CC BY
97
УДК 622.831
А.М. Павлов
ФРАКТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ СЛОЖНОСТИ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Приведены результаты исследования фрактальных свойств геологической среды, являющихся ключевым показателем сложности условий эксплуатации золоторудных месторождений.
Ключевые слова: месторождения, геологическая среда, фрактальные свойства, иерархичность компонентов среды.
Эффективность разработки месторождений полезных ископаемых во многом зависит от того насколько правильные представления мы имеем об особенностях внутреннего строения непосредственно объекта эксплуатации и геологической среды, в которой он локализован.
С позиции недропользования под геологической средой мы понимаем доступную для изучения самую верхнюю литосферную оболочку - земную кору, самую неустойчивую в геодинамиче-ском отношении, чрезвычайно сложную многокомпонентную и неоднородную по вещественному составу, по совокупности протекающих в ней процессов природную систему, которая находится в постоянном саморазвитии. Составными частями геологической среды, как системы, являются многоуровневые и многокомпонентные геологические субсистемы и их монопризнаковые подсистемы. Подсистема геологической среды - это пространственно структурированное распределение одного из свойств, либо вещества, либо признака.
При освоении месторождений полезных ископаемых для обоснования эффективных технологических решений, в первую очередь, необходимы объектив-
ные и достоверные данные о характере поведения руды в пространстве и геоме-ханического состояния вмещающих пород. Традиционное геологическое обеспечение принимаемых решений не всегда является достаточно эффективным, поскольку не учитывает ключевых особенностей геологической среды, которые могут быть установлены на основе новых представлений о закономерностях её развития.
В последнее время в науках о Земле появилось новое направление исследований, которое основано на использовании концепции самоорганизации в развитии геологической среды. Первые результаты этих исследований в области геологии рудных месторождений опубликованы в работах Поспелова Г.Л., Нарсеева В.А, Филонюка В.А., Летни-кова Ф.А., Горяинова П.М. и др.
В горном деле это направление также нашло своё развитие главным образом при изучении геомеханического состояния горных массивов и в литературе обрело статус «нелинейной геомеханики». Эти идеи в разной степени нашли отражение в опубликованных работах Садовского М.А., Курлени М.В., Опарина
В.Н., Иофиса М.А., Батугиной И.М., Ба-тугина А.С., Рассказова, Сашурина А.Д.,
Зубкова А.В., Хачай О.А., Сосновского Л.И. и других исследователей.
В основу новых представлений о структурном состоянии геологической заложен приоритет «дискретного» над «непрерывным». Это в большей мере соответствует действительности, поскольку результаты выполненных за последнее время специальных исследований достаточно объективно подтверждают это.
На основе результатов исследования в рамках обозначенного выше направления установлено, что отдельные компоненты геологической среды (пространственное распределение золота в рудных телах золоторудных месторождений, распределение интенсивности проявлений разрывной тектоники и трещиноватости в горных массивах, структура зон рассланцевания и др.) имеют сложный закономернопрерывистый характер. Данное обстоятельство входит в существенное противоречие с традиционными представлениями, которые постулировали непрерывность во всём и не учитывали этот существенный аспект сложности объекта эксплуатации.
К наиболее характерным свойствам геологической среды необходимо отнести также иерархичность всех её компонентов. Иерархические уровни (иерархическая система уровней) - это системные формирования, в которых дискретные элементы последующего более высокого масштабного уровня выступают в качестве объектов, рассматривавшихся в качестве систем на предыдущем масштабном уровне. Это главный элемент структурной организации признакового пространства геологической среды как пространственно упорядоченной совокупности элементов, которые придают ей устойчивость и таксономическую определённость за счёт
геометрически формализованного порядка пространственного вхождения друг в друга дискретных элементов разного масштаба.
В данном случае таксон (от греч. taxic - порядок, ряд) рассматривается как пространственно обособленное объединение группы дискретных объектов, связанных определённой степенью пространственной общности. Таксономический анализ конкретной подсистемы геологической среды представляет собой процесс выделения в пространстве последовательно входящих друг в друга, т.е. иерархически взаимосвязанных, разномасштабных таксонов. Каждый из них представляет собой ограниченное в пространстве скопление участков определённого масштаба с повышенной концентрацией золота или трещин, расположенных примерно на одинаковом расстоянии друг от друга. Например, в подсистеме пространственного размещения золота последовательно входящие друг в друга таксоны - это агрегаты золотин -гнёзда - малые рудные столбы - средние рудные столбы - крупные рудные столбы и т.д.
Из сказанного выше вытекает смысл понятия «фрактальность» как ключевого свойства внутреннего строения природной монопризнаковой подсистемы геологической среды. Оно характеризуется равномерно-неравномерной пространственной упорядоченностью в размещении разномасштабных дискретных элементов монопризнаковой подсистемы по принципу самоподобия.
