WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

МАСЛОВ ВИТАЛИЙ ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОГНОЗНОЙ МОДЕЛИ БЛОЧНОСТИ НА ОСНОВЕ ГЕОМЕТРИЗАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ

Специальность 25.00.16. «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» (МГГУ)

Научный руководитель
ТУХЕЛЬ Екатерина Андреевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Официальные оппоненты:

МОСЕЙКИН Владимир Васильевич - профессор, доктор технических наук, профессор кафедры «Геология» ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»;

АНОЩЕНКО Николай Николаевич - кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора ОАО «МКК-Холдинг»

Ведущая организация:

ФГУП «Научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт по проблемам добычи, транспорта и переработки минерального сырья

в промышленности строительных материалов»

(ФГУП «ВНИПИИстромсырье»), г. Москва

Защита диссертации состоится 28 июня 2012 г. в ____ - ____ на заседании диссертационного совета Д.212.128.04 при Московском государственном горном университете по адресу 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан 28  мая 2012 г.

И.о. ученого секретаря

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В.А. Ермолов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы. Природные облицовочные камни относятся к ценным строительным материалам благодаря своим декоративным свойствам, высокой прочности и способности длительное время противостоять воздействию процессов выветривания. Они незаменимы как великолепный декоративно-отделочный материал. Игра природных красок камня, его удачная обработка, надежность и долговечность предопределили место облицовочного камня в фасадной отделке зданий, интерьеров, современных станций метро (Трубная, Марьина Роща, Сретенский бульвар и др.).

В то же время на территории Российской Федерации на начало XXI века объемы добычи блоков природного облицовочного камня недостаточны, около 25-30%  потребляемых гранитных и мраморных блоков – импортные. В перспективе в России требуется развитие карьеров по добыче облицовочного камня. Анализ состояния сырьевой базы позволяет сделать вывод, что в ближайшие десятилетия будет весьма ограничен ввод новых карьеров и компенсация выводимых мощностей будет осуществляться за счет реконструкции и технического перевооружения действующих предприятий.

По данным федеральной службы государственной статистики, объем добычи строительных нерудных материалов имеет тенденцию к постоянному росту (данные по добыче облицовочного камня не приводятся). Так, объем добычи строительных нерудных материалов с января по сентябрь 2010 г. по отношению к объемам за аналогичный отчетный период 2009 г. составили 112,6%. Таким образом, существует положительная тенденция развития отрасли. По уровню освоения месторождений облицовочного камня в нашей стране и по сей день наблюдается отставание от основных промышленно развитых стран.

Увеличение объемов добычи и пути решения комплексного освоения недр связаны с повышением уровня маркшейдерского обеспечения разработки месторождений строительных горных пород. Одной из важнейших задач маркшейдерского обеспечения является геометризация качественных и количественных свойств полезных ископаемых. В частности, результаты геометризации массивов горных пород являются основой для эффективного осуществления планирования горнодобычных работ. Актуальность выбранной темы диссертационной работы определяется существенным влиянием природной блочности на эффективность разработки месторождений облицовочного камня и недостаточной ее изученностью на стадии детальной разведки.

Цель исследований заключается в разработке прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня, позволяющей повысить надежность определения геометрических параметров природных блоков, закономерности их размещения в массиве и, как следствие, эффективность использования запасов.

Идея работы состоит в повышении надежности определения геометрических параметров природных блоков путем совершенствования методов сбора и обработки исходной информации, в использовании установленных взаимосвязей между природными, техногенными и товарными блоками, а также в автоматизации расчетных процессов.

Методы исследований включали анализ и обобщение опыта геометризации трещиноватости и блочности месторождений в стране и за рубежом, аналитические, графоаналитические, численные методы, фрактальный и многофакторный анализ, технико-экономическое сравнение и опытно-промышленную проверку результатов исследований.

Научные положения, выносимые на защиту:

1.        Использование скважиной видеосъемки и кругового среднего направления азимутов простирания при выделении структурно-однородных участков позволяет повысить достоверность оценки природной трещиноватости породных массивов.

2.        Выделение макросистем трещин согласно фрактальному принципу масштабной инвариантности путем обработки оставшихся внесистемных  трещин на сводной диаграмме трещиноватости позволяет повысить  достоверность прогнозной модели.

