СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ ПРЕДПРИЯТИЯ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ Российский патент 2025 года по МПК E21F17/16 C02F1/00 B65G5/00 

Изобретение относится к горному делу, в частности к утилизации жидких промышленных стоков, расположенных в криолитозоне горнодобывающих предприятий.

В процессе полного цикла работы любого горнодобывающего предприятия (особенно включающего обогатительные процессы) образуется большой объем жидких промышленных отходов. Их утилизации придается большое значение, в том числе в отношении экологических аспектов недропользования. Чаще всего используется технология закачки отходов и промышленных стоков в глубокие горизонты недр. В то же время при ведении открытых горных работ возникает вопрос дальнейшего использования образовавшихся карьеров. Существуют методы рекультивации карьеров, связанные в основном с осушением карьерного поля и дальнейшими работами по введению рекультивированных поверхностей в хозяйственный оборот (https://ecodelo.org/9928-64_rekultivatsiya_karernykp vyemok_i_otvalov-rekrltivatsiya_zemel; Рекультивация нарушенных земель: учебное пособие: в 2 частях / А.В. Васильченко; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2017. - Ч. 1. - 230 с.).

Однако горно-геологические условия некоторых месторождений обуславливают, особенно при отсутствии горных работ, накопление со временем в чаше карьера кроме большого объема атмосферных вод еще и притока поверхностных вод из имеющихся рядом природных водотоков, дренажных вод, поступающих из водононосных пластов, пересеченных при углублении карьера. Поэтому ряд таких горных выработок при достаточно большой обводненности может подлежать водной консервации и последующему использованию в качестве резервуаров вод, в том числе и накопителей для промышленных вод и рассолов, включая территории криолитозоны (Дроздов А.В. Природные и техноприродные резервуары промышленных стоков в криолитозоне (на примере Якутской части Сибирской платформы): монография. - Якутск: Издательско-полиграфический комплекс СВФУ, 2011. - 416 с.). В такой накопитель могут отводиться и излишки оборотных вод хвостохранилища расположенной в некоторой удаленности от карьера обогатительной фабрики при условии совместимости всех типов поступающих в карьер вод. Для обеспечения безопасной утилизации промышленных стоков большое значение имеют вопросы оценки возможности использования отработанного карьера в качестве их накопителя с минимизацией природоохранных рисков.

Известно использование затопленных серных карьеров и калийных шахт Украины (Затопление карьеров / Гайдин A.M. //. Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2009. - №4. - С. 371-374.) в качестве резервуаров воды. Для реализации проекта проведен ряд гидрогеологических расчетов, позволяющих спрогнозировать уровень воды в будущем озере, динамику заполнения выемок водой, соотношение притоков подземных, атмосферных и речных вод, восстановления напоров и уровней в водоносных горизонтах зоны депрессии. При расчетах в том числе учтено влияние нескольких вскрытых водоносных горизонтов, среднемноголетние значения гидрометеорологических показателей территории, проведено моделирование притока и оттока подземных вод.

Однако тип вод, назначение резервуара, геокриологические и гидрогеологические условия участка для его обустройства не соответствуют условиям криолитозоны, в связи с этим отсутствует контроль за температурой массива и динамикой геотермического режима, что критически важно для криолитозоны.

Известен способ закачки дренажных вод расположенных в криолитозоне карьера и рудника "Мир", реализуемый системой обратной закачки (СОЗ) минерализованных дренажных вод в приуроченные к выявленным зонам тектонических дислокаций гидрогеологические структуры подмерзлотного метегеро-ичерского водоносного комплекса (МИВК), которые выявлены комплексом геолого-геофизических исследований (Проблемы эксплуатации системы обработки закачки дренажных вод карьера и рудника Мир / Дроздов А.В., Гензель Г.Н. // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2015. - №4. - С. 304-316). Непосредственно для проведения процесса закачки проведены исследования по схематизации гидродинамических условий, изучению физико-химических и газовых показателей природных рассолов, оценке совместимости дренажных стоков и природных рассолов. Проводилось гидрогеологическое моделирование процесса обратной закачки с отстраиванием гидродинамических моделей, а также модельные расчеты по прогнозу изменения гидродинамических режимов при различных режимах закачки рассолов в МИВК. Практически дренажные воды перекачиваются в оборудованный накопитель, откуда через закачные скважины СОЗ удаляются в МИВК с расходом, равным сумме дебита откачки дренажных рассолов из карьера, объемов атмосферных осадков и вод оттайки, аккумулируемых в накопителе.

