Определение закономерностей распределения качественных показателей минерального сырья, особенно нерудных полезных ископаемых, является очень важной проблемой. Известняки используются для нескольких отраслей промышленности в зависимости от качества. В зависимости от условий формирования месторождения, меняется химический состав и содержание лимитирующих компонентов, выделяются разные сорта сырья. Выявление зависимостей распределения качественных показателей, а также построение сортовых планов в соответствии с отдельными отраслями промышленности является очень актуальным.
Тема магистерской работы соответствует приоритетному направлению научных исследований «Математическое моделирование и методы компьютерной математики », определенному МОН. Работа выполняется по просьбе производственной организации, на которой магистр проходил практику.
Обосновать закономерности пространственного распределения качества известняков с генетическими факторами формирования месторождения
Рассмотреть теоретические условия формирования месторождений
Провести обзор пространственного распределения месторождений известняков и условий их формирования
Выделить основные факторы, определяющие качество сырья отдельных месторождений, а также однородных блоков качества на одном месторождении
Получить статистические характеристики показателей качества известняков юго-восточной части Еленовского месторождения
Построить карту распределения сортов качества для различных отраслей промышленности на юго-восточной части Еленовского месторождения
Детальное рассмотрение геологических условий, тектоники и химического состава сырья позволит обосновать связь геологических факторов с качеством сырья в пределах месторождения
Объект — юго-восточная часть Еленовского месторождения известняков. Предмет — моделирование и прогнозирование качества минерального сырья
Результатом работы будут прогнозные сортовые карты распределения качества известняков, которые будут использованы на производстве, а также закономерность распределения качества в зависимости от генетических особенностей формирования месторождения
По результатам работы планируется одна публикация (статья) и выступление с докладом на конференции
Был проведен анализ литературы и фондовых материалов на тему карбонатного сырья в Украине и за ее пределами. Особое внимание уделялось изучению нижнекаменноугольных отложений известняков зоны сочленения Приазовского мегаблока Украинского щита и складчатого Донбасса.
В Украине изучение отложений нижнего карбона Донбасса проводилось рядом геологов, начиная с середины XIX века. В частности, Ротаем О.П. в 1928 – 1929 гг. произведено геологическое картирование южно-западной части Донбасса, в результате которго была принята новая индексация стратиграфических зон. Укргеолтрестом МЧМ сделана геологическая съемка масштаба 1:100000 с целью уточнения последующих направлений геологоразведочных работ по наращиванию балансовых запасов флюсовых известняков и доломитов. В 1972-1978 гг. Приазовской ГРЭ треста “Артемгеология” была проведена детальная разведка участка “Восточный рудник” до глубины ± 0 м. с подсчетом запасов на 01.01.78 г. По результатам детальной разведки в 1976 г. Институтом “Южгипроруда” были разработаны постоянные кондиции для подсчета запасов карбонатного сырья участка и утверждены ГКЗ.
Изучением геолого-тектонических особенностей залегания карбонатного сырья в зоне сочленения Приазовского мегаблока Украинского щита и складчатого Донбасса занимался ученый А.И. Недошовенко. В его статье "О методике разведки месторождений карбонатного сырья юго-западной части Донбасса ", опубликованной в 1977 году, освещена проблема закарстованости исследуемого района и несовершенство системы геологической разведки подобных участков.
В работе А. В. Канунниковой и В.И. Ремизова "Литологические особенности, постседиментационные изменения и поровое пространство средне-нижнекаменноугольных известняков" (1977г.), исследование карбонатных пород проводились для оценки коллекторов, которые широко используются при поиске нефти и газа.
В работе В.А. Михайлова, Н.Н. Курило, Н.Ю. Галкиной «Определение зависимости между рентабельностью горнодобывающих предприятий и технико-экономическими характеристиками отечественных месторождений флюсового карбонатного сырья» (2005г) рассмотрена проблема обеспечения качественным карбонатным сырьем металлургического производства в связи с увеличением технических требований промышленности к качеству известняков.
Преобладающая часть карбонатной седиментации, хотя и не вся полностью, является результатом химических и биохимических процессов в специфической морской среде, для которой характерна прозрачная теплая вода и мелководье. Фейрбридж приводит рисунок (рис. 1.1), на котором в масштабах планеты показана четкая связь такого осадконакопления с экваториальным поясом и областями теплых океанических течений. На нем видно, что неритовые карбонатные осадки располагаются к северу и югу от экватора ниже широты 30°. Между 40-й параллелью южной и северной широты на дне глубоких океанических бассейнов находится большое количество карбонатного материала, но в более высоких широтах его нет, за исключением Северной Атлантики вдоль Гольфстрима. В теплых прозрачных водах отлагаются наиболее толстые раковины беспозвоночных кальцитового или арагонитового состава, там же произрастает большая часть известковых водорослей. Правда, в более холодных водах обитает огромное количество беспозвоночных, из панцирей или раковин которых могут образовываться раковинные илистые пески но другие типы карбонатных осадков, такие как оолитовые, комковатые, пелитоморфные, рифогенные известняки и карбонатные илы ограничены в своем распространении тропической и субтропической зоной.
Однако сами по себе тропические воды не являются достаточным условием образования карбонатных осадков. Вода должна быть прозрачной. Крупные карбонатные банки вдоль берегов Мексиканского залива располагаются в районах, наиболее защищенных от главного притока тонких обломочных осадков. Последние простираются далеко на юго-восток от тянущегося в западном направлении вдоль берега выноса глинистых частиц р. Миссисипи и отделены глубоководными участками от глинисто-алевритового материала, поступающего с крупного о-ва Куба. Противоположна ситуация на шельфе Южно-Китайского моря к северу от Индонезии, где обширная плоская подводная возвышенность - экваториальное мелководье несет на себе только изолированные рифовые скопления вдоль северного и восточного краев, поскольку крупные реки с Суматры, Явы и Калимантана на юге и западе выносят тонкую взвесь в море и тем самым препятствуют образованию карбонатных осадков. Фейрбридж указывает, что практически на всех мелководных шельфах в строго ограниченной экваториальной области карбонатообразование подавляется тонким терригенным выносом крупных тропических рек.
В Украине крупнейшие месторождения известняков сосредоточены на территории Донбасса и в Крыму. Это обусловлено геологической историей развития регионов.
Возникает вопрос, при наличии какой морской среды и какие конкретно химические и биологические факторы контролируют образование обильных карбонатных отложений? В настоящее время тропические моря можно считать почти достигшими насыщения СаС03. Поэтому любой процесс, приводящий к удалению С02 из нормальной воды (рН = 8,4), превращает бикарбонатный ион в монокарбонатный и содействует выпадению в осадок СаС03. Как минимум, в этом процессе могут принимать участие следующие факторы: повышение температуры, интенсивное испарение, приток перенасыщенной воды в области, где имеются зародыши СаСО3 или катализаторы, подъем морской воды из области высоких давлений к низким, смешивание воды, богатой С03 и бедной Са2+ с морской водой, органические процессы в жидкостях живого организма, разложение с участием бактерий, дающее аммиак, возрастание рН и увеличение концентрации карбонатов и удаление С02 в процессе фотосинтеза.
Еленовское месторождение флюсовых известняков и доломитов расположено в юго-западной части Донецкого бассейна. Приурочено к полосе выходов пород нижнего карбона, протянувшихся с востока на запад от с. Раздольное через с. Стила, г. Докучаевск, с. Новотроицкое до с. Ольгинка.
Участок «Восточный рудник» представляет собой толщу известняков турнейського и визейского ярусов нижнего карбона, залегающих относительно спокойно. С северо-запада и юго-востока участок ограничен нарушениями сбросного характера. Отсюда площадь образует нечто вроде горста, ограниченного толщей некондиционных известняков и мергелей возраста С1vd, С1vе, С1vf. Как установлено многолетним опытом геологоразведочных и эксплуатационных работ на месторождениях карбонатного сырья в юго-западной части Донбасса, карст и прослойки некондиционных пород в толще полезного ископаемого распределяются совершенно незакономерно и не могут быть геометризированы в пространстве. Это положение в такой же мере относится и к видовому и сортовому составу карбонатного сырья, регламентированного кондициями.
Значительное проявление тектонических процессов в районе месторождения обусловило повсеместное развитие трещиноватости нижнекаменноугольных пород. Большинство трещин не имеет заполнения и служит ведущими каналами для подземных вод, что способствует широкому развитию процессов карстообразования.
Кондиционная толща карбонатных пород участка «Восточный рудник» представлена флюсовыми известняками и доломитами.
Тело полезного ископаемого на участке «Восточный рудник» состоит из нескольких слоев карбонатных пород, которые полого погружаются в северо-восточном направлении под углами 8-12 градусов. Толща кондиционного сырья имеет сложную гипсометрическую поверхность, обусловленную процессами карстообразования карбонатных пород, а также горными выработками, которыми тело вскрыто на большей части площади.
Для получения точных сведений о причинах и закономерностях изменчивости показателей качества известняков, необходимо провести пространственно-статистическое исследование данных юго-восточной части Еленовского месторождения. Данные представляют собой пространственно привязанные значения химических анализов проб по пластопересечениям разведочных скважин. Выборка включает в себя данные опробования 35 скважин (1427 секционных проб, средняя длина секции 2,0 м). Для изучения пространственной изменчивости качества необходимо выполнить: - проверку соответствия количественных показателей качества известняков юго-восточной части Еленовского месторождения требованиям промышленности; - анализ пространственной изменчивости показателей для определения их зависимоти от генетических факторов; - построение карт комплексного показателя; - выделение сортов известняка для различных отраслей промышленности на карте комплексного показателя. Анализ количественных данных качества известняков включает в себя определение соответствия исследуемых показателей требованиям различныз отраслей промышленности. показывает, в какой степени изменение значения одного призна¬ка сопровождается изменением значения другого признака в дан¬ной выборке. Значения коэффициента корреляции изменяются в интервале от -1 до 1. Крайние значения этого интервала указывают на функциональную линейную зависимость признаков, нуль — на отсутствие статистической связи. Расчет коэффициента корреляции позволил установить, что в пределах исследуемого месторождения между показателями CaO и MgO существует значимая обратная корреляционная связь (Кк = -0,803). Это свидетельствует о том, что в тех разновидностях известняков, где содержание CaO и MgO высоко, содержание MgO снижается. Это приводит к переходу одного сорта известняков в другой. Также на основании корреляционных связей производится расчет и построение комплексного показателя качества, который позволяет значительно повысить достоверность сортовых планов. Наиболее достоверные статистические и пространственные характеристики показателей могут быть получены для однородной среды. С этой целью статистическое исследование проведено раздельно по: 1) Всей продуктивной толще месторождения в целом; 2) Отдельно по каждому стратиграфическому подразделению; Средние значения показателей качества известняков в целом по восточной части месторождения составляют (в вес. %): СаО – 40,33; MgO – 10,58; SiO2 – 3,08; Al2O3+ Fe2O3 – 1,97; S – 0,06; P – 0,003. В результате экспериментальной обработки данных получены средневзвешенные показатели качества по стратиграфическим горизонтам. При их сравнении установлено, что содержание CaO резко увеличивается начиная с горизонта C1tb2, вместе с тем значительно уменьшается содержание MgO, что свидетельствует о смене условий формирования известняков: горизонты C1ta1, C1ta2, C1tb1 формировались в прибрежно-морских, лагунных условиях, при интенсивном испарении воды и повышенной солености, но затем сменившихся более глубокими зонами за счет обширной трансгрессии. Наиболее высокие значения значения CaO установлены на горизонте C1tb2 (рис. 1.2), что соответствует наиболее качественнным сортам.
В результате процесса выщелачивания в известняках и доломитах турнейского и визейского ярусов образовались карстовые полости.
На участке «Восточный рудник» наиболее распространенной формой внешнего карста являются карстовые воронки. В плане они имеют форму круга. Глубина их - от нескольких до 60-80 м и даже более 100 м, диаметр - от 5-10 до 100 м. Наибольшее развитие карст достигает вблизи тектонических нарушений и особенно в пониженных частях рельефа, по руслам балок и рек. Внутренний карст имеет весьма незакономерно и неравномерное распространение как по площади, так и на глубину. Он представляет собой чрезвычайно сложное сочетание каналов, полостей, пещер, щелей. Эти карстовые полости в забоях карьеров, а также по данным геологоразведочных работ имеют размеры по горизонтали от нескольких сантиметров до 30 м, по вертикали - до 10 м. Карстовые полости заполнены песчано-глинистым материалом различной окраски. Закарстованность карбонатных пород отдельных стратиграфических горизонтов как по месторождению, так и по участку «Восточный рудник» колеблется в широких пределах. Внутренняя закарстованность по горизонтам участка в процентах приведена в таблице 1.2
Из приведенной таблицы видно, что породы стратиграфических горизонтов с высоким содержанием кремнезема менее выщелоченные, известняки же химически более чистые закарстованы в большей степени.
На основании изучения исследований по теме работы, а также статистической обработки данных опробования и ее интерпретации делается вывод о наиболее весомых факторах, оказавших влияние на пространственное распределение качества. Построены карты распределения сортов качества, даются практические выводы и рекомендации по отработке исследуемого месторождения.
В данный момент магистерская работа находится в стадии разработки. После декабря 2011г. полный текст работы можно получить у автора или научного руководителя.