Элементы морфологии и свойства рудных тел
Крайнее разнообразие форм рудных тел, известных в результате их разведки и эксплуатации, можно классифицировать по различным признакам. По отношению к залеганию вмещающих горных пород рудные тела можно разделить на три группы: согласные, секущие и контактовые [4]. Их размерив трех взаимно перпендикулярных направлениях (длина, ширина, мощность), обозначаемые строчными (д, ш, м) или заглавными буквами (Д, Ш, М) в зависимости от относительной величины этих параметров, дают следующие морфологические типы рудных тел:
Эти морфологические типы могут быть ориентированы в пространстве прежде всего по отношению к горизонтальной дневной поверхности различным образом. Это имеет важнейшее значение для выбора наиболее целесообразной разведочной сети. Поэтому можно предложить другую классификацию рудных тел, в основу которой приняты элементы залегания рудных тел, положение последних в пространстве и системы их разведки (табл. 27).
К рудным телам первой группы относятся горизонтально лежащие пласты и пластообразные заложи, а также рудные тела, образовавшиеся в площадной древней коре выветривания. Вторую группу представляют наклонно залегающие пласты, рудные жилы и минерализованные зоны смятия, колчеданные линзы и аллювиальные россыпи. К третьей группе относятся все остальные более сложные формы рудных тел, которые но могут быть включены в первую или вторую группы.
Математической пространственной моделью многих рудных тел с некоторым приближением может быть принят трехосный эллипсоид с полуосями g>m>р1. Изменяя отношения размеров ого полуосей, можно подобрать форму и размеры эллипсоида в качестве геометрической модели конкретного рудного тела. Меняя ориентировку полуосей эллипсоида в пространстве, можно определить три важнейших элемента залегания рудного тела: простирание, падение и склонение (рис. 14).
Важнейшим элементом является ось рудного тела. Ее экстраполяция на глубину показывает направление разведочных работ, а экстраполяция выше дневной поверхности возможные размеры эродированной части рудной залежи. Частным случаем эллипсоида является шар, отличающийся изотропным строением (g=m=p). Однако в природе рудных тел шарообразной формы практически неизвестно.
Характерным признаком рудных тел, приближающихся по форме к трехосному эллипсоиду, является анизотропия их свойств, что имеет большое геологическое значение. Для очень многих рудных тел анизотропия распределения содержания полезного компонента повторяет анизотропию формы рудного тела. Это положение можно признать теоретическим обоснованием рационального размещения разведочной сети, а также сети опробования.
Форма плоского эллипсоида может быть изогнута, если рудное тело согласно залегает в толще слоистых смятых пород. Рудные тела при этом часто занимают замки складок, антиклиналей и синклиналей, а в плане приобретают очертания подковы.
Послерудные смещения часто разбивают форму эллипсоида на отдельные блоки различных очертаний. При этом реконструкции начальной формы трехосного эллипсоида с определением положения его осей в пространстве может подсказать направление разведочных работ. При взаимном пересечении двух рудных тел {например, двух жил) по каждому из них следует реконструировать свой эллипсоид и ориентировать его положение в пространстве.
В пределах объема рудного тела можно выделить обогащенные полезным компонентом участки, рудные столбы. Оси первичных рудных столбов, как правило, параллельны оси рудного тела. Рудные столбы разделяются участками с бедным (а иногда и непромышленным) содержанием полезного компонента. Такие участки бедных руд можно называть «отрицательными рудными столбами». Построение осей рудных столбов и их экстраполяция на нижние горизонты дает возможность рудничному геологу предвидеть поведение рудного тела на более глубоких горизонтах и оперативно руководить их вскрытием.
Погоризонтные планы и вертикальные сечения
Проведение каждой горной выработки или буровой скважины, заданной с целью поисков, разведки или подготовки месторождения и эксплуатации, обязательно должно сопровождаться составлением по ней вертикального геологического разреза вкрест простирания горных пород или рудного тела. На основании разрезов то отдельным выработкам и скважинам составляют сводные геологические разрезы то поисковым или разведочным линиям, а также вертикальные продольные проекции по месторождению.