Накопитель минерализованных вод в указанном способе является поднадзорным объектом - искусственно созданным гидротехническим сооружением, также данная технология разработана без учета гидрогеохимических особенностей взаимодействия закачиваемых вод с толщей ММП, что приводит к формированию риска гипергенетических изменений, связанных с проникновением рассолов в толщу многолетнемерзлых пород (ММП). Это с учетом минерализации вод может привести к локальной деградации ММП из-за непроработанности методов геотермического контроля.

Наиболее близким техническим решением является способ утилизации промышленных стоков предприятия в условиях криолитозоны по патенту RU 2790345 С1 (приоритет 29.09.2022, МПК E21F 17/16 (2006.01), патентообладатель Акционерная компания "АЛРОСА" (публичное акционерное общество) (RU), опубл. 16.02.2023, Бюл. №5), включающий комплекс геологических, геофизических и гидрогеологических исследований для оценки состояния толщи многолетнемерзлых пород, оценку гидрогеологических параметров подмерзлотного пласта-коллектора, выбор участка с приемлемыми коллекторскими свойствами, исследование совместимости минерализованных - пластовых вод с закачиваемыми промышленными стоками хвостохранилища обогатительной фабрики, гидрогеологическое моделирование, бурение опытных, рабочих и наблюдательных скважин, закачку стоков в пласт-коллектор и мониторинг состояния недр, при этом в качестве рабочих бурят закачные скважины, в качестве промышленных стоков закачивают смешанные в накопителе дренажные воды карьера и осветленные дренажные воды хвостохранилища обогатительной фабрики, при этом предварительно проводят исследование совместимости дренажных вод хвостохранилища обогатительной фабрики с минерализованными - пластовыми водами и дренажными водами карьера, гидрогеологическое моделирование с имитацией совместной закачки дренажных вод карьера и хвостохранилища обогатительной фабрики, а мониторинг состояния недр проводят с термометрией по скважинам.

Однако данный метод для размещения вод в массиве горных пород использует закачные скважины, по сути горные выработки относительно небольшого диаметра. Учитывая незначительный объем вод, которые могут содержаться в стволе закачных скважин, закачка больших объемов слабоминерализованных вод в них невозможна по причине выхода их из строя из-за перемерзания, кроме того, необходимо соблюдение условий минерализации закачиваемых вод для обеспечения их совместимости с толщей ММП.

Технической проблемой, решаемой разработанным способом, является повышение эффективности и экологичности закачки промышленных отходов низкой минерализации (менее 30 г/л) с сохранением природного температурного режима пласта-коллектора при размещении большого объема слабоминерализованных вод.

Технический результат - локализация техногенной нагрузки на геологическую среду с существенным снижением гидрогенного теплового потока в толщу многолетнемерзлых пород.

Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа утилизации промышленных стоков предприятия в условиях криолитозоны, включающего комплекс геологических, геофизических и гидрогеологических исследований для оценки состояния участка утилизации, физико-химическое моделирование параметров утилизируемых промышленных стоков, гидрогеологическое и гидрогеохимическое моделирование, закачку в накопитель утилизируемых промышленных стоков в виде дренажных вод карьера и хвостохранилища обогатительной фабрики, бурение наблюдательных скважин и мониторинг состояния недр, в качестве накопителя промышленных стоков используют выработанный карьер, в качестве промышленных стоков в нем аккумулируют слабоминерализованные воды карьера и хвостохранилища обогатительной фабрики, при этом предварительно моделируют динамику продвижения промышленных стоков и рассчитывают глубину их проникновения в борта карьера аналитическими методами с учетом их минерализации и агрессивности, а мониторинг состояния недр проводят с наблюдениями за изменением пьезометрической поверхности вскрытого водоносного комплекса в рамках карьерного поля и гидрохимическим мониторингом подземных вод, а также вод поверхностных водотоков и контролем динамики геотемпературных изменений толщи пород криолитозоны, в том числе при помощи наблюдательных скважин, расположенных по всем флангам карьерного поля, местоположение которых обеспечивает зоны контроля с учетом структурно-тектонического строения объекта.

