Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние, методы и задачи квалиметрической оценки недр 8
1.1. Современное состояние вопроса
квалиметрической оценки недр 8
1.2. Методы квалиметрической оценки недр 14
1.3. Современные задачи квалиметрической оценки недр 21
1.4. Методические основы многоуровневого N моделирования рудных месторождений 25
2. Семантическая оценка месторождений комплексных руд цветных металлов 30
2.1. Критерии и геоиндикаторы оруденения при разработке рудных месторождений 30
2.2. Геолого-промышленная характеристика месторождений Талнахского рудного узла 40
2.3. Изучение вещественного состава
богатых руд и кристаллохимических особенностей главных рудных минералов месторождений Талнахского рудного узла 49
2.3.1. Основные минералы богатых медно-никелевых руд 49
2.3.2. Закономерности изменения
химического состава рудных минералов 62
2.3.3. Распределение кристаллохимических модификаций рудных минералов в сортах богатых руд 69
Выводы 74
3. Статистические модели георесурсов талнахского месторождения 77
3.1. Статистические модели сплошных руд пирротинового типа 77
3.1.1. Регрессивный анализ морфологии
центральной пирротиновой залежи 77
3.1.2. Регрессивный анализ зональности размещения компонентов в центральной пирротиновой залежи 78
3.1.3. Корреляционный анализ взаимосвязи содержаний компонентов в рудах пирротинового типа.
Парные и многофакторные корреляционные модели 81
3.2. Статистические модели сплошных руд халькопиритового типа — 100
3.2.1. Регрессивный анализ морфологии
центральной халькопиритовой залежи 100
3.2.2. Регрессивный анализ зональности размещения компонентов в центральной халькопиритовой залежи 101
3.2.3. Корреляционный анализ взаимосвязи содержаний компонентов в рудах халькопиритового типа.
Парные и многофакторные корреляционные модели 104
Выводы 125
4. Графоаналитические и горно-геологические модели георесурсов талнахского месторождения —127
4.1. Графоаналитические модели георесурсов 127
4.1.1. Графические модели 127
4.1.2. Геостатистические модели 144
4.2. Тензорно-корреляционная характеристика изменчивости показателей месторождения и установление рационального направления его отработки 151
Выводы 155
Заключение 157
Список литературы
- Современные задачи квалиметрической оценки недр
- Геолого-промышленная характеристика месторождений Талнахского рудного узла
- Регрессивный анализ зональности размещения компонентов в центральной пирротиновой залежи
- Тензорно-корреляционная характеристика изменчивости показателей месторождения и установление рационального направления его отработки
Введение к работе
Актуальность работы. Отечественное горнодобывающее производство стоит в настоящее время перед сложнейшей проблемой повышения своей конкурентоспособности. Главным условием решения этой проблемы является выполнение требований рынка по существенному улучшению качества и снижению себестоимости добытых и доведенных до товарного вида полезных ископаемых. От качества продукции рудников, шахт и карьеров во многом зависят производственные и экономические показатели как ее потребителей, так и самих горнодобывающих предприятий, поскольку необеспечение конкурентоспособности их продукции приводит в современных условиях к самым серьезным негативным последствиям, вплоть до финансовой несостоятельности предприятий.
Особенно важна эта проблема для предприятий, деятельность которых связана с добычей, обогащением и металлургическим переделом медно-никелевых руд, в частности ОАО «ГМК «Норильский никель», поскольку основная часть их продукции идет на экспорт. Для этих предприятий существует объективная необходимость использования современных методических подходов к комплексной оценке качества полезных ископаемых, безопасности и экологичности их использования, технического уровня и конкурентоспособности производства. Ведущую роль в этом процессе играет квалимет-рическая оценка запасов медно-никелевых руд и, в частности, совершенствование методов оценки и моделирования месторождений рудно-минерального сырья, обусловливающих комплексное использование геологической информации, ее полноту и достоверность. В связи с этим исследования в данном направлении являются актуальной научной задачей.
Целью работы является обоснование методов квалиметрической оценки запасов месторождений медно-никелевых руд для их рациональной разработки и комплексности использования минерального сырья.
