CC BY
33
семинар : 3 :
■ОКЛАД iHA i СИМПОЗИУМЕ; "НЕДЕЛЯ ir орняка
2000"
МОСКВА, МГГУ&31 января - 4 февраля 2000 i ода
А.М. Мухаметшин, 2000
УДК 550.3:538:622.831
А.М. Мухаметшин
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГОРНОЙ ГЕОФИЗИКИ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ (НА ПРИМЕРЕ МЕТОДА
Разработка месторождений полезных ископаемых характеризуется растущим объемом привлечения методов горной геофизики для решения задач рудничной геологии. Эффективность использования геофизических методов в рудничной геологии обусловлена их более высокой объективностью, оперативностью и представительностью в сравнении с традиционными методами разведки и опробования руд в условиях действующих горнодобывающих предприятий.
Актуальность развития геофизических методов в направлении применения их в рудничной геологии в настоящее время еще более возрастает в связи с сокращением расходов на геологическую разведку, и необходимостью увеличения сырьевых запасов, а также обеспечения роста добычи полезных ископаемых преимущественно в экономически освоенных и промышленных районах. Тем более, что в большинстве случаев запасы рудного сырья, находившиеся вблизи поверхности Земли, не только разведаны, но и полностью уже выработаны.
Одним из существенных и реальных источников прироста запасов рудного сырья в этих условиях является обнаружение новых неизвестных ранее рудных объектов, залегающих в околовыработочном пространстве.
Известны отдельные примеры использования магнитных измерений в подземных горных выработках. Однако применялись они для решения
частных задач и не были обеспечены ни теорией, ни специальной комплексной аппаратурой и соответствующей методикой.
Результаты исследований, полученные автором за многолетний период составили совокупность теоретических, технических и технологических решений, которые в итоге образовали новый метод геофизических исследований - подземную векторную магнитометрию. Этот метод, в начале называвшийся шахтно-скважин-ная магниторазведка, при непосредственном участии и под руководством автора широко опробован и внедрен в практику детальной (на предприятиях Мингео) и эксплуатационной (на действующих горнодобывающих предприятиях Минчермета и Минцветме-та) разведки на железорудных месторождениях Урала, Сибири, Северного Казахстана и Украины.
Среди наиболее благоприятных условий для успешной постановки подземной магниторазведки, в первую очередь, следует отметить повышенную, по сравнению с вмещающими породами, намагниченность рудного тела, являющегося объектом изучения. Идеальными в этом отношении следует считать магнетитовые месторождения, руды которых обладают наибольшей среди природных объектов величиной магнитной восприимчивости. Магне-титовые рудные залежи создают аномалии, достигающие нескольких десятков, а иногда и сотен тысяч нТл. Значительные аномалии создают также титаномагнетитовые и пирротино-вые рудные тела. Отсюда становится очевидным широкое применение и
высокая геологическая эффективность использования подземной векторной магниторазведки на месторождениях, где главным или одним из главных рудообразующих минералов является магнетит.
Для осуществления магнитометрических исследований в подземных условиях разработана специальная аппаратура - комплексный шахтноскважинный магнитометр — КШСМ-38. Прибор предназначен для выполнения непрерывных наблюдений магнитного поля в скважинах подземного бурения и в подземных горных выработках, причем, благодаря вертикальной системе ориентации датчиков поля, измерения и в скважинах, и в горных выработках ведутся одним и тем же измерительным скважинным прибором.
Ведомственной комиссией Мин-чермета СССР, проводившей испытания и приемку аппаратуры на Абаканском железном руднике, магнитометр КШСМ-38 был принят и рекомендован к широкому внедрению на действующих горнодобывающих предприятиях министерства. По заключению комиссии, прибор явился первым комплексным магнитометром, специально предназначенным для шахтнорудничных условий.
Теоретическими расчетами обоснован выбор размеров и конструкции первичных преобразователей ферро-зондового типа — магнитомодуляционных датчиков.
Для ориентирования в скважинах подземного бурения датчиков такого типа разработаны специальные устройства, позволяющие сохранять заданную относительно плоскости наклона скважины ориентировку датчиков при поворотах скважинного прибора вокруг продольной оси на угол ^360° и (или) при изменениях угла наклона линии наблюдения (исследуемая скважина или другая выработка) в широком диапазоне от (5 до 175°). Разработано усовершенствованная термостабильная конструкция феррозонда, позволяющая выполнять магнитометрические исследования при высокотемпературных процессах (напри-мер, в первом контуре реактора на быстрых нейтронах). Также разработано комплексное скважинное измерительное устройство, с помощью которого существенно повышена производительность измерений, так как за одну спускоподъемную операцию кроме вышеуказанных четырех
величин измеряются еще две величины: угол наклона и азимут скважины. Все разработки защищены авторскими свидетельствами.
Усовершенствована электрическая схема контрольно-измерительного пульта, в основе которого использована стандартная электронная схема феррозондового скважинного магнитометра типа КСМ-38: в приборе КШСМ-38 применено автономное питание, пульт имеет небольшие габариты и массу, выход аппаратуры на каротажный регистратор сделан регулируемым в широких пределах, благодаря чему получены определенные преимущества и удобства в процессе выполнения измерений.
С помощью этого прибора выполняются непрерывные вдоль линии наблюдения измерения трех составляющих вектора геомагнитного поля: вертикальной и двух взаимно ортогональных горизонтальных, а также магнитной восприимчивости горных пород, вскрытых скважиной. Диапазон измерений по магнитному полю +200000 нТл, по магнитной восприимчивости от 50Ф10-5 ед. СИ до 2 ед. СИ измерительные датчики вместе с ориентирующими устройствами, в том числе и датчик магнитной восприимчивости, размещаются в скважинном приборе, внешний диаметр которого (38 мм) допускает возможность проводить наблюдения в скважинах алмазного бурения.
В настоящее время по техническому заданию автора разработан и на основе современной элементной базы изготовлен усовершенствованный макет комплексного шахтноскважинного магнитометра, позволяющего выполнять одновременные измерения шести величин: магнитной восприимчивости, трех компонентов вектора геомагнитного поля, магнитный азимут и угол наклона линии наблюдения.
Для снижения трудоемкости и повышения производительности измерений в горизонтальных или восходящих вверх скважинах подземного бурения разработано вспомогательное пакерующее устройство многократного использования. Эта разработка также защищена авторским свидетельством.
Теоретические расчеты аномалий вертикальной составляющей, векторов Та и углов
а позволили составить набор теоретических кривых и распределений векторов с различной взаимной ориентацией линии наблюдения и возмущающих объектов. Полученные данные позволяют оперативно решать задачи эксплуатационной разведки: определение пространственного положения и морфологии магнитоконтрастных тел. Для исключения неизбежного субъективизма на нынешнем этапе можно рекомендовать использование в этой операции малогабаритных персональных ЭВМ с использованием известного метода распознавания образов.
Разработана высокопроизводительная методика магниторазведочных работ в подземных горных выработках, благодаря которой непрерывная вдоль выработки регистрация компонент вектора геомагнитного поля выполняется в такой области поперечного сечения выработки, где значительно меньше влияние стационарных полей-помех от раз-мещенного в полости выработки технологического оборудования. Предложена методика измерений для исключения влияния на результаты измерений импульсных полей нестационарных помех.
Предложенная методика выполнения магнитометрических исследований благодаря высокой производительности проведения измерений позволяет вести эти работы в откаточных выработках действующих шахт и рудников без остановки в них основного технологического цикла.
Разработаны методические приемы и способы интерпретации получаемых подземной векторной магнитометрией результатов. Как известно интерпретация результатов магнитных измерений заключается в нахождении причин, вызывающих аномалию. А, в конечном счете, это процесс поиска решения определенной геологической задачи, т.е. нахождение размеров и глубины залегания пород с повышенными магнитными свойствами, которые являются причиной любой аномалии. Вопросам теории и интерпретации магнитных полей применительно к условиям наземной магниторазведки посвящено значительное число литературных источников.
