CC BY
35
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голик В.И. Подземная разработка месторождений. Учебное пособие УМО. Инфра - М, М. 2013.
2. Голик В.И. Природоохранные геотехнологии в горном деле. Учебное пособие УМО. Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», 2013.
3. Голик В.И., Комащенко В.И. Природоохранные технологии управления состоянием массива на геомеханической основе. М.:КДУ.2010.556 с.
4. Голик В.И., Чжун Чан, Мельков Д.А. Геофизический контроль состояния геологической среды при техногенных воздействиях. Горныйинформационно-аналитичес-кийбюллетень. М. 2010. №6.
5. Голик В.И. Разработка месторождений полезных ископаемых. Владикавказ. МАВР. 2006. 976 с.
6. Заалишвили В.Б. Сейсмическое микрорайонирование территорий городов, населенных пунктов и крупных строительных площадок. Наука, М., 2009, 350 с.
7. Заалишвили В.Б. Физические основы сейсмического микрорайонирования. - ОИФЗ РАН, М., 2000, 367с.
УДК 504.55.054:662 (470.6) © В.И. Голик, В.Б. Заалишвили,
О.Г. Бурдзиева, 2013
ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Статья посвящена обоснованию повышения эффективности разработки месторождений полезных ископаемых за счет геофизического обеспечения добычных работ. Систематизированы основные геофизические условия разработки месторождений рудных полезных ископаемых. Показано, что эффективность технологий добычи минерального сырья зависит от полноты использования банка данных о формировании рудных месторождений, а учет природных процессов образования месторождений влияет на качество извлекаемого сырья и полноту использования недр. Приведены сведения о мониторинге технологий добычи минерального сырья на всех этапах освоения месторождения, в том числе состояние земной поверхности в районе разработки. Обосновано, что геофизическое обеспечение горных работ способствует комплексному решению основных задач горного производства.
Ключевые слова: разработка, месторождение, полезное ископаемое, геофизика, руда, процесс, недра, мониторинг, технология, добыча, земная поверхность, горное производство.
Разработка месторождений полезных ископаемых представляет собой процесс воздействия на природные массивы энергетическими потоками, более сильными, чем удерживающая эти объекты в равновесном состоянии энергия, по существу обратный их образованию. Предметом совершенствования технологий добычи полезных ископаемых является оптимальное распределение энергетических потоков по критериям эффективности и безопасности технологическими средствами [1].
Инструментом оптимизации мер повышения экономической эффективности геомеханической стабилизации рудовмещающего массива является геофизическое обеспечение горных работ.
Геофизическая характеристика условий разработки месторождений
В основе геомеханических представлений о состоянии нарушенного горными работами массива лежит феномен гравитации, который используется в технологиях с естественным управляемым или принудительным обрушением руд и пород из класса систем с обрушением. Такой технологией добывается подавляющее большинство минерального сырья.
Гравитационное поле Земли изменяет картину распределения напряжений в ее геосистемах, которые являются причинами сейсмических явлений при разработке месторождений, иногда сопоставимыми с природными явлениями. Так, сейсмические волны от подземных ядерных взрывов распространяются на тысячи километров и провоцируют тектонические землетрясения. Ежегодно в процессе землетрясений высвобождается более 1000 Дж потенциальной энергии, которая расходуется на разрушение пород.
На состояние разрабатываемого массива влияет анизотропия деформационных свойств или отношение пределов прочности при сжатии и растяжении образцов перпендикулярно и параллельно напластованию.
В процессе выемки минерального сырья проявляется релаксация - изменение со временем поля напряжений в условиях, препятствующих деформации. Эффект состоит в уменьшении
упругой и увеличении неупругой деформации при неизменной общей деформации, он представляет собой частный случай ползучести в динамике напряжений. Значение уменьшения напряжений определяется периодом релаксации. Для прочных пород время релаксации составляет сотни и тысячи лет, а для слабых -несколько суток.
Реакцией массива на техногенное воздействие является его деформирование при нарушении условий равновесия. Над очистной выработкой породы теряют сцепление и под действием гравитации стремятся к обрушению. Мощность зоны обрушения в 2-6 раз превышает выемочную мощность рудного тела. За ней располагается зона трещинообразования высотой в 20-40 выемочных мощностей, где образуются трещины, и толща ненарушенных пород в естественном состоянии.
Инструментом природного разрушения массивов является денудация - совокупность процессов дезинтеграции горных пород. В ходе денудации месторождения, сформировавшиеся в ней при накоплении осадков или магматической деятельности на различной глубине, вскрываются и становятся доступными для проявления внешнего воздействия. Денудация приводит к перераспределению полезных ископаемых - образованию россыпей, залежей и др. тел, а также к изменению технологии их разработки.
