водоотстойника на массив пород. Доказана устойчивость модели при вариациях параметров инфильтрационного питания и проницаемости до 30%, которые соответствуют засушливым и многоводным годам и деформациям пород вследствие суффозии и кольматации. Это подтверждается отклонениями компонентов баланса не превышающим 7%. Моделированием установлено, что ореол соленых вод, в результате фильтрационных потерь из отстойников, формируется непосредственно в органогенных известняках и разнозернистых песках под водоотстойником на расстояние до 3 км в направлении фильтрационного потока, причем его площадь достигает 25 км2. Создана профильная модель фильтрации минерализованных рудничных вод переменной плотности, которая позволяет прогнозировать область фильтрационных деформаций пород по вертикали. Установлено, что область техногенного карстообразования распространяется до 30…35 м в вертикальном направлении. Определено доминирующее влияние вынужденной конвекции на скорость переноса солей в фильтрационном потоке, что позволило не учитывать плотностной эффект при разработке плановой модели миграции. Экспериментально установлено, что процесс физико-химического заимодействия минерализованных рудничных вод с породами оснований отстойников в условиях высоких гидравлических градиентов сопровождается увеличением скорости фильтрации по кубической зависимости, что приводит к увеличению пористости суглинка глинистого. На основании экспериментально оцененных параметров влажности и коэффициента пористости установлено снижение прочностных и деформационных свойств, что вызывает потерю геомеханической устойчивости массива и формированию суффозионных промоин в основании водоотстойника. Для оценки параметра химической суффозии в основании отстойника рудничных вод в Кривбассе разработана численная модель, которая основывается на уравнении баланса воды в нем, и воспроизводит одновременную фильтрацию через поры и гидравлическое течение в трещинах, расширяющихся со временем. Путем обратного моделирования оценен параметр интенсивности химических реакций рассолов с суглинками, который составил (82)10 –3 1/сут, а также проницаемость основания и динамика утечек рудничных вод из отстойника. Проведены эксперименты по выщелачиванию монолитных образцов известняка растворами различного химического состава, которые позволили количественно оценить кинетику выщелачивания кальция из органогенного известняка. Повышенные концентрации хлоридов и сульфатов магния и натрия в растворах интенсифицируют растворение соли, а общие с CaCO 3 ионы понижают ее растворимость. Выполнена оценка насыщения модельных смесей карбонатом кальция, которая позволила установить линейную зависимость интенсивности выщелачивания ионов Ca 2+ от карбонатной агрессивности вод. Экспериментально установлен диапазон интенсивности выщелачивания монолитных образцов известняка в рудничных водах и их эквивалентах, а также увеличение трещинной пористости и проницаемости породного массива, что дает возможность оценивать масштаб карста карбонатных пород при миграции минерализованных рудничных вод. Обосновано техническое решение по локализации влияния хвостохранилища отходов переработки Ti-Zr руд, сооружаемого на Мотроновско-Анновском участке Малышевского месторождения в верхней части балки Широкая. Выполнена оценка изменений физико-механических свойств пород основания путем расчета комплексной осадки массива вскрышных пород и глинистых грунтов в условиях их консолидации. Установлено, что вследствие компрессии уменьшается проницаемость суглинка под слоем хвостов и коэффициент пористости. Соблюдение технологии укладки и уплотнения глин в основании хвостохранилища позволяет на порядок уменьшить их проницаемость до 6,5∙10 –4 м/сут, что способствует геомеханической стабилизации массива, и является достаточным для водоудерживающей способности основания согласно современным нормативным требованиям. Выполнено фильтрационное обоснование параметров мощности и проницаемости экрана на основании разработанных расчетной схемы баланса воды в хвостохранилище б. Широкая и численной модели фильтрации, учитывающих различные способы экранирования. Показано, что устройство экрана приведет к сокращению фильтрационных потерь и площади зоны подтопления по сравнению с неуплотненными породами основания; отсутствие экрана может осложнить отбор воды для оборотного водоснабжения.

The thesis aims to identify the patterns of changes of permeability and geomechanical properties of rocks below mine water impoundments and tailings caused by leaks and transport of mineralized mine water. This creates the theoretical basis to evaluate parameters of engineering solutions in order to localize hydrodynamical and physical-chemical impacts of mine water impoundments and tailings on rocks to prevent from flow-induced deformation of rocks. The zone of hydrodynamical and physical-chemical changes in rocks induced by mineralized water seepage through impoundments and tailings has been estimated on the example of sites located in Central Ukraine by means of numerical simulation of variable density flow and transport. It is established that the physical-chemical interactions between mine water and clay loam at the bottom of impoundments at high hydraulic gradients increase water flow velocities, which is described by cubical parabola. This, in turn, leads to increasing permeability of loam and changes its physical and mechanical properties. The kinetical parameter of leaching Ca2+ ions from organic limestone as a result of mineralized mine water transport has been evaluated experimentally; this allows assessing adequately the scale of man-caused karst in carbonate rocks. The engineering solution to mitigate the impacts of tailing facilities on rocks by preventing flow-induced deformation of the impoundment bottom has been substantiated.