Идея работы заключается в создании рациональной системы идентификации геолого-технологических свойств полезных ископаемых на основе семантической оценки месторождения и его генетически взаимосвязанных показателей путем агрегирования или детализации композиций моделей, обладающих большим набором информативных характеристик.
Научные положения, разработанные лично автором:
Семантическая оценка и диагностика сложно-структурных и полигенных месторождений должна базироваться на анализе совокупности пространственно-совмещенных рудных образований, созданных процессами ми-нералообразования, а также обосновании критериев и геоиндикаторов, характеризующих закономерности размещения комплексных руд и их качество.
Геоиндикационная система месторождений определяется как множество пространственно-дифференцированных композиций моделей на основе генетической взаимосвязи системообразующих геологических параметров, характеризующих качество руд в соответствии с изменением их состава, свойств, а также количественных соотношений между ними, что дает возможность повысить ценность (точность, полноту и оперативность) геологической информации.
Квалиметрическую оценку запасов рудно-минерального сырья следует производить по разработанной методике, основанной на конструировании путем агрегирования или детализации совокупности многоуровневых моделей, позволяющих последовательно уменьшать степень неопределенности формализованного описания сложной природной объемной структурно-вещественной системы месторождения и отображать геолого-технологические ситуации при управлении запасами и качеством добываемых руд.
Задачи исследований:
Анализ состояния, методов и задач квалиметрической оценки недр.
Семантическая оценка месторождений медно-никелевых руд.
Построение статистических моделей георесурсов юго-западного участка Талнахского месторождения.
Построение графоаналитических и горно-геологических моделей георесурсов юго-западного участка Талнахского месторождения.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
разработаны научно-методические основы многоуровневого моделирования сложно-структурных месторождений на базе стратификации композиционных рядов статистических, графических и геостатистических моделей запасов георесурсов;
доказано, что геоиндикационная система месторождения является пространственно-распределенной, что позволяет использовать при отображении ее структуры теорию и методы моделирования на основе дискретно измеряемых геологических показателей, отвечающих определенной, координатно описываемой точке геологической среды;
установлено, что нестационарное анизотропное математическое моделирование месторождений на основе тензорно-корреляционной характеристики изменчивости геологических показателей позволяет определить рациональные направления отработки рудных залежей.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
представительным объемом данных опробования медно-никелевых руд Талнахского рудного узла (обработано 1912 данных, характеризующих качество и технологические свойства руд), использованных в качестве основы для выявления искомых закономерностей;
корректностью применения статистических и геостатистических методов обработки геологических данных и удовлетворительной сходимостью расчетных (прогнозных) и фактических данных;
положительной апробацией результатов диссертации на месторождениях Талнахского рудного узла.
Методы исследований. В работе использованы следующие методы исследования, позволившие реализовать идею работы: методы математической статистики, геостатистики, теории случайных функций, графического моделирования и геометрии недр для построения моделей георесурсов.
Научное значение-.работы заключается в обосновании методов квалиметрическои оценки запасов медно-никелевых месторождений, базирующейся на стратификации композиционных рядов статистических, графических и геостатистических моделей и установлении пространственно-качественной структуры георесурсов.
Практическое значение работы состоит в разработке методических основ квалиметрическои оценки запасов медно-никелевых месторождений Талнахского рудного узла, позволяющих повысить точность, полноту и достоверность геологической информации при управлении запасами и качеством добываемых руд и определять рациональные направления разработки рудных залежей.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Методика квалиметрическои оценки запасов месторождений медно-никелевых руд принята к использованию в системах геолого-маркшейдерского обеспечения управления запасами и качеством руд рудоуправления «Талнахское» Заполярного филиала ОАО «ГМК «Норильский никель».
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на научных симпозиумах «Неделя горняка» в 2006 - 2008 гг., на семинарах кафедры геологии МГГУ в 2005 - 2008 гг.
Публикации. По результатам диссертации опубликованы 4 научные работы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 36 таблиц, 38 рисунков и список литературы из 88 наименований.
Современные задачи квалиметрической оценки недр
Наука возникает под влиянием практической потребности и как способ познания.
