WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Интенсивная эксплуатация недр, несбалансированное развитие химической, перерабатывающей, металлургической и машиностроительной промышленности, обусловили огромную техногенную нагрузку на земную поверхность и недра создали критическую обстановку на Верхнекамском месторождении калийных солей. Особо следует выделить две крупные аварии: затопление рудника БКРУ-3 в 1986 г. (г. Березники) и обрушение части отработанного пространства рудника СКРУ-2 в 1995 г. (г. Соликамск). Именно после аварии в 1986 г., для более глубокого всестороннего изучения Верхнекамского месторождения калийных солей, в Институте геофизики УрО РАН был создан отдел, который в 1988 г. преобразован в Пермский горный институт УрО РАН, с целью проведения фундаментальных и прикладных исследований по комплексному освоению минеральных ресурсов и недр Урала, а также решению связанного с этим широкого круга проблем горного дела, горно-промышленной геологии, горной геофизики и геоэкологии. В том числе решению одной из наиболее важных проблем для Верхнекамского месторождения калийных солей - разработке методов контроля целостности водозащитной толщи. Одним из путей решения этой проблемы стало использование радиогенного 40Ar, источником которого являются залежи калийных солей.

На материалах, приведенных во второй главе, базируется первое защищаемое положение.

Изменение концентрации газов (40Ar, CH4, H2), растворенных в надсолевом водоносном горизонте, может служить индикатором целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей.

Соляная толща Верхнекамского месторождения представляет собой неоднородный по физическим свойствам массив. Эта неоднородность обусловлена как первичной слоистостью пород, так и различными аномалиями геологического строения соляной толщи. Под геологической аномалией соляной толщи здесь понимается локальное отклонение от её обычного (фонового) строения и состава. Аномалии геологического строения соляной толщи не только затрудняют разработку месторождения, но и могут представлять серьезную опасность с точки зрения нарушения сплошности водоупорного целика (водозащитной толщи) и, как следствие, угрозу прорыва надсолевых вод в горные выработки. Разветвленная сеть рудников, наличие подземного техногенного водного резервуара на одном из шахтных полей, определяет актуальность проблемы прогнозирования преобладающих направлений растворения соляной толщи и контроля целостности ВЗТ.

После крупной аварии в 1986 г. на Верхнекамском месторождении калийных солей, наряду с Пермским горным институтом УрО РАН активное участие в разработке методов контроля целостности водозащитной толщи приняли лаборатории Института геофизики УрО РАН. В частности, в лаборатории ядерной геофизики главное внимание было уделено изучению распределения радиогенного 40Ar, который мог нести информацию о состоянии калийной залежи, имея в виду, что его источником являются калийные соли. Для изучения пространственного распределения 40Ar были проведены площадные съемки по существующей и специально пробуренной сети скважин. Проведенными работами было получено площадное распределение растворенного радиогенного 40Ar над калийной залежью, и экспериментально установлен факт попадания 40Ar в вышележащие водоносные горизонты при отработке (или разрушении) калийных пластов. В 1995 г. на Верхнекамском месторождении калийных солей (ВКМКС) произошла еще одна авария, после которой работы по изучению водораствореных газов были продолжены. В результате был разработан и опробован способ контроля целостности водозащитной толщи.

На рис. 1 представлен схематический геологический разрез продуктивных толщ данного района, который мы использовали как модель для интерпретации полученных результатов. На слое подстилающей каменной соли залегают сильвинитовые пласты, выше расположена карналитовая толща, над которой залегает покровная каменная соль, выполняющая роль водозащитной толщи. Надо отметить, что на ВКМКС в сводовых частях некоторых брахиантиклинальных складок развиты сильвинитовые шляпы.

Рис. 1. Схематический геологический разрез продуктивной толщи ВКМКС:

1 – каменная соль; 2 – сильвинит; 3 – карналлитовая порода; 4 – сильвинитовая «шляпа»; 5 – поверхность подземной эрозии соляной толщи (соляное зеркало); 6 – поверхностные отложения; 7 – соленосная ангидрит-карбонатная маркирующая пачка; 8 – подземные водотоки активных рассолов

По минеральному составу толща калийных солей разделяется на два основных горизонта: нижний – сильвинитовый и верхний – сильвинит-карналлитовый, каждый из которых сложен серией пластов калийных солей, чередующихся с пластами каменной соли.

Из табл. 1, в которой приведены данные по содержанию различных газов по пластам, слагающим геологический разрез Верхнекамского месторождения (см. рис. 1) видно, что метан содержится во всех рассмотренных соленосных пластах, а водород – преимущественно в карналлите.

Таблица 1

Газовый состав сильвинитов и карналлитовой породы ВКМКС (об. %)

Порода

Состав газов, об.%

H2

CH4

O2

CO2

N2

Связанные газы

Карналлитовая порода

29,0

8,4

н.с.

16,3

46,0

Пестрый сильвинит

6,3

2,8

н.с.

11,2

73,0

Полосчатый сильвинит

5,8

3,8

26,0

4,5

68,9

Красный сильвинит

8,6

4,2

23,8

5,0

73,4

Каменная

соль

4,8

10,0

26,0

1,6

59,2

Свободные газы

Карналлитовая порода

25,0

30,9

20,5

0,7

49,0

Пестрый сильвинит

11,3

27,0

н.с.

2,7

47,9

Полосчатый сильвинит

3,8

48,4

н.с.

1,3

43,1

Красный сильвинит

1,9

26,3

н.с.

