ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Абатурова И. В.¹, Королева И. А.², Петрова И. Г.²,Стороженко Л. А.²

¹Доктор геолого-минералогических наук, ²Кандидат геолого-минералогических наук, Уральский государственный горный университет

ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Аннотация

Статья посвящена проблеме оптимизации инженерно-геологических исследований месторождений полезных ископаемых (МПИ). Предложена схема изучения инженерно-геологических условий по стадиям геологоразведочных работ и приведен оптимальный набор методов получения информации, отвечающей целям проектирования, в соответствии с этапами и границами изучения МПИ.

Ключевые слова: инженерно-геологические условия, месторождения полезных ископаемых, природно-техническая система, стадия изучения, область взаимодействия.

 

Abaturova I. V.¹, Koroleva I. A.² Petrova I. G.², Storozhenko L. A.²

¹Doctor of geological and mineralogical sciences, ²Candidate of geological and mineralogical sciences, Ural State Mining University

OPTIMIZATION PRINCIPLES STUDY OF THE ENGINEERING-GEOLOGICAL CONDITIONS OF MINERAL DEPOSITS

Abstract

Article is devoted to a problem of optimization of engineering-geological researches of the mineral deposits (MD). The scheme of studying of engineering-geological conditions on stages of prospecting works is offered and the optimum set of methods of obtaining information answering to the purposes of design, according to stages and borders of studying of MD is given.

Keywords: engineering-geological conditions, mineral deposits, natural-technical system, studying stage, interaction area.  

Острая необходимость развития и освоения на современном уровне минерально-сырьевой базы РФ требует введения в строй новых месторождений, эффективность и безопасность разработки которых определяется степенью изученности и оценки инженерно-геологических условий (ИГУ). При этом требуется сократить время и затраты на разведку за счет использования накопленной базы данных и информации, полученных на ранних стадиях изучения, либо по изученным месторождениям-аналогам.

Основная цель работы – оптимизация схем изучения ИГУ месторождений полезных ископаемых (МПИ) с учетом стадийности проведения разведочных работ. Для этого решены следующие задачи: 1) определение комплекса задач исследований применительно к стадиям изучения месторождения, 2) оптимизация методов получения информации в соответствии с этапами и границами изучения МПИ.

Главное положение инженерно-геологических исследований, проводимых для решения оценки устойчивости горнодобывающего предприятия, определяется принципом цели инженерно-геологических исследований, сформулированных Л. А. Ярг, Г. К. Бондариком [1]. «Характер и объем инженерно-геологических исследований, проводимых в рамках некоторого этапа хозяйственной деятельности должны точно отвечать цели хозяйственной деятельности этого этапа». Из принципа цели вытекает положение об оптимизации инженерно-геологической информации: «содержание, объем, точность и доверительная вероятность данных об ИГУ, получаемых на любом этапе хозяйственной деятельности должны быть оптимальными, т.е. минимально необходимыми и достаточными для решения задач этапа».

Оптимальность и самодостаточность процесса изучения и прогноза ИГУ месторождений полезных ископаемых (МПИ) достигается в том случае, если эти процессы синхронизированы с геологоразведочными работами на этапах поисков и разведки месторождения. Соответственно, задачи и методы исследований ИГУ МПИ необходимо согласовать с целью и стадией геологоразведочных работ, а содержание, объем, точность и доверительная вероятность полученных данных об ИГУ должны быть минимально необходимыми и достаточными для решения задач на каждой стадии исследования. Проблема оптимизации инженерно-геологических исследований МПИ зависит не только от геологических факторов, но и от условий строительства и эксплуатации горнодобывающего сооружения [2].

Выбор принципиальных методических приемов и способов, совокупность которых позволит спроектировать и осуществить рациональный комплекс полевых, лабораторных и камеральных исследований ИГУ конкретного месторождения, определяется необходимостью достижения двух главных целей:

– изучение ИГУ на основе специальных полевых геолого-геофизических исследований и целенаправленной обработки всей известной информационной базы геолого-геофизических данных;

– оценка прогнозных параметров развития инженерно-геологических условий и процессов на стадиях изучения МПИ.