По мнению проф. Попова В. Н. и проф. Руденко В. В., объективными предпосылками формирования квалиметрии недр как науки послужили [62]: необходимость всестороннего (комплексного) подхода к оценке качества минерального сырья в сквозной технологической цепи «недра — рудник (карьер) - склады - отвалы - обогатительная фабрика - хвосто-хранилиша» с целью привлечения нетрадиционных методов разведки, опробования, разработки и предварительного обогащения георесурсов; истощение минерально-сырьевой базы действующих горнодобывающих предприятий; ухудшение горно-геологических условий отработки источников георесурсов; снижение качества полезных ископаемых; новые экономические условия хозяйствования горнодобывающих предприятий (качество полезных ископаемых, спрос на рынке, рыночные цены); разработка новых технологий оценки качества георесурсов в недрах, забое, рудопотоках, складах и отвалах, технологий контроля и сортировки в транспортных емкостях, а также технологий предварительного обогащения (сепарации); возможность широкомасштабного использования компьютерных технологий на горно-обогатительных предприятиях; повышение прибыльности горнодобывающих предприятий за счет использования элементов системы управления качеством георесурсов; ужесточение требований недропользователя к достоверности геологоразведочных работ; необходимость охраны и контроля за рациональным экологически безопасным комплексным использованием недр как со стороны государства, так и со стороны недропользователя.
В связи с этим к важнейшим современным задачам квалиметрической оценки недр относят [49, 61, 62]: объективную оценку качества источника георесурсов в сквозной тех нологической цепи «недра — рудник (карьер) - склады — отвалы - обо гатительная фабрика - хвостохранилища» с учетом требований потребителей к качеству конечной продукции и взаимосвязи количества, качества и цены потребления; оперативное получение информации о качестве источника георесурсов на различных стадиях освоения (разведка, проектирование, добыча, обогащение, металлургический передел); комплексное исследование свойств и показателей, характеризующих качество источника георесурсов, а также их объективное отражение в нормативно-технических документах на конечную продукцию. Современная квалиметрия недр требует решения следующих научных проблем: развития и совершенствования понятийного аппарата с учетом научно-технических достижений; систематизации и развития математических и технических методов с учетом различных стадий их использования; исследования достоверности результатов оценки качества конкретных видов продукции недропользования; разработки и применения компьютерных средств решения задач оценки качества продукции недропользования; исследования взаимосвязей оценок качества продукции недропользования на стадиях разведки, проектирования, добычи, обогащения, металлургического передела; разработки принципов определения приоритетности оцениваемых видов и свойств продукции, показателей ее качества с учетом социально-экономических и горно-технологических факторов; развития научно-методических основ комплексной оценки разнообразных свойств, характеризующих качество полезного ископаемого; развития и совершенствования комплекса межотраслевых и отраслевых нормативных и методических материалов по оценке качества продукции недропользования. Отечественное горнодобывающее производство в настоящее время стоит перед сложнейшей проблемой повышения своей конкурентоспособности. Главным условием решения этой проблемы является выполнение требований рынка по существенному улучшению качества и снижению себестоимости добытых и доведенных до товарного вида полезных ископаемых.
Для горного производства в силу его специфики базовое значение при управлении качеством продукции имеют знание и умение объективно оценивать следующие факторы: состояние природно-ресурсной базы и ее качества; технические и технологические возможности горных работ; возможная степень трансформации природного качества полезного ископаемого в процессе добычи.
Квалиметрия недр с ее количественными методами позволяет выполнить такую оценку наиболее объективно, создавая тем самым благоприятные условия для эффективного управления процессами формирования качества продукции карьеров, шахт, рудников, а также горно-обогатительных комплексов в целом.
Геолого-промышленная характеристика месторождений Талнахского рудного узла
Норильская группа сульфидных медно-никелевых месторождений находится в Красноярском крае на северо-западной окраине Сибирской платформы.
Район месторождений сложен образованиями платформенного чехла (снизу вверх): терригенно-карбонатными и галогенными породами девона, терригенными угленосными отложениями перми и карбона (тунгусская серия) и трапповой формацией верхней перми и триаса, представленной базальтами, туфами, туффитами.