Заявляемый способ поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена схема отведения слабоминерализованных вод из хвостохранилищ обогатительных фабрик №14, №8 и рудника «Айхал»; на фиг. 2 - разрез карьера «Комсомольский» с плановой отметкой складирования вод, наблюдательными скважинами и расчетной зоной распространения закачиваемых вод в борта карьера; на фиг. 3 - разломно-блоковое строение трубки «Комсомольская».

Перечень позиций, приведенных в графических материалах:

1 - карьер «Комсомольский»;

2 - рудник «Айхал»;

3 - хвостохранилище обогатительной фабрики №8;

4 - хвостохранилище обогатительной фабрики №14;

5 - водовод перекачки слабоминерализованных вод;

6 - уровень закачки слабоминерализованных вод в карьер;

7 - зона проникновения слабоминерализованных вод в борта карьера;

8 - наблюдательные скважины на многолетнемерзлые породы;

9 - наблюдательные скважины на нижнеордовикский водоносный комплекс;

10 - вмещающие породы;

11 - осевые плоскости разрывных нарушений;

12 - толща многолетнемерзлых пород;

13 - нижнеордовикский водоносный комплекс (природный рассольный комплекс).

Способ осуществляется следующим образом.

Изучение района проведения горных работ (карьер "Комсомольский" 1 Айхальского ГОКа на алмазоносной трубке "Комсомольская") проводилось комплексом геологоразведочных работ, включая геофизические. По результатам исследований определено, что кимберлитовое рудное тело приурочено к сложно построенному узлу субвертикальных разрывных нарушений четырех направлений. Наиболее крупным из них является субмеридиональный разлом, состоящий из трех субпараллельных разрывных нарушений. Кроме него строение узла определяют разрывные нарушения восток-северо-восточного, субширотного и северо-западного направлений 11 (фиг. 3). Вдоль первого из них вытянута длинная ось трубки "Комсомольская" и в его пределах локализована кимберлитовая дайка, продолжающая рудное тело к северо-востоку и северо-западу. Анализ космоснимков показывает, что зафиксированные в карьере 1 субмеридиональные нарушения продолжаются и в пределах прилегающей площади в южном направлении, где они прослеживаются по линейным отрезкам временных и постоянных водотоков. О том, что подобные разломы выходят за пределы карьера 1 и прослеживаются на изучаемой площади, свидетельствуют также результаты детальных гравиметрических и магнитных съемок. Выявлено расширение зон нарушений вблизи контактов с трубкой "Комсомольская" и усложнение их строения за счет большего количества образующих их трещин и большей степени дробления по сравнению с участками, удаленными от кимберлитового тела. Это позволило уточнить схему разломно-блокового строения недр.

Проведенный комплекс гидрогеологических исследований позволил установить наличие различных обводненных зон, горизонтов и комплексов и определить особенности их взаимосвязей, изучить химический, микрокомпонентный и газовый составы подземных вод и растворенных газов, установить мощность мерзлоты и криолитозоны, границы и мощности подозерных таликов. Определены их водообильности, коллекторские свойства и гидродинамические параметры для расчета возможных водопритоков в горные выработки при отработке месторождения. Изучены поверхностные воды сезонно-талого слоя (СТС), подземные воды гидрогенных таликов, определены фильтрационные свойства рыхлых отложений.

Определенная в результате работ геокриологическая обстановка характеризуется сплошным распространением ММП 12 и их низкой среднегодовой температурой. Путем исследования керна разведочных скважин глубиной от 50 до 750 м в зонах тектонических нарушений определены сложность криогенного строения пород в пределах карьерного поля 1 и прилегающей территории, а также разнообразие криогенных текстур горных пород. Мощность ММП 12 составляет в районе трубки 450-460 м (+220…+215 м абс), мощность криолитозоны - 730-740 м, среднегодовая температура пород изменяется от -3,2 до -3,7°С. Мощность СТС небольшая - 1,4-2,5 м. Льдистость криогенных отложений до глубины 120 м изменяется от 10 до 20%. Ниже 120 м льдистость пород криогенного яруса значительно уменьшается, не превышая 10%. В ряде случаев в зонах тектонических нарушений прогнозируются жилы льда мощностью 0,5 и более. В интервале глубин 120-400 м трещиноватость осадочных толщ заметно уменьшается. Величина объемной льдистости составляет 2-8%, а ширина трещин не превышает 1,0-2,0 см. По причине размеров объемов трещин порового пространства, отрицательных температур пород, наличия льдистого материала закачка слабоминерализованных вод в значительных объемах невозможна.

