Исследование ослабленности массива пород при подземной добыче руд

Для оптимизации процессов подземной разработки месторождений, например выщелачивания металлов из руд, нужны надежные методы управления энергией взрыва для получения заданной крупности руд [1–3]. Качество дробления оценивают по распределению отбитой руды по фракциям крупности и характеру проработки поверхности отрыва, причем основным показателем является суммарная площадь образованных в результате взрыва кусков.

Для достижения этого параметры взрыва должны определяться в зависимости от свойств разрушаемой среды. Чтобы уменьшить выход негабаритных или излишне измельченных фракций минералов, в процессе отбойки регулируют затраты энергии взрыва на степень разупрочнения пород [4–7].

Разрушение массива горных пород при взрывании заряда происходит под воздействием изменяющихся в пространстве и времени напряжений. В новых условиях параметры взрыва должны обеспечивать равномерное дробление с минимальным выходом негаба-

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY ритных фракций, равномерное разрыхление взорванной руды и полную проработку рудного массива.

Увеличение выхода машинного класса имеет первостепенное значение для всех технологий добычи руд, поэтому приоритетное значение приобретает проблема учета однородности массива при организации взрывной отбойки руд. Основную роль в управлении взрывом играет ослабленность пород природными и техногенными силовыми полями. Для внесения коррективов в общую модель действия взрыва нужны сведения о внутреннем строении массива или о влиянии на него горно-геологических и горнотехнических факторов [8-13].

Решить эти проблемы могут геофизические методы исследования природных и техногенных массивов [14-19].

Цели и задачи. Целью исследования является определение в натурных условиях эффективности использования геофизических методов для оперативной оценки состояния породных и закладочных массивов при подземной разработке месторождений твердых полезных ископаемых. Для достижения поставленной цели экспериментально полученные данные сравниваются с данными расчетов. Задачей исследования является организация экспериментов по применению геофизических методов в условиях конкретного металлического месторождения.

Результаты

Изучение ослабленности массивов пород электрометрическим методом. Определение ослабленности массивов пород методом извлеченного керна предполагает керновое бурение, что не всегда возможно. Возможность изучения ослабленности массивов пород увеличивается применением геофизических методов электрометрических исследований в бескерновых разведочных скважинах, в ходе чего получены подтверждения целесообразности применения метода электромет- рии для изучения структуры и ослабленности массива пород.

Сопоставление данных о степени ос-лабленности по керну и электрометрическому каротажу было установлено наличие корреляционной связи между коэффициентом ослабления пород в массиве ( K о ) и эффективным кажущимся сопротивлением горных пород (р_к). Существование такой связи может быть объяснено зависимостью обоих этих показателей от одной характеристики массива -трещиноватости пород.

Сопоставление значений K ₀ и средних интегральных значений кажущегося сопротивления пород позволяет выразить зависимость между этими параметрами функцией вида:

K о (р к ) = {-2,148-10^-7р к ² + 3,84-10^-4 + 0,7} для 0 < (р_к) < 1-10^-3 Ом^м;

K 0 (р к ) = {—1,545-10^-8р к ²+ 1,556-10^-4 +1,114} для С10^-3< (р_к) < 2,6-10^-3 Ом^м.

Апроксимация функции, заданной таблично, проводилась способом наименьших квадратов. Оценка найденной зависимости K ₀(р_к) дана с помощью корреляционного отношения, которое составляет не менее 0,94. Таким образом, данная связь является реальной и позволяет определить коэффициент ослабления пород в массиве по кажущемуся сопротивлению. Зависимость K ₀(р_к) приведена на рис. 1.

Для определения коэффициента ослабления по кажущемуся сопротивлению пород материалы электрометрического каротажа предварительно обрабатывали по существующим методикам. Результаты каротажа скважин гор. –155 м, –180 м, –202 м приведены на рис. 2-5.

Данные графиков (ρ к ) свидетельствуют о различии в трещиноватости пород. По ним возможно выделение интервалов скважин, различающихся значениями (ρ к ), а значит, определенной степенью трещиноватости пород и значением K 0 .

