Методика оценки блочности горных пород в массиве и в откосах уступов карьера рудника «Железный» Ковдорского гока

Овсянников А.Н., И.М. Игнатенко, канд.техн.наук, Яницкий Е.Б., канд.геогр.наук, Агарков И.Б.
ОАО ВИОГЕМ, Белгород, Россия.
Изложена методика комплексного подхода оценки блочности горных пород на основе натурного изучения стенки откоса, керна скважин и видеометрических исследований их стенок. Выявлены основные закономерности зависимости размера элементарного блока горных пород в массиве от литологического и структурного факторов в условиях Ковдорского месторождения апатитовых и магнетитовых руд.

Выбор рациональной схемы производства буровзрывных работ на карьерах основывается главным образом на качественной оценке геолого-структурных особенностей разрабатываемого массива, ключевым звеном которой является определение блочности (размера отдельности) горных пород.

Существующие способы оценки блочности пород либо сложны в исполнении и неоднозначны по своим результатам (сейсмо-акустический и по энергоёмкости бурения шарошечных скважин), либо требуют большого объёма натурных исследований (геологический). Применяемые дистанционные (фотометрические) методы оценки блочности пород в уступах карьера обладают большой погрешностью (относительное расхождение достигает 25 %), поскольку, как правило, не учитывают искажения на фотоснимках реальных угловых и линейных параметров зафиксированных на них объектов.

Исследование распространения трещиноватости вглубь массива, наравне с изучением блочности пород в уступах карьера, является важным этапом в изучении трещинно-блочной структуры месторождения. Для исследования трещиноватости в массиве выполняется изучение керна, применяется ряд геофизических методов (сейсмометрические, электрометрические, радиоактивные и др.), но они не позволяют с достаточной точностью установить позиции плоскостей ослабления массива и их пространственную ориентировку.

Специалистами ОАО «ВИОГЕМ» разработана и апробирована в условиях Ковдорского месторождения апатит-магнетитовых руд комплексная методика оценки блочности породного массива, включающая в себя дистанционный фотометрический метод определения размера отдельности в откосах уступов карьера и видеометрические исследования стенки скважин.

Сущность фотометрического метода сводится к определению размера отдельности по фотоснимку откоса уступа. Для этого вдоль нижней бровки уступа с помощью мерной ленты производится разбивка маршрута пикетами через 20 м. Съёмка уступа выполняется обычно с противоположного борта карьера, а при отсутствии такой возможности – с бермы уступа (в том случае, если её ширина не менее 15 м).

Для устранения искажений, связанных с фотографированием неровной поверхности стенки откоса, тахеометром снимают точки на нижней и верхней бровках уступа, соответствующие началу и концу 20-метрового интервала. Далее по результатам съёмки тахеометром характерных точек на поверхности откоса или сканирования её лазерным сканером строится трёхмерная поверхность стенки откоса, которая затем с помощью перспективных преобразований трансформируется в двухмерную плоскость и по заданным точкам совмещается с фотоснимком.

Стенки откосов уступов, поставленных в конечное положение, представляют собой практически ровную поверхность. При фотографировании таких поверхностей искажения возникают только вследствие вертикального наклона самой плоскости откоса. В этом случае целесообразней применять способ перспективного преобразования изображения по линейным размерам запечатлённых на нём объектов. Чаще всего применяются мерные рейки с заданной ценой делений.

Трансформированный снимок подвергается обработке в ручном режиме: исключаются из области определения размера отдельности осыпь в основании уступа и разрушенная зона перебуров взрывных скважин в верхней его части, разными типами линий векторизуют трещины естественных отдельностей. Если на фотографии изображено несколько граней одного блока, то они обрисовываются одним типом линии. На подготовленном таким образом снимке по перпендикуляру между максимально отдалёнными точками каждого контура определяются искомые расстояния (рис. 1).

Рис. 1 Фотоснимок участка откоса уступа после векторизации

Сравнительный анализ средних размеров отдельности полученных по двум участкам карьера рудника «Железный» Ковдорского ГОКа по данным ручных измерений и дистанционным (фотометрическим) методом показал их хорошую сходимость (рис. 2).

Достоверность метода подтверждается большим количеством измерений блочности (12330) и высокими коэффициентами корреляции, которые составили 0,97 и 0,92 соответственно.

По результатам измерений формируется база пространственно-координированных данных, включающая первичную количественную информацию и описательную (значения размера отдельности горных пород, категория блочности, принадлежность к определенному инженерно-геологическому литотипу, и др.). Все последующие процедуры, составляющие предложенную методику, реализуются через запрос к базе данных.

