Физико-геологические условия месторождений самородной серы

Промышленные скопления серы генетически связаны с известняковыми рудами. Глубина залегания известняков с серой даже в пределах одного месторождения изменяется от нескольких десятков метров до 400 м и более. Мощность их колеблется от нескольких сантиметров до 20—25 м. Содержание серы также непостоянно (от 2 до 30%). Разнообразные и сложные взаимоотношения известняков с самородной серой обусловили наличие текстурных разновидностей серных руд. Наиболее распространенными являются мелко- и тонковкрапленные, а также вкрапленные руды. В пределах одного месторождения типы руд весьма разнообразны, что обуславливает большой разброс основных параметров, характеризующих их физические и технологические свойства. Характеристики физико-геологических условий серных месторождений Предкарпатья, Гаурдака и Северной Америки представлены в таблице 12.1

Таблица 12.1 – Характеристики физико-геологических условий серных месторождений

Оптимальным для ПВС являются: наличие запасов серы, обеспечивающих рентабельность строительства предприятия; мощность рудного тела не ниже 10 м; содержание серы в руде не ниже 10—15 % (наиболее эффективна разработка месторождений с крупными — гнездовыми, прожилковыми — включениями серы); гидрогеологически закрытая структура серной залежи; проницаемость сероносного пласта (определяется трещиноватостью и пористостью), обеспечивающая необходимую фильтрацию воды и расплавленной серы в пределах продуктивной залежи; водонепроницаемость вмещающих пород; отсутствие значительных нарушений, сдвигов, сбросов; достаточность глубины месторождений и прочности покрывающих пород для исключения гидравлического разрыва на поверхность; наличие в районе месторождения местных ресурсов воды, топлива, электроэнергии.

Исследования процесса ПВС базируются на изучении физических свойств серных руд. Плотность серных руд 2,12—2,6 г/см³,.Плотность 8—17 %. Сопротивление образцов серных руд сжатию уменьшается при нагревании до 130 °С в среднем в 20— а. Так, прочность на сжатие известняка с прожилково-вкрапленной серой Язовского месторождения уменьшилась с 38 МПА (при комнатной температур) до 0,86 МПа (при 130 °С). Таким том, в натурных условиях массив серной руды, нагретой до 120-130 °С, будет иметь очень низкую прочность.

Проницаемость серных руд и вмещающих пород — один из решающих факторов, обусловливающих эффективность применения В лаборатории нельзя полностью имитировать условия массива серной руды. Поэтому проницаемость руд изучалась как на кернах, так и в полевых условиях с помощью гидрогеологических исследований. Исследования показали, что испытанные монолитные, некавернозные образцы практически водонепроницаемы. Значит распространение теплоносителя вокруг добычной скважины сходит в основном по кавернам, крупным порам, трещинам и карстам. Передача тепла от теплоносителя к включениям серы, не соединенным с каналами пор и трещин, происходит за счет теплопроводности и образования новых каналов при выплавке серы.

Теплофизические характеристики руд, вмещающих пород найме важны для расчета параметров технологии ПВС.

Удельная теплопроводность средних руд составляет 1,3 — 0,3 Дж/м·с·^оС), т.е. она в 4—5 раз ниже теплопроводности известняка. Это объясняется пористостью и низкой теплопроводностью руд. Теплоемкость руд довольно высокая (1,68— 0,7 Дж/кг·^оС). Температуропроводность серных руд 1—5,6х10^-7 м²/с, коэффициент линейного теплового расширения 0,2—2,6·10^-5 1/°С, т.е. ниже, чем чистой серы. Это свидетельствует об обязательном тепловом разрушении известнякового скелета руды для плавлении серы. Температурные напряжения расплавленной будут разрушать закрытые каверны, что значительно увеличит проницаемость руды и уменьшит потери серы при ПВС.

Физически серный пласт представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из горной породы (известняк, сера), минерализованных подземных вод и газов. Эта система характеризуется пористостью, проницаемостью, теплофизическими параметрами т.д., поэтому особый интерес и значение представляет исследование физических свойств серных руд в натурных условиях.

Важным фактором, определяющим условия разработки месторождения, является гидрогеологическая обстановка, которая характеризуется свойствами как пород, так и пласта в целом (проницаемостью, пористостью, распределением их по мощности пласта, взаимосвязью между водоносными горизонтами, наличием гидравлических «окон», химическим составом и температурой подземных вод и газов). Для получения гидрогеологических параметров серных месторождений целесообразно использование методов восстановления давления и гидропросушивания, поскольку серные руды имеют трещинно-карстовый характер. Гидрогеологические условия характеризуются чрезвычайной изменчивостью фильтрационных свойств. Так, коэффициент фильтрации изменяется от 0,005 до 214 м/сут, а удельный дебит скважин—от 0,004 до 50 м³/ч. Нагнетание в скважину и наблюдение за изменением уровней в других скважинах дает информацию о неоднородности фильтрационных свойств серного пласта. Для изучения профиля приемистости эффективно использовать геофизические методы резистивиметрового каротажа, объемной расходометрии и поинтервальных нагнетаний.

Требования к качеству серных руд и горно-геологическим условиям их залегания определяют экономическую целесообразность добычи серы методом ПВС (таблице 12.2). На основании их можно произвести подсчет и оконтуривание промышленных запасов серных месторождений, пригодных для разработки методом ПВС.

Таблица 12.2 – Показатели экономической целесообразности добычи серы методом ПВС