Разработка прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня

Природные облицовочные камни относятся к ценным строительным материалам благодаря своим декоративным свойствам, высокой прочности и способности длительное время противостоять воздействию процессов выветривания. Они незаменимы как великолепный декоративно-отделочный материал. Игра природных красок камня, его удачная обработка, надежность и долговечность предопределили место облицовочного камня в фасадной отделке зданий, интерьеров, современных станций метро (Трубная, Марьина Роща, Сретенский бульвар и др.).

В то же время на территории Российской Федерации на начало XXI века объемы добычи блоков природного облицовочного камня недостаточны, около 25−30% потребляемых гранитных и мраморных блоков — импортные. В перспективе в России требуется развитие карьеров по добыче облицовочного камня. Анализ состояния сырьевой базы позволяет сделать вывод, что в ближайшие десятилетия будет весьма ограничен ввод новых карьеров и компенсация выводимых мощностей будет осуществляться за счет реконструкции и технического перевооружения действующих предприятий.

По данным федеральной службы государственной статистики, объем добычи строительных нерудных материалов имеет тенденцию к постоянному росту (данные по добыче облицовочного камня не приводятся). Так, объем добычи строительных нерудных материалов с января по сентябрь 2010 г. по отношению к объемам за аналогичный отчетный период 2009 г. составили 112,6%. Таким образом, существует положительная тенденция развития отрасли.

Природные каменные материалы условно можно разделить на две группы: сыпучие материалы и камни [10]:

Первая группа — слабо уплотненные скопления обломочного каменного материала с различным зерновым составом. К ним относятся пемзы, перлиты, обсидианы, пески, вулканические шлаки, песчано-гравийные смеси, трассы и другие породы. Эти породы являются ценным минеральным сырьем для изготовления различных строительных материалов, но для производства тесано-полированных облицовочных изделий они непригодны, за исключением отдельных видов трасс.

Вторая группа — камни, представляющие собой каменные породы, залегающие в виде слоев, толщ или массивов, разделенных системами природных трещин. В зависимости от удельной плотности природной трещиноватости месторождений при добыче получают блоки крупных, средних и малых размеров, или массивы, вовсе непригодные для добычи блочной продукции.

Согласно М. Б. Григоровичу [33, 34] месторождения природного облицовочного камня делятся на две группы:

• Месторождения платформ. Они в свою очередь подразделяются на месторождения кристаллических щитов и месторождения осадочного чехла платформы.

• Месторождения геосинклинальных складчатых областей. Месторождения кристаллических щитов широко представлены кислыми интрузиями (гранитами) и базальтами. А месторождения метаморфических пород имеют ограниченное распространение. Чехлы осадочных пород в основном сложены карбонатными (известняки и доломиты) и сульфатными породами.

При этом месторождения геосинклинальных складчатых областей преимущественно представлены интрузивными и метаморфическими горными породами. Граниты получили широкое распространение, при этом в отдельных районах встречаются порфириты и базальты. Месторождения метаморфических пород представлены мраморами и мраморизованными известняками. Вулканогенные породы (туфы) встречаются в районах молодой вулканической деятельности. Ограниченное распространение имеют гидротермальные горные породы, такие как мраморный оникс.

По уровню освоения месторождений облицовочного камня в нашей стране и по сей день наблюдается отставание от основных промышленно развитых стран. Увеличение объемов добычи и пути решения комплексного освоения недр связаны с повышением уровня маркшейдерского обеспечения разработки месторождений строительных горных пород. Одной из важнейших задач маркшейдерского обеспечения является геометризация качественных и количественных свойств полезных ископаемых. В частности, результаты геометризации блочности массивов горных пород являются основой для эффективного осуществления планирования горнодобычных работ. Актуальность выбранной темы диссертационной работы определяется существенным влиянием природной блочности на эффективность разработки месторождений облицовочного камня и недостаточной ее изученностью на стадии детальной разведки.

Цель исследований заключается в разработке прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня, позволяющей повысить надежность определения геометрических параметров природных блоков, закономерности их размещения в массиве и, как следствие, эффективность использования запасов.

Идея работы состоит в повышении надежности определения геометрических параметров природных блоков путем совершенствования методов сбора и обработки исходной информации, в использовании установленных взаимосвязей между природными, техногенными и товарными блоками, а также в автоматизации расчетных процессов.

Методы исследований включали анализ и обобщение опыта геометризации трещиноватости и блочности месторождений в стране и за рубежом, аналитические, графоаналитические, численные методы, фрактальный и многофакторный анализ, технико-экономическое сравнение и опытно-промышленную проверку результатов исследований.

Научные положения, выносимые на защиту: 1. Использование скважиной видеосъемки и кругового среднего направления азимутов простирания при выделении структурнооднородных участков позволяет повысить достоверность оценки природной трещиноватости породных массивов.

2. Выделение макросистем трещин согласно фрактальному принципу масштабной инвариантности путем обработки оставшихся внесистемных трещин на сводной диаграмме трещиноватости позволяет повысить достоверность прогнозной модели.

3. Прогнозирование выхода товарных блоков природного облицовочного камня следует осуществлять на основе взаимосвязей между содержанием в массиве природных блоков и выходом из массива техногенных и товарных блоков.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждаются соответствием используемых в исследованиях подходов законам и положениям структурной геологии, маркшейдерии, физики горных пород и процессов, физики и математики, а также высоким уровнем совпадения расчетных показателей с фактическими данными, установленными в процессе разработки месторождения облицовочного камня.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• показана эффективность использования телеметрических методов изучения трещиноватости для получения информации о природной блочности массива;

• обоснована целесообразность применения кругового среднего направления для определения эквивалентного азимута простирания трещин;

• впервые выдвинута и проверена гипотеза о проявлении внесистемных трещин в контурах всей изучаемой площади в виде локальных скоплений на сводной диаграмме трещиноватости;

• впервые оценено влияние системы трещин с широким размахом по азимуту простирания на выход природных блоков;

• установлено предельное расстояние прогнозирования (ПРП) параметров массива для различных вариантов выделенных систем трещин;

• разработан программный модуль автоматизированных электронных таблиц и диаграмм, позволяющий существенно повысить производительность и снизить трудоемкость при выполнении камеральных работ в прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня.

Научное значение работы заключается в развитии существующих представлений о горно-геометрическом анализе структурно-тектонической нарушенности породных массивов путем совершенствования методов сбора и обработки исходной информации, в использовании установленных взаимосвязей между природными, техногенными и товарными блоками, а также автоматизации расчетных процессов.

Практическое значение работы состоит в совершенствовании методики горно-геометрического анализа блочности массивов на карьерах облицовочного камня, что позволяет повысить выход товарных блоков и, как следствие, эффективность использования запасов облицовочного камня.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры маркшейдерского дела и геодезии (МГГУ) по дисциплине «Геометрия недр» и приняты к использованию на месторождении гранитов Сюскюянсаари (ЗАО «МКК-Ладога», Республика Карелия).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на заседаниях кафедры МДиГ МГГУ (2009;2011 гг.), научно-технических конференциях МГГУ -«Неделя горняка» (Москва 2010 и 2011 гг.), Международной научно-практической конференции молодых ученых, студентов и представителей производства «Маркшейдерское обеспечение геотехнологий» (Днепропетровск, НГУ, май 2011 г.).

Область диссертационных исследований соответствует Паспорту специальности 25.00.16 по п. 9 — «Совершенствование методов, средств, технологии и организации геологического изучения эксплуатируемых месторожденийповышение эффективности доразведки (в пределах горного отвода), эксплуатационной разведки и геологопромышленной оценки месторождений в процессе их освоения» и п. 10 — «Разработка и совершенствование методов и систем обработки геологической, маркшейдерской и геофизической информации, а также методов моделирования месторождений, прогнозирования горно-геологических явлений и процессов, создание основ управления ими при горных работах».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 11 приложений, содержит библиографический список использованной литературы из 124 наименований, 24 рисунков и 17 таблиц.

3.7. Выводы по главе 3.

В данной главе рассмотрены отдельные результаты экспериментальных работ по геометризации трещиноватости и блочности облицовочного камня на карьере Сюскюянсаари, в южной его части, на участке № 6. Полученные результаты и сделанные по ним выводы относятся в первую очередь к рассмотренному месторождению, но при этом имеют большое теоретическое и практическое значение для методики геометризации трещиноватости и блочности, лежащей в основе прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня в целом и могут служить основанием для рекомендации их к применению при геометризации других подобных месторождений.

1. Для получения информации о природной блочности массива рекомендуется использовать телеметрические методы изучения трещиноватости.

2. Для повышения надежности определения параметров природных блоков при определении азимутов простирания ЭСТ рекомендуется применение кругового среднего направления азимутов простирания.

3. Гипотеза о макросистемах трещин (в основе которой лежит фрактальный принцип масштабной инвариантности), как системах с большими межтрещинными расстояниями, подтверждена исследованиями по месторождениям Сюскюянсаари и Ханинскому, и проявляется в виде устойчивых скоплений считавшихся ранее внесистемных трещин, имея при этом высокие показатели ПРП.