Рис. 2 Графики распределения среднего размера отдельностей по маршрутам МВ1_12_-35 и МВ3_12_-65

Итоговым документом является схема районирования карьерного поля по блочности [1]. Геометризация карьерного поля осуществляется автоматически, путём оконтуривания границ интервалов одной категории блочности между смежными задокументированными уступами (рис. 3).

Читайте также:  Оптимальные параметры сети эксплуатационной разведки Ковдорского апатит-штаффелитового месторождения

Геометризация карьера в автоматическом режиме не может учитывать факторов, влияющих на размер отдельности (минерально-петрографические типы пород, разрывные нарушения и др.). Уточнения контактов участков с учётом указанных факторов, осуществляется в ручном режиме.

Наиболее перспективными методами оценки блочности в породном массиве являются фото- и видеометрические исследования поверхности стволов скважин. Используя передовой мировой опыт в разработке скважинных фотоаппаратов и телеметрических устройств, институтом ВИОГЕМ была создана скважинная телевизионная установка (СТУ), предназначенная для изучения естественной трещиноватости горных пород в условиях их естественного залегания [2].

Рис. 3. Фрагмент а) маркшейдерского плана карьера и б) схемы районирования карьера рудника «Железный» по блочности горных пород. 1 – границы смены блочности; 2 – разрывные нарушения; 3 – 5 категории блочности (размер блока, м):3 –II (0,1-0,5); 4 – III (0,5-1,0); 5 — IV (1,0-1,5); 6 — V (>1.5)

В настоящее время продолжается активное внедрение новейших технологий в СТУ. Последняя версия прибора, прошедшая испытания и использованная при работах в карьере рудника «Железный» Ковдорского ГОКа, датируется 2012 г. Основными преимуществами СТУ, разработанной в ОАО ВИОГЕМ, над аналогами иностранного производства являются её низкая стоимость и многофункциональность.

СТУ состоит из трёх основных блоков: скважинный видеозонд и подающие штанги; станция приёма данных, получаемых с видеозонда; источник питания (электрогенератор).

Видеозонд оснащён боковой и фронтальной камерами, причём боковая камера вращается на 360° относительно оси прибора, что позволяет полноценно обследовать поверхность ствола скважины в необходимых местах. Переключение между камерами, управление вращением и настройка резкости и яркости выполняется оператором телесистемы с помощью пульта управления.

Для погружения видеозонда в скважину используется комплект штанг с линейными метками для ориентировки зонда относительно дирекционного азимута.

Изображение, получаемое с видеокамер скважинного зонда, передаётся по кабелю (витая пара) на станцию приёма, обработки и записи данных, расположенную на поверхности. Данная станция собрана на базе персонального компьютера и включает в себя устройство для приёма и оцифровки «на лету» аналогового видеосигнала (видеограббер); персональный компьютер, который производит запись видео на жёсткий диск и вывод изображения на дисплей; сенсорный дисплей, с защитой от механических повреждений и широким диапазоном рабочих температур; пульт дистанционного управления видеозондом.

Источником питания СТУ служит электрогенератор с напряжением 220 В. Электрический ток от генератора подаётся на блок питания станции приёма сигнала, откуда распределяется на саму станцию и скважинный видеозонд.

Процесс подготовки СТУ к съёмке скважины состоит из двух этапов:

  • соединение всех блоков СТУ в единую цепь, при этом тщательно проверяются все узлы установки, целостность кабелей и герметичность скважинного видеозонда. После всех необходимых проверок на СТУ подаётся электрический ток и производится тестирование системы на работоспособность;
  • соединение видеозонда с первой подающей штангой и спуск в скважину. Ориентировка снаряда производится с помощью надетого на кондуктор скважины лимба с градуировкой от 0о до 360о. Лимб ориентируется относительно сторон света по дирекционному направлению (измеренному на плане карьера азимуту линии, соединяющей устье скважины с каким-либо ориентиром).

По мере погружения зонда боковая видеокамера непрерывно ведет съёмку стенки скважины в секторе, равном 60о, с записью видеоролика и передачей изображения на дисплей. По изображению на дисплее устанавливается наличие структурного объекта, требующего более детального изучения и определения элементов залегания. К таким объектам относятся трещины и зоны дробления горных пород.

На глубине нахождения структурного объекта снаряд останавливают и автоматическим вращением боковой видеокамеры на 360о производят съёмку всей цилиндрической поверхности ствола скважины. Первый кадр съёмки выполняется при известном положении оптической оси объектива видеокамеры, азимут которой равен азимуту снаряда. Оптическая ось объектива на кадре расположена в его центре. Пройдя полный оборот, видеокамера возвращается в исходное положение, снова фиксируя первый кадр. За один период вращения камеры вокруг оси прибора, находящегося в статичном положении, снимается поверхность скважины в интервале 5 см по мощности. Для съёмки крутопадающих структурных объектов необходимо последовательно повторять вращения камеры через определенное расстояние, чтобы след сечения ствола скважины был отснят полностью.

Читайте также:  Способы добычи и производство соли в России, главные месторождения

При ручном способе спуска зонда допускается плавное «ведение» вращающейся камеры по глубине за следом сечения ствола скважины структурным объектом; данный метод позволяет быстрее отснять необходимый участок ствола скважины, а также упрощает процесс сшивки кадров в панораму в дальнейшем.

Для определения глубины залегания зафиксированного структурного объекта с помощью рулетки измеряется длина видимого участка штанги, не полностью вошедшей в оголовок скважины. Далее расчёт глубины залегания производится по следующей формуле:

H=\(L_{сн.}\)+(n+1)⋅\(L_{шт.}\)—\(L_{вид.}\)+\(h_{or}\), где:

\(L_{сн.}\) – длина видеозонда (0,97 м);

\(L_{шт.}\) – длина одной подающей штанги (2 м);

\(L_{вид.}\) – измеренная длина видимого участка штанги, не полностью вошедшей в оголовок скважины;

n – число полностью вошедших в оголовок скважины штанг;

\(h_{or}\) – высота оголовка над дневной поверхностью.

Видеометрические наблюденияс опровождаются ведением полевого электронного журнала, в который вносятся следующие данные: дата проведения работ, номер скважины, её азимут и угол наклона, азимут снаряда и оптической оси боковой видеокамеры, глубина обсадки, отметка уровня воды, фиксируются интервалы глубин и время съёмки структурного объекта путём вращения боковой видеокамеры, даётся характеристика объекта.

На основании обработки объединённых данных о трещиноватости массива, полученных при видеометрических исследованиях и изучении керна инженерно-геологических скважин, в горно-геологической системе ГИС ГЕОМИКС была создана скважинная модель, содержащая базу данных по интервалам трещиноватости и категориям блочности пород. Данная скважинная модель позволяет интерактивно взаимодействовать с базой данных по трещиноватости внутри породного массива: строить планы изолиний выбранных значений; создавать выборки данных по различным параметрам; отображать данные по скважинам в виде графиков и диаграмм, а также визуализировать данные по скважинам, как в двухмерном, так и в трёхмерном представлении.

Методика построения погоризонтного плана блочности заключается в создании выборки значений базы данных, лежащих в заданных пределах и построения изолиний категорий блочности. По полученным погоризонтным планам блочности была построена схема районирования карьера по блочности пород. Сравнительный анализ результатов районирования карьера рудника «Железный» Ковдорского ГОКа по данным натурных измерений блочности в уступах с изучением керна и видеометрических исследований стенок скважин показали их хорошую сходимость (рис.4).

Рис. 4. Схемы районирования карьера рудника «Железный» Ковдорского ГОКа по блочности пород (штриховка). 1 – граница категории блочности, 2 – разрывные нарушения, 3 – устье скважины и её номер. а – по данным исследований скважин; б – натурного изучения стенок откосов

Анализ схем блочности выявил ряд закономерностей, которые позволяют установить связь между размером элементарного блока горных пород в массиве, литологией и разрывными нарушениями.

Отмечается тенденция к увеличению размера отдельности по направлению от верхних горизонтов к нижележащим, что обусловлено гипергенным фактором и переходом от вмещающих пород к менее трещиноватой рудной зоне. Также наблюдается резкое увеличение блочности на границе стационарных уступов и рабочей зоны карьера, что связано с применением эффективных щадящих способов постановки уступов в конечное положение. В зоне влияния крупных разрывных нарушений происходит уменьшение блочности. Как правило, эти зоны незначительные (10-20 м) и вытянуты вдоль осей нарушений.

Достоверность данных подтверждается большим количеством измерений и высокой сходимостью результатов натурного изучения блочности в уступах карьера и исследований скважин.

Таким образом, использование комплексного подхода даёт возможность более полного изучения трещинно-блочной структуры месторождений и повышает точность районирования карьерного поля по блочности пород для решения актуальных производственных задач.

Литература

  1. Временная классификация горных пород по степени трещиноватости в массиве: информ. выпуск В-199. – М.: ИГД, 1968. – 30 с.
  2. Вознесенский А.С., Набатов В.В., Петерс Ш. Скважинные видеозонды и их использование для задач геотехнологий // Горный информационно-аналитический бюллетень. № 9, 2007. – с. 5-12.
Ссылка на основную публикацию
Adblock detector