Достижение поставленных целей должно базироваться на обоснованной модели природно-технической системы (ПТС) МПИ, этапы изучения которой последовательно решают задачи оценки параметров ИГУ в начальных границах месторождения, далее с учетом границ области взаимодействия горнодобывающего сооружения с геологической средой непрерывно уточняются в процессах строительства и эксплуатации всей горнорудной инфраструктуры.

Основные задачи инженерно-геологических исследований на разных стадиях разведки и разработки МПИ приведены в таблице.

Таблица – Основные задачи инженерно-геологических исследований МПИ  по стадиям геологоразведочных работ

Стадии геологического изучения	Задачи геологоразведочных работ	Задачи инженерно-геологических исследований
I. Поисковые работы	Выявление месторождения полезных ископаемых	1.Получение информации об ИГУ на информационной основе поисковых геолого-геофизических работ. 2. Разработка фоновой модели ПТС.
II. Оценочные работы	1.     Предварительная оценка промышленной ценности МПИ. 2.     Обоснование временных кондиций и целесообразности передачи МПИ на разведку и освоение. 3.     Составление ТЭО и пакета геологической информации для проведения конкурса на представление лицензии.	1. Получение инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических данных на основе специализированных полевых и аналитических исследований, необходимых и достаточных для предварительной оценки ценности МПИ. 2. Разработка оценочной модели ПТС.
III. Разведка месторождения	1.     Детальная экономическая оценка промышленной ценности МПИ. 2.     Обоснование постоянных разведочных кондиций. 3.     Подсчет запасов полезных ископаемых.	1.   Определение основных компонент и параметров инженерно-геологической модели ПТС и оценка уровня сложности условий разработки. 2. Разработка базовой модели ПТС и вариантов моделей развития ИГУ при вскрытии месторождения.
IV. Эксплуатационная разведка	Обеспечение нормальных условий деятельности горнорудного предприятия	1.   Обоснование мероприятий, обеспечивающих устойчивость сооружения. Организация системы мониторинга. 2.   Получение дополнительной инженерно-геологической информации, необходимой для уточнения прогнозов и разработки мероприятий, обеспечивающих оптимизацию процессов разработки месторождения и охраны геологической среды. 3. Организация постоянно действующей модели ПТС с оперативным прогнозом развития ИГУ и устойчивости горного массива.

Особым образом отметим, что роль инженерно-геологической информации возрастает от стадии к стадии. Если на поисковой и оценочной стадиях ИГУ играют не определяющую роль, здесь более важным является предварительная оценка промышленной ценности МПИ, то на стадиях разведки и эксплуатации эта информация становится фактором, определяющим характеристики ПТС, условия строительства сооружений и разработки месторождения.

В результате инженерно-геологических исследований на каждой стадии должен быть получен оптимальный объем информации, отвечающий целям проектирования. На начальных этапах исследований (поисковой, оценочной) необходимо получить данные о компонентах ИГУ, охватывающих площадь предполагаемого месторождения, но требования к ее детальности и надежности менее высокие, чем требования к информации, получаемой на последующих стадиях разведки, проектирования сооружения и эксплуатационной разведки. Из этого вытекает вывод методического характера: технически сложно и экономически невыгодно изучать детально (большие объемы работ, дорогостоящие методы) обширную территорию, если требуется дать общую оценку ИГУ, необходимую для предварительной оценки ценности МПИ [3-4]. В этом случае представляется целесообразным использовать более дешевые, но не менее производительные методы (результаты геологической съемки, геофизических работ, инженерно-геологического обследования).

В целом, схему решения всех названных задач можно представить в виде, показанном на рисунке и рассматривать методы получения информации об ИГУ в соответствии с этапами оценки и разработки моделей прогноза их изменчивости в процессах строительства и разработки МПИ.

 

Рис. – Схема изучения ИГУ и этапов разработки модели ПТС МПИ по стадиям геологоразведочных работ:

ИГУ – инженерно-геологические условия; БД МПИ – база данных месторождений полезных ископаемых; ПТС – природно-техническая система

 

Центральными информационными единицами в предложенной схеме изучения ИГУ являются база геологоразведочных данных МПИ (геологическая модель месторождения) и база данных инженерно-геологических условий ПТС МПИ (постоянно действующая модель ПТС).

Обе названные базы данных создаются в едином координатном пространстве, согласуются по структуре на всех стадиях геологоразведочных работ и являются информационной основой для разработки горно-геологической базы данных МПИ (модель запасов и проект разработки). Такая схема разработки согласованных баз данных минимизирует затраты на производство полевых исследований и исключает дублирование всех видов аналитических работ, обеспечивающих необходимую детальность и точность прогноза элементов модели ПТС и процессов ее эволюции.

Задачи изучения ИГУ месторождений на разных стадиях геологоразведочных работ определяют и границы изучения. На стадии поисков при оценке промышленной значимости месторождения границы инженерно-геологического изучения совпадают с границами поисковых геологоразведочных работ. Первые же сведения по ИГУ МПИ, необходимые для решения вопросов устойчивости горного сооружения, должны быть получены на оценочной стадии. Поэтому изучение ИГУ проводится в границах оценочных работ и прилегающей территории с учетом развития экзогенных геологических процессов, мерзлотных и гидрогеологических условий, оказывающих влияние на устойчивость горного сооружения [7].

Границы изучения ИГУ МПИ (область взаимодействия в системе «горнодобывающее сооружение – геологическая среда») на стадии разведки должны учитывать способ отработки, форму и размеры депрессионной воронки, размеры и параметры мульды сдвижения, границы влияния буровзрывных работ и других частных особенностей проекта всей горнодобывающей инфраструктуры.

При отработке месторождения открытым способом в горизонтальной плоскости границы изучения МПИ не ограничиваются областью утвержденных промышленных запасов полезного ископаемого, т.к. при отработке месторождений в область взаимодействия будет вовлечен массив пород, пространственные размеры которого могут значительно превышать область извлекаемых запасов.

Для расчета положения границы изучения ИГУ можно воспользоваться формулой 1 [8]:

, (1)

где L – граница изучения ИГУ месторождений;

Н – предполагаемая глубина отработки, м;

 - ориентировочный угол наклона борта карьера, град.;

b – ширина призмы возможного обрушения борта по поверхности, м.

При подземном способе отработки площадь изучения определяется площадью шахтных полей и величинами углов сдвижения над выработанным пространством (наиболее вероятное значение угла сдвижения – 45 °). В вертикальной плоскости изучение ограничивается областью взаимодействия горного сооружения.

Приведенные выше оценки границы ОВ могут быть существенно уточнены на III-ей стадии изучения МПИ (см. табл. 1) после детализации модели ПТС и дополнения ее физико-механическими параметрами в необходимом объеме и качестве оценок. На этом этапе изучения ИГУ уже возможно эффективное применение специализированных технологий численного моделирования компонент напряженно-деформированного состояния массива при том или ином варианте проекта горной выработки.  В результате такого моделирования могут быть получены данные о границе мульды сдвижения дневной поверхности в окрестности горной выработки (открытого или подземного типов), величин компонент деформаций, контура депрессионной воронки и др. важных параметров, совокупность которых позволит объективно оценит внешний контур ОВ.

В период эксплуатационной разведки, проводимой перед началом строительства (в период строительства), с целью повышения степени разведанности запасов полезных ископаемых, объектами изучения являются наиболее ответственные участки: траншеи, нерабочие борта, призма возможного обрушения, участки изменения напряженно-деформированного состояния (НДС), мульды сдвижения. Границы территории размещения таких участков, получаемые по данным прогноза, и являются границами проведения инженерно-геологических работ.

