Введение к работе
Актуальность работы. Решение проблем разработки открытым способом месторождений Севера, в том числе россыпных, характеризующихся значительным разнообразием и сложностью горно-геологических условий, связано с совершенствованием существующих и поиском новых технологий изучения строения и состояния массива горных пород. При этом трудоемкость доразведки и эксплуатации россыпных месторождений определяется особенностями строения горного массива: мощностью продуктивного пласта и его изменчивостью, слоистостью, зонами повышенной трещиноватости, наличием валунных включений, границами реликтовых водотоков и т.д. Эти параметры даже в пределах разрабатываемых участков месторождений могут существенно изменяться, причем в достаточно широком диапазоне, что вызывает технологические трудности при их разработке.
По результатам геологоразведочных работ обычно устанавливается лишь общая характеристика горно-геологических условий. Именно поэтому, для повышения информативности и получения более детальных данных о месторождении, необходимо существенно повысить плотность разведочной сети, что приводит к значительному увеличению трудоемкости и стоимости работ. В настоящее время при доразведке месторождений полезных ископаемых большой объем исследований проводится геофизическими методами. Среди них наиболее эффективным в условиях распространения многолетнемерзлых пород представляется метод георадиолокации, о чем свидетельствуют работы таких исследователей, как В.В. Богородский, М.И. Финкелыптейн, А.Д. Фролов, B.C. Якупов, Ю.А. Ним, А.В. Омельяненко, М.Л. Владов, А.В. Старовойтов, A.M. Кулижников, Л.Л. Федорова, Л.Г. Нерадовский, С.А. Великий и др.
Вместе с тем, масштабы применения георадиолокации существенно ограничиваются сложностью обработки больших объемов данных для детального изучения строения массива мерзлых горных пород. Известные программные средства обработки георадиолокационных данных не позволяют в полной мере и в автоматическом режиме использовать амплитудно-временные характеристики сигнала, несущие полезную информацию как о строении, так и о состоянии геологических сред. Для повышения оперативности обработки данных в настоящей работе предлагается использовать статистические методы анализа амплитудных характеристик, что является новым направлением в обработке и интерпретации данных георадиолокации и позволяет значительно расширить область ее применения. Преимущество использования статистических методов анализа заключается в возможности оценки нерегулярных сигналов, которые выступают в качестве «полезной» информации для автоматизации процесса обработки. В связи с вышеизложенным исследования, направленные на разработку более совершенных методических подходов к изучению особенностей строения массива россыпных месторождений в условиях криолитозоны, являются важными и актуальными.
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук в соответствии с планами НИР: проект 7.7.3.3.
«Разработка концепции и основ конструирования эффективных технологий освоения и сохранения недр криолитозоны, в том числе адаптированных к кластерной организации рудного вещества» (№ гос.per. 01.2.00706516, 2007-2009 гг.), проект VII. 60.4.2. «Разработка основ новых геотехнологий эффективного освоения месторождений кластерного строения в условиях криолитозоны» (№ гос.рег. 01201050749, 2008-2012 гг.).
Объект исследования: массив многолетнемерзлых горных пород россыпных месторождений, залегающих на глубине до 30 м.
Целью работы является повышение информативности и точности оценки строения массива горных пород россыпных месторождений криолитозоны на основе совершенствования алгоритма обработки данных и оптимизации параметров площадных георадиолокационных исследований.
Идея работы заключается в использовании методов статистического анализа при автоматизированной обработке и интерпретации данных георадиолокации для изучения особенностей строения массива мерзлых горных пород месторождений криолитозоны.
Цель работы обусловила необходимость решения следующих задач:
-
провести аналитический обзор результатов исследований строения и состояния массива горных пород россыпных месторождений криолитозоны методом георадиолокации;
-
исследовать влияние степени влажности горных пород на точность определения строения горизонтально-слоистого разреза горного массива методом георадиолокации;
-
обосновать возможность повышения информативности и точности оценки особенностей строения горного массива россыпных месторождений криолитозоны на основе статистического анализа данных георадиолокации;
-
разработать и апробировать программно-методическое обеспечение и алгоритм обработки данных на основе расчета дисперсии амплитуд георадиолокационных сигналов;
-
разработать методику георадиолокационных исследований и обосновать оптимальные параметры площадного изучения горного массива для повышения информативности и точности оценки его строения;
-
апробировать разработанную методику в комплексе геолого-геофизических работ при доразведке россыпных месторождений Якутии (на примере россыпного месторождения золота ручья «Муравьевский» (Верхне-Тимптонский золотоносный район, ООО «Нирунган») и алмазов «Маят-Водораздельный» (Якутская алмазоносная провинция, ОАО «Алмазы Анабара»).
Методы исследований: анализ и обобщение литературных источников, лабораторные и полевые экспериментальные исследования, методы цифровой обработки георадиолокационных сигналов, статистический анализ и интерпретация данных георадиолокации.
Положения, выносимые на защиту:
1. Алгоритм обработки данных георадиолокации массива мерзлых горных пород россыпных месторождений криолитозоны, отличающийся учетом дисперсии во временном окне динамических и кинематических характеристик
георадиолокационных сигналов, который позволяет существенно повысить оперативность и точность выявления неоднородностей горного массива.
2. Методика георадиолокации, отличающаяся применением обоснованных объемов дискретных зондирований при площадных исследованиях горного массива и непрерывных профилирований для детализации особенностей его строения, позволяющая повысить эффективность изучения массива горных пород россыпных месторождений криолитозоны.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современной сертифицированной аппаратуры, программных средств и высокой сходимостью (погрешность менее 10%) результатов георадиолокационных исследований с данными разведочных скважин и фактической отработки россыпных месторождений «Маят-Водораздельный» (ОАО «Алмазы Анабара») и ручья «Муравьевский» (ООО «Нирунган»).
Научная новизна:
1)установлено, что учет степени влажности горных пород при обработке данных георадиолокации в выделенных временных интервалах, уменьшает погрешность (до 10%) построения горизонтально-слоистого разреза горного массива;
2)разработан алгоритм обработки георадиолокационных данных массива пород россыпных месторождений криолитозоны, залегающих на глубине до 30 м, отличающийся тем, что с целью повышения достоверности обработки данных измерений используется анализ динамических и кинематических характеристик георадиолокационных сигналов во временном окне;
3) разработано и апробировано программно-методическое обеспечение автоматизированной обработки данных георадиолокационных измерений с учетом оценки дисперсии амплитудно-временных параметров сигналов, с целью выделения их аномалий, как правило, связанных с неоднородностями горного массива (зоны повышенной трещиноватости, валунных включений, границ реликтовых водотоков и т.д.);
4)разработана методика георадиолокационных исследований, отличающаяся применением обоснованных объемов дискретных зондирований и непрерывных профилирований на этапах разбраковки выявленных аномалий и их детализации, подтвержденных данными разведочного бурения.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования разработанной методики георадиолокации для изучения особенностей строения массива горных пород россыпных месторождений криолитозоны (гипсометрии плотика россыпи, границ палеорусел, зон нарушенностей, трещиноватости, валунистости), что имеет важное значение при выборе наиболее рациональных технологических решений открытой разработки россыпных месторождений. Эффективность использования данной методики подтверждена результатами отработки россыпных месторождений ручья «Муравьевский» (Нерюнгринский район) и «Маят-Водораздельный» (Анабарский улус).
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментов по изучению процессов распространения электромагнитных волн в мерзлом горном массиве, в
разработке методики и алгоритма специализированного программного обеспечения обработки георадиолокационных данных, в проведении большого объема экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях, обработке и интерпретации данных георадиолокационных измерений на россыпных месторождениях Северо-Запада и Юга Якутии.
Апробация работы. Основные положения и результаты работ представлялись на Международных научных конференциях: «Современные проблемы и будущее геокриологии» (г. Якутск, 2008 г.), «Золото северного обрамления Пацифика» (г. Магадан, 2008 г.), «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований» (г. Днепропетровск, 2009 г.), «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (г. Хабаровск, 2010 г.), «Проблемы инженерного мерзлотоведения» (г. Мирный, 2011 г.), «Предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций в Арктике» (г. Якутск, 2011 г.), «14th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR)», (Shanghai, 2012 г.); Всероссийских научно-практических конференциях: «Безопасность горного производства в Республике Саха (Якутия)» (г. Якутск, 2008 г.), «Геокриология-прошлое, настоящее, будущее» (г. Якутск, 2010 г.), «Молодежь и научно-технический прогресс в современном мире» (г. Мирный, 2010 г.), «Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северных и северо-восточных регионов России» (г.Якутск, 2011, 2013 гг.), «Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях» (г. Пермь, 2013 г.), а также на конференциях молодых ученых "Эрэл" (г. Якутск, 2007, 2009, 2011, 2012 гг.) и в г. Нерюнгри (2012 г.), на заседаниях ученого совета и научных семинарах лаборатории георадиолокации ИГДС СО РАН (2007 - 2013 гг.).
Публикации. Основные положения исследований отражены в 14 публикациях, в том числе в 3-х статьях, опубликованных в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и содержит 136 страниц.
Автор выражает свою благодарность научному руководителю - д.т.н. А.В. Омельяненко, особую признательность к.т.н. Л.Л. Федоровой за постоянное внимание к работе, полезные советы и замечания, к.т.н. К.О. Соколову, а также коллективу лаборатории георадиолокации ИГДС СО РАН за помощь в проведении опытно-методических и полевых работ.
