Оптимальные параметры сети эксплуатационной разведки Ковдорского апатит-штаффелитового месторождения

Ковдорское апатит-штаффелитовое месторождение приурочено к западному контакту Ковдорского массива ультраосновных и щелочных пород девонского возраста, залегающему в толще метаморфитов (преимущественно гнейсов) верхнего архея. В окружении массива по гнейсам образовались фениты. Месторождение имеет остаточно-инфильтрационный генезис и залегает в мел-палеогеновой коре выветривания апатитсодержащих карбонатитов, а также вмещающих их метаморфитов и фенитов. Детальная разведка апатит-штаффелитового месторождения выполнена в 1973-77 гг. с подсчётом запасов по бортовому содержанию Р₂О₅ 6%. В 2009-2013 гг. выполнена доразведка месторождения с подсчётом и утверждением запасов в ГКЗ РФ. Запасы подсчитаны по бортовому содержанию Р₂О₅ 4%. В настоящее время начата открытая разработка месторождения.

Протяжённость рудной залежи 3,4 км при изменчивой ширине (20-200 м). Конфигурация залежи в плане неполнокольцевая с чётко проявленными прямолинейными элементами северо-восточного и северо-западного простирания, сочленение которых обусловило её ломаный контур. В направлении с северо-западного фланга залежи выделяются четыре участка, на стыке которых меняется её простирание: А-Б, Б-В, В-Г, Г-Д (рис.1). В целом форма залежи сложная из-за наличия выступов, апофиз, пережимов и раздувов, расщепления на ряд рукавов. Фрагменты залежи, контролируемые типичными дайками карбонатитов, представлены относительно маломощными крутопадающими пластообразными телами. В крупных телах карбонатитов форма залежи плащеобразная с желобовидной подошвой. Глубина развития фосфатного оруденения 20-200 м, средняя 100 м. Руды месторождения по содержанию P₂O₅ разделяются на богатые (>18%) и бедные разновидности (<18%) при явном преобладании последних (66%). Границы между различными типами руд по их минеральному составу и физическому состоянию нечёткие и сильно изменчивые.

Сложность строения апатит-штаффелитового месторождения, изменчивость содержания полезного компонента определяют необходимость эксплуатационной разведки.

Эксплуатационная разведка по целевому назначению разделяется на опережающую и сопровождающую добычу полезного ископаемого  [1]. Опережающая эксплуатационная разведка призвана обеспечить достоверной геологической информацией текущее (годовое, квартальное, месячное) планирование деятельности горного предприятия. Сопровождающая эксплуатационная разведка проводится одновременно с добычными работами, и её целевое назначение при открытой разработке месторождений заключается в обеспечении достоверной геологической информацией оперативного планирования добычи руд, их внутрикарьерного усреднения,  расчёта потерь и разубоживания минерального сырья. По сути, это эксплуатационное опробование буровзрывных блоков.

Рис.1. Геологическая карта Ковдорского апатит-таффелитового месторождения. По Б.И. Сулимову (1977г.) с разрядкой и дополнениями авторов 1 – карбонатиты; 2 – карбонатиты, насыщенные ксенолитами фенитов и фенитизированных гнейсов; 3 – фениты и фенитизированные гнейсы; 4 – ийолиты; 5 – апатит-форстерит-магнетитовые и маложелезистые апатит-форстеритовые руды; 6-8 – апатит-франколитовые руды; 6 – богатые, 7 – рядовые; 8 – граница залежи апатит-штаффелитовых руд; 9 – граница между различными типами пород и руд; 10 – граница карьера рудника «Железный»; 11 – опорные точки границ участков АБ, БВ, ВГ, ГД; 12 – разведочные профили и их номера (показаны выборочно для иллюстрации их ориентировки на различных участках); 13 – контур участка залежи, разведанного по категории В; 14 – контур участка отбора опытно-промышленной пробы

Задача опережающей эксплуатационной разведки (далее просто «эксплуатационная разведка») заключается в уточнении контуров и внутреннего строения рудной залежи с целью повышения достоверности оценки качества руд, т.е. содержания в них основного извлекаемого компонента Р₂О₅. Как правило, скважины эксплуатационной разведки вписываются в уже созданную в процессе детальной разведки сеть с учётом анизотропии разведуемых недр и соблюдением принципа равномерности [2]. Обычно выполняют двойное сгущение относительно плотности сети по наиболее высокой категории разведанных запасов.

Для обоснования сети эксплуатационной разведки выполним оценку анизотропии внутреннего строения рудной залежи палеточным способом с расчётом средней изменчивости (I) и показателя анизотропии (А) по формулам [3]:

где n  – количество в контуре залежи контактов между различными типами руд и пород, пересекаемых одной линией; l – длина одной линии; I_max, I_min – направления наибольшей и наименьшей изменчивости соответственно.

