Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Подэемная векторная магнитометрия - эффективный метод геологии рудно-минерального сырья

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Мухаметшин, Анатолий Матвеевич, Екатеринбург

Российская Академия Наук Уральское отделение Институт горного дела

На правах рукописи

Мухаметшин Анатолий Матвеевич

ПОДЗЕМНАЯ ВЕКТОРНАЯ МАГНИТОМЕТРИЯ -ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД ГЕОЛОГИИ РУДНО -МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Специальность - 04.00.12 - Геофизические методы поисков

и разведки месторождений

Екатеринбург -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................ 6

1. Условия применения и целесообразность подземных магнитных методов исследования........14

1.1. Геологические предпосылки использования

подземной магнитометрии.......... 14

1.2. Особенности применения и круг геологоразведочных

задач, решаемых магниторазведкой.......21

2. Расчеты аномалий, создаваемых намагниченными

объектами............... 29

2.1. Краткие сведения о вертикальной составляющей

магнитного поля намагниченных тел.......29

2.2. Закономерности векторов внешнего магнитного

поля для двухмерных тел..........33

2.3. Закономерности векторов внешнего магнитного

поля трехмерных тел............49

2.4. Поправки за трехмерность при использовании

палетки для двухмерных тел.........59

2.5. Теория интерпретации векторов внутреннего

магнитного поля............. 63

2.6. Выводы и рекомендации...........68

3. Исследования, разработка и совершенствование

шахтного магнитометра ........... 69

3.1. Патентно-информационные исследования.....69

3.2. Назначение и условия применения шахтного

магнитометра КШСМ-3 8.......... 72

3.3. Выбор измерительной схемы прибора и расчеты

параметров первичных преобразователей.....74

3.4. Разработка ориентатора и конструкции

подвески датчиков............ 79

3.5. Анализ погрешности ориентирования датчиков разработанным устройством...... . . . 85

3.6. Комплектация аппаратуры и вспомогательное

оборудование............. 89

3.7. Лабораторные испытания и оценка погрешности

измерений.............. 92

3.8. Промышленные испытания шахтного магнитометра . . 94

3.9. Совершенствование шахтного магнитометра .... 95

3.9.1. Конструкция термостабильного феррозонда .... 96

3.9.2. Комплексное скважинное измерительное

устройство.............. 99

3.9.3. Комплексный шахтно-скважинный

магнитометр - инклинометр......... 100

ЗЛО. Выводы .............. 102

4. Методика измерений и обработки результатов . . . . 103

4.1. Подготовка прибора к измерениям....... 103

4.2. Производство магнитных измерений в скважинах

подземного бурения........... 109

4.3. Измерения магнитных полей в подземных

горных выработках........... 111

4.3.1. Стационарные помехи.......... 111

4.3.2. Нестационарные помехи......... 113

4.3.3. Техника наблюдений.......... 116

4.4. Обработка диаграмм магнитной восприимчивости

и определение процентного содержания железа . . . . 117

4.5. Обработка результатов трехкомпонентных измерений магнитного поля в скважинах и

горных выработках........... 119

4.6. Погрешности определения аномального поля и дальность обнаружения магнетитовых рудных

тел............... 121

5. Методика интерпретации результатов...... 125

5.1. Общие замечания........... 125

5.2. Определение расстояния до ближайшей кромки

рудного тела............ 126

5.3. Определение пространственного положения

рудных тел............. 128

5.4. Разделение магнитных полей от источников, расположенных с разных сторон от линии

наблюдения............. 135

6. Применение подземной магнитометрии для решения геологических задач эксплуатационной разведки . . . . 141

6.1. Результаты опытно-методических исследований

на Абаканском железном руднике........141

6.1.1. Краткая геологическая характеристика

Абаканского рудного поля и месторождения . . . . 141

6.1.2. Примеры уточнения контуров рудных тел.....143

6.1.3. Примеры обнаружения "слепых" рудных тел .... 145

6.2. Обнаружение нового мощного рудного тела.....152

6.3. Результаты подземной магнитометрии в

условиях Кривбасса........... 160

6.3.1. Краткая геологическая характеристика

района работ............. 160

6.3.2. Задачи эксплуатационной разведки.......162

6.3.3. Геологические задачи, решаемые с помощью

аппаратуры КШСМ-3 8.......... 163

6.4. Результаты применения аппаратуры КШСМ-38 для разведки магнетитосодержащих меднорудных

месторождений............. 167

6.4.1. Краткая геологическая характеристика

районов проведения исследований....... 167

6.4.2. Результаты испытаний аппаратуры КШСМ-38 .... 170

6.4.3. Исследование возможностей аппаратуры для разведочных работ на медноскарновых

месторождениях............ 180

6.5. Внедрение подземной магнитометрии на

золоторудных месторождениях Забайкалья..... 181

6.5.1. Краткая геологическая характеристика Дарасунского месторождения и природа

аномалий магнитного поля......... 181

6.5.2. Примеры решения геологических задач..... 188

6.6. Выводы и рекомендации.......... 195

7. Применение подземной магнитометрии для

решения горных и технических задач....... 198

7.1. Общие положения............ 198

7.2. Комплеск геофизических методов контроля

НДС горного массива.......... 200

7.3. Контроль напряженно-деформированного состояния горного массива с применением

подземной магнитометрии......... 202

7.4. Векторная магнитометрия в подреакторной шахте

на Белоярской АЭС им. И.В. Курчатова..... 208

7.5. Перспективы применения магнитных измерений

на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах . . . . 211

7.6. Выводы и рекомендации ........ . 213

Заключение.............. 215

Литература.............. 220

Приложения:

1. Расчет годовой экономической эффективности от использования комплексного шахтно-сква-жинного магнитометра на железорудных месторождениях Горной Шории от 30.10.1973 г...... 229

2. Двусторонний акт выполнения хоздоговора с расчетом экономического эффекта на шахтах

Богословского рудоуправления от 30.09.1976 г..... 233

3. Акт производственных испытаний КШСМ-38 в геофизической партии В-Дарасунской ГРЭ

треста "Забайкалцветметразведка" от 26.06.1981 г. . . . 235

4. Протокол НТС Дарасунской геологоразведочной

экспедиции Минцветмета СССР от 26006.1981 г. . . . 236

5. Протокол о результатах применения магнитометра КШСМ-38 в ГГП

"Сосьвагеология" от 25.03.1981 г.........237

6. Письмо нач. геофизической партии Уральской геологоразведочной экспедиции Минцветмета

СССР Борецкого И.В. от 07.07.1975 г........238

7. Техническое задание на разработку подземной автономной станции для комплексных измерений

от 22.12.1989 г. (извлечение) ......... 239

8. Протокол технического совещания при зам. ген. Директора Абаканского рудоуправления

АО "ЗСМК" от 29.07.1996 г........... 243

ВВЕДЕНИЕ

Данная диссертационная работа является обобщением результатов магнитометрических исследований в подземных условиях, полученных автором с 1969 г. по настоящее время. Эти работы получили известность как шахтно-скважинная магниторазведка, что и было отражено в названии кандидатской диссертации выполненной автором в Институте геофизики УрО РАН (1979 г.).

Под этим названием метод вошел в справочники геофизика "Магниторазведка" (1980 г., 1990 г.) [111], а также в методическое руководство по скважинной магниторазведке [107]. Однако, в последнее время возникла необходимость единой классификации геофизических методов, которая отвечала бы внутренней сущности каждого из них [22, 23, 32, 41, 86-89, 103, 111, 122 и др.], т.к. геофизические исследования, основанные на применении определенного вида физического поля (или его отдельных физических характеристик) и располагающие теоретической, методической и аппаратурной основами должны быть объединены под одним названием.

Кроме того, строгая систематизация всех методов и видов работ, используемых для изучения геологических объектов, применительно к геофизическим исследованиям является одним из аспектов реализации принципа системности - важнейшего методологического принципа научного познания [23].

В настоящее время метод получил существенное развитие, и, учитывая его дальнейшее совершенствование, автор считает целесообразным использовать более точное название: «подземная векторная магнитометрия».

Вместе с тем, в названии и далее используемый в тексте работы автором термин рудничная или эксплуатационная геология следует понимать как синоним более точного и объемного понятия - геология рудно-минерального сырья, которая в соответствии с новой классификацией горных наук относится к горнопромышленной геологии и занимается геологическим обеспечением разведки и разработки месторождений путем детального изучения факторов локализации руд, разработки локальных критериев прогноза и поиска новых рудных тел на действующих предприятиях и т.д. [32].

Эффективность использования геофизических методов в рудничной геологии, как известно, обусловлена их более высокой объективностью, оперативностью и представительностью в сравнении с традиционными методами разведки и опробования руд в подземных условиях

Актуальность развития геофизических методов в направлении применения их в рудничной г геологии в настоящее время еще более возрастает в связи с сокращением расходов на геологическую разведку и необходимостью увеличения сырьевых запасов, а также обеспечения роста добычи полезных ископаемых преимущественно в экономически освоенных и промышленных районах. Тем более, что в большинстве случаев запасы рудного сырья, находившиеся вблизи поверхности Земли, не только разведаны, но и полностью уже выработаны.

Одним из существенных и реальных источников прироста запасов рудного сырья в этих условиях является обнаружение новых неизвестных ранее рудных объектов, залегающих в околовыработочном пространстве.

Как известно, измерения магнитных полей в подземных горных выработках проводились многими исследователями [61, 102, 109 и др.]. Однако применялись они для решения частных задач и не были обеспечены ни теорией, ни специальной комплексной аппаратурой, ни соответствующей методикой.

Автором выполнен довольно значительный объем исследований в условиях действующих подземных рудников на различных железорудных месторождениях. Накопленные данные и опыт промышленного использования метода [62-74, 82-84, 86-89] позволяют характеризовать особые специфические условия применения подземной магниторазведки следующим образом.

Разведочные работы ведутся, как правило, вблизи хорошо изученных рудных тел, обладающих значительными размерами и, следовательно, вызывающих сильные магнитные поля, которые, накладываясь на результаты измерений, затрудняют интерпретацию получаемых материалов. Кроме того, линии наблюдения в шахтах (скважины подземного бурения, горные выработки) не позволяют получить аномалии от рудных тел в полной форме с выходом в нормальное поле, т.к. они пройдены в соответствии с применяемой системой отработки месторождений и имеют, сравнительно с размерами рудных тел, небольшую длину.

При работе в подземных условиях измерительный прибор находится в окружении возмущающих магнитных масс, причем объект исследования может располагаться в любом октанте (квадранте) относительно пункта (линии) наблюдения. Эти обстоятельства, в совокупности с необходимостью и вынужденностью проводить измерения по жестко заданной сети горных выработок, обусловливают большую сложность подземных магниторазведочных работ по сравнению с наземными, особенно при обработке и интерпретации результатов съемок.

Геофизические работы под землей осложняются еще и непрерывной выемкой горной массы, высоким уровнем полей-помех, вызванных технологическим процессом добычи: буровыми и проходческими работами, движением рудничного транспорта, работой вентиляционных установок, наличием интенсивных постоянных магнитных и переменных электромагнитных полей, «агрессивным» характером рудничной атмосферы (повышенное содержание газов СО, ССЬ > О и Других, обильная влажность - более 90%, высокое содержание пыли и т.д.). Отсюда можно выделить следующие благоприятные условия применения подземной магниторазведки:

- наличие достаточно высокой намагниченности, мощности и объема новых, неизвестных ранее рудных тел, создающих значительные аномалии модуля вектора земного магнитного поля;

- небольшое удаление нового рудного тела от линии наблюдения (выработки или скважины), особенно при его малой мощности;

- отсутствие значительных изменений намагниченности рудного тела или наличие необходимых данных об этих изменениях;

- возможность проведения измерений на различных горизонтах и выработках, расположенных по разные стороны от рудного тела.

Однако, при разработке технических требований к измерительной аппаратуре необходимо было учитывать все вышеперечисленные особенности проведения магниторазведочных работ в шахтах, т.к. благоприятные условия в таком сочетании практически отсутствуют.

Кроме того, следует отметить специфику проведения исследований в скважинах подземного бурения, обусловленную целым рядом существенных отличий от подобных измерений в скважинах наземного бурения.

В отличие от наземных скважин, скважины подземного бурения могут быть ориентированы в пространстве самым произвольным образом. Наряду с нисходящими широкое распространение имеют восстающие, а также полого наклонные и полого восстающие. Широкий спектр пространственной ориентации скважин в шахтных условиях имеет свои преимущества и недостатки.

К сожалению, наличие восходящих, субгоризонтальных, а также полого наклонных скважин не позволяет использовать силу тяжести для перемещения сква-жинных приборов при выполнении измерений. Для этой цели применяются специальные доставочные и досылочные устройства и приспособления [48].

Скважины подземного бурения по своему назначению можно разделить на три группы: разведочные, технические и технологические.

Напомним, что разведочные скважины предназначены для доразведки месторождений в процессе эксплуатации: уточнения элементов залегания, выявления особенностей его строения, положения рудных тел в пространстве и т.п. Такие скважины бурятся, как правило, с отбором керна и при соблюдении всех требований, предъявляемых к наземным разведочным скважинам. При этом они обязательно исследуются комплексом геофизических методов.

Скважины, бурение которых необходимо для осуществления подземных работ, но не входит в технологический цикл добычи полезных ископаемых, относятся к техническим. Например, электрокабельные, вентиляционные, лесоспусковые, водоспускные скважины и т.д.

Скважины, непосредственно связанные с процессом добычи полезного ископаемого и обусловленные технологией горных работ, относятся к технологическим. В их число входят дегазационные, водопонижающие, оросительные, буровзрывные, для торпедирования кровли, пилотные и т.п.

Диаметр скважин подземного бурения меняется от 32 до 300 мм, глубина - от нескольких метров до нескольких сот метров. Изменения конструкции скважин по диаметру накладывает дополнительные требования к скважинному прибору, который должен давать возможность выполнения сравнимых и равноточных измерений в скважинах всего диапазона изменения их диаметра.

Цель исследований - разработать и внедрить методики и аппаратные средства подземной векторной магнитометрии, предназначенной для решения задач рудничной геологии, а также других горных и технических задач в условиях действующих горнодобывающих предприятий.

Основная идея работы - использование подземной векторной магнитометрии для повышения эффективности и расширения круга решаемых рудничной геологией задач эксплуатационной разведки на рудных месторождениях различного

генезиса на основе специальной шахтной измерительной аппаратуры, методики работ и методики интерпретации получаемых материалов.

Задачи исследований:

1. Создать прибор для непрерывных измерений компонент вектора геомагнитного поля в скважинах подземного бурения и подземных горных выработках.

2. Разработать методические приемы и способы выполнения подземных магнитометрических исследований в условиях действующих горнодобывающих предприятий и соизмеримости аномалий от рудных тел с полями-помехами, создаваемыми технологическим оборудованием, размещенным в подземных выработках.

3. Разработать методику интерпретации кривых 2а и векторов та с целью решения задачи поиска и обнаружения рудных тел.

4. Разработать количественные приемы интерпретации результатов измерений для уточнения морфологии рудных тел по определению расстояния до ближайшей кромки рудного тела и разделению сложной аномалии с помощью ЭВМ.

5. Испытать разработанные аппаратуру, методику работ, методику интерпретации материалов и внедрить метод подземной векторной магнитометрии в практике эксплуатационной разведки на рудных месторождениях.

6. Расширить область применения разработанного метода.

Методы исследований. В работе применен комплекс методов исследований, включающий: научный анализ результатов патентно-информационного поиска и обобщения опыта; промышленные эксперименты по исследованию магнитных полей-помех и аномалий от известных рудных залежей; лабораторные научно-технические работы по разработке аппаратуры; теоретические исследования по решению прямой и обратной задачи магниторазведки;