Автореферат Рогаченко А М Закономерности распределения качества флюсовых известняков (на примере Родниковского месторождения)

Известняки имеют чрезвычайно широкую область применения. Они употребляются для приготовления флюсов (в металлургии), для строительства, для производста извести и цементов, в производстве силикатного кирпича, в химической промышленности, в сахарном производстве и т.д. Главным образом, их используют в металлургической промышленности в качестве флюсов. Внедрение новых технологических процессов в металлургии требуют повышения качества флюсового известняка по химическому составу и механической крепости. Истощение запасов качественного сырья эксплуатируемых месторождений и закрытие карьеров в связи с обострением экологических проблем потребовало экстренного ввода в эксплуатацию новых месторождений. В связи с этим была начата разведка Родниковского месторождения Донецкой области. Исследование закономерности пространственного распределения качественных показателей известняков, а также выяснение причин изменчивости этих показателей, на месторождении не проводились. Детальное изучение геологических условий, тектоники и химического состава известняков позволит обосновать связь геологических факторов и качества сырья на территории Родниковского месторождения.

Рис. 1. Цикл обработки известняка. GIF-анимация, 13 кадров, зацикленное повторение, 23,1 кб.

Данная научная работа имеет связь с Общегосударственной программой развития минерально-сырьевой базы Украины на период до 2030 года по разделу «Неметаллическое сырье для металлургии» подразделу «Флюсовые известняки и доломиты». Она проводится по заданию государственного предприятия КП «Южукргеология» Приазовская КГРЭ.

Цель исследования заключается в изучении факторов изменчивости качества известняков и его пространственного распределения для оптимизации отработки Родниковского месторождения.

Задачи исследования:
1) изучить качество известняков юго-западной части Донбасса;
2) получить статистические характеристики изменчивости качественных показателей известняков;
3) выявить геологические факторы, влияющие на распределение различных показателей качества по различным участкам месторождения;
4) определить зависимость качества известняков от условий залегания;
5) провести сравнительный анализ качества известняков месторождения с техническими требованиями различных отраслей промышленности;
6) разработать практические рекомендации по дальнейшей отработки Родниковского месторождения.

Идея работы заключается в проверке известных теоретических факторов изменения химического состава известняков в Родниковском месторождении.

Объектом исследования является Родниковское месторождение флюсовых известняков Донецкой области.

Предмет – пространственные закономерности распределения качества известняков, их связь с геологическими факторами.

Методы исследования:
- статистическая обработка исходных данных;
- анализ графического материала для выяснения особенностей строения исследуемого объекта (геологическая карта района, гипсометрические планы, стратиграфические колонки и др.);
- составление выборок исходных данных для сравнительной характеристики отдельных элементов объекта;
- пространственный анализ распределения полезных и вредных компонентов полезного ископаемого на исследуемом объекте;
- метод системного анализа результатов обработки для создания моделей изменчивости качества известняков;

Научная новизна полученных результатов. Впервые проанализировано изменение качественных показателей карбонатной толщи юго-западной части Донбасса. Разработаны критерии качества известняков для отработки Родниковского месторождения. Установлены закономерности пространственного распространения изменчивости показателей качества полезного ископаемого.

Практическое значение полученных результатов
Обозначены зоны с высококачественным известняковым сырьем в пределах Родниковского месторождения. Сделаны рекомендации по технологии дальнейшей отработки месторождения.

Личный вклад
Мной были систематизированы ранее проведенные исследования, определены задачи работы, составлены выборки, проведена статистическая обработка и интерпретация данных. На основании проведенных исследований, результаты работы представлены в графическом виде. Составлены практические рекомендации.

Апробация результатов
Вопросы данной работы докладывались на ІІ Всеукраинской научной конференции-школе молодых ученых «Сучасні проблеми геологічних наук», проходившей в Киеве12-15 апреля 2010 года. Мой доклад на тему «Совершенствование технологии разведки и отработки месторождений флюсовых известняков» напечатан в тезисах этой конференции.

Волкова Т.П., Рогаченко А.М. Исследование качества известняков с целью оптимизации отработки Родниковского месторождения // Наукові праці ДонНТУ – 2010. – Донецк.

