Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 6, стр. 71-78

ВВЕДЕНИЕ

Добыча природных алмазов в Западной Якутии осуществляется в сложных горно-геологических условиях. Все уникальные коренные месторождения: кимберлитовые трубки Айхал, Ботуобинская, Зарница, Интернациональная, Комсомольская, Майская, Мир, Нюрбинская, Сытыканская, Удачная и Юбилейная, прорывают осадочный чехол нижнепалеозойского возраста, в котором в интервале отработки выделяется от трех до четырех водоносных комплексов, содержащих природные рассолы [2, 4]. Перечисленные месторождения относятся к четырем кимберлитовым полям: Алакит-Мархинскому, Далдынскому, Мирнинскому и Накынскому, которые в зависимости от своей структурной позиции имеют свои криогидрогеологические особенности: глубины залегания подземных вод, типы природных рассолов, а также водообильность вскрываемых коллекторов.

Независимо от сложности криогидрогеологических условий отдельного месторождения его отработка и сопутствующее водопонижение приводят к формированию разноплощадных депрессионных воронок. А в случае реализации метода обратной закачки, в качестве способа обращения с дренажными водами, пьезометрическая поверхность моделируемых водоносных комплексов начинает напоминать диполь, состоящую из депрессионной воронки и наложенного репрессионного купола растекания [1, 3]. Обеспечение безопасных условий отработки требует строительства водоотлива, рассчитанного как на фактические, так и на прогнозные притоки подземных вод. Особенность отработки кимберлитовых тел заключается в планомерном увеличении глубины вскрытия: наиболее богатые трубки на первом этапе вскрываются открытыми горными работами с последующим переходом на подземную добычу. В настоящее время глубина отдельных рудников превысила 1250 м от дневной поверхности [7].

Планомерное увеличение глубины отработки приводит к поэтапному вскрытию водоносных комплексов с постоянным увеличением притоков, причем в зависимости от криогидрогеологических условий отдельно взятого кимберлитового поля, изменение объема дренажных вод может существенно отличаться. Например, суммарный приток рассолов на трубке Айхал при отработке открытым способом до глубины 400 м составлял порядка 40 м³/сут; в настоящее время суммарный приток природных рассолов к подземным горным выработкам рудника, с увеличением глубины до 700 м достиг 200 м³/сут, а прогнозируемый на конец отработки расход составит до 430 м³/сут. По трубке Удачная произошло более существенное увеличение притока при переходе на подземную добычу: при отработке открытым способом до глубины 640 м приток составлял от 1000 до 2000 м³/сут; в настоящее время суммарный приток природных рассолов к подземным горным выработкам рудника с увеличением глубины до 970 м достиг 7200 м³/сут, а прогнозируемый на конец отработки расход составит до 48 000 м³/сут [6, 9].

Перечисленные факторы требуют не только комплексной и раздельной оценки поступающих притоков, но и создания инструмента для прогнозирования изменения гидрогеологической обстановки в процессе ведения горных работ. С целью своевременного реагирования на динамику изменения притоков подземных вод и параметров остаточного напора на месторождениях компании в качестве такого инструмента было выбрано гидрогеологическое моделирование на основе постоянно действующих “цифровых двойников”.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБЪЕКТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Гидрогеологические условия являются определяющими при выборе применяемых технологий разработки и опережающего водопонижения. Наиболее простыми гидрогеологическими условиями характеризуются месторождения Алакит-Мархинского и Накынского кимберлитовых полей, наиболее сложными Далдынского и Мирнинского.

Гидрогеологические условия Алакит-Мархинского кимберлитового поля определяются его принадлежностью к Тунгусскому криоартезианскому бассейну. Основным объектом изучения здесь выступают подмерзлотные природные рассолы, представленные верхнекембрийским подмерзлотным водоносным комплексом (ВВК), что связано с его доминированием (до 90%) при формировании дренажных вод месторождений [5]. Комплекс характеризуется повсеместным распространением, приурочен к карбонатным разностям отложений моркокинской и мархинской свит верхнего кембрия. Кроме того, в мощной зоне многолетнемерзлых пород ограниченно существуют маломощные линзы и прослои так называемых морозовых пород, имеющих отрицательную температуру, но без наличия жильного льда, содержащих свободную воду. К таким линзам морозовых отложений и приурочен межмерзлотный водоносный нижнеордовикский комплекс, характеризующийся весьма низкими значениями фильтрационных параметров и имеющий ограниченное распространение. Несмотря на низкие фильтрационные параметры данный водоносный комплекс участвует в обводнении месторождения, так как вскрыт подземными горными выработками [7].