Основным структурным элементом района является Хантайско-Рыбнинский вал, ограниченный с запада Норильско-Хараелахским, а с востока Имангдинским региональными глубинными разломами. Именно к Но-рильско-Хараелахскому разлому приурочены главные промышленные месторождения района.
Месторождения района связаны пространственно и генетически с рудоносными дифференцированными интрузиями габбро-долеритов, имеющими анизотропное строение — от более основных дифференциатов (пикрито-вых) внизу до более кислых гибридных пород вверху.
Форма интрузивов чаще всего пластообразная или корытообразная, обусловленная их локализацией в пологих синклинальных складках вдоль межформационных срывов в осадках девона, тунгусской серии, реже вдоль контактов с базальтами.
Дифференцированные рудоносные интрузии Норильского района представляют собой особую глубинную ветвь трапповой магмы, а связанные с ними сульфидные медно-никелевые месторождения по своему генезису являются собственно магматическими ликвационными.
В Норильском районе известны следующие месторождения: Талнах-ское, Октябрьское, Норильск I, Норильск II, Гора Черная, Имангда. В настоящее время основными объектами разработки являются Тал-нахское и Октябрьское месторождения, детальное описание которых приводится ниже.
Талнахское и Октябрьское месторождения образуют Тал нахский рудный узел на юго-западном центральном замыкании Хараелахской мульды, выполненной пологозалегающими осадочными породами девона, карбона, перми и триаса (углы падения 5 - 10 в северных румбах) и пересекаемой Норильско-Хараелахским глубинным разломом (рис. 2.1).
Месторождения приурочены к межпластовому дифференцированному интрузиву габбро-долеритов, имеющему сложное строение. Он состоит из отдельных массивов, или ветвей, расходящихся от предполагаемого магмо-подводящего канала, находящегося в северо-восточной части рудного узла (рис. 2.2).
В поперечном сечении интрузивы имеют пласто- или корытообразную форму и занимают слабосекущее положение во вмещающих породах от подошвы туфолавовой толщи пермотриаса до карбонатно-глинистых отложений девона.
Талнахское месторождение связано с Северо-Восточной, Центральной и Юго-Западной интрузивными ветвями и расположено в так называемом верхнем рудном этаже. Октябрьское месторождение локализовано в нижнем рудном этаже на глубинах более 400 — 600 м и приурочено к Северо-Западной, Хараелахской и Лесноозерской интрузивным ветвям. Месторождения разобщены главным швом глубинного разлома. Складчатые и разрывные нарушения, оперяющие разлом, создают сложное блоковое строение рудного узла. Мощность интрузивных тел (ветвей) изменяется от 250 до нескольких метров вблизи выклинивания. 2- Ьогамидскии
Схематическая структурно-геологическая карта Норильского района Рис. 2.2. Геологический разрез Талнахского месторождения (по В. Н. Котляру): 1 - песчаники; 2 - известняки и ангидриты; 3 - дифференцированные габбро-диориты с вкрапленным оруденением в нижней части; 4 - залежь сплошных сульфидных руд; 5 - эк-зоконтактовые вкрапления руды в измененных вмещающих породах; 6 - разрывные нарушения
Талнахский рудоносный интрузив образовался в результате кристалли-зационно-гравитационной дифференциации единого магматического расплава. Вследствие этого отдельные ветви его представляют собой анизотропные, в различной степени расслоенные магматические тела, в общем случае с закономерным чередованием следующих горизонтов (сверху вниз):
Рудоносный интрузив сопровождается мощным ореолом (до 150 - 200 м) контактово-измененных метаморфических пород, среди которых наиболее распространены метасоматиты альбит-микроклинового состава, серпентиниты, магнезиальные и известковые скарны. Ширина контактового ореола уменьшается от фронтальных к прикорневым частям интрузива.
Регрессивный анализ зональности размещения компонентов в центральной пирротиновой залежи
В качестве объекта для статистического анализа был выбран юго-западный участок Талнахского месторождения.
Руды пирротинового типа в центральной части юго-западного участка месторождения образуют крупное тело - залежь, локализованную в подстилающих интрузию породах. Небольшие по мощности и площади тела того же состава наблюдаются в восточной, северной и южной частях рудного поля. Они залегают как в интрузии, так и во вмещающих ее породах. Ниже мы рассмотрим только центральную пирротиновую залежь.
Средняя мощность пирротиновои залежи составляет 9,1 ± 0,6 м (при уровне значимости q = 5%). Коэффициент вариации равен 67,4%, что указывает на наличие существенных колебаний в изменении мощностей залежи.
Для аналитического выражения некоторых особенностей морфологии пирротиновои залежи определялись параметры регрессивной зависимости между мощностью h и условными координатами точек наблюдений х и у (табл. 3.1). Коэффициенты корреляции г и корреляционные отношения ц при данном числе наблюдений оказались значимы для линейной, логарифмически линейной и параболической зависимостей h - х, а также только для параболической зависимости h - у.
Выявленный с помощью регрессивного анализа характер зависимости мощности от положения точки наблюдения на площади рудного тела соответствует установленным выше закономерностям. Однако полученные уравнения регрессии нельзя использовать для практических расчетов, поскольку, судя по значениям критерия Фишера F, они не адекватны наблюдениям.
Эндогенная зональность рудных тел определяется закономерным изменением химического и минералогического состава по мощности, простиранию и падению рудных залежей и связана с развитием процесса рудообразо-вания во времени в меняющихся геологических и физико-химических условиях пространства [72]. Установление зональности месторождений и отдельных рудных тел имеет важное практическое значение, поскольку позволяет прогнозировать месторождение на глубину и по площади, рационально и эффективно вести разведочные и эксплуатационные работы.
В настоящее время не существует способа количественного выражения зональности. Коэффициент вариации измеряет колеблемость значений признака в статистической совокупности, т.е. в отрыве от пространственных его координат. Изолинии содержаний дают только общую картину и весьма приближенно в качественной форме отражают закономерности изменения состава руд в том или ином сечении рудного тела. Коэффициент изменчивости характеризует колеблемость значений показателей в геометрической совокупности, однако он не показывает, насколько эта колеблемость закономерна.
Автор для характеристики зональности в размещении компонентов пирротиновой залежи Талнахского месторождения использовал регрессивный анализ. При этом величина коэффициента корреляции служила критерием наличия или отсутствия зональности и степени ее проявления, а уравнение регрессии количественно выражало форму связи состава руд с пространственным местоположением точек наблюдения в рудной залежи.
В соответствии с этим строилась регрессивная модель зональности. В качестве аргументов принимались координаты х, у и z, которые являлись фиксированными неслучайными величинами. Значения х и у определяли положение точки наблюдения на площади, a z - в вертикальном сечении. За отметку z принималось относительное положение точки наблюдения в рудном теле, поэтому величина z изменялась от 0,01 - условная отметка кровли рудного тела, до 1,00 - отметка его почвы. Функциями в модели являлись случайные величины - содержания изучаемых металлов и минералов.
Результаты исследования зависимостей содержаний компонентов от. пространственного местоположения точек наблюдения в пирротиновой залежи приведены в табл. 3.2.
Основным показателем зональности является коэффициент корреляции (или корреляционное отношение), который определяет, во-первых, в какой мере проявлена зональность и, во-вторых, показывает, можно ли наблюдаемые в натуре закономерности аппроксимировать уравнением регрессии.
Можно считать, что зональность имеет место, если коэффициенты корреляции (или корреляционные отношения), отражающие тесноту связи содержаний компонентов с координатами точек наблюдения, будут значимы. Для горизонтальной зональности большинство коэффициентов (см. табл. 3.2) при данном количестве наблюдений и 95%-доверительной вероятности незначимо. Значимой можно считать только логарифмическую зависимость Pt — у. Для вертикальной зональности почти все рассматриваемые связи значимы (кроме связей Sp0 — z и Au — z). При этом Си, Со и Ср по сравнению со всеми прочими компонентами характеризуются лучше проявленной вертикальной зональностью.
Тензорно-корреляционная характеристика изменчивости показателей месторождения и установление рационального направления его отработки
Анизотропия коррелированной изменчивости содержаний никеля в пирротиновой залежи может быть описана в классе нестационарных анизотропных моделей корреляционной функцией K(h;a) на основе совокупной характеристики изменчивости — тензора второго рангаK(h) [68]: K{h) = (4.4) К ЛЬ) Кху№ уу\ КЛЬ) К (И) где h-\x{ -х2\ —расстояние (шаг) между точками х, и х2 исследуемого пространства недр; K (h), KyyQi) — корреляционные функции, характеризующие связи между значениями показателя в зависимости от шага h, соответственно, по направлениям осей Ох и Оу; КхуО1) = Kyx(h) — зависящие от шага И ковариационные функции, отражающие связь между значениями показателя и направлением в пространстве.
Элементы тензора K(h), представленные корреляционными функциями K fh), Kxy(h) , Kyy(h) по направлениям осей Ох и Оу, вычислены по формулам и соответствующим программам, представленным в работах [37, 68]. Величины наибольших А, (И) и наименьших X (/z) связей и, соответственно, их направления в радианах p{(h), p2(h), h=0, 1,..., 10 определены по формулам (4.5) и (4.6) [68]: K(h)+K(h) K„{h)-Kyv{h) 2 +KW; (4.5) РіЛ2) KxyQi) \2(h)-K }(h) В таблице 4.3 приведены значения корреляционных функций и показателей анизотропии \2(/г) и pU2(h), полученные в результате обработки данных опробования на никель, причем единичный шаг h = 1 соответствует 20 м.
В таблице 4.3 экспериментальные направления q {Qi) и %.{И) анизотропии коррелированной изменчивости содержаний никеля в пирротиновой залежи определяют главные оси Ox (h), Oy (h) тензора K(h). В системе главных осей Ox (Ji)y (h) компоненты тензора K(h) принимают экстремальные значения \{Н),/l,(h), тензор K(h) — диагональный вид, а корреляционная функция K(h;a) - наиболее простую каноническую форму [37, 68]. Заметим, что корреляционная функцияK(h;a) при каждом h = 0, 1,..., 10равна квадрату поде-ры эллипса с полуосями a = /А, (И), Ъ = Я2 (/?) относительно начала координат.
Следовательно геометрической интерпретацией анизотропной структуры коррелированной изменчивости никеля будет семейство квадратов подер, приведенных на рис. 4.19.
Рассмотрим подробно анизотропную структуру связей содержаний никеля, отраженную на рис. 4.19. Расстояние от каждой точки квадрата подеры, соответствующего шагу h=0, до начала координат является значением дисперсии в направлении от начала координат к рассматриваемой точке. Из рис. 4.19 видно, что квадрат подеры при h=0 близок к окружности; это значит, что размахи колебаний содержаний никеля по всем направлениям приблизительно одинаковы. Однако, наибольший размах наблюдается в направлении на запад - северо-запад, а наименьший размах - в направлении на север - северо-восток. Точные значения показателей анизотропии — 1](0), Х2(0), фі(0), (Рг(0) — приведены в табл. 4.3.
Квадрат подеры при h=l отражает корреляционную связь между значениями содержаний никеля в точках, расположенных через 20 м по любому направлению а, которая численно равна расстоянию от начала координат до точки, принадлежащей квадрату подеры и заданному направлению а. Кривая имеет форму пережатого овала, что характеризует силу связей по различным направлениям а. Самая сильная связь прослеживается в направлении на запад - северо-запад. По данным табл. 4.3 это направление есть угол Pi(1)=1,50 рад., а величина корреляционной функции в этом направлении -1/(7,)=16,5%%. Наиболее слабая связь 12(7,)=8,81%% - в направлении $2(1)=0.0% рад. на север - северо-восток. Аналогичные выводы можно сделать по квадратам подер, соответствующим шагу h=2, h=3.
Из рис. 4.19 и проведенного анализа следует, что геологические показатели в направлениях более сильных связей изменяются более плавно, частота колебаний их значений меньше. В направлениях наименьших связей частота колебаний геологических показателей рудной залежи наибольшая, что указывает на более резкое изменение их значений в этом направлении.
Таким образом, можно утверждать, что отработка рудной залежи слоями, панелями, заходками и др. должна осуществляться в направлении наименьших корреляционных связей, т.е. в направлении на север - северо-восток, что обеспечит стабилизацию качества руд в единичных рудопотоках.