Значения показателя анизотропии рассчитаны по участкам: Западному (А-Б), Юго-Западному (Б-В) и Юго-восточному (В-Г) и составили 1,73; 2,21; 1,93 соответственно. Среднее значение показателя анизотропии составляет 1,96. Учитывая, что значительная часть Восточного участка (Г-Д) расположена в контуре карьера рудника «Железный», представляется целесообразным в целом для рудной залежи в границах апатит-штаффелитового карьера принять значение показателя анизотропии её внутреннего строения, равное 2,0.

Изменчивость содержания Р₂О₅ оценена геостатистическим методом как отношение установленных на вариаграммах длин зон влияния проб по простиранию и вкрест простирания рудной залежи. Коэффициент анизотропии изменчивости содержания Р₂О₅ составил 2,7 [4].

Таким образом, залежь фосфатных руд Ковдорского месторождения обладает явно выраженной анизотропией изменчивости внутреннего строения и содержания в ней основного полезного компонента Р₂О₅ (вкрест её простирания эта изменчивость как минимум в два раза больше, чем по простиранию).

Рассмотрим существующую разведочную сеть. В процессе детальной разведки участок «А» компактного размещения оруденения на западном фланге месторождения (см. рис.1) разведан по сети в среднем 50 м (расстояние между профилями) на 25 м (расстояние между скважинами в профиле) с подсчётом запасов по категории В, а остальная часть месторождения по сети 100×25 м соответственно с подсчётом запасов категории С₁, в единичных блоках – С₂. При проведении доразведки сеть профилей по всему месторождению, за исключением участка Г-Д, сгущена в два раза с бурением скважин в новых профилях в среднем через 40 м. Таким образом, получена неравномерная сеть, представленная чередованием профилей с плотностью скважин в среднем 25 и 40 метров через 25 м на участке «А» (запасы кат. В) и через 50 м на остальной части месторождения (запасы кат. С₁, С₂).

Размер элементарной ячейки сети эксплуатационной разведки с учётом выполненной оценки анизотропии фосфатного оруденения и соблюдения принципа равномерности составит 25×12,5 (13) м. В результате на участке запасов категории В расстояние между скважинами в профилях детальной разведки будет равно в среднем 12,5 м, а в профилях доразведки – 13 м. На остальной площади месторождения сеть существующих профилей сгущается в два раза, а расстояние между скважинами в профилях – до 12,5-13 м. Размещение скважин эксплуатационной разведки в плане осуществляется с учётом установленных контуров залежи и необходимости их уточнения на тех или иных участках месторождения.

Экспериментальное обоснование геометрии и плотности скважин эксплуатационной разведки проведено на участке отбора в 2001 г. крупнотоннажной опытно-промышленной пробы. Участок вытянут в северо-восточном направлении размером 90×135 м (см. рис.1). Бурение на участке выполнено станком СБШ-250МН с шарошечным долотом диаметром 250,8 мм по сети в среднем 6,5×6,5 м с отбором проб из шлейфа отложения шлама. Обоснование сети заключалось в оценке погрешности определения площади и среднего содержания Р₂О₅ в контурах богатых и бедных руд, установленных в границах опытного участка по сети 50×25 м (детальная разведка), 25×25; 40 м (доразведка), 25×25 м и 25×12,5 м (табл.). Для реализации двух последних вариантов сети использованы данные опробования шарошечных скважин, позиция которых совпадала (+1-2м) с узлами сети. Эталоном для сравнения служили значения указанных выше параметров, оценённые по всей совокупности пробуренных и опробованных шарошечных скважин.

Установлено, что по мере сгущения разведочной сети закономерно уменьшаются погрешности оценки этих параметров, а при сети 25×12,5 м они достигают минимума и, относительно предшествующего варианта сети (25×25 м), снижаются в разы. При этом погрешность определения среднего содержания Р₂О₅ существенно ниже установленного технологическим регламентом критериального значения погрешности оценки качества поступающей на обогащение руды (+10% отн.). Таким образом, опережающая эксплуатационная разведка месторождения должна выполняться по сети 25×12,5 (13) м (расстояние между профилями 25 м, а между скважинами 12,5 (13)м).