Основными гидрогеологическими объектами, осложняющими горнотехнические условия отработки кимберлитовой трубки “Юбилейная” Алакит-Мархинского кимберлитового поля в отм. +620/+470 м, являются несквозные талики озер Проточное и Травянистое, имеющие ограниченное площадное распространение [8].

На месторождениях Далдынского кимберлитового поля, помимо ВВК, вскрывается среднекембрийский водоносный комплекс (СВК), приуроченный к переслаивающимся карбонатным отложениям известняково-доломитовой толщи и карбонатным отложениям верхней пачки удачнинской свиты, а также нижнекембрийский водоносный комплекс (НВК), расположенный ниже глубины 1350–1450 м и приуроченный преимущественно к трещинно-кавернозным коллекторам в доломитах нижней пачки удачнинской свиты и окремненным пористо-кавернозным доломитам кумахской свиты [10].

Гидрогеологические условия Мирнинского кимберлитового поля определяются его принадлежностью к Тунгусскому и Якутскому артезианским бассейнам. Здесь главным объектом изучения выступает первый от поверхности подмерзлотный надсолевой метегеро-ичерский водоносный комплекс, что связано не только с его доминированием (до 95%) при формировании дренажных вод месторождений, но и с использованием коллекторов горизонта для обратной закачки. Меньшее влияние имеют: слабоводоносные межсолевой олекминский и эльгянский горизонты, обладающие низкими коллекторскими свойствами. Выделяемый в рамках толбачанской свиты толбачанский газоводоносный комплекс, как правило, состоит из 15–17 коллекторов. Несмотря на высокие показатели пластовых давлений, в целом комплекс характеризуется незначительной водообильностью [9].

В пределах Накынского кимберлитового поля объектами исследования выступают верхнекембрийский подмерзлотный и верхнекембрийский меж-мерзлотный водоносные комплексы, последний имеет спорадическое распространение, вскрывался скважинами в пределах тектонических зон Северного и Южного разломов, в ордовикских и верхнекембрийских отложениях. Кровлей водоносного комплекса являются глинистые многолетнемерзлые отложения балыктахской и чаргольской свит нижнего ордовика и верхнего кембрия. Водоносный комплекс характеризуется низкими фильтрационными свойствами.

Наибольшие притоки прогнозируются по трубке Удачная (Далдынское кимберлитовое поле), наименьшие – по трубке Ботуобинская (Накынское кимберлитовое поле). Прогнозные притоки природных рассолов, как осложняющий фактор отработки, а также сопряженные участки закачки, приведены в табл. 1.

Исходя из представленной в табл. 1 информации, можно выделить следующие объекты для создания “цифровых двойников”:

1. В пределах Алакит-Мархинского кимберлитового поля – рудник Айхал, карьер Юбилейный, участки закачки Заречный и Ноябрьский.

2. В пределах Далдынского кимберлитового поля – рудник Удачный, карьер Зарница, участки закачки Октябрьский, Киенгский, Левобережный, Левобережный-2, Среднекембрийский и Нижнекембрийский юго-восточный.

3. В пределах Мирнинского кимберлитового поля – рудники Интернациональный и Мир, участки закачки УОЗ, УЗВ, Тымтайдахский и Южный.

4. В пределах Накынского кимберлитового поля – карьер Ботуобинский, карьер Нюрбинский, участок закачки Ботуобинский.

МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ СТРУКТУРИРОВАННОЙ БАЗЫ ДАННЫХ

Созданию “цифровых двойников” предшествовали качественный анализ, обобщение с последующим написанием отчетной фондовой документации в части прогноза по остаточной емкости участков, а также определение оптимального режима эксплуатации систем защиты рудников и карьеров от затопления и сопряженных участков закачки. В результате полученный массив данных был структурирован в виде базы данных (БД). Иерархия созданной БД представлена на рис. 1, а структура на рис. 2.

Рис. 1.

Иерархия созданной БД гидрогеологических моделей месторождений алмазов АК АЛРОСА и сопряженных участков закачки.