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Рис. 1. График зависимости коэффициента ослабления пород в массиве ( K ₀ ) от кажущегося сопротивления (ρ _к )

Fig. 1. The dependence of coefficient of decreasing rock mass stability (K ₀ ) on apparent resistivity (ρ _к )

Рис. 2. Результаты электрометрического каротажа в скважинах 644…646

Fig. 2. Results of electrometric logging in boreholes 644 ... 646

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Рис. 3. Результаты электрометрического каротажа в скважинах 649 и 651

Fig.3. Results of electrometric logging in boreholes 649 and 651

№ 655                   № 650

300 600 900 1200 1500              400  600

ρ к , Ом·м

H , м :

Рис. 4. Результаты электрометрического каротажа в скважинах 650 и 655

Fig. 4. Results of electrometric logging in boreholes 650 and 655

Рис. 5. Результаты электрометрического каротажа в скважинах 652 и 654

Fig. 5. Results of electrometric logging in boreholes 652 and 654

Так, интервалы 28…38, 43…53, 63…80 м скважины № 650 характеризуются низко-проводящими породами с невысокой степенью трещиноватости и более высоким значением K 0 . В скважине № 655 четко выделяется зона пород, имеющих сравнительно низкую проводимость (интервал 28–42 м).

Важно, что мощность этой зоны значительно превышает расстояние между парными электродами электрометрического зонда, в связи с чем значения уменьшаются. Кроме того, уменьшение значений кажущегося сопротивления на контакте разных по проводимости пород объясняется эффектом экранной аномалии, которая связана с переходом питающих электродов через контакт существенно различающихся по проводимости пород.

Анализ результатов электрометрического каротажа скважин позволил на основе вы- явленной зависимости K0(ρк) дифференцировать массив по степени ослабленности пород (таблица).

Выявление зон неоднородностей в массиве пород геофизическими методами. На месторождениях руд развиты мощные линейные глинисто-щебнистые обводненные коры выветривания, глубина развития которых достигает 200…400 м от поверхности земли. При отработке таких месторождений актуален опережающий прогноз таких полостей.

Задача выявления зон тектонических нарушений, линейных зон выветривания, карстовых полостей, контактов различных литотипов пород в подземных условиях решается комплексом геофизических методов, в том числе акустическим, радиоволнового просвечивания, электрометрии.

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Результаты электрометрического каротажа скважин

Results of electrometric borehole logging

Номера скважин
644	645      I	646	649	651	652	654	650	655
		Интервал глубин, м/коэффициент ослабления
1…9	1…27	1…14	1…15	1…8	1…42	1…17	1…28	1…23
0,15	0,16	0,12	0,18	0,13	0,14	0,20	0,12	0,14
9…14	27…38	15…39	1…35	…35	4…47	1…23	2…38	2…28
0,12	0,22	0,18	0,22	0-16	0,18	0,19	0,20	0,22
14…34	38…52	39…43	35…39	35…71	47…80	23…45	38…46	28…42
0,21	0,09	0,16	0,16	0,18	0,13	0,40	0,12	0,40
34…38	52…60	43…53	39…41	71…77		45…56	46…53	42…69
0,16	0,19	0,26	0,23	0,14		0,18	0,24	0,20
38…50 0,22	—	53…58 0,13	—	77…80 0,16	—	—	53…63 0,13	60…78 0,14
50…65 0,18	—	58…75 0,18	—	—	—	—	63…80 0,19

Сущность акустического метода заключается в измерении кинематических и динамических характеристик различных типов волн. Основные модификации этого метода: прозвучивание между скважинами, профилирование вдоль стенок выработок и акустический каротаж.

Метод радиоволнового просвечивания является лучевым. В одной скважине (выработке) устанавливается передатчик радиоволн, а в соседних скважинах (выработках) измеряется напряженность электромагнитного поля. Интерпретация результатов основана на повышении коэффициента поглощения радиоволн карстовыми полостями и зонами.

Метод электрометрии основан на выделении пород с различной электропроводностью. Особого внимания при этом заслуживают участки пониженного электрического сопротивления. Резким сменам значений электрического сопротивления могут соответствовать контакты пород с сильно различающимися свойствами. Существует множество модификаций этого метода, среди которых наиболее широкое применение имеют электрометрический каротаж и электропрофилирование по стенкам выработок. Исследования методом подземного электрозондирования (ПЭЗ) проведены на месторождении Северного Казахстана. В отличие от поверхностного зондирования, в шахтных условиях пре- доставляется возможность проводить ПЭЗ в двух модификациях:

• -    опережающее скважинное зондирование – разведка зон с различной проводимостью впереди забоя;

• -    зондирование по стенкам выработок для определения контакта двух сред, расположенных параллельно горной выработке или под углом не более 15°.

Скважинное электрозондирование. Наибольшие искажения ρ к при опережающем электрозондировании имеют место в случае, когда питающий либо приемный электрод находятся как можно ближе к контакту разнородных пород. В этом случае целесообразно трехэлектродное градиент-зондирование, в котором из-за малой величины приемной линии помехи невелики. Вблизи забоя скважины оставляют неподвижным приемный диполь МN , а питающий электрод А с определенным шагом перемещают к устью скважины. Другой питающий электрод относят в бесконечность, т.е. чтобы его влияние меньше сказывалось на величину потенциала при различных поведениях градиент-установки. Такую установку называют «последовательная градиент-установка» AMN (по аналогии со скважинным электрокаротажем). Наиболее удачной эта установка является еще из-за того, что один лишь питающий электрод перемещается в процессе измерений, а три других

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY остаются неподвижными, чем достигается высокая точность измерений, поскольку переходные сопротивления неподвижных электродов остаются постоянными. Для такой установки величина коэффициента K:

Р к = A U/I определяется из выражения

AM ■ AN K = 4п------

MN где △ U - разность потенциалов на приемных электродах MW; I - ток питающих электродов АД; AM, AN, MN - расстояния между питающими приемными электродами.

Интерпретация экспериментальных кривых зондирования последовательной гра-диент-установкой проводится с помощью теоретических кривых (палеток) . Для этого интерпретируемая кривая строится на било-гарифмическом бланке. По оси ординат откладывается (р к ), по оси абсцисс - АО , расстояние от питающего электрода до центра приемного диполя MN . Накладывая на палетку и добиваясь наилучшего совмещения экспериментальной кривой с теоретической , определяют количественные результаты проводимости пород и расстояние до контакта, ближайшего к выработке.

При электрозондировании по стенкам выработок методика измерений отличается. Измерения выполняются симметричной четырехэлектродной градиент-установкой AMNB . Величина остается постоянной (0,5 м), а расстояние между питающими электродами (разносы) постепенно увеличиваются с геометрической прогрессией 1,3. Зная разность потенциала на MN и силу тока I в АВ р к рассчитывают из выражения

Рк = AU/I, где K определяется по формуле v   (AB2 / 2)2 - (MN /2?

K = п                     C .

MN

Входящий в формулу поправочный множитель С учитывает влияние выработки. Его величина определяется по ВНИМИ. Интерпретация кривых симметричного электро- зондирования проводится аналогично описанной выше.

Симметричное последовательное электрозондирование проводилось по стенкам ортов, а скважинное опережающее зондирование - по скважине № 90. Скважинным зондированием определяли расстояние до контакта известняков, которые отличаются по проводимости от вмещающих их алевролитов и порфиритов на порядок. От контакта известняков на различном расстоянии ставились трехэлектродные зонды последовательной и обращенной установки. Полученные кривые интерпретировались с помощью специальных палеток. Однако экспериментальные кривые лишь частично совмещались с теоретическими. Соответственно линия глубин на палетке в большинстве случаев не соответствовала истинному расстоянию до контакта известняков. Для соответствия экспериментальных и теоретических кривых в формулы теоретических кривых необходимо вводить коэффициенты, учитывающие влияние горных выработок, углы наклона и простирания контактов.

По результатам электрозондирования вдоль стенок выработок проводился качественный анализ наблюдаемых кривых (р к ), позволивший выделить геоэлектрические зоны, соответствующие контакту высокопроводя-щего массива из затвердевшей бетонной смеси. Подъем правой ветви кривой объясняется тем, что с увеличением разносов питающих линий на геоэлектрическое поле существенно влияют низкопроводящие зоны известняков.

В целом данные электрозондирований совпадают с результатами маркшейдерских данных в контурах камер, заполненных твердеющей закладкой.

Результаты исследований по существу рассматриваемой проблемы могут быть востребованы при решении проблем охраны окружающей среды от агрессивного воздействия горного производства [20.. .24].

Использование технологий дифференцированного назначения параметров добычи руд

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY при соответствующих условиях формирует эколого-экономический эффект [25…27].

Выводы

Экспериментально обоснована возможность производить оценку ослабленности пород электрометрическим каротажем скважин, а электрозондированием вдоль стенок выработок – опережающее оконтуривание зон неоднородностей в массивах месторождений.

На основании проведенных опытных работ по выявлению структурных границ в массиве электрозондированием вдоль стенок выработок метод можно рекомендовать для практического использования.

Результаты же скважинного электрозондирования не позволяют судить об эффективности этого метода, поскольку экспериментальные кривые имеют недостаточную сходимость с теоретическими расчетами.

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY