Environmental GeoscienceEnvironmental GeoscienceГеоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология0869-78093034-6401The Russian Academy of Sciences28880110.31857/S0869780924060054ALVZNWMODELS IN ENGINEERING GEOLOGY AND HYDROGEOLOGYМОДЕЛИ В ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ И ГИДРОГЕОЛОГИИResearch ArticleGroundwater flow modeling to justify safe mining of the Yakovlevsky iron ore deposit (KMA)Геофильтрационное моделирование для обоснования безопасной отработки Яковлевского железорудного месторождения КМАRybnikovP. А.РыбниковП. А.
Russian Federation
ribnikoff@yandex.ruRybnikovaL. S.РыбниковаЛ. С.
Russian Federation
luserib@mail.ruInstitute of Mining of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesИнститут горного дела Уральского отделения Российской академии наук15122024643572304202523042025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://ogarev-online.ru/0869-7809/article/view/288801

The unique Yakovlevskoe iron ore deposit of the Kursk magnetic anomaly (KMA) is confined to a 40-km-long strip with an average width of 440 m, and the thickness of ore layers varying from 50 to 465 m. Rich iron ores are confined to the crystalline basement and lie at a depth of 470–550 m with an angle of incidence 60–70°. Industrial mining began in 2005 at the Yakovlevsky underground mine using a system with backfilling of mined-out space. Mining is carried out under very difficult hydrogeological conditions: at the top of the productive horizon there is a high-pressure multi-layer system of the Dnieper-Donets artesian basin. Directly on the foundation rocks lies the Lower Carboniferous aquifer (under natural conditions with a pressure of up to 440 m), there is no reliable sustained aquitard: the separating weakly permeable strata is represented by clay deposits (thickness from 0.2 to 30 m) and dense carbonated formations in the roof of the ore-crystalline strata (thickness from 0.2 to 30 m, up to 60 m). Drainage of the developed area of the deposit is carried out underground by draining only the ore body using horizontal and inclined-rising wells. Development of the deposit has already led to a significant decrease in groundwater levels and a change in the parameters of the separating protective layer. The possibility of expanding the front of mining operations both in area and in depth requires a serious hydrogeological justification. Further development of the Yakovlevsky iron ore deposit can be carried out by increasing the mining depth (to a horizon of –525 m) or by excavating a safety pillar in the range from –300 to –370 m. The implementation of these options will require preliminary drainage of the Lower Carboniferous aquifer, the consumption of such water reduction will be about 4 thousand m3/hour and will lead to the formation of an extensive depression cone.

Уникальное по запасам Яковлевское железорудное месторождение Курской магнитной аномалии приурочено к полосе длиной 40 км, шириной в среднем 440 м, мощность рудных пластов варьирует от 50 до 465 м. Богатые железные руды приурочены к кристаллическому фундаменту и залегают на глубине 470–550 м с углом падения 60°–70°. Промышленная добыча начата в 2005 г. Яковлевским подземным рудником системой с закладкой выработанного пространства. Отработка ведется в очень сложных гидрогеологических условиях: в кровле продуктивного горизонта находится высоко напорная многопластовая система Днепровско-Донецкого артезианского бассейна. Непосредственно на породах фундамента залегает нижнекаменноугольный водоносный горизонт (в естественных условиях с напором до 440 м), надежный выдержанный водоупор отсутствует: разделяющая слабопроницаемая толща представлена глинистыми отложениями (мощностью от 0.2 до 30 м) и плотными карбонатизированными образованиями в кровле руднокристаллической толщи (мощностью от 0 до 60 м). Осушение разрабатываемого участка месторождения осуществляется подземным способом путем дренирования только рудного тела с использованием горизонтальных и наклонно-восстающих скважин. Отработка месторождения уже привела к существенному снижению уровней подземных вод, изменению фильтрационных параметров разделяющей защитной толщи. Возможность расширения фронта добычных работ как по площади, так и по глубине требует серьезного гидрогеологического обоснования. Дальнейшее освоение Яковлевского месторождения может осуществляться путем увеличения глубины отработки (до горизонта –525 м) или выемкой предохранительного целика в интервале от –300 до –370 м. Реализация этих вариантов потребует предварительного осушения нижнекаменноугольного водоносного горизонта, расход такого водопонижения составит около 3 тыс м3/ч, и приведет к формированию обширной депрессионной воронки.