Геометрическую основу планов, поперечных и продольных геологических разрезов и проекций составляет рудничный маркшейдер в принятом на руднике масштабе (1:200; 1:500; 1:1000; 1:2000; 1:5000). Соотношение горизонтального и вертикального масштабов на разрезах и проекциях, как правило, принимается равным 1:1. Нарушение этого правила влечет за собой искажение углов падения пород и морфологии рудных тел. Исключение из этого правила делается только для горизонтально залегающих пластов, некоторых пластообразных залежей и россыпных месторождений. Вертикальный масштаб в этих случаях принимается в 5—10 раз крупнее горизонтального (например, для разрезов россыпей горизонтальный масштаб 1:2000, а вертикальный масштаб — 1:200), 1олько при этом условии на графиках ограниченного размера можно показать особенности морфологии пласта, залежи или россыпи. На вертикальных геологических разрезах некоторых месторождений, например боксита пли марганца, при одинаковом горизонтальном и вертикальном масштабах под каждой выработкой (скважиной) приводят изображение строения рудного тела, увеличенное в десять раз.
На вертикальных геологических разрезах рудного поля или месторождения следует нанести дневную поверхность, ориентировку по странам света, опорные горизонты по абсолютным отметкам, контуры рудного тела и распределение в нем естественных типов руд, уровень грунтовых вод, границы коры выветривания и зоны окисления, линии осей складок и тектонических смещений.
Дневную поверхность лучше изображать толстой плавно изогнутой сплошной линией черной тушью, прерывая ее на устьях шахт, штолен и шурфов. Над карьерами бывшую топографическую (дневную) поверхность можно изобразить пунктирной линией той же толщины. Линию дневной поверхности можно не показывать на детальных вертикальных разрезах Двух или более рабочих горизонтов подземных горных работ.
На вертикальные геологические разрезы и проекции наносят линии горизонтов тонкими сплошными прямыми линиями, соответствующими положению горизонтальных плоскостей с округленными абсолютными отметками, например, через 100, 50, 20 или 10 м. На одном конце линии указывают их абсолютные отметки со знаком плюс выше и со знаком минус ниже уровня моря, принимаемого за нулевую отметку.
Контуры рудного тела на планах и на разрезах изображают толстой черной линией, сплошной на участках детально разведанных и пунктирной на участках их предполагаемого залегания. На вертикальной продольной проекции контуром служит линия выклинивания рудного тела, где мощность последнего равна нулю или предельной рабочей мощности, например, 1 м. При отсутствии ясно видимых в забоях очертаний рудного тела контурную линию наносят по данным забойного опробования. Для рудных тел, вскрытых эрозией, контурную линию полезно продолжить пунктиром выше современной дневной поверхности, показав этим предполагаемые очертания смытой части рудного тела.
Площадь сечения рудного тела, ограниченную контурной линией на планах или на разрезах, подразделяют на участки, сложенные отдельными естественными типами или промышленными сортами руд. Каждый естественный тип или сорт руд наносят на план (на разрез) особым штриховым условным знаком. Например, массивный магнетит — штриховка по мелкой квадратной сетке, брекчисвидные руды — неправильно рассеянными мелкими треугольниками, маломощные рудные жилы заливают черной тушью.
Геологические границы горных пород удобнее изображать тонким точечным пунктиром черной тушью, а обозначения горных пород — краткими буквенными индексами, например, gd — гранодиорит, qss — кварц-серицитовый сланец, sp — серпентинит, al — аллювий и пр. Для этих же пород, находящихся в коре выветривания, применяют те же обозначения с дополнительным знаком, на пример, gdp — гранодиорит плотный, свежий и gdk — гранодиорит каолинизированный, глубоко выветрелый.
Уровень грунтовых вод на вертикальных разрезах следует изображать тонкой плавной пунктирной линией тушью синего цвета. На конце этой линии той же тушью указывают дату (месяц, год) замера этого уровня.
Границу древней коры выветривания и зоны окисления изображают тонким точечным черным пунктиром, как линию контакта горных пород. Тектонические смещения показывают красной тушью сплошной линией с установленным и пунктиром с предполагаемым залеганием.
На продольной вертикальной проекции вмещающие породы и типы руд обычно не изображают. Вместо них наносят погружение осей складчатости и контуры (линии выклинивания, тектонические обрывы) отдельных рудных тел.
На основании оформленных таким образом вертикальных геологических разрезов можно приступить к составлению погоризонтных геологических планов рудных тел. Эти планы составляются по рабочим горизонтам, ужо вскрытым горными работами или проектируемым для вскрытия. Для карьеров погорнзонтные планы геолог составляет на каждый эксплуатационный слой.
Расположив в последовательном порядке поперечные вертикальные разрезы, переносят с них положение границ рудного тела и контактов пород по каждому горизонту на составляемый план. Полученные на плане точки того или иного контакта соединяют плавной линией.
На погоризонтном плане теми же условными знаками наносят контуры рудных тел, их подразделение на типы или сорта руд, геологические контакты вмещающих пород с их буквенными индексами, тектонические смещения, оси складок и их погружения. В наименовании каждого погоризонтного плана должна быть указана абсолютная отметка того горизонта по которому он составлен.
На планы и разрезы из журналов опробования переносят данные химических анализов проб. На планах и разрезах крупного масштаба (1:200; 1:500) положение проб вдоль штрека наносят тонкой поперечной чертой, против которой на свободном поле указывают номер пробы и в виде дроби: мощность жилы {числитель, черной тушью) и содержание металла (знаменатель, цветной тушью). При разведке пластоообразных залежей или россыпей вертикальными скважинами (шурфами) на планах над знаком шурфа (скважины) ставят его номер, внизу общую глубину, слева — мощность руды (пласта), справа содержание металла на указанную мощность. При дражной добыче россыпи мощность пласта слева не ставят и содержание металла определяется на всю глубину скважины (турфа). На планах и разрезах мелкого масштаба (1: 500; 1:1000) против положения проб указывают только номер, а данные опробования (иногда на ряд компонентов) помещают в виде таблицы на свободном поле плана (разреза).
Метод изолиний и его применение
Применение метода изолинии к решению конкретных задач геологоразведочного и горного дела разработано выдающимся деятелем маркшейдерии и основателем новой науки — геометрии недр профессором Свердловского горного института П. К. Соболевским. Пользуясь методом изолиний, графически изображают формы геологических структур и рудных тел, свойства рудных тел (мощность, распределение металла в рудном теле) о различные процессы (например, оседание дневной поверхности над горными выработками), а также решают многие практические задачи разведки и эксплуатации месторождений.
Для изображения форм рудных тел или подземных поверхностей применяют изогипсы (подземные горизонтали). Это .линии пересечения указанных поверхностей с горизонтальными плоскостями, расположенными но абсолютным отметкам на одинаковом между ними расстоянии. Для изображения некоторых свойств, например, мощности или металлоносности рудного тела применяются изолинии мощности и изолинии содержания металла.
Метод изолиний позволяет получить вероятное значение данной величины в любой точке разведанного поля путем интерполяции между изолиниями. Эта особенность широко используется при проектировании горных и разведочных работ, а также при производстве подсчета запасов по методу изолиний. Вторым важным достоинством метода изолиний является возможность определения вероятного значения данной величины за пределами разведанного поля путем экстраполяции изолиний. Это дает возможность научного предвидения, геологического прогноза поведения рудного тела и его важнейших свойств (мощности и содержания металла) на проектируемом более глубоком горизонте горных работ.
Изолинии содержания металла можно проводить как по индивидуальным, так и по групповым забойным пробам. Для получения практически важных выводов необходимо, однако, чтобы исходные для построения изолиний данные обладали хорошей представительностью. Под представительностью пробы понимают степень соответствия содержания компонента в пробе содержанию его в той части рудного тела, которая определяется сферой влияния данной пробы.
Исследования вопроса о представительности проб показывают, что индивидуальные забойные химические пробы можно считать вполне представительными только для некоторых весьма равномерных месторождений I группы. В месторождениях II—V групп отдельно взятые забойные пробы не могут быть признаны представительными. Поэтому построенные на них изолинии содержания не дают достоверной картины распределения металла в месторождении.
Использование анализов индивидуальных забойных проб для построения изолиний содержания к месторождениях II—V групп надо признать неправильным. Оно влечет за собой крайне трудоемкую работу по вычерчиванию многочисленных изолиний сложной топографической поверхности с разбросанными по ней мелкими пятнами высоких концентраций («мелкосопочный рельеф»}. Эти мелкие пятна богатых проб искажают более общие и более простые закономерности распределения металла в рудных телах, затрудняют геологическую интерпретацию полученной графики и могут даже привести к неправильным практическим выводам.
Групповые забойные пробы, наоборот, обладают высокой представительностью для очень многих месторождений цветных, ценных и редких металлов.
По способу объединения отдельных забойных проб групповые пробы могут быть линейными или площадными. Линейные групповые пробы удобно применять в подземных горных выработках вдоль опробованных штреков или ортов рабочих горизонтов. Площадные групповые пробы могут быть выделены только в очистных горных работах путем объединения нескольких отдельных проб в пределах опробованного очистного пространства.