Геомеханическая основа формирования рудных месторождений
Эффективность технологий добычи минерального сырья зависит от полноты использования банка данных о Земле в процессе формирования рудных месторождений [3].
В свое время под влиянием магматических, метаморфических и тектонических процессов земная кора оказалась резко дифференцированной. В областях молодых горных стран: Альпы, Кавказ, Гималаи и др. около 1 млрд. лет развивались складчатые деформации и сопровождающие их процессы метаморфизма и гранитного магматизма.
Процессы в Земной коре сопровождались образованием месторождений полезных ископаемых: эндогенных - в недрах при высокой температуре и давлении, экзогенных - на поверхности при низкой температуре и давлении, и метаморфогенных - в процессе преобразования минеральных массивов.
В подвижных зонах геосинклинально-складчатых систем возникли эндогенные месторождения руд чёрных, цветных, редких, благородных и радиоактивных металлов. В переходных зонах передовых прогибов, а также в платформенных прогибах зародились месторождения солей, нефти и газа. Вдоль крупных разломов в кристаллических породах основания платформы и в их слоистом покрове образовались зоны тектономагматической активизации с локализацией алмазоносных кимберлитов, редко-металльных карбонатитов, сульфидных медно-никелевых руд, руд цветных металлов и золота.
Месторождения полезных ископаемых локализовались в худших по прочности и устойчивости условиях. Поэтому их наличие является признаком наибольшего ослабления континентальной коры, интенсивного перераспределения напряжений и соответствующих им деформаций. С точки зрения технологии разработки месторождения являются объектом концентрации химических элементов в небольшом объеме максимально нарушенной земной коры.
Поведение природных массивов на участках месторождений полезных ископаемых определяют древние и современные тектонические процессы, которые корректирует земную континентальную и океаническую коры. В процессе перераспределения высвобождается колоссальное количество потенциальной энергии, расходуемой и на разрушение массивов. В задачу технологии разработки входит рациональное использование этой энергии на производство полезной работы: отделение от массива, дробление, управление геомеханикой массива и т. п.
Месторождения полезных ископаемых генетически локализованы в местах наибольшего ослабления пород Земной коры, что определяет приоритетность учета параметров природных и техногенных процессов при разработке месторождений. По существу, месторождения полезных ископаемых представляют собой материал заполнения трещин, обладающий разной прочностью с вмещающими породами, что увеличивает сложность их эксплуатации. Учет природных процессов в большей степени влияет на качество извлекаемого сырья и полноту использования недр.
Мониторинг технологий добычи минерального сырья
Свойства земной коры и процессы, происходящие в ней, исследуются методами, основанными на изучении природы, структуры, однородности, параметров гравитационного, геомагнитного, электромагнитного, геотермического и других полей. Комплекс применяемых методов включает направления: сейсмология, гравиметрия, геомагнетизм, геотермия, геоэлектрика, геодинамика, петрографическое исследование минералов и пород и др.
Cейсмологические исследования включают в себя визуальные наблюдения и приборную регистрацию инициируемых динамическими явлениями сейсмических волн. Данные сейсмологии используются при решении задач разработки месторождений, например, прогнозирование поведения горных объектов, оптимизация параметров взрывной отбойки, выбор способа погашения выработанного пространства и т.п.
Исследованием характера распространения сейсмических волн, а также измерение периодов собственных колебаний Земли, создается сейсмическая модель участка Земной коры, которая позволяет прогнозировать распределение скоростей продольных и поперечных волн с учётом неоднородности массивов и местной специфики [6]. Такая модель повышает надежность управления состоянием массива, особенно при использовании технологий с открытым выработанным пространством при большой площади обнажения пород.
Для разведки месторождений и уточнения размеров рудных при эксплуатации применяют методы сейсморазведки. Пьезоэлектрический метод основан на изучении электромагнитного поля, возникающего вследствие пьезоэлектрического эффекта, создаваемого сейсмическими волнами. При сейсмоакустическом прозвучивании взрывами генерируют мощные упругие импульсы с преобладающей частотой 70-100 Гц, обеспечивающие прозву-чивание на базах до 200 м (рис. 1) [4].
Сейсмическая опасность может быть оценена сейсмической нагрузкой в виде ожидаемой расчётной или реальной акселерограммы (записи ускорений) массива. При оценке сейсмической опасности учитывают параметры упругих колебаний пород и проявления неупругих остаточных деформаций. Радикальным способом учета сейсмической опасности является технология с заполнением пустот твердеющими смесями, получающая все большее развитие.
Рис. 1. Схема сейсмоакустического прозвучивания
Для оценки возможных при горных работах динамических явлений пользуются сейсмическими шкалами. Балльность определяется скоростью движения пород или их ускорением и смещением.
При сильных землетрясениях ускорения превышают ускорение свободного падения, например, 1,4 g во время Газлийского землетрясения (9-10 баллов, 1976 г.).
Поиски рудоконтролирующих структур и рудных тел производятся в масштабе 1:2000-1:25000 с погрешностью ± 0,02 мГал и выше при наземных наблюдениях, а в шахтах, скважинах - масштаб 1:500, точность ± 0,01-0,001 мГал [5].
При проектировании технологий разработки месторождений на моделях, например, из эпоксимала методами гравиметрии определяют размеры и конфигурацию главных напряжений (рис. 2).
Параметры физических процессов в массивах месторождений зависят от магнитного поля Земли. Полюсы однородно намагниченного шара и реальные полюсы Земли задают систему геомагнитных и магнитных координат. Отклонение параметров геомагнитного поля от параметров поля диполя называется аномалией и характеризуется неоднородной пространственной структурой и спектром вариаций. В горном деле метод применяют для уточнения глубины залегания и мощности залежей руд магнетитового состава и определения в них содержания металла. Этот феномен широко применяется при обогащении руд с магнитными свойствами.
Рис. 2. Напряжения в окрестностях выработки: а - однородная среда; б - в кровле послойная зона, пересеченная разломом: 1 -3 - линии изохром
1 2 3 4 5 6
I ■ /' "у
Рис. 3. Конструкция оптического прибора: 1 - источник света; 2 - масштабная линейка; 3 и 5 - направляющие диски; 4- корпус; 6 - окулярная насадка; 7 -объектив; 8 -провода
Средством оперативного контроля состояния рудовмещаю-щего массива является осмотр с использованием оптических систем. Оптическими приборами исследуется устойчивость и закономерности деформирования массивов в процессе развития работ. Стенки скважин покрывают слоем цементного раствора толщиной 1 мм, который после твердения служит индикатором деформирования пород (рис. 3).
Поведение разрабатываемого массива во времени контролируется пьезоэлектрическими приборами на основе исследования упругих волн звукового и ультразвукового диапазонов частот, и акустической эмиссии в стадии подготовки динамических явлений. Упругие колебания возбуждаются взрывами, вибраторами, электроискровыми, электродинамическими и магнитострикцион-ными излучателями и регистрируются электродинамическими сейсмоприёмниками или пьезоэлектрическими геофонами. По сейсмограмме упругих колебаний определяют время распространения продольных, поперечных и поверхностных волн, их характеристики и вычисляют скорость распространения колебаний. Для прогноза динамических явлений в массиве регистрация эмиссии производится непрерывно.
Акустические свойства пород связаны с физико-механическими свойствами, термодинамическим состоянием и структурными особенностями массива. Скорость распространения упругих волн возрастает с увеличением модулей упругости и плотности пород и глубины залегания. Коэффициент затухания импульсов для скальных ненарушенных пород находится в диапазоне частот 1-100 Гц 5-10"2-1м-1, а для рыхлых пород в диапазоне 1-100 Гц - 10-2-10-1м-1. Скорость распространения продольных волн составляет, м/с: для магматических пород 4500-6800, метаморфических 4000-5600, осадочных 3200-5500, грунтов 300-1900.
Для исследования акустических свойств разрабатываемых массивов используют акустический каротаж в звуковых (0,5-15 кГц) и ультразвуковых (20-50 кГц, 0,3-2,0 МГц) диапазонах частот. Излучатель помещают в скважинах с одной стороны прозвучивае-мого массива, а приёмник - в скважинах с другой стороны целика. Зоны максимального звукопоглощения совпадают с зонами тектонической нарушенности массива. Этот феномен используется при определении однородности массива, что для технологии с выщелачиванием металлов в блоках имеет решающее значение [2].
Скорость возрастания температуры с увеличением глубины горных работ зависит от генерации тепла источниками. Коэффициент теплопроводности пород в верхних зонах коры меняется от 0,83-2,1 Вт/мК для осадочных пород до 2,1-4,5 Вт/мК для изверженных пород. Для решения горных задач используют данные измерений температуры, теплопроводности пород и теплово-
го потока в выработках шахт и буровых скважинах. По изменению теплового состояния участков земной коры выявляют области возникновения подземных пожаров и опасные по горным ударам участки.
В стадии полного развития добычных работ приобретает значение состояние земной поверхности в районе разработки. При исследовании состояния массивов электрометрией в скважину помещают электрическую цепь из параллельно подключенных сопротивлений. При отслаивании и обрушении пород обрушается и часть скважины с заключенными в ней сопротивлениями. При этом электрические параметры цепи изменяются, что и отмечает прибор (рис. 4).
Ядерно-геофизические методы используются для изучения состава, геологического строения земной коры, процессов в недрах Земли, поисков, разведки месторождений и контроля их разработки.
> р с
1
г! 4=1
и
П и ОЙ
П » М ос
1 £
7 Кб
Т К5
1 кц
V из'
и 2
1 «у
Рис. 4. Конструкция наблюдательной станции: а - общий вид: 1 - сопротивление электрической цепи; 2 - обсадная труба; 3 - резиновая пробка; 4 - измерительный прибор; 5 - цементный раствор; 6 - защитный колпак; б, в -схемы измерения сопротивлений и тока
Геометризация месторождений
Метод электрической разведки используется для разведки месторождений, корреляции рудных интервалов скважин, оценки размеров пересечённых скважиной объектов, изучения геолого-структурных условий рудных месторождений и т.п. Рудное тело заряжается при помощи двух заземлений, подключённых к источнику тока, одно из которых располагают в рудном теле, другое - за пределами исследуемой площади. При помощи измерительной линии, состоящей из двух заземлений, подключённых к регистрирующему прибору, измеряют потенциал электрического поля или его градиент.
Дистанционное изучение земной поверхности с локализованным месторождением осуществляется путём фотографирования в различных областях оптического спектра при помощи специального аэрофотоаппарата при заданном положении оптической оси. В горном деле аэросъемку применяют при составлении планов горных объектов, геологическом картировании, исследованиях морского шельфа и других инженерно-геологических исследованиях.
Наглядное изображение массива обеспечивается путём его параллельного проецирования на плоскость вместе с системой трёх взаимно перпендикулярных координат. Аксонометрические проекции используют для изображения сложных узлов горных выработок или геологических структур и составления планов горных работ.
Геометризация месторождений состоит в интерпретации совокупности полевых наблюдений, измерений, вычислений и графических построений условий залегания рудных тел, пространственного распределения их элементов и процессов в недрах.
Применение геофизических исследований в горном деле позволяет использовать математические методы моделирования. Данные геометризации месторождений используют при разведке, подсчёте запасов, проектировании, строительстве и эксплуатации горных предприятий.
Метод изучения объектов путём построения и исследования их моделей даёт возможность абстрагироваться от несущественных характеристик объектов, изменить пространственно -временные масштабы протекающих в них процессов и достовер-
но изучать такие объекты, прямой эксперимент над которыми невозможен. Предметное моделирование предполагает построение моделей, отражающих основные характеристики оригинала. Предметно-математическое моделирование используется для изучения механических, гидродинамических и акустических процессов добычи руд.
При знаковом моделировании моделями служат схемы, графики, чертежи, формулы, графы, слова и предложения. Математическое моделирование, осуществляемое средствами языка математики и логики, - практически единственный инструмент для изучения сложных горнотехнических явлений. В качестве объекта моделирования выступают технологические процессы, горные предприятия и месторождения. При экономико-математическом моделировании на основе применения соответствующих критериев исследуется эффективность функционирования объекта и его оптимальные параметры.
В горном деле применяются два способа математического моделирования: аналитический с точным математическим описанием строго детерминированных систем, и вероятностный с неоднозначным решением.
Математическое моделирование объекта включает этапы: изучение и описание моделируемой системы, выбор критерия оптимальности, составление алгоритма исследования модели на оптимум и разработка программы реализации алгоритма. Математическое моделирование даёт возможность выбора оптимальных параметров реконструкции действующих и строительства новых горных предприятий, планирования, проектирования и управления.
Геофизическое обеспечение горных работ способствует комплексному решению основных задач горного производства: полное использование недр, минимальное воздействие на окружающую среду и безопасность персонала [7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голик В.И. Подземная разработка месторождений. Учебное пособие УМО. Инфра - М, М. 2013.
2. Голик В.И. Природоохранные геотехнологии в горном деле. Учебное пособие УМО. Белгород : ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», 2013.
3. Голик В.И., Комащенко В.И. Природоохранные технологии управления