Таблица. Погрешность определения (% отн.) в контуре эталонного участка площади рудной залежи (S) и среднего содержания Р₂О₅ (С) в зависимости от плотности сети опробования:

Сопровождающая эксплуатационная разведка (эксплуатационное опробование) при открытой добыче минерального сырья в методическом плане включает два основных компонента: опробование взрывных скважин и плотность его сети. Поскольку особенности вещественного состава апатит-штаффелитовых руд Ковдорского месторождения делают невозможным применение геофизических способов опробования взрывных скважин, авторами была разработана и экспериментально обоснована на этом месторождении методика опробования шлейфа отложения шлама взрывных скважин диаметром 250 мм с использованием для их бурения станков Atlas Copco, предусмотренных проектом промышленного освоения месторождения. Эта методика подробно изложена в работе [5]. Суть её сводится к следующему. С помощью изготовленных из металлического уголка трафаретов намечаются места отбора частных проб из представительного кольца конусовидного шлейфа или линейного сечения вытянутого шлейфа (рис.2). Отбор частных точечных проб производится в летний период пробоотборником РПШ, а в зимний – цилиндрическим буром; например, Silo Bürkle (Германия). Материал частных проб по скважине объединяется в одну пробу, направляемую на обработку и химический анализ.

Плотность сети опробования взрывных скважин определена следующим образом. Для упомянутого выше участка отбора опытно-промышленной пробы, разбуренного по сети, плотность которой соответствует предусмотренной проектом разработки месторождения, по данным опробования 278 шарошечных скважин вычислен коэффициент вариации (V) содержания Р₂О₅ (54,88%). Затем с учётом полученного значения V выполнен расчёт числа проб, т.е. опробованных скважин (n), обеспечивающих оценку среднего содержания Р₂О₅ с приемлемой погрешностью (р), равной 10% отн., и коэффициентом вероятности погрешности t, равным 1,96 (для вероятности 95%), по формуле: n=V²·t²/p² [6].

Рис.2. Схема расположения точечных проб в конусовидном (а) и удлинённом (б) шлейфах отложения шлама

Полученное значение «n», равное 116 скважинам, формально указывает на возможность разрежения сети опробования взрывных скважин. Однако требование сохранения равномерности сети опробования взрывных скважин, вытекающее из невозможности учёта анизотропии изменчивости содержания Р₂О₅ во взрывном блоке до его опробования, допускает разрежение сети опробования взрывных скважин только через ряд и через скважину в ряду. В этом случае число скважин, подлежащих опробованию, сокращается до 73, что на 43 скважины меньше их расчётного числа (116). Отсюда следует, что в процессе эксплуатации апатит-штаффелитового месторождения опробованию подлежит каждая взрывная скважина, пробуренная по рудной залежи и в непосредственной близости от неё. Сказанное подтверждается также расчётом расстояния между пробами (l, м) при известном значении коэффициента вариации содержания полезного компонента (V) по эмпирической формуле l=200/V, в основу которой положен большой фактический материал по месторождениям с различной степенью изменчивости оруденения [7]. В нашем случае «l» равно 3,64 м, т.е. не превышает расстояние между взрывными скважинами.

Основные выводы:

1. С учётом изменчивости и анизотропии фосфатного оруденения, геометрии и плотности сети разведки рудной залежи для подсчёта запасов категории В параметры сети опережающей эксплуатационной разведки Ковдорского апатит-штаффелитового месторождения составят: между профилями 25 м, а между скважинами в профилях 12,5 (13) м. Оптимальность указанных параметров экспериментально обоснована на примере эталонного участка отбора опытно-промышленной пробы размером 90×135 м, разбуренного шарошечными скважинами и опробованным по сети в среднем 6,5×6,5 м.
2. Сопровождающая эксплуатационная разведка (эксплуатационное опробование) рассматриваемого месторождения будет заключаться в опробовании по разработанной авторами методике [5] шлейфа выноса шлама каждой буровзрывной скважины в контуре рудной залежи и её непосредственном окружении.

Данная статья опубликована в материалах 14-го междун. симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях». – Белгород, 21-24 мая, 2019 г., с.132-140.

Литература

1. Каждан А.Б. Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых. Производство геологоразведочных работ: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1985. – 288 с.
2. Четвериков Л.И. Теоретические основы разведки недр. – М.: Недра, 1984. – 156 с.
3. Четвериков Л.И. Оценка анизотропии геологических объектов // Вест. Воронеж. ун-та. Сер. Геология, вып. 9, 2000. – с.26-31.
4. Никулин В.М., Быховец А.Н. Оценка степени разведанности и изменчивости оруденения Ковдорского апатит-штаффелитового месторождения // ГИАБ, 2008, №3, с. 85-90.
5. Дунаев В.А, Яницкий Е.Б. Методика опробования шлама буровзрывных скважин при открытой разработке Ковдорского апатит-штаффелитового месторождения // Изв. вузов. Геология и разведка, 2014, №1, с.30-35.
6. Задачник для лабораторных занятий по курсу «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых». Под ред. Е.О. Погребицкого – М.: Недра, 1975. – 216 с.
7. Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых: Учебник для вузов. Под ред. В.В. Авдонина. – М.: Академический Проект, Фонд «Мир», 2007. – 540 с.