Разработка алмазоносной трубки «Комсомольская» производилась открытым способом в период с 2000 по 2019 гг.В настоящее время горные работы на месторождении трубки «Комсомольская» завершены, выполняются мероприятия по рекультивации. В рамках существующих утвержденных проектных решений предусмотрена «мокрая консервация» карьера "Комсомольский" 1 с постепенным заполнением его метеорными водами. Система нагорных канав засыпана, в отработанной чаше карьера 1 происходит накопление преимущественно метеорных вод (98-99%), на природные рассолы нижнеордовикского водоносного комплекса (НоВК) 13 приходится не более 1% от поступающих вод. Поступление вод в чашу карьера 1 по многолетним наблюдениям будет носить резко выраженный сезонный характер и происходить в период с первой декады мая по вторую декаду октября (суммарно ~ 160 дней). Водоносные горизонты, используемые как источники хозяйственно-питьевого водоснабжения в районе, отсутствуют.

При ведении горных работ одним из факторов, влияющих на экологическую обстановку, является наличие промышленных стоков, в частности, дренажных вод, поступающих из водононосных пластов, пересеченных при отработке карьера, которые нужно утилизировать, снижая негативное влияние их на окружающую среду. Кроме того, на любом карьере существует проблема утилизации так называемых дебалансных вод, которые, так же, как и дренажные воды, относятся к категории естественных, так как формируются в результате смешения метеорных вод (атмосферные осадки, сезонное оттаивание пород, паводковые воды и природные рассолы) и разбавленных природных рассолов разного химического состава, образующихся в результате растворения минералов из засоленных пород. Диапазон изменения минерализации данного типа вод варьирует в широких пределах: от 0,5 г/дм³ до 15 г/дм³ (реже выше). Дополнительно слабоминерализованные воды формируются при обогащении руды на обогатительных фабриках и аккумулируются в хвостохранилищах. Дебалансные воды хвостохранилищ ОФ №8 3 и ОФ №14 4 являются конечным продуктом комплексной системы данных ГТС. Они включают в себя следующие элементы стока: оборотные воды хвостохранилища, прошедшие цикл на обогатительной фабрике; атмосферные осадки, паводковые и метеорные пресные воды.

Химический состав оборотных вод формируется в результате растворения подвижных соединений и легкорастворимых минералов, содержащихся в кимберлитах отрабатываемых месторождений трубок «Айхал», «Заря» и «Юбилейная». Обогащение пород легкорастворимыми минералами происходило прежде всего по следующим причинам: обогащение после внедрения ультраосновных и основных тел на стадии гидротермальных процессов; насыщение в процессе криолитогенеза в результате вымораживания солей из водоносных горизонтов зоны интенсивного водообмена, формирование которых происходило в предыдущие геологические эпохи; в результате взаимодействия с природными рассолами нижнеордовикского и верхнекембрийского водоносных комплексов.

Использование разных участков или структур геологической среды как разновидностей естественных резервуаров для складирования природных газов, нефтепродуктов и других веществ или ликвидации промышленных отходов, в том числе и жидких, широко распространено в стране и мире, в том числе такие технологии используются в АК "АЛРОСА" (ПАО). Одним из факторов, непосредственно влияющих на производственные процессы и экологическую обстановку в районе ведения горных работ, является наличие на всей территории Западной Якутии мощной толщи ММП, обладающей экранирующими свойствами от верхней наиболее незащищенной части разреза (зоны интенсивного водообмена) и играющей роль своеобразной «покрышки». Это позволяет учитывать и использовать этот естественный благоприятный фактор в природоохранных направлениях. По отношению к ММП основные модели применяемых для ликвидации промышленных стоков природных и природно-техногенных коллекторов в криолитозоне можно стратифицировать на: надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные (первого подмерзлотного водоносного горизонта от поверхности). Особый интерес представляют природные межмерзлотные коллекторы - криогенные геологические структуры, приуроченные ко второму ярусу криолитозоны, с определенной, в основном, тектонической нарушенностью, пластовой пористостью пород и кавернозностью ММП, которые обладают естественной и наведенной емкостью. При воздействии на льдистую составляющую пород этих структур высокоминерализованными дренажными водами происходит формирование дополнительной гравитационной и поровой емкости в техногенном водоносном комплексе внутри мерзлого массива. В такие естественные структуры производится закачка дренажных вод (насыщенных и ненасыщенных рассолов) хлоридного кальциевого состава с минерализацией не менее 60 г/л (средняя минерализация в разрезе года закачиваемых вод должна составлять 80-100 г/л).