Анализ состояния изученности вопроса
          Мной проанализирована литература и фондовые материалы по теме карбонатного сырья в Украине. Особое внимание было уделено изучению нижнекаменноугольных отложений известняков зоны сочленения Приазовского мегаблока Украинского щита и складчатого Донбасса.
          Изучение отложений нижнего карбона южно-западной части Донбасса велось рядом геологов, начиная с середины XIX века. В 1928 – 1929 гг. Ротаем О.П. проведено геологическое картирование южно-западной части донбасса в масштабе 1:42000, в результате которого была принята новая индексация стратиграфических зон. В 1947-1951 гг. Укргеолтрестом МЧМ сделана инструментальная геологическая съемка масштаба 1:100000 с целью уточнения дальнейших направлений геологоразведовательных работ по наращиванию балансовых запасов флюсовых ивестняков и доломитов. Впервые поисковые работы на Родниковском месторождении были выполнены Приазовской ГРЭ в 1982-1984 гг. В период с 1985 по 1990 года Приазовской ГРЭ ДГП «Южукргеология» проведены поисково-оценочные работы на Комсомольской площади, в том числе и на Родниковском месторождении.
          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 закарстованности исследуемого района и несовершенствование 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.), исследования карбонатных пород проводились для оценки коллекторов, широко использующихся при поиске нефти и газа. Однако некоторые аспекты их работы могут быть полезны для сравнения химических особенностей известняков Родниковского месторождения.
          В научной статье С.А. Мачулиной и М.В. Безуглой «О находке крупных сталактитоподобных образований пирита в известняках нижнего карбона Стыльского карьера юго-западной части Донбасса» (2004г.) указывается причины появления сульфидов серы в карстовых пустотах известняков турнейского возраста.
В работе В.А. Михайлова, М.М. Курило, Н.Ю. Галкина «Определение зависимости между рентабельностью горнодобывающих предприятий и технико-экономическими характеристиками отечественных месторождений флюсового карбонатного сырья» (2005г) рассмотрена проблема обеспечения качественного карбонатного сырья для металлургического производства в связи с увеличением технических требований промышленности к качеству известняков.

Особенности геологического строения юго-западной части Донбасса, тектонических особенностей, химического состава пород нижнего карбона описано в фондовых материалах КП «Южукргеология» Приазовская КГРЭ.

Геологическое строение объекта исследования
          Главным районом разведанных запасов флюсовых известняков Украины, является зона сочленения юго-западной части Донецкой складчатой структуры с Приазовским блоком Украинского щита. Здесь сконцентрированы 38 % разведанных запасов флюсовых известняков и 20 % известняков доломитизированных. Продуктивной является моноклинально залегающая известняково-доломитная толща турнейского и визейского ярусов нижнего карбона мощностью до 500 м. Отложения визейского яруса представлены, главным образом, известняками, а турнейского яруса – чередованием слоев известняка, доломита и доломитизированных известняков. Также встречаются глинистые и окремненные известняки, известняк со сланцем. Мощность карбонатной толщи колебается от нескольких до 100 и больше метров.
          Основным поставщиком известняка для конвертерного производства является Комсомольское рудоуправление. Его сырьевая база представлена Каракубским месторождением флюсовых известняков. Действующие карьеры - Северный, Южный, Жеголевский. Карьер Дальний полностью отработан и затоплен. Запасов Каракубского месторождения хватит до 2015 года при достигнутой мощности предприятия в 7 млн тонн сырого известняка в год. Пополнение дефицита высококачественного флюсового сырья планируется за счет введения в эксплуатацию Родниковского месторождения.
          В геолого-структурном отношении Родниковское месторождение известняков расположено в юго-западной части зоны сочленения складчатой структуры Донбасса с Приазовским мегаблоком Украинского щита. Оно приурочено к полосе распространения пород визейского и турнейского ярусов нижнего карбона, которые слагают южное крыло Кальмиус-Торецкой котловины. Продуктивными толщами являются известняки турнейского и визейского яруса нижнего карбона. Мощность полезного ископаемого составляет 72,4 м на Восточном участке месторождения и 90,3 м – на Западном (подсчитаны запасы до горизонта ?7м). Отложения визейского яруса представлены, в основном, известняками. Турнейский ярус отличается чередованием слоев, главным образом, известняка, доломита, доломитизированных известняков с прослоями глинистых, окремненных известняков, сланцевых известняков. Карбонатные породы турнейского и визейского ярусов относятся к типу органогенных, преимущественно мелкодетритусовых, слабометаморфизованных пород. В них, как сингенетические образования, встречаются кремни разной формы. Это доказывает хемогенность процесса образования известняков. Большая роль химического процесса в образовании доломита подтверждается малым наличием ископаемой фауны в доломитизированных породах, которая постепенно изменяется в доломитизованных или обычных известняках.
          В зависимости от химического состава и содержания лимитирующих компонентов среди известняков Родниковского месторождения выделяются: ферросплавные, конверторные, доменные. При этом почти 70% от всех запасов месторождения составляют конверторные известняки. Для контроля массовой доли SiO2 карбонатные породы предварительно обжигаются в специальных известнякобжигающих агрегатах с получением конверторного известянка. Запасы карбонатных пород Родниковского месторождения подсчитаны по данным предварительной разведки (табл 2). Данные по состоянию запасов флюсовых известняков Родниковского месторождения предоставлены предприятием КП «Южукргеология» Приазовская КГРЭ.

Методика исследований и фактические данные

Описание фактических данных
На первом этапе работы был проведен анализ геологической документации, содержащей сведения о литологии и тектонике участка исследований, отобраны данные для выборки, по которым рассчитаны статистические показатели и определены корреляционные связи для каждого стратиграфического пласта в отдельности. Наибольшую информативность имеет качественный показатель СаО. Он является определяющим критерием при сортировке известняков. Для всех показателей рассчитаны максимальные и минимальные значения, среднее значение показателя и стандартное отклонение, характеризующее степень изменчивости показателя. По статистическим характеристикам определены особенности изменчивости качественных показателей по отдельным пластам и в целом, по мощности. Проведен сравнительный анализ между результатами статистической обработки данных по отдельным пластам и по всей полезной толщи месторождения. При проведении пространственного анализа выявлены участки с высококачественным известняковым сырьем.
Исходными данными для количественного исследования закономерности распространения качества известняков являются пространственно привязанные данные химических анализов секционных проб по пластопересечениям разведочных скважин Родниковского месторождения. Выборка включает в себя 2270 секционных проб (при средней длине секции равной 2,0 м). Пробы отобраны Приазовской КГРЭ. В пробах определены следующие качественные показатели: СаO, MgO, SiO2, Al2O3+Fe2O3, S, P. На месторождении были проведены предварительные геолого-разведовательные работы. Выделены геологические блоки с категориями запасов С1 и С2. Площадь месторождения покрыта сетью разведочных скважин с расстоянием между ними: по категории запасов С1 - 200?200 м, по категории запасов С2 - 400?400 м. Бурение скважин проводилось до горизонта с абсолютной отметкой -7 м.

Выбор и описание методики обработки данных
Имеющиеся данные организованы для обработки следующим образом:
- составлены выборки по отдельным стратиграфическим пластам, служащие для исследования влияния геологических факторов на качество известняков;
- составлены выборки по всей мощности месторождения в целом для сравнения пространственного распределения качества и выявления общих закономерностей.

Для решения задач поставленных в этой работе выбраны следующие методы:
- статистический анализ, позволяющий охарактеризовать массив данных, выявить связи между различными показателями;
- анализ графического материала, который дает возможность подробно рассмотреть геологическое строение объекта;
- пространственный анализ, при помощи этого метода осуществляется выделение пространственных закономерностей распределения показателей и их привязка к геологическим структурам объекта;
- метод системного анализа результатов обработки по генезису полезного ископаемого и пространственному положению изучаемого объекта;
- обобщение результатов для создания моделей изменчивости качества полезного ископаемого.

Интерпретация результатов
Для месторождений известняков определяющими показателями качества являются показатели СаO, MgO, SiO2, Al2O3+Fe2O3, S, P. Содержание СаО является основным показателем качества известняков. Для получения точных сведений о причинах и закономерностях его изменчивости, была проведена статистическая обработка данных. По результатам проведенных анализов выявлено неоднородное распределение основного качественного показателя СаО в Родниковском месторождении (рис 1).

Рис. 2. Гистограмма изменчивости показателя СаО в Родниковском месторождении а) по пласту С1vb+c; б) по всем слоям продуктивной толщи.

Гистограммы изменчивости показателя СаО имеют ступенчатый одновершинный вид, что доказывает соответствие исследуемого признака зеркально-логнормальному закону распределения. Присутствие пустых интервалов свидетельствует о неоднородности геологической среды. Это объясняется слоистым строением продуктивных толщ визейского и турнейского ярусов нижнего карбона, наличием карстовых пустот и разрывных нарушений. На рис.1а изображена гистограмма изменчивости показателя СаО по одному из стратиграфических пластов продуктивной толщи Родниковского месторождения. На рис.1б приведена гистограмма изменчивости усредненного показателя по всей продуктивной толщи месторождения. Размах между минимальным и максимальным значениями показателя СаО по пласту C1vb+c составляет (рис. 1а) 7,06, а по продуктивной толщи в целом – 19,32 (рис.1б). При осреднении данных происходит значительное снижение значения показателей качества известняков (CaO + MgO). Такое отличие объясняется тем, что в продуктивной толще месторождения, представленной отложениями визейского и турнейского ярусов, встречаются некондиционные прослои пород известняка с низким содержанием СаО и непродуктивные добавки в виде аргиллитов, алевролитов, песчаника. Самые высококачественные известняки встречаются в стратиграфических пластах C1vb+c, C1td, C1tb.
Распределение изменчивости качественного показателя MgO – зеркальнообратно изменчивости показателя СаО. Это вызвано зависимостью содержания MgO в толще известняков от развития (интенсивности) процессов доломитизации:

          При этом Mg2+ замещает Са2+ в кристаллической решетке известняка СаСО3.
          Изменение показателя СаО связано со слоистостью месторождения и с изменением минерального и химического состава следующих пород, а также их примесей:
- известняка (доломита, кальцита);
- глины (каолинита Al4[Si4O10](OH)8);
- ортофира ( содержание кальцита, каолинита, хлорита);
- плагиопорфира (плагиоклазов);
- сульфидсодержащих пород.
          Изменение значения показателя СаО в Родниковском месторождении находит объяснение не только в слоистом строении продуктивной толщи, но и в протекающих процессах доломитизации, окремнения, кальцитизации и выщелачивания.
Наличие значимой отрицательной корреляционной связи между показателями СаО и MgO (равна -0,6, уровень значимости < 0.05) объясняется замещением оксида кальция оксидом магния в процессе доломитизации породы. Основная часть доломитизированных пород образовалась на стадии седиментации карбонатных отложений и связана с процессами диагенетической доломитизации. Также имеет место эпигенетическая доломитизация, вызываемая действием подземных вод, обогащенных магнием. Она приурочена к трещиноватым известнякам и карстовым пустотам.
          Отрицательная корреляционная связь СаО и SiO2 (равна -0,31) объясняется изменением значения показателя СаО, связанное с окремнением известняков. В карбонатных породах, слагающих Родниковское месторождение, как сингенетическое образование, встречается кремни разной формы. Причиной возникновения кремния в известняках являются химические реакции, происходящие на стадии седиментации известняков и наличие карстовых пустот, способствующих протеканию процесса окремнения. Карстовые пустоты возникли в результате размыва толщи грунтовыми и поверхностными водами, а также в результате деятельности тектонических нарушений. Карстовые полости, в зависимости от наличия непосредственной связи с поверхностью, могут быть заполнены рыхлыми песчано-глинистыми отложениями – это подтверждается наличием значимой отрицательной связи между показателями СаО и Al2O3+Fe2O3 (равна -0,3).
          Проведен пространственный анализ распределения качественного показателя СаО.

Рис. 3. План распределения показателя СаО в продуктивной толще восточного участка Родниковского месторождения.

