Моделирование влияния солеотвалов калийных комбинатов на фильтрационные свойства водовмещающих пород

Актуальность проблемы. Калийные производственные рудоуправления формируют комплексное влияние на геологическую среду. Долговременные хвостохранилища легко растворимых солей и пульп (солеотвалы, шламохранилища, рассолосборники), являются источниками загрязнения подземных вод и геологической среды, что в дальнейшем должно приводить к преобразованию пустотного пространства пород вследствие физико-химических процессов взаимодействия постепенно разбавляющихся в подземных водах рассолов и растворимых минералов пород (карбонатов, сульфатов) и может инициировать своеобразный карстовый процесс. Кроме того, выемка полезного ископаемого приводит к образованию пустот в продуктивных пластах в виде системы штреков. Даже при обратной закладке прочностные свойства хвостов, закладываемых в штреки значительно хуже, чем у породы. Это приводит к образованию своего рода мульд оседания, причем осадки могут быть значительными и неравномерными, что, в свою очередь, приводит к образованию новых и раскрытию старых трещин. Совокупность всех процессов влияет и на земную поверхность, переформирует пустотное пространство пород и изменяет распределение пористости и проницаемости (фильтрационно-емкостные свойства) массивов, ухудшает качество подземных вод и, в конечном итоге, поверхностных, принимающих разгружающиеся подземные воды.

На территории Верхнекамского месторождения калийных солей ВКМКС (Березни-ковско-Соликамский промышленный район) основным полезным ископаемым являются хлорид калия, содержащийся в руде в соизмеримых количествах с хлоридом натрия. Последний не может быть утилизирован в получаемых количествах и складируется в солеотвалы, имеющие значительную площадь 80−160 га с накоплением хлорида натрия к концу работы ГОК до 7−10 млн. тонн. При сроке работы ГОК 50−80 лет время полного растворения солеотвала около 500 лет. За это время рассол, поступающий из него в геологическую среду с концентрацией более 320 г/л, сформирует большое тело загрязненной воды. После растворения солеотвала загрязненная вода будет еще долгое время находиться в породах. Поэтому время влияния солеотвала больше времени его существования. Шламохранилища, так же сопутствующие калийному производству, имеют соизмеримые площади и из них поступает рассол около 160 г/л. Срок распреснения шламохранилищ меньше — около 200 лет, затем происходит распреснение подземных вод примерно за то же время, что и загрязнение.

Соленые подземные воды имеют большую ионную силу и могут растворять имеющиеся в породах карбонатные и сульфатные минералы в виде заполнителей трещин и в составе пород. Это в свою очередь будет приводить к возрастанию пористости и проницаемости трещиноватых водовмещающих пород, изменению скорости миграции солей. В рассматриваемых условиях это может привести к ухудшению защитных свойств надсо-левой толщи, препятствующей поступлению подземных вод на кровлю соляной залежи.

Цель работы — разработка методики моделирования трансформаций трещинного пространства геологической среды при воздействии поступающих с поверхности рассолов хлорида натрия.

В задачи исследования входили:

— Анализ литературных данных по проблемам влияния солеотвалов на подземные воды, рассолов на растворимость минералов, методикам моделирования геомиграционных процессов и обоснования моделей;

— Определение количественного распределения растворимых минералов в разных видах — в составе пород и заполнителя трещин;

— Построение геомиграционной схемы надсолевой толщи в окрестности объекта на основе анализа и обобщения фактических данных;

— Разработка метода моделирования миграции подземных вод с физико-химическими обменными процессами и трансформацией трещинного пространства;

— Математическое моделирование распространения рассолов и изменения пористости и проницаемости пород надсолевой толщи;

— Анализ возможностей альтернативных простых методов моделирования этих процессов.

Базисный объект исследований. Территория влияния 2-го Соликамского калийного производственного рудоуправления (СКПРУ-2) на подземные воды. Выбор этого объекта определяется не только наличием фактического материала по гидрогеологическим условиям, но и расположенными примерно в 15 км к северо-западу створами скважин с детальными исследованиями минералов заполнителей трещин, проведенными Л. В. Мигуновым [1977] в 1962;1966 годах при работах по инженерным изысканиям для Верхнекамской ГЭС. Развитая им теория инфильтрационной минеральной зональности надсо-левых толщ используются в этой работе. Рассмотренное геологическое строение и гидрогеологические условия, в той или иной мере, присущи территориям всех калийных рудоуправлений Березниковско-Соликамского промрайона.

Фактический материал. Геологическое строение и гидрогеологические условия объекта охарактеризованы более чем сотней скважин различного назначения (разведочные, структурные, гидрогеологические). Использовались результаты регулярных наблюдения за режимом уровней и химическим составом вод проводящиеся с 1987 года. Вследствие недостаточности данных на объекте о детальном распределении проницаемости по вертикали, привлекались данные расходометрии по скважинам территории ВКМКС. Характеристика и количественная оценка минерального заполнителя трещин выполнена на основе результатов кандидатской диссертации J1.B. Мигунова [1977].

Методы исследования. Основным методом исследования является математическое моделирование миграции подземных вод с учетом равновесных физико-химических процессов взаимодействия подземных вод и пород. Моделирование осуществлялось при помощи программного комплекса PMWin (Chiang W.H.), включающего необходимые для этого программы моделирования фильтрации (MODFLOW) и моделирования массопере-носа с физико-химическими процессами в многокомпонентной гидрогеохимической системе (PHT3D). При реализации модели взаимодействия была дополнена и откорректирована база термодинамических параметров, используемая PHT3D. Для учета эффектов, возникающих за счет высокой плотности поступающего рассола в однокомпонентной постановке использовалась программы MT3DMS и SEA WAT. Кроме того, для выбора наилучшего метода решения задач с переменной плотностью фильтрующихся растворов проводилось сравнение различных методов представления этого процесса с использованием других программ.

Для переопределения значений фильтрационно-емкостных свойств при растворении-осаждении минерального заполнителя трещин использовались собственные алгоритмы, развитые в данной работе и реализуемые при помощи электронной таблицы Excel. Модель строилась на основе параметров полученных при верификации геофильтрационных моделей и при анализе литературных данных, последнее было особенно необходимо для определения процессов массообмена подземных вод и пород. Дополнительные процедуры обработки фактического материала, построения геометрии области моделирования и взаимоотношений слоев выполнялись методами интерполяции на соответствующем математическом обеспечении.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика моделирования миграции подземных вод с учетом равновесных физико-химических процессов (растворения и осаждения минералов) и изменения во времени фильтрационно-емкостных свойств пород надсолевой толщи.

2. Для моделирования изменения пористости и проницаемости трещиноватых пород под действием техногенных рассолов необходимо начальное условие — природное распределение концентраций компонентов подземных вод, формируемое моделированием геомиграции до стабилизации полей концентраций, в случае данной работы втечение 1000 лет.

3. Под действием фильтрации рассола из солеотвала через первые десятки лет в верхней части пород, содержащих гипс в виде заполнителя трещин мощностью 4−8 м, гипс полностью исчезает. На кровле залегающего ниже слоя гипсов происходит растворение приводящее к резкому увеличению горизонтальной проницаемости. Размер области растворения по горизонтали около 2 км. Этот процесс идет до конца периода засоления подземных вод в этой части пород — около 500−700 лет.

4. Для решения задач с переменной плотностью потока от сосредоточенного источника применимы методы, основанные на конвективно-дисперсионном массопереносе. Методы, применяющиеся для моделирования миграции несмешивающихся разноплотност-ных жидкостей, дают результаты, не согласующиеся с фактическими наблюдениями.

5. Для прогноза изменения фильтрационно-емкостных параметров трещиноватых пород возможно ограниченное применение более простого моделирования миграции рассолов с дополнительными расчетами растворения минерального заполнителя трещин. Однако это является крайне трудоемкой задачей, практически вырождающейся в моделирование многокомпонентной миграции с физико-химическими процессами для достижения приемлемой точности.

Практическая значимость. В работе дан прогноз миграции соленых вод от солеотвала в трех постановках: без учета переменной плотности, с добавлением физико-химических равновесных процессов и изменением проницаемости и пористости пород, с учетом переменной плотности. Показана высокая вероятность сохранения водозащитных свойств надсолевой толщи.

Личный вклад автора. Начиная с 2006 года в рамках студенческих работ, а затем в аспирантуре автор исследует процессы, происходящие на территориях воздействия хвостового хозяйства калийных комбинатов, преимущественно Соликамских. Автором, на основе анализа фактической и опубликованной информации, была построена геомиграционная схема территории исследований, созданы теоретическое и методическое обоснование моделирования миграции подземных вод с постоянно изменяющимися фильтрацион-но-емкостными свойствами. Выполнены все работы по отладке моделей и собственно многовариантному моделированию рассматриваемых процессов в нескольких постановках решения задачи.

Обоснованность и достоверность научных результатов базируется на анализе публикаций по тематике работы, анализе и обработке обширного фактического материала, проверке используемых методов моделирования сопоставлением с другими, многочисленным вариантным математическим моделированием исследуемых процессов.

Защищаемые положения.

1. Миграция рассолов от накопителей отходов калийного производства вызывает растворение и осаждение карбонатных и сульфатных минералов пород и заполнителя трещин за счет переменной ионной силы растворов, приводя к изменению пористости и проницаемости. Формируются локальные области соизмеримые с источником рассолов со значительным, на несколько порядков, повышением проницаемости в местах резкой смены гидрогеохимических условий (контакты пород различного состава, уровень подземных вод) и повышенных скоростей фильтрации.

2. Для прогноза миграции рассолов и трансформации геологической среды необходимо использовать модели многокомпонентной миграции. Трансформация среды под действием рассолов поступающих сверху должна рассчитываться на основе расщепления уравнений геомиграции многокомпонентных растворов по физическим процессам в циклической последовательности решения задач геофильтрации, массопереноса, физико-химических преобразований и пересчета пористости и проницаемости с временным шагом, определяемым шагом массопереноса. Учет переменной плотности подземных вод приводит к увеличению глубины проникновения рассолов от солеотвала и ускорению процессов растворения в пределах 10−20%.

3. Основное увеличение проницаемости происходит в зоне загипсованных пород мощностью 4−8 м над поверхностью гипсового зеркала и на самой кровле гипсового зеркала под солеотвалом и ниже по потоку подземных вод на протяжении 2 км. Это приводит к увеличению глубины проникновения рассолов в надсолевую толщу и к изменению путей миграции рассолов в направлении основной дрены — р. Камы с постепенным уменьшением скорости растворения. Защитные свойства надсолевой толщи над кровлей соляного зеркала сохраняются при отсутствии крупных вертикальных трещин, вызванных потенциально неравномерным оседанием пород над рудником.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены в пяти публикациях, в том числе в двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК, доложены на международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (2009 г. и 2011 г.), на научной конференции «Комплексные проблемы гидрогеологии» (2011 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 102 наименований, содержит 73 рисунка и 5 таблиц. Общий объем работы 142 страницы.

Выводы:

1. Длительная фильтрация рассолов в породах имеющих растворимый заполнитель трещин (гипс, кальцит) приводит к изменению их пористости и проницаемости. Зона загипсованных пород мощностью 4−8 м над гипсовым зеркалом полностью лишается гипса заполнителя трещин на длине 2000 м.

2. В кровле терригенно-карбонатной толщи под солеотвалом и вблизи него формируется узкая зона отсутствия заполнителя трещин — кальцита.

3. На поверхности гипсового слоя может сформироваться узкая зона сильного повышения пористости и проницаемости в полторы тысячи раз с 0,03 до 50 м/сут. Последняя величина взята как предельная с учетом компенсации формирующейся пустоты горным давлением и неравномерностью растворения по поверхности слоя вследствие неоднородности условий растворения.

4. Возможное увеличение проницаемости глинистых пород при фильтрации рассолов так же приводит к неравномерному увеличению проницаемости загипсованных пород, увеличивая поток растворителя — рассола от солеот-вала в месте растворения.

5. При изменении проницаемости глинистых отложений под влиянием рассолов в областях, находящих ближе к основной дрене, гипс растворяется интенсивнее. Это определяется локальным повышением коэффициентов фильтрации в области пород, расположенной под солеотвалом, увеличивающих миграцию к основной дрене.

6. Скорость распространения рассолов при увеличении проницаемости и пористости пород увеличивается, что приводит к ускорению миграции соли и увеличению разгрузки ее в основную дрену по сравнению с вариантами постоянных пористости и проницаемости.

7. При учете изменении фильтрационных параметров в прогнозе распространения рассолов из солеотвала, глубина их проникновения в соляно-мергельную толщу увеличивается и наиболее концентрированная часть ореола соли практически достигает соляного зеркала.

Табл.4.3.1. Изменение концентрации гипса в блоках наблюдения в модели геомиграционной задачи.

Время (1, лет) Концентрация гипса, моль/дм3 блок 50 блок 51 блок 52 блок 53 блок 54 блок 55 блок 56 блок 57 блок 58 блок 59 блок 60.

1=0 11.99 789 11.99 858 11.99 911 11.99 946 11.99 952 11.99 952 11.9992 11.99 697 11.9935 11.98 741 11.98 769.

1=250 11.96 882 11.93 211 11.90 364 11.83 425 11.86 803 11.86 006 11.85 789 11.83 959 11.87 021 11.85 864 11.87 054.

1=500 11.90 872 11.82 563 11.76 383 11.61 114 11.69 372 11.67 895 11.67 502 11.63 343 11.70 068 11.68 214 11.70 664 разница 0−500 -0.8 917 -0.17 295 -0.23 528 -0.38 832 -0.3058 -0.32 057 -0.32 418 -0.36 354 -0.29 282 -0.30 527 -0.28 105.

Табл.4.3.2. Изменение концентрации гипса в блоках наблюдения в модели геомиграционной задачи после увеличения проницаемости глинистых пород.

Время (1, лет) о Концентрация гипса, моль/дм блок 50 блок 51 блок 52 блок 53 блок 54 блок 55 блок 56 блок 57 блок 58 блок 59 блок 60.

1=0 11.99 789 11.99 858 11.99 911 11.99 946 11.99 952 11.99 952 11.99 920 11.99 697 11.9935 11.98 741 11.98 769.

1=250 11.94 568 11.90 483 11.89 524 11.84 861 11.88 949 11.88 452 11.88 266 11.86 000 11.88 246 11.89 081 11.90 322.

1=500 11.86 217 11.76 811 11.74 679 11.64 072 11.73 962 11.73 147 11.72 800 11.67 521 11.72 494 11.75 017 11.78 198 разница 0−500 -0.13 572 -0.23 047 -0.25 232 -0.35 874 -0.2599 -0.26 805 -0.2712 -0.32 176 -0.26 856 -0.23 724 -0.20 571.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫМИ СПОСОБАМИ.

5.1. ОБЩАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

Моделирование геомиграции при помощи программы PHT3D нуждается в достаточно большом наборе параметров физико-химического взаимодействия. В то же время она не учитывает переменную плотность растворов, приводящую к несколько другой картине скоростей фильтрации и, соответственно, к изменению мест и интенсивности растворения-осаждения минералов.

В этой главе проводится сравнение результатов полученных применением моделей миграции с учетом (программа SEA WAT) и без учета (программа MT3DMS) переменной плотности подземных вод. Естественно, прямое сравнение с результатами, получаемыми моделированием совместно с физико-химическими процессами (программа PHT3D) невозможно, т.к. последняя учитывает все особенности распределения концентраций веществ раствора и распределения скоростей фильтрации.

Для вычисления плотности раствора используется ее линейная связь с концентрацией до «.

Р = Ро+т1с = Ро + £с ос где р — плотность подземных вод при концентрации растворенной соли сро — плотность пресной водыЕбезразмерная константа, в данной модели задано значение 0,64. Корреляция плотности и минерализации реальных растворов (подземные воды, растворы рассо-лосборников и шламохранилищ) показана на рисунке 5.1.1. Для чистого раствора NaCl параметры уравнения связи с используемой точностью те же.

Общая методика решения задач одинакова с предыдущим вариантом моделирования с помощью программы PHT3D. Разница состоит в отсутствии возможности учета влияния концентрации хлорида натрия на равновесные концентрации минералов и определении накопления минералов при растворении или осаждении в условиях меняющегося во времени распределения составов подземных вод. Эти операции необходимо делать вручную, как и пересчет значений пористости и проницаемости. Отсюда следует необходимость более дробного шага по времени пересчета всех характеристик, особенно на начальном периоде миграции рассолов от днища солеотвала до реально растворяющегося гипса зоны загипсованности.

С, кг/л.

Рис. 5.1.1. Корреляционный график для зависимости плотности от минерализации соленых вод по фактическим анализам.

Гидрогеохимическая система не является единой. Вводятся две системы, а точнее два мигрантахлорид натрия и сульфат кальция, каждый мигрирует независимо по физико-химическим трансформациям. Однако хлорид натрия определяет плотность раствора и, соответственно, определяет поле скоростей фильтрации. Вклад в плотность раствора сульфата кальция незначителен.

Граничные условия по хлориду натрия определяются постоянной концентрацией равновесия с галитом на нижней границе модели (соляное зеркало). При работе солеотва-ла на его подошве задается такое же граничное условие. Для сульфата кальция выставляется внутреннее граничное условие первого рода или постоянство концентрации в зоне загипсованности и в зоне гипса. Эта концентрация равновесия с гипсом и определяется по решению задачи миграции NaCl на основании зависимости, показанной на рис. 2.3.1 или расчетом при помощи программы моделирования химических равновесий (PHREEQC, HCh и т. п.) [Appelo and Postma, 2005]. Отсюда следует, что чем чаще по ходу решения задачи производится расчет этой концентрации равновесия, тем точнее решение задачи. В пределе это сводится к задаче решаемой программой PHT3D.

Обе задачи миграции решаются одновременно, искажения поля скоростей фильтрации за счет переменной плотности используются для определения массопереноса сразу двух компонентов.

Расчет выноса растворяющегося гипса и, соответственно, его остатка в породе проводится для каждого блока модели, находящегося на поверхности зон содержащих гипс расположенных со стороны поступления подземной воды в эти зоны (вверх по потоку). Полагается равновесный процесс растворения, т. е. вода, выходящая из блока содержащего.

122 гипс, равновесна с гипсом и больше растворять его не может. Дефицит насыщения по гипсу определяется разницей концентраций сульфата кальция в предыдущем (без гипса) и последующем (с гипсом) блоках модели. Количество растворенного гипса АМ для блока модели, например, с двумя входящими потоками (рис. 5.1.2) рассчитывается по формуле.

ДМ = е1(Ст-С1) + е2(Си-С2) — =.

Ьт где Ш — приращение концентрации гипса, Уьт — объем блока модели. Далее следует расчет новых значений пористости и проницаемости согласно алгоритму раздела 3.5. Отсюда следует, что необходим экспорт расходов поступающих в блок модели, кроме экспорта значений концентрации растворенного.

0А А.

3 Л>^ V * «* г ч п ^<22С2 ч.

Рис. 5.1.2. Схема блоков модели для расчета выноса массы минерала.

5.2. ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕННОЙ ПЛОТНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА МИГРАЦИЮ.

Задача решается с целью определения изменений интенсивности процессов массо-отдачи пород при учете переменной плотности подземных вод, возникающей вследствие фильтрации рассолов. Так как в данной постановке миграции одного компонента подземных вод невозможно так же корректно решать задачу как при моделировании миграции многокомпонентного раствора, для сравнения параллельно проводится моделирование в аналогичной однокомпонентной постановке, но без учета переменной плотности подземных вод.

Поле начальных концентраций ЫаС1 получено в результате задачи в естественном режиме без солеотвала, соответственно в модели без учета и с учетом переменной плотности. На нижней границе модели задана постоянная концентрация ЫаС1 — 320 г/л, соответствующая кровле каменной соли. На верхней границе в области солеотвала задана концентрация 312 г/л, соответствующая постоянному поступлению рассолов из солеотвала.

На рисунках 5.2.1−5.2.2. показано распределение рассолов из солеотвала в течение 50, 250 лет. В начальный период основной поток рассолов из солеотвала направлен вертикально вниз. Поперечный размер ореола рассолов (С > 250 г/л) в модели без учета переменной плотности подземных вод больше, чем размер ореола рассолов с такой же концентрацией в модели с учетом переменной плотности подземных вод. По вертикальному направлению ореола рассолов в модели с учетом плотности глубже примерно на 30 м, глубина -120 м. Ширина ореола рассолов 250 г/л составляет 1200 м.

Ореолы рассолов (С> 50 г/л) поступающих из солеотвала в двух постановках модели встретятся с ореолом рассолов от кровли каменной соли через пятьдесят лет. В зоне (от реки Камы до солеотвала) миграция рассолов при учете плотности происходит практически по горизонтальному направлению, тогда как без учета плотности получается заметное поднятие рассолов к руслу Камы.

На рисунке 5.2.2 видно, что рассол (250 г/л), попадая в водоносную толща движется по направлению подземного потока, преимущественно по верхнесоликамскому водоносному горизонту. Область распределения рассолов (изолиния концентрации 250 г/л) дойдет до р. Камы. Миграция рассолов с концентрацией ЫаС1 более 250 г/л в модели с учетом плотности быстрее, чем в задаче без учета переменной плотности подземных вод. Области занятые рассолом практически одинаковы в задачах с учетом и без учета переменной плотности подземных вод. Характерным является наличие языков опускания рассолов с подошвы верхнесоликамского водоносного горизонта в нижнесоликамский — своего рада эффект образования «пальцев» большого размера.

После расчетного периода в 500 лет считается, что солеотвал полностью растворен, и в его положении вместо солеотвала формирован бассейн в контуре обваловки с таким же инфильтрационным потоком пресных вод.

На основании поля концентрации рассолов, полученного в результате моделирования 500-летнего цикла существования солеотвала, выполнено моделирование рассоления водоносной соликамской толщи. Все геофильтрационные и миграционные параметры задаются как в модели с солеотвалом, только исключена концентрация на верхней границе в положении солеотвала. Эта задача тоже выполнена двумя методами, без учета и с учетом переменной плотности подземных вод. Результаты распределения уменьшающих концентраций соли приведены на рисунках 5.2.3−5.2.4. fo o O л.

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 номер блока.

SEA WAT сутки.

— 4500.

—— 10 900 14 100 о— 17 300 —X—20 500 —ж—23 700 —— 26 900 30 100 —*— 33 300 —¦— 36 500 -MT3DMS.

Рис. 5.3.1. График расхода подземных вод в программах SEA WAT и MT3DMS со.

1-Г ° ы с о = х? о я о.

О. U о.

3.0Е-06.

2.5Е-06.

2.0Е-06 о.

55 и ^ 1.5Е-06.

— а я с;

CQ и о.

О a. S о 1.0Е-06.

Q '-) га S са н.

CJ.

СЗ а.

5.0Е-07.

0.0Е+00.

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 номер блока.

SEA WAT сутки 4500.

——- 10 900 14 100 о— 17 300 —х—20 500 —ж—23 700 —+—26 900 —¦— 30 100 —А— 33 300 —¦—36 500.

Рис. 5.3.2. График массового расхода растворенного гипса в программах SEA WAT et.

О X О га.

О. «.

3 са О Q о га S я о с s U.

О U о я.

X о о. о н ь га о.

3.00Е-06 2.50Е-06 2.00Е-06 н >> is 1.50Е-06 со.

S 1.00Е-06 5.00Е-07 О. ООЕ+ОО.

MT3DMS сутки.

4500 — 10 900 —• 14 100 —17 300.

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 номер блока.

Рис. 5.3.3. График массового расхода растворенного гипса в программах MT3DMS.

Результаты растворения гипса по массовым расходам подземных вод в программе МТЗОМБ показаны в рисунке 5.3.4. Видно, что в блоках 54−60 количество растворения гипса больше, максимальное значение — 0,149 моль/дм3. Количество растворения гипса в блоках 50−53 все меньше 0,05 моль/дм3.

50 51 52 53.

54 55 56 57 номер блока.

58 59 60 сутки.

— О- 17 300 -х- 20 500 -ж- 23 700 -± 26 900 30 100 —*— 33 300 —¦— 36 500.

Рис. 5.3.4. Изменение количества растворения гипса в задаче без учета переменной плотности подземных вод (МТЗОМБ) с 50 лет до 100 лет.

Растворение гипса по массовым расходам растворенного гипса в программе 8ЕА? АТ отличается от полученного в МТЗОМБ. На рисунке 5.3.5 видно, что в блоках 50−53 количество растворенного гипса в два раза больше количества раствореннного гипса в МТЗБМЗ (больше 0,1 моль/л). Максимальное значение растворения гипса — 0,2 моль/дм3 в блоке 54. А в блоках 58−59 растворение гипса очень мало, количество меньше 0,2 моль/дм3.

50 51 52 53.

54 55 56 номер блока.

57 58 59 60 сутки.

— О- 17 300 -х- 20 500 -ж-23 700 -± 26 900 -•-30 100 -а-33 300 36 500.

Рис. 5.3.5. Изменение количества растворения гипса в задаче с учетом переменной плотности подземных вод (SEAWAT) с 50 лет до 100 лет процесса растворения гипса на кровле гипсового зеркала на 10−20%. При этом увеличивается время достижения солеными водами русла реки Камы. Область распространения рассолов несколько отличается от полученной без учета плотностных эффектов, но не принципиально.

Моделирование миграции тяжелых рассолов, поступающих из основания солеот-валов, соответствующее природному распределению солености в наблюдательных скважинах и не может быть осуществлено программами, основанными на миграции несмеши-вающихся разноплотностных жидкостей. Несмотря на общую тенденцию к формированию на нижнем водоупоре купола соленых вод повышенной плотности, как и в обычных программах с переменной плотностью растворов, при таком способе моделирования не образуются конвективные ячейки, и не происходит реальное повышение солености в верхних частях разреза в отдалении от солеотвала.

Общая последовательность моделирования миграции соленых вод с трансформациями геологической среды основывается на расщеплении общего уравнения миграции по физическим процессам и заключается в серии последовательных моделей-шагов:

— фильтрации подземных вод (получение поля скоростей фильтрации).

— конвективного и дисперсионного переноса растворенных веществ (получение полей концентрации растворенных веществ).

— физико-химических процессов с системе подземная вода — порода (получение полей концентрации растворенных веществ и соединений пород, в частности минералов).

— трансформации пустотного пространства пород, преимущественно трещинного на основании изменения концентраций минералов в породах (получение полей пористости и проницаемости в вертикальном и горизонтальном направлениях).

Начальным условием каждой последующей модели является результат предыдущей. Наилучшие результаты получаются при одинаковом временном шаге для всех частных моделей, что требует модификации программного обеспечения.

Для корректного моделирования миграции веществ обменивающихся с породами и трансформации геологической среды необходимо начальное условие воспроизводящее равновесное состояние подземных вод, минералов и других соединений пород. Это достигается аналогичным циклическим моделированием природного состояния объекта изучения до стабилизации полей концентраций растворенных веществ подземных вод и устойчивых тенденций растворения-осаждения твердых соединений.

Наибольшим преобразованиям подвергается зона загипсованных пород, располагающихся над гипсовым зеркалом и кровля самого гипсового зеркала в окрестности соле-отвала. Это приводит к ускорению миграции соленых вод в направлении основной дрены р. Камы, но практически не изменяет водозащитных свойств толщи пород от соляного до гипсового зеркала, вследствие большого запаса гипса на время действия солеотвала до его полного растворения около 500 лет.