Все естественно существующие и образованные типы коллекторов в той или иной мере используются АК «АЛРОСА» при возникающих потребностях, связанных с предотвращением ухудшения экологической обстановки при разработке алмазных месторождений в Западно-Якутской провинции.

Однако низкая минерализация образованных при отработке трубки "Юбилейная" промышленных стоков не позволяет рассматривать их закачку в существующие участки закачки дренажных вод в ММП, так как минимально необходимая минерализация закачиваемых вод должна составлять не менее 60 г/л. При закачке дренажных вод с минерализацией менее 60 г/л в зимний период происходит их замерзание в прискважинной зоне с последующим снижением приемистости скважины и выходом ее из строя. Для восстановления закачной скважины необходимо проводить работы по ее восстановлению, включающие чистку скважины от ледяных пробок, налив высокоминерализованных вод.

Кроме того, несмотря на относительно невысокую минерализацию слабоминерализованных вод (до 15 г/л), в данном типе вод фиксируются превышения ПДК по целому ряду компонентов, что делает невозможным их прямой сброс в речную сеть. Поэтому использование отработанного карьера 1 как накопителя слабоминерализованных вод представляется наиболее приемлемым, позволяя из-за его значительной глубины и площади разместить и изолировать большой объем промышленных стоков.

Изучение качественных показателей перекачиваемых вод (физических, химических, физико-химических) на всех стадиях эксплуатации отработанного карьера 1 в качестве бессточного накопителя имеет особое значение. Из физических характеристик перекачиваемых вод наибольший интерес представляют минерализация и температура.

Минерализация определяет эффективность и экологичность процесса перекачки, его технологические этапы и необходимые подготовительные операции. При закачке слабоминерализованных вод в мерзлом массиве криолитозоны процесс плавления льдов и последующее их опреснение будет происходить крайне медленно, по причине низкой агрессивности данных вод к льдистой составляющей толщи толще ММП.

Температура влияет на процесс проникновения слабоминерализованных вод в толщу ММП, так как для минерализованных вод и рассолов разного химического состава в регионе существуют определенные температуры замерзания. На основе лабораторных экспериментов выявлена зависимость между температурой замерзания и минерализацией соленых вод и рассолов (повсеместно распространенных в северной части Западной Якутии), так, доказано, что воды с минерализацией 30 г/л замерзают при температуре -1,8°С.

Для оценки относительно равновесной системы «слабоминерализованные воды-лед-мерзлая порода» проведен ряд исследований. Рентгенофазовым анализом образцов горных пород определен их минеральный состав. С учетом этого, а также принимая во внимание, что межмерзлотные и подмерзлотные подземные воды по составу отрицательно-температурные, в основном, хлоридные кальциевые или натриевые рассолы (криопэги) с преобладающим диапазоном минерализации 50-160 г/дм³, было проведено численное моделирование физико-химического равновесия и степени насыщения вод, взаимодействующих с горными породами карьера трубки «Комсомольская» 1, относительно минералов, обнаруженных в составе кимберлитовой брекчии с помощью программного комплекса HydroGeo (модуль «Гидрогеохимия»). Дальнейшее моделирование включало в себя смешение техногенных вод из хвостохранилищ 1-й и 2-й очереди 3, 4 в пропорции 50:50, определение состава и минерализации полученной смеси и последующее ее смешение с атмосферными осадками в пропорциях 50:50 и 10:90. Для моделирования использованы данные о среднестатистическом составе дождевой воды, имеющиеся в распоряжении лаборатории гидрогеологии ИЗК СО РАН.

Проведено численное моделирование пространственных задач геофильтрации методом конечных элементов в программе FEFLOW. Для определения динамики продвижения дренажных вод в борта карьера 1 расчет в пределах многолетнемерзлых пород проводился подобно фильтрации в «сухой грунт» с присущим ему фронтом продвижения границы раздела между ненасыщенным (сухим) и насыщенным грунтом.

В связи с этим определена возможность использования отработанного карьера "Комсомольский" 1 как бессточного накопителя промышленных стоков, представленных слабоминерализованными водами. Предполагаемая площадь закачки удалена от рудника 2 на расстояние, при котором возврат закачиваемых вод обратно будет отсутствовать при прогнозных объемах закачки на весь период эксплуатации месторождения. Геометрические параметры (соотношение глубины к площади дневной поверхности), позволяют создать в чаше карьера 1 техногенный водоем, который в течение короткого времени (до 5 лет) из-за плотностной и температурной седиментации стратифицируется в многокомпонентную систему, с несколькими ступенями изменения минерализации вод, разделенными между собой гало- и термоклинами, то есть будет сформирован гидродинамически активный слой (как правило не менее 25 м), характеризующийся активным водообменом и турбулентными течениями и состоящий из пресных вод, аналогичных озерным и речным водам данного района.

Воды, поступающие в ММП, изначально имеют невысокую минерализацию (от 0,5 до 15 г/л), не позволяющую растапливать жильные льды, однако положительная температура закачиваемых в чашу карьера 1 вод позволяет им мигрировать в массиве ММП на незначительные расстояния. Первоначально они заполняют свободную ото льда емкость трещинно-порового пространства. В этот период подаваемые в ММП воды продвигаются в массиве преимущественно по ослабленным зонам (зоны повышенной трещиноватости, дробления с неполным заполнением льдом), которые были вскрыты карьером 1. Из-за низкой агрессивности по отношению к ледовому заполнителю значительного увеличения открытой трещиноватости происходить не будет. По мере увеличения объемов закачанных вод, и, следовательно, плановых размеров ореола, будет возрастать роль вертикального гидрогенного растепления. Этому также будет способствовать плотностная конвекция - более минерализованные воды будут опускаться на дно отработанного карьера 1. На этой стадии миграция закачанных вод будет носить черты влаго- и массопереноса в ненасыщенной среде (недонасыщенность ММП по содержанию влаги). Слабоминерализованные воды занимают свободное от воды и ото льда порово-трещинное пространство, при этом капиллярное всасывание вод в пористые блоки, осмотические и молекулярно-диффузионные процессы не будет играть большой роли из-за невысокой агрессивности вод. В результате будет происходить насыщение только трещинного, а не порового пространства ММП.

Распространение закачиваемых вод в ММП дополнительно будет ограничено из-за дополнительного уменьшения минерализации за счет разбавления растаявшим льдом и остыванием вод из-за процесса прямого теплообмена. После этого воды, проникшие в массив ММП, замерзают и консервируются. Таким образом, 1 м³ слабоминерализованных вод с минерализацией 0,5-15 г/л при температуре +5°С с учетом потери тепла на прогрев толщи ММП может растопить около 0,1-0,2 м³ льда.

Низкая минерализация закачиваемых вод и последующее разубоживание их метеорными водами приведет к низкой миграционной способности вод в массиве, по причине формирования вторичных жильных льдов в массиве ММП.

Деградация подошвы многолетнемерзлых пород и образование перетока рассолов вниз по разрезу происходит только в процессе закачки рассолов с минерализацией не ниже 80 г/л, так как при меньшей минерализации по причине замерзания не обеспечивается должная миграционная активность рассолов. Учитывая минерализацию вод, процесс взаимодействия закачанных вод и толщи ММП будет определяться процессом гидрогенного растепления с последующим равновесным состоянием переохлажденных вод и вмещающих пород, вторично инъектированных льдами.

