Маркшейдерия и недропользование

Повышение эффективности работы геотехнологического предприятия по добыче урана требует выбора оптимальных способов освоения месторождений. Для оптимизации работы добычного комплекса нужно уметь оценивать запасы урана, располагать информацией о геохимическом состоянии продуктивного горизонта и подземных вод, а также иметь возможность прогнозировать различные варианты развития предприятия и сравнивать различные способы разработки месторождения [1,2].

Сложность происходящих в продуктивном горизонте процессов приводит к необходимости создания развернутой во времени цифровой модели предприятия позволяющей выбирать наиболее оптимальный способ разработки месторождения [3].

В настоящей работе представлен геотехнологический информационно-моделирующий комплекс (ГТИМК), предназначенный для оптимизации разработки месторождений урана методом сернокислотного подземного выщелачивания (ПВ). Комплекс позволяет создавать цифровую модель технологического блока и проводить моделирование его разработки. ГТИМК позволяет решать следующие задачи:

• оценка запасов урана в продуктивном горизонте;
• оценка изменения состояния продуктивного горизонта и подземных вод в процессе разработки блока;
• определения технологических показателей разработки;
• прогнозирование разработки, сравнение различных вариантов разработки блока и т.д.

ГТИМК включает в себя геотехнологическую информационную и моделирующую системы. Геотехнологическая информационная система позволяет вводить, редактировать, экстраполировать и представлять с привязкой к карте местности полный набор исходных данных, необходимых для моделирования изменения состояния продуктивного горизонта в процессе ПВ. Она состоит из четырех функциональных блоков, описывающих геологические, гидрогеологические, минералого-геохимические параметры продуктивного горизонта и технологические характеристики эксплуатационных скважин. Геологический блок включает в себя привязанные к карте местности данные о геометрии участка водоносного пласта, в котором находится рудное тело (глубина залегания, мощность продуктивного горизонта, расположение рудного тела и т.д.). Гидрогеологический блок содержит данные о распределении фильтрационных параметров продуктивного горизонта, а также другие данные, необходимые для описания фильтрации жидкости в пористой среде. Минералого-геохимический блок содержит данные о начальном распределении минералов в продуктивном горизонте и компонентов, растворенных в пластовых водах. Также в него включены кинетические коэффициенты и параметры равновесия, характеризующие физико-химические процессы, протекающие в системе. Технологический блок содержит данные о положении и интервале вскрытия скважин, режимах их работы, составах закачиваемых растворов.

Создание распределений физических величин в области моделирования может проводиться двумя способами. Первый способ - непосредственный ввод и редактирование таблиц, описывающих распределения фильтрационных, минералогических и литологических параметров продуктивного горизонта. Второй способ основан на интерполяции данных. Пользователь задает на карте точечные объекты или ломаные линии. Имеющиеся сведения, характеризующие свойства продуктивного горизонта в точках (вдоль линий), заносятся в базу данных. Далее выбирается метод интерполяции и генерируются распределения физических величин во всей рассматриваемой области. Результаты интерполяции анализируются специалистами, при необходимости производится пополнение исходных данных и повторная генерация.

Рис. 1.
Главное окно приложения

Моделирующая система основывается на комплексной математической модели многокомпонентной фильтрации и состоит из двух блоков, описывающих гидродинамические и химические процессы. Гидродинамический блок включает в себя расчет распределения давления и фильтрационных потоков в приближении жесткого режима фильтрации. Гидродинамические расчеты выполняются с учетом гидродинамической дисперсии, режимов работы технологических скважин, неоднородности фильтрационных параметров продуктивного горизонта и регионального потока подземных вод. В химический блок включены расчеты растворения-осаждения минералов, комплексообразования, сорбции-десорбции, выпадения гипса. При расчетах учитываются: неоднородность минералогического строения породы; кинетика взаимодействия выщелачивающего раствора с различными минералами; неоднородность состава подземных вод и переменный состав растворов, закачиваемых в продуктивный горизонт.

ГТИМК создан на языке Borland Builder C++ и представляет собой проблемно-ориентированное многопоточное, многооконное, 32-битное программное обеспечение, работающее под управлением операционной системы Windows 98 - XP. Использование средств визуального программирования при разработке геотехнологического информационно-моделирующего комплекса предоставляет пользователю возможность работы со стандартными интерфейсными объектами – окнами, списками, таблицами, которые легко связываются с базами данных и отображаются на экране монитора. Интерфейс геотехнологического информационно-моделирующего комплекса включает в себя стандартные элементы управления – кнопки, переключатели, флажки, меню, всплывающие подсказки на русском языке.

Запуск программы активизирует главное окно, содержащее заголовок, панель меню, панель инструментов, рабочую область, статус-строку, отображающую контекстные подсказки, расчетное время, координаты положения курсора на карте, текущее системное время. Главное окно приложения предназначено для работы с проектом, представляющим собой некоторую совокупность пространственно-атрибутивной информации о полигоне ПВ, геологическом, минералогическом строении и временной эволюции состояния продуктивного горизонта. Ввод и редактирование данных, управление расчетом и представлением результатов, сохранение данных осуществляются с помощью блоков управления проектом, управления объектами геотехнологической системы и параметрами моделирования, визуализации данных, управления расчетом, обработки команд (рис.1).

Применение ГТИМК для проектирования и управления разработкой блока месторождения методом ПВ осуществляется в несколько этапов. На первом этапе создается цифровая модель блока. Она предназначена для определения технологических параметров блока, представляющих интерес с точки зрения добычи урана (запасы урана, кислотоемкость и т.д.), планирования размещения технологических объектов, предварительного планирования способов отработки блока, визуализации продуктивного горизонта и рудного тела и др. Также, цифровая модель блока служит в качестве исходных данных для моделирования разработки блока.

Цифровая модель блока включает в себя цифровую модель продуктивного горизонта, а также цифровые модели технологических и логических объектов блока. К технологическим объектам блока относятся наблюдательные и технологические скважины, к логическим объектам можно отнести технологические ячейки и сам блок. Цифровая модель продуктивного горизонта включает в себя распределения физических величин, характеризующих фильтрационные, минералогические и литологические параметры продуктивного горизонта в блоке и его окрестности.

Рис. 2.
Результаты интерполяции распределений мощности продуктивного горизонта и содержания урана в твердой фазе: а) распределение мощности, б) распределение содержания урана. Изолиниями отмечены уровни физических величин. Точки соответствуют расположению технологических скважин.

На втором этапе проводится определение параметров моделирования физико-химических процессов. Параметры моделирования определяются по результатам лабораторных экспериментов и на основе данных опытных и опытно-промышленных работ.

На третьем этапе проводится прогнозный расчет эксплуатации месторождения. Основой для проведения расчета является цифровая модель блока. При расчете моделируются как гидродинамические, так и физико-химические процессы, протекающие в системе выщелачивающий раствор – подземные воды – вмещающая порода. Результатом расчета являются технологические показатели разработки (масса извлеченного урана, расход реагентов и др.), оставшиеся запасы урана в продуктивном горизонте, а также другие характеристики разработки месторождения. На основании прогнозного расчета делаются выводы о целесообразности разработки месторождения данным способом. Если способ не отвечает необходимым требованиям, то проводится повторение третьего и/или второго этапов с целью поиска более приемлемых схем разработки месторождения.

Рис. 3.
Распределения продуктивности (кг_урана/м2) в области моделирования: а) на момент начала разработки блока; б) на момент окончания моделирования. Ломаной линией отмечены границы блока.

С помощью созданного комплекса было проведено моделирование разработки блока Далматского месторождения урана, Россия. На основе данных о минералогическом, геологическом и гидрогеологическом строении продуктивного горизонта в технологических скважинах, была создана цифровая модель блока месторождения. Результаты интерполяции распределений мощности продуктивного горизонта и содержания урана приведены на рис.2. Физико-химические параметры определялись на основе сравнения результатов компьютерного моделирования и данных опытно-промышленных работ. Моделировалась разработка блока, включающего в себя три откачных и восемь нагнетательных скважин. При этом использовались реальные характеристики скважин и режимы их работы. Сравнение распределений продуктивности на момент начала и окончания эксплуатации блока приведено на рис.3. На рис.4 приведена временная динамика концентраций урана и серной кислоты в откачной скважине 1-8-9, полученные в ходе опытной разработки блока Далматского месторождения и на основе компьютерного моделирования. Хорошее соответствие расчетных и экспериментальных результатов подтверждает адекватность модели и правильность расчетов разработки месторождения методом ПВ.

Рис. 4.
Концентрация компонентов в откачной скважине 1-8-9 (◊ – экспериментальные данные, / – результаты моделирования): а) концентрация урана, б) концентрация кислоты

Разработан геотехнологический информационно-моделирующий комплекс, позволяющий моделировать разработку месторождения урана методом подземного выщелачивания. Используемая в программном комплексе математическая модель адекватно описывает физико-химические процессы в продуктивном горизонте при сернокислотном выщелачивании урана. Программный комплекс может быть использован при проектировании и разработке месторождений урана методом ПВ для увеличения доли извлеченного урана, уменьшения расходов на единицу продукции и минимизации загрязнения подземных вод. На существующих месторождениях, разрабатываемых с помощью ПВ, его можно использовать для обоснования ввода в эксплуатацию новых скважин, подбора режима эксплуатации скважин, обеспечивающего максимальное извлечение урана при минимальных затратах. На разведанных месторождениях ГТИМК может быть использован для определения оптимального расположения нагнетательных и откачных скважин, подбора режимов эксплуатации скважин, обеспечивающих максимальную эффективность разработки.