Интерпретация наблюдаемых подземных магнитных аномалий является в силу своей специфики более
трудной задачей. Специфика обусловлена тем, что, во-первых, линии наблюдения всегда ограничены как по длине, так и по направлению; во-вторых, возмущающий объект может находится с любой стороны от линии наблюдения, в любом квадрате окружающего пространства; в-третьих, и это тоже немаловажно, в шахтных условиях всегда наблюдается влияние полей-помех, вызываемых технологическим процессом добычи руд. Еще одним элементом специфики является то, что измеренные аномалии могут быть обусловлены несколькими рудными телами. Причем последние могут располагаться с разных сторон от линии наблюдения. Отмеченные особенности ставят совершенно новые проблемы перед теорией интерпретации магнитных полей, ибо известные наземные методы здесь обычно не применимы. Кроме того, на стадии детальной эксплуатационной разведки требуется более точная информация о форме и размерах тел, чем та, которая может быть получена с помощью обычных способов интерпретации.
Поэтому, на основе богатого арсенала методов интерпретации наземных и скважинных аномалий была разработана специальная методика применительно к рудничным условиям.
Например, для решения задачи поиска рудного тела, оценки его пространственного положения и морфологии ближайшей границы предложено использовать рассчитанные теоретически аномалии вертикальной компоненты Z и векторы Та . Эти параметры рассчитаны для двухмерных тел различного сечения и взаимной ориентации по отношению к линии наблюдения.
Разработан и проверен способ определения расстояния до ближайшей кромки рудного тела. Задача решена на основе использования корреляционных зависимостей между интенсивностью аномального магнитного поля и кратчайшим расстоянием до поверхности рудного тела для различных значений среднего градиента Р, наблюдаемого по линии измерения аномалии Za. При этом Р является параметром этих корреляционных зависимостей и вычисляется по формуле:
Р
-\ т1
Т 0
dZc
dS
т
і= 1
dZc
dS
А Si
где L - длина аномалии по линии измерения; Si - координаты вдоль линии измерения; i (от 1 до п) - порядковый номер точки по линии измерения; AS - расстояние между соседними
d Z а
dS
dS
модули
производной 1а по S в данной точке с номером i.
Для разделения аномалий, обусловленных различными источниками предложено использовать ПЭВМ с соответствующим программным обеспечением. Это стало возможным благодаря непрерывным трехкомпонентным магнитным измерениям, на основе результатов которых ведется разделение аномалий от различных рудных тел. Причем такие
объекты могут быть выделены как рудного тела справа или слева от линии наблюдения, сверху или снизу, а также как тела, располагаемые перед плоскостью разреза или за этой плоскостью.
В результате испытаний подземной векторной магнитометрии на Абаканском железном руднике (АЖР) было обнаружено и вскрыто новое, ранее неизвестное крупное рудное тело. Магнитометр КШСМ-38 испытывался на руднике в рамках программы по опытно-промышленной эксплуатации. Исследования методом подземной магнитометрии по согласованию с геологическим отделом АЖР выполнялись во всех скважинах подземного бурения, включая разведочные, технические и технологические. В том числе были проведены магнитометрические исследования и в технологической скважине © 1437 (см. ри-
сунок), пройденной для дренажа горного массива в окрестности проектируемого на гор. 345 м склада взрывчатых материалов (ВМ). Как известно, в соответствии с правилами техники безопасности и технологией добычи, склады ВМ оборудуются за пределами рудного поля, т.е. вне области отработки, где оруденения уже не ожидается (см. на рисунке гор.425 м). И вот на этом участке, вдали от рудных залежей, нами с помощью КШСМ-38 в скв. © 1437 была обнаружена небольшая по амплитуде (менее 4 тысяч нТл), но протяженная
аномалия Z и векторы Та также небольшой величины.