Количество отдельных проб, объединяемых в одну линейную или площадную групповую пробу, может колебаться от 5—10 до 20—40. Таким образом, длина линейной групповой пробы охватывает от 10 до 50—60 м длины штрека (длина одного блока). Площадная групповая проба занимает примерно от 1/10 до всей площади выработанного блока.
Содержание металла в групповой пробе определяется как среднее арифметическое из содержаний в отдельных пробах, входящих в данную групповую пробу. Значения содержаний групповых проб графически относятся к центру их сферы влияния (линии, площади).
При установлении сфер влияния групповых проб на плане или на продольной проекции рудного тела не должно быть формального оторванного от геологических факторов подхода. Центры групповых проб и радиусы их влияния в разных направлениях должны определяться только геологическими факторами. Нельзя, например, распространять сферу влияния групповой пробы за плоскость хотя бы и небольшого смещения рудного тела или за контур установленного опробованием рудного столба.
При более или менее выдержанном залегании рудного тела и отсутствии резких колебаний в содержании металла сферы влияния групповых проб можно принимать стандартными для данного месторождения (например, до 20 м вдоль штрека или 10X10=100 м2 в очистной выработке).
Для выяснения наиболее существенных особенностей распределения металла в рудном теле достаточно иметь 20—40 рационально отобранных групповых проб. Они дадут ту же картину распределения металла, что и 70—100 более мелких групповых проб. Это укрупнение групповых проб при геометризации месторождений можно производить в пределах одного эксплуатационного блока. Мелкие детали распределения металла в рудном теле, конечно, здесь исчезают, но они в пе имеют решающей роли для практики ведения горных работ, а сама геометризация металлоносности здесь значительно упрощается и ускоряется.
Каждый рудничный геолог и маркшейдер обязаны хорошо освоить метод изолиний. Применение его к решению важнейших задач горного и геологоразведочного дела изложено в учебных пособиях по горной геометрии. Много примеров применения метода изолиний в рудничной геологической практике приведено в книге А. В. Королева и П. А. Шехтмана [4].
Показатель интенсивности металлического оруденения
Форма обогащенных металлом участков в жильных месторождениях {рудных столбов) хорошо выявляется геометризацией с помощью изолиний содержания. В одном и том же месторождении отдельные рудные столбы могут заметно отличаться друг от друга по степени концентрации металла. Для сравнения этой концентрации по отдельным участкам (блокам) введено понятие о показателе интенсивности оруденения.
Среднее содержание металла в пределах рудного столба (блока) можно Припять но групповой (линейной или площадной) пробе, полученной из ряда смежных частных проб. Для определения степени концентрации металла найденное для рудного столба (блока) среднее содержание необходимо отнести к какой-то постоянной величине, характерной для данного рудного тела в целом. Такой постоянной величиной может быть среднее валовое содержание металла. Оно равно среднему арифметическому из суммы анализов всех забойных проб рудного тела, вскрытого разведочными и подготовительными горными выработками.
В колчеданных месторождениях с резко выраженной вторичной зональностью содержание металла определяют только по сульфидным рудам без учета проб из железных шляп. В жильных месторождениях нет резкой границы между окисленными и первичными рудами; среднее валовое содержание здесь определяют по сумме всех проб.
Общее количество забойных проб N за несколько лет разведки и эксплуатации месторождения составляет тысячи. Эти пробы можно рассматривать как ряд наблюдений, из которых среднее содержание металла может быть определено с высокой степенью точности. Например, среднее валовое содержание металла по рудному телу равно
При большом количестве членов этого ряда пополнение его несколькими десятками новых наблюдений, полученных от опробования новых забоев, существенно не изменит среднего содержания металла по рудному телу в делом. Например, получено дополнительно 50 новых забойных проб со средним содержанием металла 5%. В этом случае новое среднее валовое содержание составит
т. е. только по 0,02% меньше ранее установленного.
При значительном количестве первоначально имевшихся проб значение С2 ие будет существенно отличаться от С1 даже в том случае, если дополнительные n проб по своему значению окажутся в два раза больше или меньше С1, что, впрочем, бывает редко. Таким образом, среднее валовое содержание металла по данному детально разведанному рудному телу является величиной устойчивой и практически постоянной.
Показатель интенсивности металлического оруденения есть отношение среднего содержания металла но любому участку рудного тела (рудному столбу, блоку, рабочему горизонту) к среднему валовому его содержанию по рудному телу в целом [1].