Согласно новой концепции признаковые подсистемы геологической среды оптимально сочетают в себе категории «дискретного» и «непрерывного», поскольку геологическая среда иерархична и системно объединяет дискретные элементы в последовательно входящие друг в друга разномасштабные условно не-
прерывные элементы по принципу самоподобия или фрактальности. Безусловно, это значимый признак сложности осваиваемого объекта, неучёт которого негативно сказывается на эффективности применяемых геотехнологий. Поэтому проблеме оптимального выделения условно непрерывных объектов должно уделяться особое внимание.
Таким образом, технология геоин-формационного моделирования для глубокого изучения естественных системных свойств геологической среды включает необходимость корректного решения ключевой методической задачи -установление фрактальных свойств изучаемых монопризнаковых подсистем. Здесь необходимо иметь достаточное количество разномасштабной информации, которое позволит найти оптимальные границы таксономических элементов при составлении уровневых карт распределения признака [1].
Рассмотрим фрактальные свойства конкретных подсистем геологической среды, имеющих наиболее важное значение для геологического обоснования планирования качества добываемой руды и выбора подземных геотехнологий на золоторудных месторождениях.
Подсистема пространственного распределения золота в рудных телах характеризуется закономерно-прерывистым распределением аномальных концентраций золота, зафиксированных по данным эксплуатационного опробования. На основе анализа планов детального опробования при выемке руды из блока вначале выделяются участки аномальных концентраций металла, а затем, путём последовательного таксо-номирования их в более крупные обособления, выявляется фрактальная структура распределения металла в блоке (рис. 1, А).
Подсистема распределения максимумов удельной концентрации трещин и других тектонических нарушений также характеризуется закономерной прерывистостью. Карты удельной трещиноватости, которые используются для прогнозирования геомеханического состояния горного массива, составляются на основании перевода в топоповерхность данных расчётов отношений суммарной длины трещин и тектонических нарушений в ячейке наброшенной сетки к её площади. На полученной топоповерхно-сти выделяются максимумы, которые отображают неоднородность интенсивности проявленной тектонической нарушенности изучаемого участка массива горных пород. Выделившиеся максимумы являются объектами дальнейшего последовательного таксономиро-вания и установления фрактальной структуры изучаемой подсистемы геологической среды (рис. 1, Б).
Зоны рассланцевания пород в горном массиве, как разновидность его тектонической нарушенности, особенно в приконтактовых зонах рудных тел, характеризуются наличием линзовочешуйчатой отдельности разных размеров (от долей сантиметров до 10 и более метров). При этом проявляется высокая степень неоднородности в сочетаниях элементов разных размеров по степени рассланцевания. Крупные, практически не рассланцованные линзы пород, могут граничить с мелкими и весьма мелкими породными линзами и чешуйками. Размеры этих элементов геометрически и статистически упорядочены и нередко отмечаются случаи их последовательного пространственного расположения с постепенными переходами от крупных к
Б
1
2
3
4
Рис. 1. Модельные примеры последовательного (1, 2, 3, 4) установления иерархически упорядоченной кластерной структуры, обладающей фрактальными свойствами: А - карта распределения участков аномальных концентраций золота в эксплуатационном блоке. Б - карта максимумов проявления интенсивности трещиноватости (размер ячейки 1 м)
А
Б
Рис. 2. Фрактальные модели внутренней структуры зоны рассланцевания (А), (где римскими цифрами показаны последовательно входящие друг в друга линзово-чешуйчатые элементы, соответствующие интенсивности рассланцевания), и поверхности рельефа в разрезе по линии падения висячего контакта наклонно залегающей золотокварцевой жилы (Б), (где показаны нелинейно уменьшающиеся длины периодов последовательно усложняющих друг друга продольных изгибов кровли)
мелким и самым мелким отдельностям. В такой ситуации очень чётко проявляется фрактальная структура зоны рас-сланцевания. Модель формирования фрактальной структуры зоны расслан-цевания показана на рис. 2, А.
Рельеф поверхности висячего контакта пологозалегающей рудной жилы часто имеет сложную конфигурацию. Она обусловлена сочетанием последовательно осложняющих друг друга изгибов с разной величиной периодов (рис.
2, Б). Здесь, также как и в предыдущих модельных примерах, общая конфигурация поверхности обретает фрактальный мотив, поскольку наблюдаются сочетания изгибов, периоды которых последовательно наложены друг на друга,
т.е. отображают иерархию масштабных уровней деформированной поверхности.
Как видно из приведённых примеров, фрактальная структура отображает последовательное вхождение друг в друга разномасштабных дискретных элементов в монопризнаковой подсистеме по принципу самоподобия (принцип скей-линга или принцип «похожести» структур независимо от масштаба элементов). По геометрическим соотношениям элементов этой структуры можно установить характер фрактального роста (фрактального расширения структуры). Он выражается в специфике увеличения скейлинговых коэффициентов (коэффициентов подобия), отображающих численно выраженные отношения геометрических параметров структуры, контроли-
Рис. 3. Поведение масштабного (скейлингового) коэффициента (СК) в иерархическом ряду уровней структурной организации поля деструктивных элементов Зун-
Холбинского месторождения
рующей пространственное положение элементов смежных иерархических уровней в монопризнаковой подсистеме. Фрактальный рост всех природных моно-признаковых подсистем в среднем подчиняется принципу удвоения, что предопределяет наличие нелинейности как ещё одного фундаментального свойства структурно организованных подсистем геологической среды (рис. 3).
Таким образом, основными признаками фрактальных структур являются масштабное самоподобие по всему иерархическому ряду выделенных таксонов, фрактальное расширение структуры каждой из рассмотренных признаковых подсистем по принципу удвоения и, как следствие этого, нелинейный характер этого расширения.
Фрактальные свойства структурной организации признаковых подсистем были изучены нами по целому ряду золоторудных месторождений Сибири и Дальнего Востока (Зун-Холбинское, Ирокиндинское, Дарасунское, Ново-Широкинское, Майское, Биркачан и др.). На всех этих объектах выявлены
структурные закономерности, подобные описанным выше.
Практическое использование выявленных свойств фрактальности геологической среды в системе геологического обеспечения горно-эксплуатационных работ, связанных с освоением золоторудных месторождений, снимает многие проблемы и повышает эффективность этих работ.
Так, на Зун-Холбинском золоторудном месторождении на основании использования фрактальных свойств распределения золота в рудных телах была установлена основная причина «неотхода» планируемого качества добываемой руды в сравнении с фактическим, определяемым по данным обогатительной фабрики и предложена более эффективная методика определения планового качества руды по геолого-маркшейдерс-ким данным [2]. На этом же месторождении была предложена методика технологического оконтуривания промышленных руд, учитывающая фрактальное распределение золота в рудных телах. Это позволило применить более производительные геотехнологии и свести к минимуму приконтурные потери руды и металла [3].
На целом ряде месторождений, на основании составления ранжированного ряда размеров иерархически соподчинённых ячеек структурных матриц, контролирующих пространственное размещение участков интенсивной тектонической нарушенности на конкретных масштабных уровнях, и прослеживания в данном ряду величины коэффициента самоподобия, была определена степень
напряжённости пород (высоконапряжённые и средненапряжённые участки) или степень естественной устойчивости массива. По существу этот коэффициент явился ключом для районирования и прогнозирования его естественного гео-механического состояния [4].
На Ирокиндинском золоторудном месторождении были выявлены фрактальные свойства структуры зон рас-сланцевания со стороны висячего контакта разрабатываемых золоторудных жил, которые были учтены при разработке классификации зон рассланцева-ния по степени устойчивости. Кроме этого, на этом же месторождении были установлены фрактальные свойства поверхности висячего контакта жил, что
1. Геоинформационное моделирование фундаментальных свойств геологической среды для создания систем управления её геоме-ханическим состоянием / Филонюк В.А., Сос-новский Л.И., Сосновская Е.Л. //Геодинамика и напряжённое состояние недр Земли. Труды научной конференции с участием иностр. учёных. - Новосибирск, изд-во ин-та горного дела СО РАН. 2008 С. 469-476.
2. Причины систематического непод-тверждения оценок качества руды по данным эксплоопробования на Зун-Холбинском руднике и обоснование методики достоверного определения среднего содержания золота в руде при планировании добычи / Филонюк В.А., Павлов А.М., Мильшин Е.А. Сосновский Л.И., Сосновская Е.Л. // Информационно-рекламный биллютень «Золотодобыча», Иргиредмет, №120, ноябрь 2008, с.19-23.
3. Геометризация промышленных рудных тел и определение показателей качества отработки запасов в условиях закономерно-
позволило оптимизировать конструктивные параметры подземной геотехнологии и обосновать параметры регулируемого самообрушения кровли очистного пространства в отработанных блоках [5].
Таким образом, фрактальные свойства всех составных компонент геологической среды фактически являются ключевым показателем сложности условий эксплуатации золоторудных месторождений. Выявление и учёт этих свойств позволяет повысить эффективность управления процессом промышленной разработки месторождений и существенно повысить показатели полноты и качества выемки запасов полезных ископаемых из недр.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
прерывистого распределения металла на Зун-Холбинском золоторудном месторождении/ Павлов А.М., Мильшин Е.А., Филонюк В.А. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Из-во Московского гос. горного университета. 2008 - №12. с. 90-105.
4. Геометрические модели естественного напряженного состояния массива горных пород золоторудных месторождений / Фило-нюк В.А., Сосновская Е.Л., Сосновский Л.И., Павлов А.М. // Известия вузов Горный журнал, №5, 2010. С. 41-45.
5. Павлов А.М. Параметры погашения очистного пространства способом самообру-шения кровли при отработке наклонных жил золоорудных месторождений. Павлов А.М., Семёнов Ю.М., Сосновский Л.И., Филонюк В.А., Сосновская Е.Л. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Из-во Московского гос. горного университета. 2009 - №4. с. 42-48. [ДГСга
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------
Павлов Александр Митрофанович - кандидат технических наук, докторант ИрГТУ, e-mail: [email protected]