hydrogeological conditionspumpingheterogeneityplan-spatial modelwater strikesaquiferaquitardrich iron oreszones of water-conducting crackschange in filtration propertiesгидрогеологические условияводоотливфильтрационная неоднородностьпланово-пространственная модельнапорные водыкаменноугольный водоносный горизонтбогатые железные рудыводозащитная толщазоны водопроводящих трещинизменение фильтрационных свойствПравительство Российской ФедерацииGovernment of the Russian Federation075-00412-22 ПР[Analysis of hydrogeomechanical conditions of the mine field of the Yakovlevskoe deposit, assessment of the quality of the rock mass and the adopted iron ore mining systems]. Belgorod, OOO NTC “NOVOTEK”,2002. (in Russian)Анализ гидрогеомеханических условий шахтного поля Яковлевского месторождения, оценка качества массива горных пород и принятых систем разработки железных руд. Белгород: ООО НТЦ “НОВОТЭК”, 2002.Genzel, G.N., Elantseva, L.A., Zaitsev, D.A. [Creation of a numerical geofiltration model of the Yakovlevskoe deposit and forecast of groundwater inflows into the designed mine workings]. Belgorod, OOO NTC “NOVOTEK”,2018. (in Russian)Гензель Г.Н., Еланцева Л.А., Зайцев Д.А. Создание численной геофильтрационной модели Яковлевского месторождения и прогноз притоков подземных вод в проектируемые горные выработки. Белгород: ООО НТЦ “НОВОТЭК”, 2018.Genzel, G.N., Osipenko,Yu.S., Elantseva, L.A. [To carry out a substantiation of safe conditions for mining the Yakovlevskoe iron ore deposit under an undrained lower Carboniferous aquifer complex without the construction of waterproof lintels. Coordination of the results with the Gosgortekhnadzor of Russia]. Belgorod, OOO NTC “NOVOTEK”, 2004121 p. (in Russian)Гензель Г.Н., Осипенко Ю.С., Еланцева Л.А. Выполнить обоснование безопасных условий отработки Яковлевского железорудного месторождения под неосушенным нижнекарбоновым водоносным комплексом без сооружения водонепроницаемых перемычек. Согласование результатов в Госгортехнадзоре России. Белгород: ООО НТЦ “НОВОТЭК”, 2004. 121 с.[Geology, hydrogeology and iron ores of the Kursk Magnetic Anomaly basin (KMA)] A.T. Bobrysheva, Ed., Moscow, Nedra Publ., 1972, vol. II, 480 p. (in Russian)Геология, гидрогеология и железные руды бассейна Курской магнитной аномалии (КМА). А.Т. Бобрышева (ред.). М.: Недра, 1972. Т. II. 480 c.[Hydrogeology of the USSR. Voronezh, Kursk, Belgorod, Oryol, Lipetsk, Tambov regions]. A.T. Bobrysheva, Ed., Moscow, Nedra Publ., 1972, vol. IV, 498 p. (in Russian)Гидрогеология СССР. Воронежская, Курская, Белгородская, Орловская, Липецкая, Тамбовская области. А.Т. Бобрышева (ред.). М.: Недра, 1972. Т. IV. 498 с.Golubnichii, D.V., Gilyazev, D.Kh., Ignatenko, I.M., Khaustov, V.V. [Features of ensuring environmental safety of underground mining of the Yakovlevskoye rich iron ore deposit]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Geologiya, 2023, no. 2, pp. 94–103. (in Russian)Голубничий Д.В., Гилязев Д.Х, Игнатенко И.М., Хаустов В.В. Особенности обеспечения экологической безопасности подземной разработки Яковлевского месторождения богатых железных руд // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Геология. 2023. № 2. С. 94–103.Grigoriev, A.M., Zoteev, O.V., Makarov, A.B. [Geomechanical justification for massif monitoring during the development of ores of the Yakovlevskoye KMA deposit under undrained aquifers]. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten’ (nauchno-tekhnicheskii zhurnal), 2013, no. S4, pp. 27–37. (in Russian)Григорьев А.М., Зотеев О.В., Макаров А.Б. Геомеханическое обоснование мониторинга массива при разработке руд Яковлевского месторождения КМА под неосушенными водоносными горизонтами // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. № S4. С. 27–37.Gurkin, A.Ya., [The study of drainage system efficiency under complex draining conditions by the example of Yakovlevskoe ore deposit KMA]. Extended abstract Cand. Sci. (Techn.) dissertation. Moscow, 1964, 17 p. (in Russian)Гуркин А.Я. Исследование эффективности дренажных систем в сложных условиях осушения на примере Яковлевского месторождения КМА: автореф. дис. … канд. тех. наук / Моск. ин-т радиоэлектроники и горной электромеханики. М.: [б. и.], 1964. 17 с.Gusev, V.N., Ilyukhin, D.A., Zhuravlev, A.E. [Assessment of the degree of undermining strata disturbance by man-made water-conducting cracks according to geomechanical monitoring data in mine workings at the Yakovlevskoe mine]. Zapiski Gornogo instituta. 2013, vol. 204, pp. 74–81. (in Russian)Гусев В.Н., Илюхин Д.А., Журавлев А.Е. Оценка степени нарушенности подрабатываемой толщи техногенными водопроводящими трещинами по данным геомеханического мониторинга в горных выработках Яковлевского рудника // Записки Горного института. 2013. Т. 204. С. 74–81.Gusev, V.N. [Forecast of safe conditions for developing a suite of coal seams under water bodies based on the geomechanics of man-made water-conducting cracks]. Zapiski Gornogo instituta, 2016, vol. 221, pp. 638–643. (in Russian)Гусев В.Н. Прогноз безопасных условий разработки свиты угольных пластов под водными объектами на основе геомеханики техногенных водопроводящих трещин // Записки Горного института. 2016. Т. 221. С. 638–643.Dashko R.E. [Engineering geological characteristics and assessment of rich iron ores of the Yakovlevskoe mine]. Zapiski Gornogo instituta, 2006, vol. 168, pp. 97–104. (in Russian)Дашко Р.Э. Инженерно-геологическая характеристика и оценка богатых железных руд Яковлевского рудника // Записки Горного института. СПб. 2006. Т. 168. С. 97–104.Dashko, R.E., Feller, E.N. [Geotechnical and engineering geological assessment of the safety of mining rich iron ores at the Yakovlevskoe mine (Kursk magnetic anomaly)]. Geotekhnika, 2013, no. 5–6, pp. 26–38. (in Russian)Дашко Р.Э., Феллер Е.Н. Геотехническая и инженерно-геологическая оценка безопасности добычи богатых железных руд на Яковлевском руднике (Курская магнитная аномалия) // Геотехника. 2013. № 5–6. С. 26–38.Dashko, R.E., Feller, E.N. [Formation and development of mining geological processes depending on changes in engineering geological and hydrogeological conditions at the Yakovlevskoe mine]. Zapiski Gornogo instituta, 2012, vol. 199, pp. 151–160. (in Russian)Дашко Р.Э., Феллер Е.Н. Формирование и развитие горно-геологических процессов в зависимости от изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий на Яковлевском руднике // Записки Горного института. 2012. Т. 199. С. 151–160.Efremov, E.Yu., Rybnikov, P.A., Rybnikova, L.S. [Justification for draining the hydrogeodynamic system “water-bearing sediments - disintegrated massif” upon underground mining of iron ore deposits]. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya, 2023, no. 3, pp. 47–57. (in Russian)Ефремов Е.Ю., Рыбников П.А., Рыбникова Л.С. Обоснование осушения гидрогеодинамической системы “водовмещающие отложения – дезинтегрированный массив” при подземной разработке железорудных месторождений // Успехи современного естествознания. 2023. № 3. С. 47–57.Zhurin, S.N. [Management of the massif state upon underground mining of ferrous metal ore deposits under difficult hydrogeological conditions]. Extended abstract Doctoral Sci. (Techn.) dissertation. Moscow, MGGU Publ., 1998, 45 p. (in Russian)Журин С.Н. Управление состоянием массива при подземной отработке месторождений руд черных металлов в сложных гидрогеологических условиях: aвтореф. дис. … докт. техн. н. М.: МГГУ, 1998. 45 с.Zoteev, O.V. [Justification for safe mining of the central section of the Yakovlevskoe deposit upon expanding the excavation boundaries to –525 m horizon and existing mining allotment at the sides]. Yekaterinburg, IGD UrO RAN, 2020, 206 p. (in Russian)Зотеев О.В. Обоснование безопасной отработки центрального участка Яковлевского месторождения при расширении границ выемки до гор. –525 м и существующего горного отвода по флангам. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2020. 206 с.Zoteev, O.V. [Justification of safe and effective conditions for mining the Yakovlevskoe iron ore deposit under an aquifer]. Yekaterinburg, IGD UrO RAN, 2007, 110 p. (in Russian)Зотеев О.В. Обоснование безопасных и эффективных условий отработки Яковлевского железорудного месторождения под водоносным горизонтом. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2007. 110 с.Zoteev, O.V., Makarov, A.B., Faustov, S.I. [Problems of mining Yakovlevskoye iron ore deposit]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal, 2008, no. 8, pp. 4–8. (in Russian)Зотеев О.В., Макаров А.Б., Фаустов С.И. Проблемы отработки Яковлевского железорудного месторождения // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2008. № 8. С. 4–8.Ilyukhin, D.A. [Forecast of the development of water-conducting fracture zone during the development of Yakovlevskoe deposit of rich iron ores]. Cand. Sci. (Techn.) dissertation. St. Petersburg, 2014, 125 p. (in Russian)Илюхин Д.А. Прогноз развития зоны водопроводящих трещин при разработке Яковлевского месторождения богатых железных руд: дис. канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2014. 125 с.Kotlov, S.N., Tselishchev, N.A., Sotnik, E.A. Gilyazev, D.Kh. [Geological and hydrogeological factors of the formation of water inflows into the mine workings of the Yakovlevskoe mine]. Gornyi zhurnal, 2023, no. 5, pp. 108–113. (in Russian)Котлов С.Н., Целищев Н.А., Сотник Е.А., Гилязев Д.Х. Геолого-гидрогеологические факторы формирования водопритоков в горные выработки Яковлевского рудника рудника // Горный журнал. 2023. № 5. С. 108–113.Kramchaninov, N.N., Petin, A.N., Pogorel’tsev, I.A. [Analysis of the groundwater state in the KMA mining region in the territory of the Belgorod oblast]. Nauchnye vedomosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye nauki, 2011, no. 9 (104), pp. 166–172. (in Russian)Крамчанинов Н.Н., Петин А.Н., Погорельцев И.А. Анализ состояния подземных вод горнопромышленного района КМА на территории Белгородской области // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Сер. Естественные науки. 2011. № 9 (104). С. 166–172.Petrov, D.N. [Formation of the stress-strain state of a mountain massif before and after drainage]. Zapiski Gornogo instituta, 2011, vol. 190, pp. 232–239. (in Russian)Петров Д.Н. Формирование напряженно-деформированного состояния горного массива до и после осушения // Записки Горного института. 2011. Т. 190. С. 232–239.Protosenya, A.G., Petrov, D.N., Sinyakin, K.G., Martem’yanov, G.A. [Field observations of the settlement of the ore ceiling during mining operations at the Yakovlevskoe mine]. Zapiski Gornogo instituta, 2011, vol. 190, pp. 158–162. (in Russian)Протосеня А.Г., Петров Д.Н., Синякин К.Г., Мартемьянов Г.А. Натурные наблюдения за осадкой рудной потолочины при ведении горных работ на Яковлевском руднике // Записки Горного института. 2011. Т. 190. С. 158–162.Protosenya, A.G., Potemkin, D.A. [Geomechanical justification of the parameters of the waterproof roof and protective ceiling during the development of the Yakovlevskoe deposit]. Zapiski Gornogo instituta, 2006, vol. 168, no. 3, pp. 127–136. (in Russian)Протосеня А.Г., Потемкин Д.А. Геомеханическое обоснование параметров водозащитной потолочины и защитного перекрытия при освоении Яковлевского месторождения // Записки Горного института. 2006. № 3. Т. 168. C. 127–136.[Development of recommendations for improving the mine field drainage system during the construction of the Yakovlevskii mine]. Zabeida, M.A., Zubova, A.V., Elantseva, L.A. Belgorod, VIOGEM Publ., 1990, 321 p. (in Russian)Разработка рекомендаций по совершенствованию системы осушения шахтного поля в процессе строительства Яковлевского рудника / [Кол. авт. Забейда М.А., Зубова А.В., Еланцева Л.А. и др.]. Белгород: ВИОГЕМ, 1990. 321 с.Sergeev, S.V., Lyabakh, A.I., Zaitsev, D.A. [Experience in the development of rich iron ores at the Yakovlevskoe deposit of the KMA]. Nauchnye vedomosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya Estestvennye nauki, 2011, no. 3 (98), pp. 200–208. (in Russian)Сергеев С.В., Лябах А.И., Зайцев Д.А. Опыт разработки богатых железных руд Яковлевского месторождения КМА // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Сер. Естественные науки. 2011. № 3 (98). С. 200–208.Sergeev, S.V., Lyabakh, A.I., Kvachev, V.N., Sevryukov, V.V. [Geological and hydrogeological characteristics of the Yakovlevskoe deposit]. Nauchnye vedomosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya Estestvennye nauki. 2011, no. 9 (104), pp. 147–154. (in Russian)Сергеев С.В., Лябах А.И., Квачев В.Н., Севрюков В.В. Геолого-гидрогеологическая характеристика Яковлевского месторождения // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Сер. Естественные науки. 2011. № 9 (104). С. 147–154.Sergeev, S.V. [Formation of rock pressure during the opening of KMA deposits]. Nauchnye vedomosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya Estestvennye nauki, 2008, no. 3 (43), pp. 197–202. (in Russian).Сергеев С.В. Формирование горного давления при вскрытии месторождений КМА // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Сер. Естественные науки. 2008. № 3 (43). С. 197–202.Sokolov, I.V., Smirnov, A.A., Antipin, Yu.G., Nikitin, I.V. [About formation of protective cushion in mining under open pit bottom with the caving methods at Udachnaya pipe]. Izvestiya Tul’skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle, 2023, no. 2, pp. 322–334 (in Russian).Соколов И.В., Смирнов А.А., Антипин Ю.Г., Никитин И.В. О формировании предохранительной подушки при отработке подкарьерных запасов трубки “Удачная” системами с обрушением // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2023. № 2. С. 322–334.Trubitsyn, D.S., Deshevykh, G.Yu. [Hydrogeological zoning of the territory of the southern part of the Central Federal District with clarification of the boundaries of structures of II and III orders]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya Geologiya, 2021, no. 2, pp. 83–93. (in Russian)Трубицын Д.С., Дешевых Г.Ю. Гидрогеологическое районирование территории южной части ЦФО с уточнением границ структур II, III порядков // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Геология. 2021. № 2. C. 83–93.Trushko, V.L., Protosenya, A.G., Dashko, R.E. G [Geomechanical and hydrogeological problems of development of the Yakovlevskoye deposit]. Zapiski Gornogo instituta, 2010, vol. 185, pp. 9–18. (in Russian)Трушко В.Л., Протосеня А.Г., Дашко Р.Э. Геомеханические и гидрогеологические проблемы освоения Яковлевского месторождения // Записки Горного института. 2010. Т. 185. С. 9–18.Trushko, V.L., Trushko, O.V. [Integrated development of iron ore deposits based on competitive underground geotechnologies]. Zapiski Gornogo instituta, 2021, vol. 250, pp. 569–577. (in Russian)Трушко В.Л., Трушко О.В. Комплексное освоение железорудных месторождений на основе конкурентоспособных подземных геотехнологий // Записки Горного института. 2021. Т. 250. C. 569–577.Trushko, O.V., Streletskii, A.V. [Modeling of the stress-strain state of ore mass at the Yakovlevskii mine during mining operations under a protective cover]. Zapiski Gornogo instituta, 2012, vol. 199, pp. 60–63. (in Russian)Трушко О.В., Стрелецкий А.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния рудного массива Яковлевского рудника при ведении горных работ под защитным перекрытием // Записки Горного института. 2012. Т. 199. С. 60–63.Tyutyukova, V.A., Golubnichii, D.V., Gilyazev, D.Kh. [Determination of the Earth’s surface subsidence based on the results of joint interferometric processing of space radar sounding data from the Sentinel-1a and Sentinel-1b satellites]. Marksheideriya i nedropol’zovanie, 2023, no. 2 (124), pp. 69–75. (in Russian)Тютюкова В.А., Голубничий Д.В., Гилязев Д.Х. Определение оседаний земной поверхности по результатам совместной интерферометрической обработки данных космического радиолокационного зондирования Земли со спутников Sentinel-1a и Sentinel-1b // Маркшейдерия и недропользование. 2023. № 2 (124). С. 69–75.Ustyugov, D.L. [Permanent hydrodynamic model of the Yakovlevskoe deposit of rich iron ores (Kursk magnetic anomaly)]. Zapiski Gornogo instituta, 2013, vol. 200, pp. 332–335. (in Russian)Устюгов Д.Л. Постояннодействующая гидродинамическая модель Яковлевского месторождения богатых железных руд (Курская магнитная аномалия) // Записки Горного института. 2013. Т. 200. С. 332–335.Anderson, M.P., Woessner, W.W., Hunt, R.J. Applied groundwater modeling simulation of flow and advective transport. Academic Press, 2nd Edition, 2015, 564 p.Anderson M.P., Woessner W.W., Hunt R.J. Applied Groundwater Modeling Simulation of Flow and Advective Transport. Academic Press; Second Edition. 2015. 564 p.Gambolati, G., Teatini, P. Geomechanics of subsurface water withdrawal and injection, Water Resour. 2015, vol. 51, pp. 3922–3955.Gambolati G., Teatini P. Geomechanics of subsurface water withdrawal and injection // Water Resour. 2015. N 51. Р. 3922–3955.Minderhoud, P.S.J., Erkens, G., Pham, V.H. et al. Impacts of 25 years of groundwater extraction on subsidence in the Mekong delta, Vietnam. Environ. Res. Lett., 2017, no. 12(6), paper 064006, 14 р.Minderhoud P.S.J., Erkens G., Pham V.H., et al. Impacts of 25 years of groundwater extraction on subsidence in the Mekong delta, Vietnam // Environ Res Lett. 2017. 12(6):064006. 14 р.Pratt, W.E., Johnson, D.W. Local subsidence of the Goose Creek oil field. Journal of Geology,1926, vol. 34, pp. 577–590.Pratt W.E., Johnson D.W. Local Subsidence of the Goose Creek Oil Field // Journal of Geology. 1926. V. 34. P. 577–590.