Технические средства разведки месторождений полезных ископаемых
Техническими средствами разведки являются буровые скважины и горные выработки.
Буровые скважины являются наиболее распространенным средством разведки. Они применяются либо самостоятельно, либо в сочетании с горными выработками. По способу разрушения горных пород в забое скважины различают вращательное и ударное бурение.
При вращательном бурении наиболее эффективно применение наконечников буровых снарядов, полых изнутри – буровых коронок. При таком способе бурения получают ненарушенный столбик горной массы – керн, что позволяет составить геологическую колонку (разрез)месторождения. Такое бурение называется колонковым и является основным видом разведочного бурения на рудных месторождениях. Керн обычно отбирается по всей продуктивной толще и частично по вмещающим породам.
Скважины колонкового бурения могут быть горизонтальными, вертикальными и наклонными. Их можно проходить по породам любой крепости. Вертикальные и наклонные скважины способны достигать больших глубин. Угол подсечения рудного тела скважиной должен быть не менее 30о, иначе снаряд может пойти вдоль контакта.
Недостатки этого вида бурения – искривление ствола скважины, которое весьма сложно учитывать. Известны случаи, когда скважина описывала полный виток спирали, в результате чего происходил обрыв бурового снаряда. Другие недостатки – неполный выход керна и возможность его избирательного выкрашивания, искажающего характеристику качества полезного ископаемого, а также ограниченный объем материала для технологических проб.
Другие виды вращательного бурения – с разрушением горной породы по всему забою скважины – роторное и турбинное. Они широко применяются при разведке нефтяных и газовых месторождений.
При разведке россыпей и некоторых пологозалегающих месторождений применяют ударно-канатное бурение. В этом способе бурения измельчение горной массы в забое скважины происходит за счет повторяющихся ударов падающего долота. Измельченный материал периодически извлекается на поверхность и поступает в обработку. Достоинством этого метода является высокая скорость проходки, особенно на небольших глубинах (до 150 м), возможность бурения без промывки, получение всего материала в пробу. Бурение большими диаметрами позволяет получить достаточно материала для технологического опробования. Недостатки метода – отсутствие керна и ограниченность бурения только вертикальными скважинами.
Разведочные горные выработки применяются как для прослеживания тел полезных ископаемых по их выходам на поверхности, так и для вскрытия глубинных частей месторождений. Наиболее распространены следующие горные разведочные выработки.
Канавы проходят в рыхлых отложениях обычно до коренных горных пород. Они целесообразны до глубины 2-3 м. По длине канавы бывают короткими – от нескольких метров до 20-30 м и длинными, или магистральными, которые протягиваются на сотни метров, вскрывая рыхлые отложения на большой площади. Ширина канав принимается от 0.7 до 1 м. Исследования ведутся на почве канавы и по ее стенкам, если канава врезается на некоторую глубину в коренные породы.
Шурфы (дудки) применяют для вскрытия пологих или крутопадающих залежей полезного ископаемого. Они служат для разведочного пересечения залежи либо играют роль подводящей выработки, из которой проходятся другие подземные разведочные выработки, как по простиранию, так и по падению продуктивной зоны. Сечения мелких шурфов и дудок от 1до 2 м2.
Штольни широко применяются в условиях расчлененного горного рельефа и служат для вскрытия месторождения на некотором горизонте. Они бывают двух видов: 1) прослеживающие тела полезного ископаемого или продуктивную зону по простиранию; 2) пересекающие залежь или зону вкрест простирания. Нормальные поперечные сечения разведочных штолен от 3 до 5.8 м2.
Шахты – вертикальные или наклонные выработки сечением более 4 м2, применяются для разведки месторождения на глубину. Вертикальные шахты пересекают тела полезного ископаемого или проходятся в лежачем боку крутопадающей залежи. Наклонные шахты задаются от выхода полезного ископаемого и прослеживают залежь по ее падению.
Из штолен и шахт проходятся и другие подземные горные выработки, образующие определенную разведочную сеть в горизонтальной или вертикальной плоскости. Обычными в разведочной практике являются следующие горные выработки, начинающиеся из разведочных шахт (шурфов) или штолен.
Квершлаги – горизонтальные выработки, идущие вкрест простирания тела полезного ископаемого или продуктивной зоны. Они бывают значительной длины и служат для соединения ствола шахты или штольни с другими подземными выработками.
Штреки – горизонтальные выработки, направленные вдоль тела полезного ископаемого или продуктивной зоны. Они, подобно штольням, прослеживают залежи по простиранию, и если последние обладают небольшой мощностью, то штрек дает наиболее представительное сплошное горизонтальное обнажение. По мощным телам или в случае параллельного расположения нескольких рудных жил или пластов из штрека проводятся поперечные выработки.
Орты (рассечки) – горизонтальные выработки, проходящиеся из штолен и штреков для пересечения мощного тела или серии параллельных тел в пределах продуктивной зоны. Орты проходятся через некоторые интервалы в зависимости от изменчивости свойств объекта разведки в продольном направлении.
Гезенки и восстающие – вертикальные и крутонаклонные подземные выработки поперечным сечением 2-4 м2, соединяющие соседние горизонты или играющие роль вертикальных рассечек для оконтуривания тела полезного ископаемого выше и ниже горизонта, на котором выполнено разведочное сечение при помощи горизонтальных выработок.
Все перечисленные выработки применяются главным образом в конечный период разведки месторождения и в процессе его отработки подземным способом, выполняя разведочные функции и служа эксплуатационным целям. При проектировании разработки открытым способом нередко используются небольшие разведочные карьеры.
Следует отметить также в качестве технических средств разведки геофизические методы – гравиметрию, магнитометрию, сейсмометрию, электрометрию. Они широко применяются для оконтуривания площади распространения полезного ископаемого, особенно в начальный период разведки. Однако, применение геофизических методов допустимо только в сочетании с проходкой хотя бы единичных буровых скважин или горных выработок, которые позволяют установить значение геофизической аномалии и качество полезного ископаемого.
Основной объем разведочной информации геологи получают, используя два вида
технических средств — горные выработки и буровые скважины. Эти виды характеризуются
различной информативностью и различными экономическими показателями.
К числу технических средств разведки относят также и геофизические методы. В ряде случаев они служат необходимыми
вспомогательными методами, сопровождающими проходку горных выработок и в
особенности скважин. Результаты геофизических работ широко используются при
проектировании буровых скважин и горных выработок, при интерпретации полученных
данных, в первую очередь данных буровых работ. Геофизические методы служат
основой прогнозных оценок глубоких горизонтов и флангов месторождений, не
вскрытых горными выработками и скважинами. Точно так же на предварительных
этапах разведки месторождений основные выводы о масштабах объекта, протяженности
рудных тел на глубину, условиях их залегания базируются на результатах
геофизических исследований.
Выбор технических средств для разведки месторождения полезных
ископаемых производится с учетом общеэкономических,
горнотехнических и геологических факторов.
Общеэкономические условия включают пути сообщения, энергетическую базу,
климат, обеспеченность водой, крепежным лесом и др. Влияние каждого из этих
факторов достаточно очевидно, хотя и не является решающим.
Горнотехнические факторы определяются рельефом местности, глубиной
залегания рудных тел, условиями их залегания, характером пород и водоносностью
участка. Эти факторы в ряде случаев оказывают решающее влияние на выбор
технических средств разведки. Расчлененный рельеф стимулирует использование
штольневой системы; глубокое залегание тел делает более целесообразной разведку
скважинами; характер вмещающих пород и гидрогеологическая обстановка определяют
конкретную методику проведения и горных работ, и буровых.
Из числа геологических условий, определяющих выбор горных и буровых
работ, важнейшую роль играют устойчивость формы рудных тел, устойчивость в
распределении полезного компонента, размеры тел. Большая часть этих особенностей
определяется принадлежностью изучаемого объекта к соответствующему
геолого-промышленному типу.
Устойчивость формы рудных тел определяется выдержанностью их мощности или
поперечного сечения на большом протяжении. Выделяются устойчивые по форме рудные
тела, например пласты осадочных рудных месторождений, мощность которых очень
слабо и закономерно изменяется на расстояниях в сотни метров и даже в километры.
С другой стороны, бывают неустойчивые по форме тела, например некоторые жилы
гидротермального происхождения, иногда состоящие из тонкой слабоминерализованной
рудоносной трещины со спорадическими раздувами (рудными столбами) на коротких
интервалах. Разведка устойчивых по морфологии тел более проста и нередко может
быть осуществлена одними скважинами, тогда как получение разведочных данных
необходимой достоверности по телам сложной морфологии требует проходки горных
выработок.
Устойчивость распределения полезного компонента в рудах определяется двумя
показателями: степенью прерывистости кондиционных участков рудного тела и
изменчивостью содержаний полезного компонента.
Степень прерывистости определяется коэффициентом рудоносности, под которым
понимается отношение количества руды, сосредоточенной в рудных обособлениях, ко
всему объему рудоносной зоны, в которой заключена эта руда.
Чем выше коэффициент рудоносности, тем меньше прерывистость оруденения,
достигающая при коэффициенте, равном единице, непрерывного оруденения.
Интенсивность изменчивости содержаний полезного компонента оценивается
коэффициентом вариации — чем выше коэффициент вариации, тем значительнее
изменчивость, тем сложнее разведка и тем большее количество пересечения тела
необходимо для надежной оценки качества минерального сырья.
С учетом двух указанных показателей можно выделить рудные тела:
- с непрерывным оруденением и равномерным распределением металла;
- с непрерывным оруденением и неравномерным распределением металла;
- с прерывистым оруденением и равномерным распределением металла;
- с прерывистым оруденением и неравномерным распределением металла.
От первой к четвертой группе возрастает сложность строения рудных тел и
необходимость большего числа пересечений и большего количества горных выработок
для получения достоверных сведений о строении тел и качестве минерального
сырья.
Размеры рудных тел также оказывают влияние на выбор технических средств
разведки. Крупные тела вскрываются большим количеством пересечений, что
практически исключает возможность существенных ошибок в определении размеров
месторождения и качества руды. В этих случаях предпочтительнее разведка
скважинами. Мелкие тела, в особенности характеризующиеся сложной формой, обычно
разведуются горными выработками.
Исходя из анализа геологических условий, В. Смирновым было сформулировано
следующее правило для выбора горных или буровых работ при разведке: чем сложнее
и изменчивее форма рудного тела, чем меньше размеры его, ниже коэффициент
рудоносности и выше степень неравномерности распределения металла в руде, тем
большее значение приобретают горные и меньшее — буровые работы при разведке
месторождений.
Как известно, метод — это способ познания, т. е. общий путь познания. Применительно к разведке МПИ — это методы построения пространственной модели месторождения, включающей ряд составных моделей или субмоделей. К ним относятся субмодели:
- — структурная, определяющая форму рудных тел и их положение в пространстве в связи с тектоническими элементами и особенностями вмещающих пород (их состава, строения);
- — концентрационная, отражающая объем пространства, занимаемого полезным ископаемым, распределение полезных и сопутствующих компонентов;
- — минералого-геохимическая, показывающая распределение минеральных и геохимических ассоциаций;
- — геолого-физическая, отражающая распределение физических полей (магнитных, гравитационных, электрических) и другие, необходимые для познания данного месторождения.
Общая модель месторождения позволяет наглядно представить его строение, провести проектирование добычных работ и расчет техникоэкономических показателей эксплуатации.
В разведке МПИ существует три главных метода, позволяющих получить необходимые материалы для построения указанных субмоделей.
1. Создание системы разведочных геологических разрезов — теоретически обоснованный способ выяснения формы и внутреннего строения месторождения. Отдельные разрезы составляются в связи с тем, что нельзя провести сплошное вскрытие и изучение рудного тела. Разрезы — это полные пересечения тела полезного ископаемого по направлению, близкому к его мощности (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Схема расположения разведочных выработок по линиям вкрест простирания (по Е. О. Погребицкому, 1968):
а — план разведочного участка, б — разрез по линии I — Г: 1 — рудная зона,
2 — дизъюнктивные нарушения, 3 — канавы, 4 — шурфы, 5 — скважины
Чем ближе расположены такие пересечения, тем более достоверными будут построенные по ним субмодели и модель месторождения в целом. Однако частота расположения пересечений или плотность должна соизмеряться с затратами на разведку.
В зависимости от особенностей строения МПИ применяются методы разрезов вертикальных — при полого залегающем рудном теле, горизонтальных — при крутом его залегании или комбинация этих разрезов — при сложном и изменяющемся залегании рудного тела.
- 2. Метод разведочного опробования, позволяющий выявить качество полезного ископаемого. В зависимости от состава руд и поставленных задач опробование может быть химическим, минералогическим или технологическим.
- 3. Промышленная оценка месторождения, отражающая его ценность путем сопоставления с подобными объектами. При этом учитываются рассмотренные выше характеристики МПИ.
Технические средства разведки включают горные выработки, буровые скважины и геофизические исследования.
1. Горные выработки являются наиболее информативными, так как позволяют проводить визуальные наблюдения всех особенностей полезного ископаемого на месте залегания, инструментально, маркшейдерским способом, привязывать эти наблюдения в пространстве с вычислением точных координат любого геологического элемента. Кроме того, в выработках можно отбирать пробы любых размеров и массы. Однако они имеют высокую стоимость и часто встречаются большие сложности при их проходке. В отличие от эксплуатационных, они носят временный характер, имеют небольшие глубину и сечение. В случае необходимости глубоких шахт (100 и более м) их проходят с учетом использования при эксплуатации.
Среди горных выработок выделяют поверхностные (расчистки, канавы, траншеи, шурфы) и подземные (штольни и шахты с комплексом штреков, квершлагов, восстающих, рассечек).
Поверхностные выработки используются для вскрытия полезного ископаемого и вмещающих пород в коренном залегании под наносами. Глубина канав и траншей обычно не превышает 3—5 м; шурфы имеют глубину до 10 м и сечение в пределах 1—2,5 м. Подземными выработками вскрывают полезное ископаемое на глубине. Штольни (горизонтальные выработки) проходятся в случае крутосклонного рельефа; их сечение обычно 1,8; 2,7; 3,6 м2. Шахты имеют сечение 4, 5, 6, 9 м2.
2. Буровые разведочные скважины — это вертикальные или наклонные выработки малого диаметра (30—250 мм) и большой глубины. Скважины при разведке МПИ применяются наиболее широко, так как отличаются высокой скоростью проходки и относительной дешевизной. В то же время они позволяют изучить лишь образцы горных пород и руд небольших размеров (керн). Существует несколько способов бурения скважин: колонковый, роторно-турбинный и канатно-ударный. Колонковые скважины применяются для разведки твердых полезных ископаемых и проходятся сечением 45—76 мм чаще всего на глубину до 500— 700 м под любым углом к горизонту, хотя могут буриться и до 2000 м. Роторно-турбинные скважины проходятся для поисков и разведки нефтегазовых месторождений на глубины 1—3 и более тыс. м сечением
- 200 мм и более. Скважины могут быть вертикальными, наклонными или направленно-искривленными.
- 3. Геофизические методы основаны на различных физических свойствах горных пород и рудных тел. Они, как правило, сопровождают горные выработки и скважины или даже могут частично их заменять. Среди них различают методы разной глубинности. Глубинные — это магниторазведка, гравиметрия, сейсмические и некоторые электрические (ВЭЗ) методы. Среднеглубинные (первые десятки м) включают электроразведку во многих ее модификациях. К малоглубинным (до 1—2 м) относятся методы измерения радиоактивности пород.
Геофизические методы применяются в комплексе с горными и буровыми, дополняя полученную информацию. Часто геофизические методы применяются для прослеживания рудных тел и горизонтов пород, обладающих определенными физическими свойствами. Так, железные руды отличаются по магнитным свойствам, урановые рудные тела обладают повышенной радиоактивностью. Кроме того, с помощью некоторых геофизических методов можно картировать разрывные, складчатые структуры, впадины. Большую информацию получают по данным каротажа скважин.
Применение различных методов разведки в определенном их сочетании позволяет создавать разведочные системы.
Разведочные системы — это такое пространственное размещение разведочных средств, которое дает возможность построить геологические разрезы и планы, провести необходимое опробование полезного ископаемого и подсчитать запасы.
Все разнообразие систем разведки можно объединить в три группы: буровые системы, горные системы, горно-буровые системы.
Факторы, которые необходимо учитывать при выборе разведочных систем, объединяются в три группы.
- 1. Геологические особенности месторождения, играющие чаще всего главную роль. К ним относятся: форма, размеры месторождения, изменчивость качества полезного ископаемого. В общем случае, чем сложнее формы рудных тел, изменчивее свойства полезного ископаемого (содержание, состав), тем большую роль играют горные выработки.
- 2. Горнотехнические условия, включающие природные факторы, характеризующие свойства и состояние вмещающей среды. Это рельеф поверхности, глубина и элементы залегания рудного тела и вмещающих пород, крепость, устойчивость пород, водопритоки, наличие оползней, плывунов и другие характеристики площади месторождения.
- 3. Общая географо-экономическая обстановка, определяемая ценностью сырья, водными, лесными ресурсами, энергетической возможностью, транспортными условиями, освоенностью территории, людскими ресурсами, климатом. Понятно, что чем ценнее месторождение, тем меньшее влияние оказывают эти факторы при выборе разведочной системы.
В последнее время большое значение придается экологическим факторам, так как разведка и разработка МПИ может нанести непоправимый ущерб природе и местам поселения человека.
Системы разведки должны выбираться на основании технико-экономических расчетов путем сравнительного сопоставления и с учетом достоверности разведки.
Группа буровых систем разведки применяется лишь в случае устойчивых форм рудных тел, относительно больших размеров и равномерного распределения полезного ископаемого (рис. 9.2, а). Часто на ранних этапах разведки МПИ применяются буровые системы, которые в последующем сменяются горно-буровыми.
Рис. 9.2. Геологические разрезы, составленные по данным буровой (а) и горно-буровой (б) систем разведок [9, с изменениями]:
- 1 — карбонатные породы; 2 — гранитоиды; 3 — рыхлые отложения;
- 4 — рудоносные скарны; 5 — тектонические нарушения; 6 — разведочные скважины; 7 — горные выработки
Существует несколько разновидностей буровых систем:
- — системы мелких вертикальных скважин применяются при разведке пологих и горизонтальных тел с малой изменчивостью;
- — системы глубоких (100—1000 м) вертикальных скважин — для разведки крупных выдержанных по простиранию и падению рудных тел (угли, погребенные россыпи золота, медистые песчаники); создается правильная сеть или параллельные профили;
- — система наклонных скважин применяется для разведки крутопадающих и наклонных плоских рудных тел (пластов, жил, линз);
- — система глубоких скважин переменной кривизны с изменением угла наклона по мере надобности — для достаточно крупных рудных тел, имеющих различные или изменяющиеся элементы залегания.
Группа систем горных выработок дает наиболее достоверные результаты, однако является дорогостоящей и в чистом виде применяется лишь для разведки рудных тел с крайне неравномерными параметрами, содержащих ценные полезные ископаемые.
Эта группа включает следующие разновидности:
- — системы разведочных шурфов применяются в том случае, когда рудное тело обладает большой изменчивостью и скважины не дают достоверных результатов (россыпи золота); глубина шурфов до 20, реже 30 м, иногда с рассечками;
- — системы разведочных штолен применяются в условиях расчлененного рельефа для создания серии горизонтальных разрезов по рудным телам с изменчивыми параметрами; часто сопровождаются рассечками для пересечения рудного тела на полную мощность;
- — системы вертикальных или наклонных шахт — для разведки глу- бокозалегающих изменчивых рудных тел в условиях ровного рельефа.
Группа комбинированных горнобуровых систем наиболее распространена в практике геологоразведочных работ и применяется для разведки месторождений большинства металлов (рис. 9.2, б).
Наиболее часто применяются следующие разновидности этих систем:
- — системы скважин (вертикальных или наклонных) с шурфами для контроля результатов, полученных по скважинам; контрольные шурфы проходятся в количестве 5—10 % от скважин;
- — системы разведочных штолен и буровых скважин при резком погружении рудных тел на глубину; штольни комбинируются со скважинами поверхностного или подземного бурения;
- — системы разведочных шахт и буровых скважин в условиях пологого рельефа и глубоко уходящих рудных тел.