Таким образом, оптимизация процесса получения информации об ИГУ МПИ достигается тогда, когда эти процессы синхронизированы с этапами проведения геологоразведочных работ, а также определены границами функционирования ПТС. Кроме того границы функционирования ПТС не определяются площадью распространения полезного ископаемого, а зависят от способа отработки месторождения, формы и размеров депрессионной воронки, размеров и параметров мульды сдвижения, границы влияния буровзрывных работ и других частных особенностей проекта всей горнодобывающей инфраструктуры.

Литература

1. Бондарик Г.К., Ярг Л.А. Инженерно-геологические изыскания. – М.: КДУ, 2007. – 424 с.
2. Абатурова И.В. Оценка и прогноз инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых горно-складчатых областей. – Екатеринбург: типография «Уральский центр академического обслуживания» / науч. редактор О.Н. Грязнов – 2011. – 320 с. (монография).
3. Бабушкин В.Д., Пересунько Д.И. Изучение гидрогеологических и инженерно-геологических условий при разведке и освоении месторождений твердых полезных ископаемых. – М.: Недра, 1969. – 408 с.
4. Бондарик Г.К. Методика инженерно-геологических исследований. – М.: Недра, 1986. – 333 с.
5. Инструкция по изучению инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых при их разведке. – М.: Недра, 1975. – 51 с.
6. Кузькин В.И., Ярг Л.А., Кочетков М.В. Методическое руководство по изучению инженерно-геологических условий рудных месторождений при разведке. – М., 2001. – 153 с.
7. Абатурова И.В., Стороженко Л.А., Петрова И.Г., Королева И.А. Прогноз изменения компонентов инженерно-геологических условий при разработке месторождений полезных ископаемых в криолитозоне // Горный журнал. Руда и металлы – 2015, № 9. doi: 10.17580/ gzh.2015.09.04
8. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. – М.: Недра, 1965. – 377 с.

 

References

1. Bondarik G.K., Jarg L.A. Inzhenerno-geologicheskie izyskanija. – M.: KDU, 2007. – 424 s.
2. Abaturova I.V. Ocenka i prognoz inzhenerno-geologicheskih uslovij mestorozhdenij tverdyh poleznyh iskopaemyh gorno-skladchatyh oblastej. – Ekaterinburg: tipografija «Ural'skij centr akademicheskogo obsluzhivanija» / nauch. redaktor O.N. Grjaznov – 2011. – 320 s. (monografija).
3. Babushkin V.D., Peresun'ko D.I. Izuchenie gidrogeologicheskih i inzhenerno-geologicheskih uslovij pri razvedke i osvoenii mestorozhdenij tverdyh poleznyh iskopaemyh. – M.: Nedra, 1969. – 408 s.
4. Bondarik G.K. Metodika inzhenerno-geologicheskih issledovanij. – M.: Nedra, 1986. – 333 s.
5. Instrukcija po izucheniju inzhenerno-geologicheskih uslovij mestorozhdenij tverdyh poleznyh iskopaemyh pri ih razvedke. – M.: Nedra, 1975. – 51 s.
6. Kuz'kin V.I., Jarg L.A., Kochetkov M.V. Metodicheskoe rukovodstvo po izucheniju inzhenerno-geologicheskih uslovij rudnyh mestorozhdenij pri razvedke. – M., 2001. – 153 s.
7. Abaturova I.V., Storozhenko L.A., Petrova I.G., Koroleva I.A. Prognoz izmenenija komponentov inzhenerno-geologicheskih uslovij pri razrabotke mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh v kriolitozone // Gornyj zhurnal. Ruda i metally – 2015, № 9. doi: 10.17580/ gzh.2015.09.04
8. Fisenko G.L. Ustojchivost' bortov kar'erov i otvalov. – M.: Nedra, 1965. – 377 s.