3.        Прогнозирование выхода товарных блоков природного облицовочного камня следует осуществлять на основе взаимосвязей между  содержанием в массиве природных блоков и выходом из массива техногенных и товарных блоков.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждаются соответствием используемых в исследованиях подходов законам и положениям структурной геологии, маркшейдерии, физики горных пород и процессов, физики и математики, а также высоким уровнем совпадения расчетных показателей с фактическими данными, установленными в процессе разработки месторождения облицовочного камня.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • показана эффективность использования телеметрических методов изучения трещиноватости для получения информации о природной  блочности массива;
  • обоснована целесообразность применения кругового среднего направления для определения эквивалентного азимута простирания трещин;
  • впервые выдвинута и проверена гипотеза о проявлении внесистемных трещин в контурах всей изучаемой площади в виде локальных скоплений на сводной диаграмме трещиноватости;
  • впервые оценено влияние системы трещин с широким размахом по азимуту простирания на выход природных блоков;
  • установлено предельное расстояние прогнозирования (ПРП) параметров массива для различных вариантов выделенных систем трещин;
  • разработан программный модуль автоматизированных электронных  таблиц и диаграмм, позволяющий существенно повысить
    производительность и снизить трудоемкость при выполнении камеральных
    работ в прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня.

Научное значение работы заключается в развитии существующих представлений о горно-геометрическом анализе структурно-тектонической нарушенности породных массивов путем совершенствования методов сбора и обработки исходной информации, в использовании установленных взаимосвязей между природными, техногенными и товарными блоками, а также автоматизации расчетных процессов.

Практическое значение работы состоит в совершенствовании методики горно-геометрического анализа блочности массивов на карье-рах облицовочного камня, что позволяет повысить выход товарных блоков и, как следствие, эффективность использования запасов облицовочного камня.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры маркшейдерского дела и геодезии (МГГУ) по дисциплине “Геометрия недр” и приняты к использованию на месторождении гранитов Сюскюянсаари (ЗАО «МКК-Ладога», Республика Карелия).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на заседаниях кафедры МДиГ МГГУ (2009 -2011 гг.), научно-технических конференциях МГГУ - «Неделя горняка» (Москва 2010 и 2011гг.), Международной научно-практической конференции молодых ученых, студентов и представителей производства «Маркшейдерское обеспечение геотехнологий» (Днепропетровск, НГУ, май 2011 г.).

Область диссертационных исследований соответствует Паспорту специальности 25.00.16 по п. 9 - «Совершенствование методов, средств, технологии и организации геологического изучения эксплуатируемых месторождений; повышение эффективности доразведки (в пределах горного отвода), эксплуатационной разведки и геологопромышленной оценки месторождений в процессе их освоения» и п. 10 - «Разработка и совершенствование методов и систем обработки геологической, маркшейдерской и геофизической информации, а также методов моделирования месторождений, прогнозирования горно-геологических явлений и процессов, создание основ управления ими при горных работах».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3  в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 11 приложений, содержит библиографический список использованной литературы из 124 наименований,  24 рисунков и  17 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доц. Е.А. Тухель за внимание, постоянную помощь и ценные советы при проведении исследований и подготовке диссертационной работы, коллективу кафедры МДГ Московского государственного горного университета, особенно профессорам В.Н.Попову, Б.В.Несмеянову, В.В.Руденко, доцентам Г.О.Абрамяну, П.В.Яковлеву, Ю.П.Павловой, Ю.Б.Несмеяновой, Д.Л.Негурице, И.И.Ериловой. 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются вопросы изучения трещиноватости и блочности на месторождениях облицовочного камня.

Структура, как важнейшее свойство разрабатываемого массива, определяет блочность породных массивов облицовочного камня, характеризует форму и условия залегания залежи. Методам изучения трещиноватости во взаимосвязи с другими структурами занимались такие ученые, как Ф.И.Вольфсон, Н.А.Елисеев, А.В.Пэк, А.Е.Михайлов, Н.И.Кригер, Л.И.Нейштадт, А.Б.Вистелиус, М.В.Рац, С.Н.Чернышов, В.В.Ржевский, И.А.Турчанинов, А.Ж.Машанов, В.А.Букринский, В.И.Борщ-Компониец, Е.Н.Пермяков, И.В.Кириллова и других исследователей.

Отмечено, что трещиноватость является неотъемлемым свойством горных пород и важным элементом структуры месторождений. Вопросам изучения структурно-тектонических особенностей и трещиноватости месторождений облицовочного камня занимались: В.В.Ржевский, М.М.Протодьяконов, Г.Я.Новик, Б.П.Беликов, Б.В.Михайлов, Е.П.Окользин, Б.Я.Альмухаметов, Н.Т.Бакка, Н.И.Моторный, Н.Н.Анощенко и др. Среди зарубежных ученых необходимо отметить Л.Мюллера.

Даются обобщающие определения понятий трещиноватости, блочности и смежных с ними понятий, поскольку в целом ряде прикладных работ велико разнообразие терминологии. Так, трещиноватость представляет собой совокупность трещин, развитых в единичном (отдельно изученном) массиве горных пород, различных по геометрии, генезису и морфологии, образующих сеть трещин, которая первична по отношению к блочности и определяет ее. Выделяется блочность трех видов: природная, техногенная и товарная. Природная блочность представляет собой двучленный показатель геометрической структуры массива, включающий в себя объемы природных блоков, слагающих разрабатываемый массив, и их процентное содержание в нем, определяется характером и интенсивностью развития в массиве пространственной сети природных трещин. Техногенная блочность является показателем, характеризующим гранулометрический состав монолитных блоков, добытых из массива при его разработке. Товарная блочность представляет собой пассированные техногенные блоки (а также процент их выхода из массива), которые удовлетворяют требованиям ГОСТ 9479-98 и отправляются на камнеобрабатывающие заводы. В диссертационной работе делается вывод, что вопрос прогнозирования выхода товарных блоков облицовочного камня необходимо начинать с рассмотрения способов изучения трещиноватости массивов горных пород. Блочность, технологический процесс и соответствующее наименование блоков приведены в табл.1.

Таблица 1

Блочность, технологический процесс и наименование блоков

Блочность

Процесс

Наименование блоков

природная

природные

добыча

техногенная

техногенные

пассировка

товарная

товарные

Дается обзор, эволюция развития и выделяются этапы исследований трещиноватости. Выполнен анализ методов измерений и количественной оценки трещиноватости, подразделяющихся на три группы: натурные, фотограмметриические и геофизические. Рассмотренные методы также делятся по способу проведения замеров и используемому оборудованию (горный компас и мерная рейка; установки, позволяющие получать ориентированный керн; бороскопы и скважинные телевизионные установки; фототеодолит; оборудование для геофизических измерений). Проведенный анализ показал перспективность использования телеметрических методов изучения трещиноватости для получения информации о природной блочности массива.

Рассматривается большое количество существующих методов обработки результатов замеров трещиноватости для получения линейных, площадных и пространственных показателей сети природных трещин, включающих: 

  • Методы обработки результатов замеров трещиноватости по натурным массовым замерам на обнажениях, предложенные  Л.Мюллером, Г.И.Чухловым, М.В.Рацем, Н.Т.Бакка, С.Н.Чернышевым, Б.В.Михайловым, Б.Я.Альмухаметовым, Б.П.Беликовым, Н.Н.Анощенко, Е.В.Киселевским, А.И. Арсентьевым и С.И. Подойниковым, А.В.Количко, И.Н.Горбулевым и др. При этом рассмотренные методы оценки природной блочности разделены на следующие группы: аналитические, графоаналитические и графические.
  • Методы определения трещиноватости и блочности породного массива по данным скважинного бурения и выходу керна, предложенные В.А.Букринским, Б.Я.Альмухаметовым, Н.И.Моторным, В.В.Никитиным, В.Н.Морозовым, А.И.Косолаповым и другими учеными.
  • Методы определения трещиноватости и блочности фотограмметрическими (предложенные В.Ф.Макаревичем, Н.Е.Федотовым) и геофизическими методами, а также метод опытной добычи (опытный карьер).
  • Применяемые для изображения плотности вероятностей направлений ориентировки структурные диаграммы (такие как диаграмма Хабакова, перспективные диаграммы Родыгина, розы-диаграммы, точечные круговые диаграммы, круговые диаграммы в изолиниях, построения на основе сеток Вальтера-Шмидта, сетки Вульфа, прямоугольная сетка ВНИМИ).

В ходе проведенных исследований литературных источников установлено, что рассмотренные методы оценки блочности дают приближенные результаты, точность которых удовлетворяет горно-технические службы карьеров облицовочного камня.  На основе всестороннего анализа работ вышеуказанных ученых в диссертации выделяется метод горно-геометрического анализа, разработанный в 1989 г. в МГИ Н.Н.Анощенко, Ю.Г.Карасевым и Н.Е.Федотовым, - «Отраслевая инструкция по определению трещиноватости и блочности и выбору технологии горных работ на разрабатываемых месторождениях облицовочного камня» (далее «Метод-89»). Расчет параметров блочности более чем на 25 карьерах, в том числе российских (Молоковском (Тверская область), Шайтанском (Свердловская область), Шелтозеро (Республика Карелия) и др.) и месторождениях стран СНГ (Украина, Узбекистан), показал, что метод дает достоверные результаты в большинстве случаев. Данный метод позволяет установить в массиве содержание природных блоков различных объемов, в нем учитывается углы падения природных трещин, объединяет в себе аналитический и графический методы исследования. Применение статистического аппарата и вероят-ностного подхода к предмету исследований позволяет использовать данный метод на средне- и мелкоблочных месторождениях облицовочного камня. При этом  «Метод – 89» является единственным официально утвержденным МПСМ СССР от 14.07.1989 и одобренным Госгортехнадзором СССР.

Во второй главе приводятся результаты теоретических исследований прогнозной модели «Метод-89» блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня и обоснованы рекомендуемые усовершенствования, изменения и дополнения.

В начале главы приводятся определения ряда терминов, не охваченных в первой главе. Так, эквивалентная сеть трещин (ЭСТ) есть количественно охарактеризованная совокупность различных по генезису, морфологии и положению в пространстве единичных трещин; параметрами ЭСТ являются: среднеарифметические азимут простирания и угол падения всех анализируемых трещин, среднее расстояние между трещинами (W, м) – модуль трещиноватости.

В главе рассмотрены основные методические положения «Метода-89»:

Природная трещина рассматривается как плоскость без учета ее раскрытия и морфологии, а пересечение трещиной любой плоскости представляет собой прямую линию. Трещины анализируются только по их положению в пространстве, и понятие «система трещин» никакого генетического смысла не несет.

Участки замеров трещин (расчистки, канавы, уступы, обнажения) рассматриваются как замерные станции (ЗС). ЗС характеризуются следующими параметрами: длиной станции (lС, м), ориентировкой линии замеров (С,°) и количеством измеренных трещин (nСТ, шт).

Для каждой замерной станции вычисляются параметры ЭСТ. Для совокупности всех замерных станций определяется наиболее изменчивый параметр, по которому замерные станции могут быть объединены в структурно-однородные участки. Выделение данных участков позволяет провести районирование изучаемой площади по наиболее изменчивому параметру ЭСТ.

Определение систем трещин и их пространственных параметров проводят путем обработки замеров элементов залегания трещин на прямоугольных сетках, по результатам которой выделяют протосистемы трещин, количество и плотность системных и внесистемных трещин.

Протосистемами являются скопления замеров в количестве (0,05 - 0,10) NОБЩ в пределах 20° по азимуту простирания, 15? - по углу падения; параметрами протосистемы являются ПР и её полюса, определяемые графически на прямоугольной сетке, число и плотность вошедших в неё трещин и вычисляется ее плотность.

Протосистемы делятся на попарно-однородные и попарно-сопряженные: для однородных протосистем разница азимутов простирания (ПР) их полюсов () не превышает 20°, углов падения () - 10°; для сопряженных протосистем не превышает (180° ± 20°), - (±10°). Последовательное объединение попарно-однородных и попарно-сопряженных систем формирует системы трещин, пространственные параметры которых (С, С) рассчитываются как средневзвешенные на количество трещин в каждой протосистеме, вошедшей в систему. Плотности (НПС) протосистем определяется по формуле:

,  (1)

где NПС и NОБЩ - количество трещин в протосистеме и общее число трещин, вынесенных на сетку (соответственно), а также число внесистемных трещин (NВС) и их плотность (НВС, %).

После установления пространственных параметров систем трещин аналитически рассчитываются средние межтрещинные расстояния (WС, м) в системах (в большинстве являющихся крутопадающими и вертикальными) по формулам Л.Мюлера:

, (2)

где i - разность между азимутом простирания i-той системы трещин и направлением линии замеров на участке (УЧ), WУЧ - модуль трещиноватости однородного участка, м; причем значения cos берутся без учета знака. Вычисления производятся последовательно для каждой системы трещин: для системы I — по формуле (2), для остальных систем по формуле:

Wi = Wi*HI / Hi,,       (3)

с поправкой на угол падения трещин путем умножения Wi на sinc.

Средние межтрещинные расстояния системы горизонтальных и наклонных постельных трещин (lП, м) или определяются прямыми измерениями на станции, или рассчитываются по значениям длин монолитных столбиков керна из буровых скважин (lК, м) последний метод более информативен.

Результатом горно-геометрического анализа трещиноватости
однородного участка являются количество и параметры систем трещин, а также плотность внесистемных трещин (не вошедших в системы). Расчет параметров блочности проводится по результатам анализа трещиноватости.

По возможному механизму образования структурные блоки разделяются на: блоки I порядка (SI), основания которых образованы пересекающимися между собой двумя парами трещин двух крутых или вертикальных систем; значения площадей оснований SI рассчитываются аналитически; блоки II порядка (SII), основания которых представляют собой результат разбиения оснований блоков I порядка одной или несколькими трещинами крутых или вертикальных систем; значения площадей основания SII определяются графо-аналитически по масштабированным картограммам; блоки III порядка представляют собой результат разбиения оснований блоков II порядка внесистемными трещинами; значения SIII  не определяют.

Расчет объемов природных блоков (V) ведется по распределению значений SI-III и ряду распределения значений межтрещинных расстояний системы горизонтальных или наклонных трещин (постельных трещин), или длин монолитных столбиков керна (lК, lП).

Суммарная вероятность нахождения в массиве оснований природных блоков принимается:

для блоков I порядка:  ;       (4)

для блоков II порядка:  ;               (5)

для блоков III порядка: ,               (6)

где - суммарная плотность системных трещин, - сумма плотностей двух взаимно ортогональных систем трещин, одна из которых наиболее развита в массиве.

Вероятность нахождения в массиве природных блоков I-III порядков (PV) принимается равной произведению вероятностей их оснований (PS) и вероятностей значений IП(PП) или lК(PК).

Далее следует пошаговое описание последовательности действий при проведении горно-геомерического анализа, в нем выделены следующие основные блоки:

  1. Сбор информации об элементах залегания трещин методом массовых замеров на ЗС.
  2. Определение параметров ЭСТ и выделение структурно-однородных участков по наиболее изменчивому параметру трещиноватости.
  3. Анализ трещин по однородным участкам и выделение развитых на них систем трещин.
  4. Аналитический и графо-аналитический расчет площадей оснований и объемов природных блоков.
  5. Оценка результатов – прогнозное распределение природной блочности по соответствующим группам ГОСТ 9479-98 (ранее по ГОСТ 9474-84).

Критический анализ «Метода - 89» за 22-летний период его применения и его эмпирическая проверка на большом количестве месторождений блочного камня позволяет предложить ряд существенных усовершенствований и изменений с целью повышения достоверности конечных результатов.

Так, изменением и дополнением первого блока является использование скважинной видеосъемки, дающей возможность получать ценную для анализа информацию о природной блочности массива, при этом являющейся безопасней натурных массовых замеров на обнажениях. Рассматривается принципиальная схема, результаты стендовых и полевых испытаний подобной установки.

Во втором блоке при выделении структурно-однородных участков при оценивании изменчивости геометрических параметров ЭСТ усовершенствованием является рассмотрение кругового среднего направления азимутов простирания. Приводятся теоретические основы и математические формулы наиболее важного из распределений на окружности - распределение фон Мизеса в двумерном пространстве, выполняющее ту же роль, что и распределение Гаусса для данных, распределенных на прямой. Функция плотности вероятности (ФПВ) имеет следующий вид:

f (X) = exp[k • cos(X-X0)]/[2- J0(k)],  (7)

где Х0 - круговое среднее направление (аналог среднего значения при распределении на прямой) и k - концентрация; X -переменная, измеренная в угловых величинах, а  J0(k) - константа (функция Бесселя).

Приводятся формулы для расчета среднего значения косинусов и синусов направления:

;  (8)

, (9)

для вычисления «средней результирующей длины»:

, (10)

оценки кругового среднего направления:

; (11)

, (12)

оценки параметра концентрации и для вычисления соответствующего доверительного интервала среднего направления азимута простирания трещин. Для иллюстрирования важности кругового распределения приведены расчеты эквивалентного азимута простирания на примере Восточного участка Ханинского месторождения (Республика Якутия) гранитогнейсов. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что без учета концентрации значений параметра в азимутальном круге согласно распределению фон Мизеса нельзя однозначно определить значение эквивалентного азимута простирания (среднеарифметическое пр=137°, при этом круговое среднее направление  X0=79° приведено на рис.1.); как следствие, меняется и параметр изменчивости для выделения структурно-однородных участков (И(пр)=112% при И(Хо)=82%). На основании полученных результатов делается вывод о целесообразности применения кругового среднего направления азимутов простирания.

Рис.1. Определение кругового среднего направления азимутов простирания

Третий блок усовершенствован выделением систем из считавшихся ранее внесистемных трещин и возможности выделения систем трещин с широким размахом по азимуту простирания. Затем все варианты выделения систем трещин оценены на ПРП вглубь массива. Также изложен иной подход к учету оставшихся внесистемных трещин.

В основе выделения систем трещин из считавшихся ранее внесистемных трещин лежит гипотеза о проявлении внесистемных трещин в контурах всей изучаемой площади в виде локальных скоплений на сводной структурной диаграмме трещиноватости по всем структурно-однородным участкам. Гипотеза строится на фрактальном принципе масштабной инвариантности, где (согласно работам Б.Мандельброта) фракталом называются нерегулярные, но самоподобные математические структуры, состоящие из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Сделано предположение, что в образовании природных блоков участвуют как системы трещин, которые можно зафиксировать на отдельных замерных станциях, так и макросистемы трещин (системы с большими межтрещинными расстояниями, которые на отдельно взятой замерной станции представлены одной - двумя трещинами и в процессе выделения систем трещин ошибочно относятся к внесистемным). В диссертации рассмотрено два варианта выделения макросистем трещин, однако подход, причисляющий к макросистемам все локальные скопления внесистемных трещин без учета их принадлежности к разным ЗС, признан несостоятельным. Проведенные расчеты по Восточному участку Ханинского месторождения гранитогнейсов показывают, что на единой сводной структурной диаграмме внесистемные трещины всех структурно-однородных участков образуют локальные скопления. Дальнейшие расчеты природной блочности и сопоставление с фактическим выходом техногенных блоков на месторождении Сюскюянсаари (Республика Карелия) подтвердят выдвинутую гипотезу. Для макросистем трещин межтрещинные расстояния Wм вычисляются по формуле:

,  (13)

где Lст – общая длинна всех замерных станций; М – число трещин в макросистеме.

Рассматривается возможность выделения систем трещин с широким (30° и 60°) размахом по азимуту простирания. Полученные системы трещин были названы «квазисистемами», их выделение рассмотрено на примере Восточного участка Ханинского месторождения гранитогнейсов. Установлено, что выделение систем трещин с широким размахом по азимуту простирания изменяет прогнозный выход блоков I и II группы менее чем на 2%.

Анализ ПРП вглубь массива всех рассмотренных систем трещин исходит из «исчезновения» системы трещин происходят тогда, когда ограничивающие ее трещины пересекутся (рис.3). Расстояние от поверхности

обнажения до точки пересечения 0 и есть ПРП, которое вычисляется по формуле:

,  (14)

где lст - длина станции (участка) замеров, м.

Рис. 3. Схема к определению ПРП параметров систем природных трещин вглубь массива

Определение значения ПРП было проведено для следующих случаев: когда все системы трещин развиты в пределах всего поля месторождения и когда имеют локальное развитие. Основные результаты расчетов ПРП приведены в табл.2. Анализируя полученные результаты, следует отметить, что низкие значения ПРП для квазисистем трещин исключают их из числа дополнений.

Таблица 2

Сводная таблица ПРП для различных способов выделения систем трещин

на Восточном участке Ханинского месторождения гранитогнейсов

Подход к выделению систем трещин

структурно-однородого участка

I способ (Lст= Lзс)

II способ ( Lст = n*Lc)

Средневзвешенное ПРП для II способа, м

ПРП 1ср (пр), м

ПРП 2ср (пр),м

ПРП 2ср.взвеш (пр)xНс, м

Системы трещин

1

159,45

27,42

31,81

45,1

2

63,46

12,27

12,84

3

85,80

38,97

38,97

4

388,33

83,79

74,69

Системы с учетом кругового среднего направления азимутов простирания

1

602,85

131,81

116,48

99,4

2

254,07

71,65

91,36

3

162,14

26,16

31,56

4

86,40

9,58

11,33

Макросистемы

1,2,3,4

510,87

189,97

189,97

189,9

Квазисистемы с размахом объединения 30°

1

134,67

26,83

23,04

22,9

2

40,07

7,85

7,68

3

85,80

38,97

38,97

4

82,35

32,18

25,44

Квазисистемы с размахом объединения  60°

1

93,33

17,50

13,77

9,9

2

35,56

7,44

6,37

3

14,46

4,33

5,22

4

30,49

14,40

12,35

А.В.Рылеевым отмечено, что при наличии в массивах нескольких систем диагональных трещин объем блоков снижается, а количество блоков, не превышающих половину первоначальных, заметно возрастает. Поэтому вместо

увеличения вероятности оснований природных блоков только наименьшего объема вероятность внесистемных трещин распределяется поровну между прогнозными основаниями природными блоками, средние значения которых не превышают 50% от наибольших расчетных.

К четвертому блоку усовершенствованием выступает расчет параметров природной блочности методом линейных соотношений сторон природных блоков, являющийся развитием предложенного Н.И.Моторным метода корреляционных отношений с линейными параметрами природных блоков. Расчетная формула в данном случае будет иметь вид (15) при нормировании сторон основания по высоте, или (16) – без нормирования, т.е.:

  ; (15)

,  (16)

где lкi - длина единичного монолитного интервала скважины в границах горизонта, м; а и b - значения сторон основания, м; K – площадной коэффициент, равный произведению сторон основания а и b или средневзвешенной площади основания, м2; – мощность горизонта, равная сумме монолитных столбиков по горизонту .

Предложенный метод позволяет составлять планы изогипс значений lKi2/lГОР и lKi4/lГОР, например участка №6 месторождения Сюскюянсаари на горизонте  +48 (рис.4). Затем по формулам вычисления объемов природных блоков (15) и (16) составляются планы блочности (рис.5).

Рис. 4. План изогипс значений lKi2/lГОР участка №6 месторождения Сюскюянсаари на горизонте  +48

Существенным усовершенствованием четвертого блока является разработка программного модуля автоматизированных электронных  таблиц и диаграмм, позволяющего существенно повысить производительность и

Рис.  5. Горно-геометрический план природной блочности участка №6 месторождения Сюскюянсаари на горизонте  +48

снизить трудоемкость при выполнении камеральных работ в прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня. При этом весь процесс автоматизации выполнен на свободном программном обеспечении, что имеет значение для мелких и средних предприятий. Анализ существующих коммерческих программных продуктов показал, что они строятся на принципиально иных алгоритмах и для автоматизации камеральных работ разрабатываемой прогнозной модели не могут быть использованы. 

  Усовершенствованием пятого блока, на котором выводятся результаты в виде распределения природной блочности по группам ГОСТ 9479-98, является вывод прогнозного распределения техногенной и товарной блочности на основе установленной между ними взаимосвязи. Полученное уравнение приведено в третьей главе при обработке фактических данных месторождения Сюскюянсаари.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных работ по геометризации трещиноватости и блочности участка №6 месторождения Сюскюянсаари. Приведены промежуточные расчеты на различных этапах горно-геометрического анализа и дано сопоставление прогнозных природных с фактическим выходом техногенных и товарных блоков. Ниже приведены основные результаты:

•        Для получения информации о постельных трещинах успешно применялась установка для скважинной видеосъемки на каждой из  8 скважин.

•         При вычислении ЭСТ среднеарифметическое значение азимута простирания составило пр=207°, при этом круговое среднее направление равнялось X0=274°, расхождение в 67° оценивается как существенное.

•        На месторождении Сюскюянсаари на единой сводной структурной диаграмме внесистемные трещины всех структурно-однородных участков образуют локальные скопления, что позволяет выделить макросистемы трещин. Рассмотрено выделение макросистем трещин при формировании структурно-однородных участков по «Методу-89» (первый вариант) и с учетом кругового среднего направления азимутов простирания (второй вариант). В первом случае выделено две макросистемы, во втором – три, причем две из них аналогичны макросистемам первого варианта, что дополнительно подтверждает гипотезу о проявлении внесистемных трещин в контурах всей изучаемой площади в виде локальных скоплений на сводной диаграмме трещиноватости.

  • Выполненный расчет природной блочности участка №6 показал, что фактическому выходу техногенных блоков наиболее соответствует прогнозное значение, полученное при вводе в расчет макросистем трещин, учете кругового среднего направления азимутов простирания и предложенном подходе к учету оставшихся внесистемных трещин (рис. 6).
  • Выполненные расчеты (выполнено 24 расчета с различными значениями площадного коэффициента К, полученного при рассмотрении разных подходов к выделению структурно-однородных участков и различных систем трещин) природной блочности того же участка месторождения методом линейных соотношений сторон природных блоков также показали, что к фактическому выходу техногенных блоков ближе всего прогнозное значение, полученное при вводе в расчет макросистем трещин и учете кругового среднего направления азимутов.

Рис. 6. Распределение содержания прогнозных объемов природных и техногенных блоков по группам ГОСТ 9479-98 на месторождении Сюскюянсаари

  • Среднее относительное отклонение содержаний прогнозных природных блоков, согласно разработанной прогнозной модели, от выхода техногенных блоков (при поинтервальном распределении содержаний блоков объемом от 0 до 10 м3 с шагом 1 м3, затем с шагом 10 м3), составляет 0,1%. Коэффициент корреляции для всего распределения равен 0,99; для блоков больше 1 м3 – 0,73. Соответственно, среднее значение коэффициента корреляции для инженерных расчетов можно принять равным 0,86. Следовательно, расчет природных блоков  позволяет оценить выход из массива техногенных блоков напрямую, не прибегая к соответствующим расчетам.
  • В результате обработки автором результатов 13-ти добычных заходок на участке №6 месторождения Сюскюянсаари за 2009 – 2011 гг., установления объемов 138 техногенных блоков и полученных из них 1860 м3 товарных блоков установлено эмпирическое выражение:

VТОВ = 0,1378VТЕХ + 0,2105 ,  (6)

где VТОВ - прогнозное значение объема выхода товарного блока из техногенного блока с известным объемом VТЕХ. Форма взаимосвязи установлена. Достоверность аппроксимации больше 0,6.

  • На основании полученных результатов сделан вывод, что прогнозирование выхода товарных блоков природного облицовочного камня следует осуществлять на основе взаимосвязей между  содержанием в массиве природных блоков и выходом из массива техногенных и товарных блоков

В четвертой главе приводятся результаты влияния выбора модели блочности на основе геометризации месторождения гранита для получения в результате его разработки дополнительной прибыли за счет комплексного учета особенностей строения массива. Рассматриваются различные прогнозные модели, применяемые в настоящее время на ряде предприятий камнедобывающей отрасли. Для сравнения различных прогнозных моделей использовались реальные горно-геологические условия действующих месторождений гранита. Показательные значения сравнительных вычислений приведены в табл. 3.

Комплексный учет особенностей строения месторождения при применении предложенной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня существенно увеличит производительность предприятия. Необходимые затраты рассчитаны для условий Республики Карелия, рассматриваемый период добычи равен сроку действия лицензии на право пользования недрами и составляет 20 лет. График распределения затрат и прибыли при эксплуатации карьера по добыче гранитных блоков с различной фактической блочностью приведен на рис. 7.

Таблица 3

Среднее относительное отклонение для различных прогнозных моделей

Используемая прогнозная модель

Содержание блоков более 1м3, %

Средний объем природного блока, м3

Относит. отклонение содержания, %

Относит. отклонение среднего объема природного блока, %

Среднее относит. отклонение, %

Фактический выход техногенных блоков

35,9

2,1

-

-

-

по А.В.Рылееву

20,0

-

44,3

-

44,3

по Б.В.Михайлову

31,0

0,7

13,6

68,1

40,9

Разработанная прогнозная модель

34,9

2,3

2,8

9,5

6,2

Рис.7. График распределения затрат и прибыли, при эксплуатации карьера по добыче гранита с различной блочностью

Из графика следует, что возможные расхождения от запланированного дохода, в зависимости от выбранной прогнозной модели, составят от 7 до 8,6 млн. руб. за период действия лицензией на право пользования недрами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научная и практическая задача, заключающаяся в разработке прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня, позволяющей повысить надежность определения геометрических параметров природных блоков, закономерности их размещения в массиве и, как следствие, эффективность использования запасов.

Основные научные и практические результаты работы, а также полученные автором при выполнении исследований выводы и рекомендации:

  1. Для получения информации о природной блочности массива рекомендуется использовать телеметрические методы изучения трещиноватости.
  2. Для повышения надежности определения параметров природных блоков при определении азимутов простирания ЭСТ рекомендуется применение кругового среднего направления азимутов простирания.
  3. Целесообразно исключить квазисистемы трещин при модернизации прогнозной модели блочности по «Методу–89», что подтверждается результатами анализа 7-ми расчетов природной блочности (различные подходы к выделению структурно-однородных участков и формированию систем трещин).
  4. Формирование макросистем природных трещин из внесистемных трещин, проявленных на разных ЗС, повышает достоверность прогнозной модели блочности.
  5. Установлено эмпирическое выражение для прогнозирования выхода товарных блоков природного облицовочного камня на основе взаимосвязей между содержанием в массиве природных блоков и выходом из массива техногенных и товарных блоков.
  6. Разработан программный модуль автоматизированных электронных  таблиц и диаграмм, который позволяет повысить производительность и снизить трудоемкость камеральных работ при разработке прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня.
  7. Разработанные методики и установленные эмпирические зависимости использованы при составлении «Методических рекомендаций для оценки блочности массива на карьерах облицовочного камня», которые используются ЗАО «МКК-Ладога». Отдельные разработки и технические решения могут использоваться и другими предприятиями, ведущими разведку и разработку месторождений полезных ископаемых.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.        Тухель Е.А., Маслов В.И. Оценка достоверности прогнозирования параметров трещиноватости полезной толщи гранитогнейсов Ханинского месторождения  // Маркшейдерский вестник. - 2011. -  №2. - С. 13 – 15.        

2.        Маслов В.И. Автоматизация камеральных маркшейдерских работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - №6 - С. 312 -315.

3.        Тухель Е.А., Маслов В.И. Возможность применения фрактальной геометрии при обработке маркшейдерской информации // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - №6 - С. 321 - 328.

4.        Маслов В.И., Применение законов распределения фон Мизеса в двумерном пространстве при горно-геометрическом анализе трещиноватости массива // Депон. рук. Депозитарий издательства «Горная книга». Справка № 903/06-12 от 11 апреля 2012 г. (07 стр.)

5.        Маслов В.И. Выделение квазисистем трещин при горно-геометрическом анализе на карьерах облицовочного камня // Современные технологии освоения минеральных ресурсов / Материалы 9-й Международной научно-технической конференции, 7-9 сентября 2011 г. – Красноярск  2011. – С. 78-81.

6.        Маслов В.И. Выделение макросистем трещин при горно-геометрическом анализе на карьерах облицовочного камня // Доповіді науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Маркшейдерське забезпечення геотехнологій», 19–20 травня 2011 року. – Украина, Днепропетровск, 2011. – С. 100-106.

Подписано в печать ___ 05.2012         Формат 60x90/16

Объем 1,0 п.л.       Тираж 100 экз.  Заказ №                ___________________________________________________________

Отдел печати МГГУ, г. Москва, Ленинский пр., 6

 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.