Полученная картина магнитного поля позволила предположить в этом неперспективном районе присутствие нового рудного тела. Для выяснения природы выявленной аномалии нами была рекомендована проходка дополнительной скважины © 1439, которая не вскрыла даже скарнов. Однако здесь были зарегистрированы уже более интенсивная аномалия Z (до 8000 нТл) и четкий сходящийся веер векторов Та . Анализ результатов по обеим скважинам позволил нам однозначно судить о присутствии здесь мощного рудного тела и дать заключение о направлении последующей разведки. Следующая скважина в этом разрезе (© 1446), заданная по результатам интерпретации магнитных измерений в скв. © 1439, на глубине 92 м вскрыла богатую по содержанию железа верхнюю кромку нового рудного тела. Пробуренная вслед за этой скважина © 1447 позволила оконтурить верхнюю в данном разрезе часть вскрытой залежи, которая была принята в качестве шестого рудного тела. Причем из результатов анализа про-ек-
ции векторов Та на горизонтальную плоскость было высказано предположение о том, что вскрытое в данном разрезе сечение нового рудного тела является боковым и что центральное сечение располагается севернее (т.е. за плоскостью рисунка), а его верхняя кромка располагается выше, т.е. рудное тело испытывает подъем к северу, что и подтвердилось последующим геологоразведочным бурением и проходкой разведочных выработок. Обна-
ружение данного рудного тела обеспечило вторую жизнь рудника, запасы которого подходили к концу. Это открытие доказало высокую эффективность векторной магнитометрии по решению целого ряда геологических задач эксплуатационной разведки.
Составлено краткое методическое руководство по шахтно-скважинной магниторазведке, которое передавалось производственным организациям вместе с приборами КШСМ-38. Руководство содержит техническую характеристику магнитометра, его подробное описание, методику настройки и подготовки к измерениям, способы выполнения магнитных из-мерений в скважинах подземного бурения и горных выработках, а также методику интерпретации получаемых данных.
Опытно-методические работы по применению подземной векторной магнитометрии на нескольких шахтах Криворожского месторождения, на Шерегешском руднике в Горной Шории, на Дегтярском, Гу-мешевском и Турьинском меднорудных месторождениях, на Севе-
ро-Уральском бокситовом руднике и золоторудных месторождениях Забайкалья доказали эффективность применения этого метода для решения ряда задач рудничной геологии на железорудных, меднорудных, золо-
торудных и бокситовых месторождениях.
К настоящему времени около двадцати комплектов магнитометра КШСМ-38 внедрены на ряде горнодобывающих и геологоразведочных предприятий нашей страны. Использование производством аппаратуры КШСМ-38 для решения задач детальной и эксплуатационной разведки в различных горногеологических условиях (Забайкалье, Восточная Сибирь, Горная Шория, Урал, Казахстан, Кривой Рог) доказало универсальность разработанного метода подземной магнитометрии. Была подтверждена высокая экономическая эффективность применения созданной аппаратуры.
Показаны перспективность применения, высокая эффективность и оперативность подземной магнито-
Геолого-геофизический разрез по р. л. № 16 (по состоянию на 01.01.1996 г.)
1 - утвержденный к отработке контур рудного тела; 2 - предполагаемый контур рудного тела; 3 - проекция ствола скважины, ее номер и рудный интервал; 4 - проекция
вектора геомагнитного поля Та ; 5 - кривая аномалии вертикальной составляющей Za
разведки при решении горнотехнических задач, например, для мониторинга по контролю напряженно-деформированного состояния горных массивов или для поиска и обнаружения в околовыработочном пространстве гидротехнических и технологических скважин [ 3 ] .
Таким образом, на примере разработки и внедрения подземной векторной магнитометрии доказаны высокая эффективность применения методов горной геофизики для решения геологоразведочных, горнотехнических и иных задач на действующих горнодобывающих предприятиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Справочник геофизика. Магниторазведка // М., Недра, 1990.
2. Скважинная магниторазведка (Методические рекомендации в двух частях). - Научн. ред. Пономарев В.Н., Авдонин А.Н., Свердловск, “Уралгеология”, 1984, 112 с., 128 с.
3. Подземная векторная магнитометрия в рудничной геологии. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1997. - 214 с.
Мухаметшин Анатолии Матвеевич докчор юо.ют-минера.ю! ических наук, заведующий лаборатрией Инсшта трнот дела Уральскою отделения РАН, I. Екаюрин-бур|.