4. Формирование макросистем природных трещин из внесистемных трещин, проявленных на разных ЗС, повышает достоверность прогнозной модели блочности.

5. Установлено эмпирическое выражение для прогнозирования выхода товарных блоков природного облицовочного камня на основе взаимосвязей между содержанием в массиве природных блоков и выходом из массива техногенных и товарных блоков.

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗРАБОТАННОЙ ПРОГНОЗНОЙ МОДЕЛИ БЛОЧНОСТИ НА ОСНОВЕ ГЕОМЕТРИЗАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ.

Уже 20 лет как наша страна перешла на рыночную экономику. Частные лица или компании занимаются добычей полезных ископаемых, в том числе природного облицовочного камня. Г. Д. Першиным в работе [91] делается вывод, что в России следует ожидать нарастания уровня производства и потребления природного камня. Б. О. Синельников в работе [106] отмечает, что в последнее десятилетие добыча облицовочного камня развивается высокими темпами, что объясняется многими причинами:

• Многих привлекает перспектива эксплуатации относительно дешевого природного ресурса, причем камень распространен повсеместно на огромной территории России;

• Добыча камня требует относительно небольших капиталовложений;

• По стоимости изготовления каменные изделия уже сравнялись с изделиями из искусственных материалов, а иногда и ниже их;

• По долговечности, эксплуатационным характеристикам, эстетическому восприятию облицовочные камни превосходят многие строительные материалы;

• Камень рассматривается как объект, с помощью которого можно вести эффективный бизнес, о чем свидетельствует опыт международного рынка камня.

Проведя всесторонний анализ и обобщив результаты Б. О. Синельников в работе [106] отмечает, что в России недостаточен опыт ведения бизнеса, связанного с добычей камня. Причин этому несколько. Одна из нихнедостаточная квалификация людей, знания которых базируются на морально устаревших технологиях советских времен или еще хужеиспользование непрофильных специалистов. Примером неквалифицированного подхода может служить использование бульдозера в 9 случаях из 10, даже когда объем рыхлой вскрыши незначителен или вообще отсутствует. Ведь бульдозер может выполнять только операцию волочения породы. Так, на зарубежных карьерах бульдозер используется только при значительном объеме вскрышных пород и на большинстве карьеров он отсутствует. Однако существенной причиной, стоящей на пути к успешному бизнесу в сфере добычи облицовочных камней и имеющей прямое отношение к настоящей диссертационной работе, является недостаточный уровень геологоразведочных работ. Инвестор хочет быстрее получить прибыль, однако прогнозные запасы природных блоков и получаемые в ходе ведения горно-добычных работ техногенные и товарные блоки часто не оправдывают ожиданий.

Важна роль геологоразведочных работ, горно-геометрического анализа, разработка адекватной прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня для повышения эффективности использования их запасов.

Рассмотрим объемы затрат при использовании взрывной отбойки горной массы, по-прежнему как самого распространенного способа в настоящее время, в ценах Карелии и Алтая: участие в аукционе и приобретение лицензии на право пользования недрами — 500 тыс. руб.- составление проекта и его согласование — 1500 тыс. руб.- закупку необходимого оборудования (минимальный и бюджетный комплект из станка для бурения шпуров, кран и транспорт и др.) — 6000 тыс. руб.- ежемесячные затраты на топливо для техники, зарплата работникам и налоги — 800 тыс. руббуровзрывные работы — 200 тыс. рубпрочее — 300 тыс. руб. прочее — 5000 тыс. руб. Итого разовые затраты составят порядка 13 млн руб., и ежемесячные — порядка 1,3 млн руб.

Прибыль на месторождении гранита будет за счет реализации продукции карьера в среднем представляют: гранитные блоки — 12 тыс. руб. за м3, гранитный щебень различных фракций — 1,8 тыс. руб. за м3. Так, рассчитывая на 18% выхода блоков при средних ежемесячных объемах горных работ в 500 м³, закладывался годовой доход — 1080 тыс. руб. от гранитных блоков и 630 тыс. руб. от гранитного щебня. Итого ожидаемый ежемесячный доход составляет порядка 1,7 млн руб.

Ниже приводятся результаты влияния выбора модели геометризации блочности месторождения гранита для получения в результате его разработки дополнительной прибыли за счет комплексного учета особенностей строения массива. Рассматриваются различные прогнозные модели, применяемые в настоящее время на ряде предприятий камнедобывающей отрасли. Для сравнения различных прогнозных моделей использовались реальные горно-геологические условия действующих месторождений гранита. Показательные значения сравнительных вычислений приведены в таблице 4.1.