Значение показателя оксида кальция на востоке распространено крайне неравномерно (рис. 2). Поле карты распределения показателя СаО имеет сложное строение, что подтверждается наличием нескольких минимумов и максимумов, неравномерно размещенных на изучаемом объекте. Большую часть карты занимают известняки с процентным содержанием СаО равным 46 – 48 %. В центре описываемой территории наблюдается чередование минимумов и максимумов содержания показателя. Наименьшее значение показателя СаО приурочено к южной части Родниковского месторождения, что объясняется прохождением субгоризонтального тектонического разрывного нарушения и выходом на поверхность протерозойского гранитоидного массива. Максимальное значение СаО в центре описываемой территории подтверждается геологическим строением участка. Здесь отсутствуют тектонические нарушения, карстовые пустоты и расположены наиболее качественные известняки, имеющие большую мощность и малую долю примесей вредных компонентов (SiO2, Al2O3+Fe2O3, S, P).
По результатам химического анализа послойно исследовано распределение качества известняков на месторождении. Выявлены слои с повышением и понижением качественных характеристик полезного ископаемого, исследованы причины их изменения. С целью установления закономерности изменения качества известняков Родниковского месторождения проводилась статистическая обработка данных с последующим сравнением изменения каждого из показателей качества (табл. 1).

Табл. 1. Значения качественных показателей известняков восточной части Родниковского месторождения.

Качест-венные показа-тели извест-няков	Среднее значение показателей качества по всей продуктивной толщи	Средние значения показателей качества по стратиграфическим пластам продуквтивной толщи
Качест-венные показа-тели извест-няков		С1vd	C1vb+c	C1va	C1td	C1tc	C1tb	C1ta
CaO	46	50	54	48	52	49	52	43
MgO	3,9	0,9	0,8	1,85	1,7	4,7	10,9	6
SiO2	4,33	8,2	1,75	7	2,3	1,8	4	8,1
Al2O3+ Fe2O3	1,22	0,6	0,4	2,0	0,6	0,7	1,7	2,9
S·10-2	15	8	5	33	8	9	19	33
P·10-3	5	7	3	4	6	5	6	5

Как видно из таблицы 1, при осреднении значений показателей на всю мощность продуктивной толщи месторождения происходит снижение качества, в сравнении с послойными значениями: полезные компоненты (CaO и MgO) уменьшаются; вредные – увеличиваются.

Практические выводы и рекомендации
- Таким образом, было детально изучено качество известняков юго-западной части Донбасса.
- Полученные статистические характеристики изменчивости качественных показателей известняков по отдельным стратиграфическим пластам и по всей полезной мощности значительно отличаются. Средние содержания качественных показателей известняков на конкретном горизонте Родниковского месторождения различны. Выявлено снижение качественных характеристик при осреднении показателей по всей полезной мощности месторождения в 3 раза.
- Снижение качества известняков вызвано процессами доломитизации, окремнения, кальцитизации и выщелачивания. Самым негативным фактором является карстообразование.
- В связи с отличием качественных характеристик отдельных стратиграфических слоев месторождения, рекомендуется подсчитывать запасы для каждого конкретного потребителя отдельно.
- Отработку Родниковского месторождения следует проводить послойно с учетом различия строения стратиграфических пластов продуктивной толщи. В этом случае, сорт будет соответствовать техническим условиям определенной промышленности. Известняки возраста C1vb+c соответствуют техническим условиям для доменного, металлургического, сталеплавильного производства. Известняки C1td могут использоваться в качестве сырого материала для металургии. Породы возраста С1vd, C1tc, C1tb могут применяться в сталеплавильной, ферросплавной промышленности, производстве строительной извести и цемента.

1. Блоха Н. Т. Карбонатные породы производства строительной извести / Н. Т. Блоха, В. И. Кольбах, В. С. Марков – М.: Недра, 1980. – 52 с.

2. Волкова Т. П., Вершинин А. С. Методика геолого-технологического картирования месторождений каолинов.// Горный журнал. Известия 1393.6 / – Донецк, 1993. - № 4. – С. 12-18

3. Ляхов Г. М. Нерудные ископаемые – известняки, глины, обломочные горные породы./ Г. М. Ляхов, Н. Д. Рождественский – М.: Недра, 1948. – 116 с.

4. Постникова И. Е. Методы изучения карбонатных формаций платформенных областей./ В. А. Крыжановский, И. Е. Постникова – М.,Недра, 1988. – 205 с.

5. Салов И. Н. Известняки Смоленской области./ И. Н. Салов – Смоленская область, 1952. – 56с.

6. Флюс, в металлургии Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона А. В. Митинский: [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

7. Определение зависимости между рентабельностью горнодобывающих предприятий и технико-экономическими характеристиками отечественных месторождений флюсового карбонатного сырья В. А. Михайлов, М. М. Курило, Н. Ю. Галкина: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: