Анализ режима грунтовых вод при разработке обводненных месторождений полезных ископаемых

Энергоресурсосбережение является одной из самых серьезных задач XXI в. От результатов решения этой проблемы зависит место нашего общества в ряду развитых в экономическом отношении стран и уровень жизни граждан. По прогнозам, представленным в ежегодном Международном обзоре энергии (International Energy Outlook), мировое энергопотребление к 2020 г. возрастет на 40–45 %, что вызовет необходимость увеличения добычи всех видов энергоресурсов, разработки и внедрения современных энергосберегающих технологий. Проблему энергосбережения подтверждают разрабатываемые и принимаемые федеральные законы, направленные на энергосбережение. Согласно Указу Президента Российской Федерации № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации» энергосбережение входит в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации («Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика»).

Большинство предприятий, разрабатывающих обводненные месторождения полезных ископаемых, несут значительные затраты на приобретение и поддержание оборудования для водоотлива, непосредственно водоотлив, возведение и эксплуатацию гидротехнических сооружений, нарушая большие площади земель, необходимые для размещения гидротехнических сооружений. Доля перечисленных затрат в себестоимости продукции может достигать до 30 –

40 %. Необходимо отметить, что предлагаемые решения разработки месторождений полезных ископаемых входят в перечень критических технологий Российской Федерации.

Стратегия социально-экономического развития Красноярского края до 2020 г. предусматривает также развитие минерально-сырьевой базы за счет вовлечения в отработку ряда крупных месторождений сложных по горно-геологическим и гидрогеологическим условиям. На действующих карьерах увеличиваются глубина разработки, нарушенность пластов, водо-обильность пород и коэффициент вскрыши. Все это влечет за собой ввод в эксплуатацию дополнительного оборудования.

Для энергосбережения, а также сокращения затрат предприятий, разрабатывающих обводненные месторождения полезных ископаемых, предлагается вести планирование горных работ с учетом гидрогеологического режима грунтовых вод. Для принятия своевременных технологических решений при разработке обводненных месторождений полезных ископаемых был изучен гидрогеологический режим грунтовых вод на различных месторождениях в течение года.

По данным, полученным в ходе наблюдения за дебитом грунтовых вод в течение года на карьере «Восточный», на Татауровском и Наталкинском золоторудном месторождениях, а также по данным, приведенным В.А. Всеволожским [1], были построены графики изменения водопритока (рис. 1–3).

Как видно из рис. 1–3, период с ноября по апрель характеризуется минимальным водо-притоком. Таким образом, при планировании горных работ с учетом режима грунтовых вод необходимо проводить углубку карьера в момент минимального водопритока, а разнос бортов осуществлять в период максимального водопритока. Это позволит снизить энергопотребление за счет уменьшения нагрузки на водоотливные установки. Кроме того, при прогнозировании водопритока в карьер возможна оптимизация работы водоотливных установок.

Восточный 2005

Восточный 2006

Всеволожский В.А.

Рис. 1. График изменения водопритока грунтовых вод в течение года на карьере «Восточный» и по

данным В.А. Всеволожского

Рис. 2. График изменения водопритока грунтовых вод в течение года на Татауровском месторождении

s

s

// ^

1997     1998

Рис. 3. График изменения водопритока грунтовых

месторождении за 8 лет

вод в течение года на Наталкинском золоторудном

В качестве примера анализа режима грунтовых вод представлено Наталкинское золото -рудное месторождение, на основе которого построена модель прогнозирования водопритока в карьер.

Из рис. 3 видно, что наибольшая величина водопритока приходится на период с мая по октябрь и изменяется от 17,5 до 316,5 м3/ч. Среднегодовые значения дебита грунтовых вод лежат в пределах от 40 до 98 м3/ч. Наименьший уровень грунтовых вод зафиксирован в период с ноября по апрель - от 5,3 до 83,6 м3/ч. Таким образом, наибольший уровень грунтовых вод в течение года относительно наименьшего уровня отличался в 3–6 раз.

В табл. 1 представлено эмпирическое распределение объема грунтовых вод с 1997 по 2004 гг., а на рис. 4 – гистограмма этого распределения.

Из гистограммы видно, что около 50 % водопритока находится в пределах минимальных значений.

Таблица 1. Эмпирическое расширение объема грунтовых вод

Водоприток, м3/ч	Годы								Итого	Вероятность, %
	1997	1998	1999	2000	2001	2002	2003	2004
5-40	32	32	30	26	32	24	20	23	219	52,6
40-74	3	15	13	13	1	11	5	4	65	15,6
74-109	11	3	5	9	6	8	12	3	57	13,7
109-143	2	2	2	2	8	9	7	4	36	8,7
143-178	2	0	2	1	3	0	2	5	15	3,6
178-212	1	0	0	1	1	0	2	7	12	2,9
212-247	0	0	0	0	1	0	4	4	9	2,2
247-281	1	0	0	0	0	0	0	1	2	0,5
281-317	0	0	0	0	0	0	0	1	1	0,2
Итого									416	100

60%

52,6%

15,6%

13,7%

3,6%

м

1 0 %

0%

5-40 40-74

74-109 109-143

143-178 178-212

212-247

Водоприток, м³/ч           ^{247 281} 281-317

Рис. 4. Вероятность водопритока

2,9%

2,2%

Для прогнозирования динамики водопритока в карьер была построена модель среднегодового режима притока грунтовых вод в течение года за 8 лет:

0,0333t² - 0,8007t +16,7 8 84, 1 <  t <  14;

Q = < -0,4015t² +25,5881t-279,618, 1 4 < t <  38;

------------------, 38 <  t <  52, 0,0027 t - 0,0947

где Q – дебит грунтовых вод, л/с; t – порядковый номер недели в году.

В табл. 2 представлены статистические показатели, характеризующие достоверность полученной кусочно-гладкой аппроксимации (1) при уровне значимости 0,05. В статистических исследованиях доказано, что уровень значимости 0,05 обеспечивает точность, достаточную для принятия правильных инженерных решений. Величина критерия Фишера показывает вероятность того, что полученные закономерности в модели на основе результатов наблюдений неслучайны. Таким образом, формула (1) позволяет прогнозировать объемы водопритоков грунтовых вод с достоверной вероятностью 0,95.

На рис. 5 представлен график модели (1).

Проведенные исследования показывают, что в период окончания пиковых режимов спад водопритоков происходит по гиперболической зависимости, что является аналогичным стохастической модели колебаний речного стока в паводочный период [4].

Полученную модель изменения водопритока грунтовых вод можно использовать при проведении текущего и календарного планирования горных работ на Наталкинском золоторудном месторождении.

Таблица 2. Статистические показатели оценки модели (1)

Номер формулы в модели	Критерии оценки
	Коэффициент кореляции, r	Остаточная дисперсия, S ост	Критерий Фишера	Значимость критерия Фишера
1	0,846	0,8174	15,1049	0,0005
2	0,9443	206,9038	90,6166	2,3917·10-11
3	0,982	6,46·10-6	379,2632	1,54·10-11

^^^^^™ Прогнозируемое среднегодовое изменение притока грунтовых вод ■ Среднегодовое изменение притока грунтовых вод

Рис. 5. График изменения среднегодового притока грунтовых вод в течение года

Так как максимальный водоприток на одном из участков Наталкинского золоторудного месторождения на летний период составил 320 м3/ч, то откачка вод обеспечивается работой трех насосных агрегатов ЦНСн180-340.

В работе на время пикового периода используются два насосных агрегата, а в остальные дни – один. Их годовое энергопотребление составляет 4 150 440 кВт·ч в год. При тарифе на электроэнергию 0,1828 руб/кВт·ч затраты равны 758 700 руб/год.

Поскольку пиковый период режима грунтовых вод 184 дня, а при минимальных водопри-токах (181-182 дня в году) водоприток грунтовых вод не превышает 83,6 м3/ч (согласно рис. 3), предлагается применение насоса ЦНСн 105-343 в период минимальных водопритоков и один насос НК 560/300 в период максимальных водопритоков грунтовых вод.

Общее энергопотребление составит 2 885 664 кВт·ч в год. Затраты на электроэнергию – 527 499,4 руб/год. Применение предлагаемых насосных агрегатов с учетом анализа режима грунтовых вод позволит снизить ежегодные затраты на электроэнергию и общее энергопотребление на 30 %.

В этой связи можно сделать вывод, что планирование горных работ необходимо производить с учетом водопритоков грунтовых вод, что позволит снизить энергопотребление водоотливных систем за счет снижения на них нагрузки, а в некоторых случаях при разработке неглубоких карьеров даст возможность исключить процесс водоотлива и всех связанных с ним процессов.