Для промышленных руд показатель интенсивности, как правило, больше единицы, для участков бедных и некондиционных руд — меньше. Рудные столбы первичного и вторичного происхождения имеют повышенную концентрацию металла — от 1,5 до 3,0, роже до 5,0.
В полиметаллических месторождениях показатель интенсивности определяют по каждому металлу в отдельности. В железных шляпах колчеданных месторождений показатель интенсивности по меди составляет 0,01—0,1, в то время как по благородным металлам он повышается до 10—20 и даже более. Для небольших участков месторождений благородных и редких металлов с кустовым оруденением показатель интенсивности может составлять многие десятки единиц.
В практике рудничной геологии показатель интенсивности оруденения может быть использован прежде всего для сравнительной оценки рудных столбов, блоков, этажей, рабочих горизонтов, отдельных жил одного месторождения.
Блок-диаграммы и модели рудных тел и месторождений
Блок-диаграммой называют перспективное изображение некоторого блока земной коры, имеющего форму одного или нескольких параллелепипедов, на гранях которых с соответствующим искажением нанесены погоризонтные планы и геологические разрезы. Для изображения геологических структур наиболее удобны блок-диаграммы, построенные в аксонометрической проекции, в которой сохраняется параллельность проектируемых прямых и их пропорциональность. На рис. 15 изображены две аксонометрические проекции, для каждой из них показан масштаб построения по трем осям и приняты направления ребер блока, выбранного для проекции. При изометрических проекциях масштаб по всем трем осям (ребрам блока) принимается одинаковым. Более удобными являются диметрические проекции, у которых масштабы по двум осям в плоскости чертежа одинаковы, а масштаб по третьей оси сокращается в два раза.
Способ построения блок-диаграмм в диметрической проекции заключается в следующем. Одну из вертикальных граней блока принимают за фронтальную плоскость, обращенную к наблюдателю, и на эту грань в выбранном масштабе без какого-либо искажения переносят один из вертикальных геологических разрезов рудного поля или месторождения, обычно продольный (составленныйпо простиранию). Ребра другойвортшкальной грани изображают параллельными линиями, составляющими небольшой (от 20 до 40°) угол с ребрами фронтальной грани. На эту боковую грань переносят один из вертикальных геологических разрезов, заданных вкрест простирания. При этом все горизонтальные размеры уменьшают в два раза (показатель сокращения 1/2), а вертикальные размеры оставляют без изменения. Этим самым определяются размеры и характер искажения плана, изображаемого на третьей грани блока. Все размеры плана, параллельные ребру фронтальной плоскости, переносят на верхнюю грань блока без искажения. Все размеры, параллельные ребру боковой грани, переносят с уменьшением в два раза. Для удобства переноса изображения планов и разрезов на аксонометрическую проекцию полезно на всех трех гранях блок-диаграммы тонкими прямыми линиями нанести опорную маркшейдерскую сетку. Для точного построения блок-диаграммы существуют особые чертежные приборы — аффинографы, описание конструкций которых приведено в специальной литература [3].
Для изображения сложных геологических структур из параллелепипеда блок-диаграммы можно вырезать небольшие прямоугольные блоки, на вертикальных гранях которых изображают дополнительные геологические разрезы месторождения. При этом иногда приходится не показывать вмещающих пород, принимая их как бы прозрачными. На рис. 16 приведена блок-диаграмма рудного поля жильного месторождения с пологим склонением к северу.
Более наглядным методом пространственного изображения геологических структур являются модели месторождений. Известны разные способы, изготовления моделей. Наиболее удобны прозрачные модели. На деревянном основании укрепляют металлический каркас из уголков алюминия. 15 каркасе помещают горизонтальные или вертикальные листы органического стекла с нанесенными на них геологическими планами и разрезами, Самый нижний лист на верхнем уровне основания имеет матовую поверхность. Под этим листом помещают две-три матовых электрических лампочки, а в блоковых стенках основания вырезают круглые отверстия для вентиляции. Такая модель с включенным освещением позволяет видеть одновременно все горизонты, все вертикальные сечения и получить полное представление о геологической структуре рудного поля или о форме рудного тела. При этом обеспечивается возможность ее пополнения новыми разведочными данными. Она позволяет рудничному геологу и маркшейдеру решать самые разнообразные вопросы разведки и подготовки месторождения и эксплуатации.
Примечания
1. grande — большая; moyehne — средняя; petite — малая.