Методика и компьютерная технология трехмерного моделирования плоскостей ослабления породного массива на примере Ковдорского месторождения магнетит-апатитовых руд

В настоящее время внедрение геоинформационных систем в горнодобывающую промышленность является одним из наиболее эффективных методов оптимизации производства, позволяющих существенно сократить сроки и повысить качество обработки первичной геологической информации. Одной из важнейших прикладных задач геологии, решение которой требует использования информационных технологий, является пространственное моделирование сместителей разрывных нарушений различных порядков для оценки их взаимодействия между собой, геологической средой месторождения и горными выработками. Трехмерные геолого-структурные модели обеспечивают возможность оперативного учета необходимого объема первичных геологических данных для решения задач горного проектирования, безопасной эксплуатации месторождений и планирования горных работ.

В рамках развития геолого-структурного модуля системы ГИС ГЕОМИКС[1], для работы по созданию геолого-структурной модели Ковдорского апатит-магнетитового месторождения[2], выполнена разработка инструмента трехмерного каркасного моделирования разрывных нарушений, основанного на использовании пространственных координат точек, лежащих на поверхности сместителя и значениях натурных или дистанционных замеров азимутов и углов падения в этих точках.

Необходимый набор первичной информации, которая используется для построений, включает координаты точки измерения, значения азимута и угла падения, мощность и протяженность разрывных нарушений и может быть получен следующими способами:

• Геолого-структурное картирование поверхностей горных выработок. При измерениях азимутов и углов падения посредством горного компаса или гироскопического трещиномера (в магнитных средах), точные координаты места замера необходимо фиксировать с помощью тахеометрической съемки или GNSS-ровера.
• Выполнение дистанционных лазерных измерений. Суть данной методики заключается в получении облака точек, лежащих на обнаженных плоскостях разрывных нарушений, с помощью лазерного сканера [4] или тахеометра. Аппроксимация достаточно большого количества точек позволяет нивелировать волнистость и изгибы поверхности при определении элементов залегания, что, зачастую, повышает точность замеров по сравнению с единичными натурными измерениями.
• Дешифрирование фотограмметрических моделей горных выработок или естественного рельефа позволяет с высокой точностью геометризовать трассы крупных разрывных нарушений по их видимому следу или по характерным признакам (видимые смещения контактов горных пород или даек, активные водопроявления и т.д.). При использовании данной методики исходными данными для моделирования являются узловые точки ломаных, построенных по текстурированной трехмерной модели местности.
• Геологическая документация керна скважин. Для исследования структуры скального массива предпочтительно выполнение бурения с ориентированным отбором керна, позволяющего определить, помимо координатной привязки, значения азимутально-угловых характеристик плоскостей ослабления массива. Однако, анализ описательных данных разведочных скважин и интервалов с аномально низкими значениями выхода керна также может дать информацию о пространственном положении крупных разрывных нарушений.
• Видеометрические исследования стенок стволов скважин позволяют получить информацию о позиции и элементах залегания тектонических зон ослабления породного массива в ненарушенных условиях, что обеспечивает большую точность, по сравнению с описанием кернового материала.

Полученные характеристики разрывов систематизируются в базе данных геолого-структурного модуля ГИС ГЕОМИКС (Рис. 1). Это позволяет впоследствии выполнять статистический анализ, визуализировать выбранную информацию на разрезах, планах или в 3D для интерпретации протяженных разрывных нарушений путем трассирования следов сечения дневной поверхности плоскостями ослабления массива. Построение трассы следа разлома в виде ломаной линии позволяет получить координаты дополнительных точек, участвующие в формировании плоскости сместителя.

Рисунок 1 – Принципиальная схема построения трехмерных плоскостей разрывных нарушений в геолого-структурном модуле ГИС ГЕОМИКС (варианты использования первичной информации показаны разными типами стрелок)

На следующем этапе происходит отбор необходимой информации для построения конкретного разрывного нарушения. Для решения этой задачи специалист формирует в редакторе разломов таблицу, содержащую максимально полное количество имеющихся данных. Эта операция выполняется с использованием следующих функций редактора:

1. Запрос к геолого-структурной БД по идентификатору разрывного нарушения, результатом обработки которого является таблица, содержащая координатную информацию и значения замеров структурных элементов.
2. Создание выборки данных из геологической БД, позволяющей добавлять в редактор разломов информацию о тектонический зонах, задокументированных при описании керна, в виде координат середин интервалов описания.
3. Добавление точек ломаной линии следа трассы разлома из картографического редактора.
4. Добавление координат облаков точек, лежащих на обнаженных плоскостях разрывного нарушения.

Формирование таблицы подразумевает создание любой комбинации вышеперечисленных данных, при этом значения полей «Азимут падения» и «Угол падения» для точек, ломаных линий или облака точек будет рассчитано автоматически путем аппроксимации усредняющей плоскости.

Анализ структурной обстановки прибортового массива карьера рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» позволил условно разделить все задокументированные разрывы на 2 группы, требующие принципиально разных подходов к построению каркасных моделей сместителей.

Первая группа представлена рядом крупных наклонных разрывов с падением в сторону выемки, зафиксированных по данным описания керна инженерно-геологических скважин. Проявления некоторых разломов этой группы также фиксируются и в откосах уступов карьера.