Первоначально при закачке слабоминерализованных вод распространение их в свободном ото льда трещинном пространстве ММП происходит при неполном насыщении под действием силы тяжести по хорошо проницаемым зонам. При этом, за счет изначально положительной температуры, будет происходить таяние ледового заполнителя трещин и каверн, и последующее соединение отдельных проводящих зон, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Со временем за счет таяния льда сформируется область полного насыщения - зоны техногенного водоносного горизонта 7. С этого времени движение воды в водонасыщенной зоне будет происходить под действием градиента давлений и определяться законами Дарси и сохранения массы. Учитывая сложное строение ММП в разрезе, проведен аналитический расчет глубины проникновения слабоминерализованных вод в борта карьера 1.

Прогнозное моделирование динамики продвижения карьерных вод в борта карьера 1 проведено с учетом следующих данных:

1. Уровень воды в карьере 1 в 2022 году на отметке +265 м абс;

2. Ежегодный приток метеорных вод и вод сезонно-талого слоя 300 тыс.м³ в год;

3. Перекачка дебалансных вод ОФ №8 3 (согласно утвержденным проектным решениям по рекультивации карьера 1) в объеме 8 млн м³ к 2026 году.

При таких условиях проведен расчет динамики роста уровня воды в зависимости от объема воды в карьере 1. Рассчитанный уровень воды 6 задан на узлах сетки в пределах карьера 1. Расчет проведен до полного затопления карьера 1 на отметку +660 м абс.

Эксплуатация отработанного карьера 1 в качестве бессточного накопителя с объемом поступающих утилизируемых промышленных стоков 4,0 млн м³ в год и с расходом до 1000 м³/час (24 000 м³/сут) в режиме свободного налива позволит экологически безопасно разместить в его чаше минимум 28 млн м³ (без учета проникновения в борта карьера 1) слабоминерализованных вод хвостохранилищ 3, 4 и рудника «Айхал» 2.

Подача слабоминерализованных вод осуществляется через напорный водовод 5 от рудника 2, хвостохранилища 3 и 4, до карьера 1. Водовод выполнен из стальных труб. Водоводы 5 проложены наземно на лежневых опорах. Трубопроводы 5 для регулирования процесса закачки оборудованы задвижками. Каждый водовод оборудован расходомером для контроля режима перекачки.

Обязательным условием эксплуатации водоводов 5 является регулярная (не реже 1 раза в 2 года) инструментальная и визуальная проверка их состояния. При выявлении неудовлетворительного состояния водовода или его участка по результатам проверки выполняется его ремонт или демонтаж.

Для выполнения мониторинга за процессом «мокрой консервации» карьера 1, наблюдений за изменением пьезометрической поверхности в толще ММП 12 и НоВК 13 при формировании техногенного водоносного комплекса в пределах карьерного поля и контроля динамики геотемпературных изменений толщи пород криолитозоны выполняется бурение 8 наблюдательных скважин 8 и 9, по 4 скважины на толщу 12 и 13. Скважины расположены непосредственно в карьерном поле на удалении 100-150 м от первой бермы карьера на разных флангах. Глубина скважин 9 должна обеспечивать контроль за процессом закачки слабоминерализованных вод и формированием техногенного талика 7 в НоВК 13 и составляет 500 м. Глубина скважины 8 должна обеспечивать контроль за процессом закачки слабоминерализованных вод и формированием техногенного талика 7 в ММП 12 по мере повышения уровня в зоне 12 и составляет 300 м. Причем верхний интервал скважин 8 и 9 до глубины 160 м должен быть обсажен колонной с обязательной затрубной цементацией.

Изменение уровенного режима и химического состава вод НоВК позволят оценить уровень техногенного воздействия на геологическую среду, возникающего в процессе реализации предлагаемой опытной эксплуатации. Гидрохимический мониторинг вод поверхностных водотоков позволит контролировать процесс воздействия закачки слабоминерализованных вод в карьер 1 и влияние его на окружающую среду. Замеры поверхностных водотоков выполняют 3 раза в год (май, июль, сентябрь) на определение минерализации, рН, катионов, анионов, кадмия, лития, бария, свинца, никеля, кобальта, ртути, хрома, бора, бромидов.