Рис. 2.

Структура БД гидрогеологических моделей месторождений алмазов АК АЛРОСА и сопряженных участков закачки.

Для удовлетворения потребности основного производства – горно-обогатительных комбинатов, в качественно прогнозировании динамики изменения гидрогеологических условий, возникающих в результате техногенного воздействия на геологическую среду, было принято решение о создании целого ряда постоянно действующих гидрогеологических моделей отдельных карьеров, рудников и участков закачки. Отличием постоянно действующих гидрогеологических моделей от прогностических является постоянное пополнение новой информацией, с последующей ежегодной калибровкой и выдачей уточненного краткосрочного (на один год), среднесрочного (на три года) и долгосрочного прогноза (более 3 лет). В случае необходимости созданные модели позволяют оценить притоки к месторождению на всем его “жизненном цикле”.

Решение фильтрационной задачи осуществлялось с использованием лицензионной программы FEFLOW, выполняющей моделирование гидрогеологических условий методом конечных элементов в многослойной толще для областей произвольной конфигурации с изменяющимися по известному закону граничных условий (ГУ) I, II, III рода при наличии фильтрационных неоднородностей в плане и разрезе, а также вертикальной фильтрации. В зависимости от гидрогеологических условий отдельного кимберлитового поля и решаемых задач, были определены размеры области фильтрации, реализуемые на модели, позволяющие учитывать в процессе исследований все основные режимообразующие факторы [11].

Для шахтных и карьерных полей создавались 3-мерные многослойные модели. Количество слоев определялось гидрогеологическими условиями (количество водоносных горизонтов) и схемой вскрытия (размер эксплуатационного блока). Дополнительным фактором выступала необходимость прогноза притока для отдельной горной выработки, что требовало создание сетки из десятков тысяч элементов. Например, модель трубки Айхал, описывающая его текущее состояние, т.е. до глубины 700 м от дневной поверхности, состоит из 23 слоев, где карьер задан двумя слоями, нижнеордовикский водоносный комплекс, вскрываемый подземными горными выработками – 9, а верхнекембрийский водоносный комплекс – 12. Моделируемая область шахтного поля размером 4100 × 3600 м² разбита неравномерной сеткой, состоящей из 68 345 элементов в каждом слое и 34 220 узлов в каждом слайсе. Размеры элементов от 1.5 до 100 м. Размеры элементов определяются существующей инфраструктурой рудника.

При создании моделей подземные горные выработки рудника задавались как ГУ I рода таким образом, чтоб отметка горной выработки в каждом конкретном узле не оказывалась ниже подошвы соответствующего слоя. На ГУ было наложено ограничение по величине стока, чтобы граница не могла выступать в качестве питающей. С помощью функции модуляции учитывались последовательность отработки и схема вскрытия конкретного рудника. Условия питания подземного потока на границах шахтного поля реализовались на модели ГУ III рода с поддержанием уровня воды на фактически наблюденных отметках через дополнительное фильтрационное сопротивление. Разломы, выделяемые в пределах объекта моделирования, также рассматривались в качестве ГУ III рода [12].

В качестве начальных условий, при решении обратной задачи, принималось распределение уровней подземных вод в начальный момент времени. Дополнительными параметрами для итераций являлись:

− балансовые наблюдения на руднике или карьере;

− значения фильтрационных параметров, ранее полученных опытным путем или в процессе выполненных исследований;

− закономерности пространственной изменчивости фильтрационных свойств изучаемого объекта.

Построение гидрогеологических моделей участков закачки, использующих подмерзлотные региональные водоносные комплексы, осуществлялось схожими методами, однако имелся ряд отличий:

− площади моделируемых объектов существенно отличались. Если площади карьерных и шахтных полей, как правило, составляли 3–5 км², то площади участков закачки составляли от 200 до 400 км²;

− закачные скважины задавались ГУ II рода.

Моделирование процесса закачки в толщу ММП реализовалось по принципу фильтрации в “сухой грунт” с присущим ему фронтом продвижения границы раздела между “сухим” и насыщенным грунтом. В связи с этим вместо начальных условий для напоров в первом и втором слоях модели задавался признак “сухих” блоков. В дальнейшем при моделировании такие блоки могут “замачиваться” при появлении напоров в соседних блоках выше отметок подошвы слоя. На внешних границах 1, 2-го слоев граничные условия не задавались, так как закачиваемые рассолы не достигают внешних границ. Эксплуатационные скважины участков закачки моделировались как граничное условие 2-го рода (задавался фактический расход закачки). Значения фильтрационных параметров (коэффициентов фильтрации и емкостных свойств) принимались по имеющимся литературным и фондовым материалам. В процессе моделирования на этапе решения обратной задачи (калибровка модели) эти параметры уточнялись.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проделанных работ в период 2020–2022 гг. были созданы постоянно действующие “гидрогеологические двойники” основных месторождений компании – трубок Айхал, Ботуобинская, Интернациональная, Мир, Нюрбинская, Удачная и Юбилейная, а также сопряженных участков закачки. В качестве примера реализации программы гидрогеологического моделирования представим “цифровые двойники” трубки Нюрбинская и участков закачки Среднекембрийский и Нижнекембрийский юго-восточный (рис. 3).

Рис. 3.

Прогнозируемое распределение уровня подземных вод в пределах: а – карьерного поля трубки Нюрбинская (абс. отм., м); б – участков закачки Среднекембрийский и Нижнекембрийский юго-восточный.

Создание и последующая актуализация постоянно действующих моделей позволили не только приобрести современный инструмент прогнозирования водопритоков, но и помогли улучшить процесс планирования в части бурения дренажных и закачных скважин, приобретения насосного оборудования и др. Отклонение прогнозных величин от фактически наблюденных в рамках краткосрочного прогноза за период использования 2021–2023 гг. составляло от 5 до 10%.

В настоящее время контроль и актуализация моделей осуществляются силами специалистов института Якутнипроалмаз в следующем режиме: построенные модели ежегодно актуализируются с учетом информации, поступающей непосредственно с объекта и собранной в процессе регламентного ежемесячного гидрогеологического мониторинга. В ноябре каждого года на основе постоянно действующей модели выдается информационный отчет с прогнозным на весь будущий год поблочным распределением притоков подземных вод и картами-схемами распределения уровня (напора), приведенными помесячно. Например, в ноябре 2023 г. в горно-обогатительные комбинаты будут направлены отчеты, содержащие искомую помесячную информацию по притокам и напорам на весь 2024 г. В течение 2024 г. на основе вновь поступившей информации модель будет ежеквартально актуализироваться и в ноябре 2024 г. будет выдан прогноз на 2025 г.

Дополнительным критерием успешного применения данного инструмента является постоянное расширение портфеля “цифровых двойников”:

− первая модель, построенная в 2020 г. в ПО FEFLOW для рудника Удачный, уже прошла две актуализации в 2021 и 2022 г., в настоящее время подготавливается третья актуализация;

− в 2021 г. по приведенному сценарию были реализованы “цифровые двойники” рудника Интернациональный, Мир, карьеров Нюрбинский и Юбилейный; дополнительно были построены модели участков закачки Киенгский и Левобережный-2;

− в 2022 г. дополнительно были построены модели рудника Айхал и карьера Ботуобинский, а также участков закачки Левобережный, Ноябрьский, Заречный, Среднекембрийский и Нижнекембрийский юго-восточный.

ВЫВОДЫ

Постоянно растущая техногенная нагрузка на геологическую среду, возникающая в регионах интенсивного недропользования, требует современных инструментов контроля и прогнозирования. Для обеспечения безопасных условий отработки коренных месторождений алмазов Западной Якутии в АК АЛРОСА в рамках процесса цифровизации производства были реализованы гидрогеологические “цифровые двойники” главных месторождений и сопряженных участков закачки.

Несмотря на применение общепринятых и стандартных решений для прогнозирования динамики подземных вод, создание моделей имеет ряд особенностей в части формирования слоев, количества блоков и размеров элементов, определяемых системами вскрытия и размерами эксплуатационных блоков конкретного месторождения, а также изначальными криогидрогеологическими условиями кимберлитового поля.

Разработанные институтом Якутнипроалмаз гидрогеологические модели соответствуют предъявляемым требованиям, несмотря на сложные криогидрогеологические и структурно-тектонические условия каждого месторождения. Отклонения прогнозных величин не превышают фактически наблюденные на 5–10%.