Во вторую группу вошли субвертикальные, крутопадающие и наклонные разломы, преимущественно, радиальной системы, прослеженные по поверхности откосов уступов.

Для моделирования разрывов первой группы использовался алгоритм, основанный на построении поверхности сместителя путем создания равномерной гексагональной сетки, параметры которой (шаг, размер окна запроса, правила выбора точек и степень их влияния, границы построения) задаются пользователем исходя из количества, качества, равномерности и плотности распределения исходных данных (рис. 2).

Рисунок 2 – Параметры регулярной сетки

Построение начинается с формирования сетки в виде аппроксимирующей плоскости, пространственно сориентированной по осредненному значению замеров элементов залегания (или только по координатам точек, лежащих на поверхности разлома). Затем, с учетом расстояния и заданной степени влияния точек, пересчитываются высотные отметки узлов сетки. На этом этапе формируется сложная поверхность сместителя разлома, степень детализации которой зависит от плотности распределения в пространстве исходных данных (рис. 3).

Рисунок 3 – Разломы, построенные по данным скважин и замеров на поверхности уступов

Данный способ предпочтителен в использовании при построениях моделей линейных разломов на основе сочетания различных типов данных (замеры на поверхности горных выработок, скважинные данные, облака точек). Основным преимуществом данного метода является возможность экстраполяции модели разрыва на значительные расстояния в плане или по глубине с сохранением генерального направления падения, рассчитанного на основании всей участвующей в построении информации. При этом, в областях, насыщенных данными, сохраняются локальные искривления поверхности сместителя.

Для моделирования разломов, отнесенных ко второй группе, разработан алгоритм построения детализированной поверхности сместителя на основании информации, полученной при изучении поверхности откосов уступов карьера. В этом случае точки замеров, содержащие измеренные значения азимута и угла падения используются в качестве управляющих. Для каждой управляющей точки в заданных пользователем границах высотных отметок отстраиваются опорные линии, лежащие на векторе, сориентированном согласно соответствующим значениям элементов залегания. Для каждой подчиненной точки (узла ломанной линии трассы следа пересечения разрывного нарушения и поверхности карьера [3]), не содержащей значений замера элементов залегания, путем интерполяции между ближайшими управляющими точками, рассчитываются величины азимута и угла падения и так же отстраиваются опорные линии. Полученный таким образом набор опорных линий триангулируется, образуя TIN-поверхность сместителя разрывного нарушения. Преимуществом этого метода является возможность построения сместителей разрывных нарушений нелинейных форм (кольцевые, дуговые и др.). Использование этого способа позволило выполнить построения характерных для Ковдорского месторождения «виляющих» субвертикальных радиальных разломов с изменением азимута падения на 180⁰ (рис. 4).

Рисунок 4 – Разлом, построенный по данным замеров на поверхности уступов

Также, в редакторе разломов геолого-структурного модуля ГИС ГЕОМИКС, реализовано построение плоскостей разрывных нарушений по единичным замерам (рис. 5).

Рисунок 5 – Построение разрывных нарушений по единичным замерам а – по данным изучения откосов уступов карьера; б – по данным документации керна инженерно-геологических скважин

В этом случае плоскость ослабления массива формируется в виде диска с точкой замера в центре. Диаметр диска задается пользователем, либо определяется автоматически при заполненном поле «протяженность» в геолого-структурной БД.

Построенные поверхности сместителей разрывных нарушений автоматически сохраняются в проект редактора каркасов ГИС ГЕОМИКС и, при необходимости, выполняется редактирование модели каждого разрыва в ручном режиме.

Выводы:

• Представленная информационная технология в процессе моделирования позволяет комбинировать различные типы исходной информации.
• Построение каркасных моделей разрывов происходит в автоматическом режиме, на основе выбранных данных с возможностью дальнейшего редактирования в ручном режиме.
• Разработаны 2 различных алгоритма построения поверхностей сместителей крупных разрывных нарушений.
• Реализована функция построения разрывных нарушений низких порядков по данным единичного замера.
• Апробация технологии моделирования разломов в ГИС ГЕОМИКС успешно произведена в рамках выполненной работы по построению геолого-структурной модели Ковдорского месторождения апатит-магнетитовых руд [2].

Литература

1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2004612469 Горно-геологическая информационная система ГЕОМИКС (ГИС ГЕОМИКС). 9.11.2004г.
2. «Внедрение каркасной геолого-структурной модели породного комплекса месторождений МАР и АШР в пределах горных отводов по лицензиям МУР00901ТЭ и МУР00899ТЭ» Отчет о НИР/ ОАО «ВИОГЕМ», руководитель работы Овсянников А.Н. – Белгород, 2018г.
3. Дунаев В.А., Игнатенко И.М., Кабелко С.Г., Яницкий Е.Б. Компьютерная технология трассирования следа пересечения трещины с поверхностью карьера для решения геолого-структурных задач. Горный инф.-аналит. бюлл., 2011, №4, с.71-74.
4. Серый С.С., Агарков И.Б., Коновалов А.В., Агарков Н.Б. Дистанционная оценка ориентировки трещин в откосах уступов карьера с использованием лазерного сканера. – Маркшейдерия и недропользование. Вып. 3(83) – Москва, 2016. – С. 54-57.