1,6

58,1

Продуктивные сильвинитовые пласты служат источником радиогенного 40Ar, который является продуктом распада естественного радиоактивного изотопа калий-40. Радиогенный 40Ar частично мигрирует вверх, концентрируется в верхней части соляных пластов. Полное освобождение радиогенного 40Ar происходит при растворении сильвинитового пласта.

При нарушении водозащитного слоя, вниз попадают подземные воды, которые достигают верхней кромки пласта (залежи) калийных солей, и начинают его растворение. При этом происходит интенсивное освобождение 40Ar, который растворяется в подземных водах и начинает мигрировать вместе с ними. Избыток радиогенного 40Ar приводит к увеличению изотопного соотношения 40Ar/36Ar от фоновой величины, соответствующей атмосферному и равной 295,6. Обычная погрешность определения изотопного соотношения 40Ar / 36Ar составляет ±0,1 % (±0,25 ед.). При увеличении изотопного отношения на величину более чем два значения погрешности с достоверностью 0,95 можно говорить о начале высвобождения 40Ar. Как только вода достигает карналлитового пласта, соль начинает растворяться и, соответственно, в процессе ее растворения в раствор выделяются метан и водород, которые находятся в нем в связанном состоянии. Обычно концентрация метана и водорода в подземных водах не превышает 0,01 об.%. При растворении же карналлитового пласта концентрация метана и водорода в подземных водах увеличивается в 50-60 раз.

На рис. 2 приведены результаты мониторинга содержаний водорастворенных газов в наблюдательной скважине за период с января по июнь 1995 г. проведенного после аварии на СКРУ-2.

Рис. 2. Изменение концентрации радиогенного 40Ar (1), CH4 (2), H2 (3) (об.%)

Появление в пробе от 11.04.1995 «избыточного» радиогенного 40Ar первоначально связали с началом разрушения продуктивных сильвинитовых пластов. Для получения дополнительной информации о происходящих процессах было принято решение об измерении в водорастворенных пробах других растворенных газов, в частности, водорода и метана, содержание которых существенно различается в разных пластах (табл. 1).

Однако последующее уменьшение содержания «избыточного» радиогенного 40Ar в пробах после 30.04.1995 и появление в них высокого содержания водорода, а также постепенное снижение сейсмической активности, позволило дать иное объяснение такого поведения растворенных газов. Исходя из геологического строения изучаемой площади, в районе заложения наблюдательной скважины, которая пробурена в центре площади оседания грунта, существовала сильвинитовая шляпа. Тогда, если появление в пробах от 11.04.1995 «избыточного» радиогенного 40Ar связано с разрушением сильвинитовой шляпы, логичным становится появление в пробах после 30.04.1995 высоких содержаний водорода, который, в основном, содержится в карналлитовых пластах и свидетельствует о начале его разрушения.

Если обратить внимание на зависимость во времени появления в пробах газов-индикаторов, то хорошо видна их приуроченность к осенне-весенним периодам. То есть периодам, когда меняется гидродинамическая активность подземных вод и происходит наибольшее поступление осадков в подземные воды, что естественно, увеличивает их растворяющую способность с одной стороны, и с другой - сказывается на напряженно-упругом состоянии земных недр. Значит одной из основных причин, влияющих на целостность водозащитной толщи, является динамика подземной гидросферы, влияющая на поступление поверхностных вод в нижележащие водоносные горизонты. Что это именно так, покажем на характере изменения содержаний в пробах растворенного кислорода и общего 40Ar (рис. 3). Содержание искомых компонентов измерялись в одной и той же пробе. В характере изменения кривых достаточно хорошо прослеживаются две закономерности.

Рис. 3. Изменение концентрации общего 40Ar (1) и O2 (2) (об.%)

Первая – это «противофазность» изменений содержаний О2 и 40Ar. Причина такого поведения связана с движением подземных вод по водоносному горизонту и с расходованием растворенного кислорода на окислительные процессы. То есть при поступлении поверхностных вод с высоким содержанием растворенного кислорода, мы будем наблюдать относительное снижение содержания 40Ar до уровня, определяемого растворимостью всех компонентов атмосферного воздуха. При прекращении поступления поверхностных вод (установление квазистационарного гидродинамического состояния), кислород начинает расходоваться на окислительные реакции. В связи с этим снижается его содержание в растворенном газе и соответственно увеличивается относительное содержание других компонентов, в том числе и 40Ar.

Вторая закономерность, которая прослеживается в поведении кривых 40Ar и кислорода – это осенне-весенние увеличение содержания кислорода в пробах (21.06.1995-1.08.1995 и 27.03.1996-28.08.1996). Объяснение этому явлению находится также в рамках вышеизложенного, так как именно в эти периоды в подземные воды поступает наибольшее количество поверхностных вод.

В результате проведенных работ по изучению состава растворенных в водах скважин газов, разработан и опробован способ контроля целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей. Суть которого, заключается в проведение периодического отбора проб растворенных газов из скважин, пробуренных до надсолевого водоносного горизонта в районах расположения целиков и неотработанного пространства, с последующим определением в пробах содержания избыточного радиогенного 40Ar. В случае появления надфоновых его значений в какой-либо скважине, увеличить частоту отбора проб в ней и проводить дополнительный анализ на газы-индикаторы: водород и метан.

Таким образом, непрерывный мониторинг за содержанием водорастворенных газов позволяет отслеживать динамику подземных вод, а изменение концентрации газов (40Ar, CH4, H2), растворенных в надсолевом водоносном горизонте, может служить индикатором целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей.

В третьей главе раскрывается второе защищаемое положение.

Предложенный режим вынужденной конвекции, позволяет эффективно использовать мониторинговые измерения объемной активности почвенного радона для изучения геодинамических процессов.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»