Проведенные работы и исследования, исходя из имеющихся и полученных данных о геологическом, геокриологическом, инженерно-геологическом, структурно-тектоническом и гидрогеологическом строении карьерного поля позволили определить отметку безопасного заполнения отработанного карьера 1 слабоминерализованными водами, равную +540 м, с последующим естественным заполнением только атмосферными осадками и паводковыми водами до отм. +660 м. Определено, что прогнозное заполнение карьера 1 без учета проникновения закачиваемых вод в борта произойдет в 2145 году, а с учетом емкости массива в 2215 году.

Линейные размеры отработанного карьера позволяют размещать в выработанном пространстве именно слабоминерализованные воды с некондиционной минерализацией для сохранения ее в жидкой фазе в условиях криолитозоны. При этом данный тип вод не будет приводить к существенным изменениям локальных криогидрогеологических условий, т.к. бортовое проникновение будет контролироваться параметрами минерализации и температурой горных пород.

Изобретение относится к горному делу, в частности к утилизации жидких промышленных стоков, расположенных в криолитозоне горнодобывающих предприятий. Способ утилизации промышленных стоков предприятия в условиях криолитозоны включает изучение района проведения горных работ с осуществлением геологических и геофизических исследований горных пород для уточнения схемы строения недр, гидрогеологических исследований для расчета возможных природных водотоков, дренажных вод, поступающих из водононосных пластов в горные выработки. Затем выбирают отработанный карьер в качестве накопителя утилизируемых промышленных стоков в виде слабоминерализованных дренажных вод карьера, рудника и хвостохранилищ обогатительных. Проводят численное моделирование физико-химического равновесия и степени насыщения вод, взаимодействующих с горными породами карьера. Моделируют смешение техногенных вод из хвостохранилищ. Определяют состав и минерализацию полученной смеси и последующее ее смешение с атмосферными осадками. Проводят численное моделирование пространственных задач геофильтрации для определения динамики продвижения дренажных вод в борта карьера. Изучают качественные показатели минерализации и температуры перекачиваемых вод на всех стадиях эксплуатации отработанного карьера в качестве бессточного накопителя. Бурят наблюдательные скважины. Создают в карьере техногенный водоем путем закачки утилизируемых промышленных стоков. Через наблюдательные скважины осуществляют мониторинг состояния недр путем наблюдения за изменением пьезометрической поверхности водоносного комплекса в пределах карьерного поля и химическим составом вод. Проводят гидрохимический мониторинг вод поверхностных водотоков и контроль динамики геотемпературных изменений толщи пород криолитозоны с определением отметки безопасного заполнения отработанного карьера слабоминерализованными водами с учетом последующего естественного заполнения атмосферными осадками и паводковыми водами. Техническим результатом является локализация техногенной нагрузки на геологическую среду с существенным снижением гидрогенного теплового потока в толщу многолетнемерзлых пород. 3 ил.

Способ утилизации промышленных стоков предприятия в условиях криолитозоны, характеризующийся тем, что изучают район проведения горных работ, осуществляя геологические и геофизические исследования горных пород для уточнения схемы строения недр, гидрогеологические исследования для расчета возможных природных водотоков, дренажных вод, поступающих из водононосных пластов в горные выработки, выбирают отработанный карьер в качестве накопителя утилизируемых промышленных стоков в виде слабоминерализованных дренажных вод карьера, рудника и хвостохранилищ обогатительных, проводят численное моделирование физико-химического равновесия и степени насыщения вод, взаимодействующих с горными породами карьера, моделируют смешение техногенных вод из хвостохранилищ, определяют состав и минерализацию полученной смеси и последующее ее смешение с атмосферными осадками, проводят численное моделирование пространственных задач геофильтрации для определения динамики продвижения дренажных вод в борта карьера, изучают качественные показатели минерализации и температуры перекачиваемых вод на всех стадиях эксплуатации отработанного карьера в качестве бессточного накопителя, бурят наблюдательные скважины, создают в карьере техногенный водоем путем закачки утилизируемых промышленных стоков, через наблюдательные скважины осуществляют мониторинг состояния недр путем наблюдения за изменением пьезометрической поверхности водоносного комплекса в пределах карьерного поля и химическим составом вод, гидрохимический мониторинг вод поверхностных водотоков и контроль динамики геотемпературных изменений толщи пород криолитозоны с определением отметки безопасного заполнения отработанного карьера слабоминерализованными водами с учетом последующего естественного заполнения атмосферными осадками и паводковыми водами.