Автореферат Рогаченко О М Закономірності розподілу якості флюсових вапняків (на прикладі Родниківського родовища)

Вапняки мають надзвичайно широку сферу застосування. Вони вживаються для приготування флюсів (у металургії), для будівництва, для виробництва ізвесті та цементов, у виробництві силікатної цеглини, в хімічній промисловості, в цукровому виробництві і так далі. Головним чином, їх використовують в металургійній промисловості як флюси. Впровадження нових технологічних процесів в металургії вимагають підвищення якості вапняку флюсу по хімічному складу і механічній міцності. Виснаження запасів якісної сировини експлуатованих родовищ і закриття кар'єрів у зв'язку із загостренням екологічних проблем потребує екстреного введення в експлуатацію нових родовищ. У зв'язку з цим була розпочата розвідка Родниківського родовища Донецької області. Дослідження закономірності просторового розподілу якісних показників вапняків, а також з'ясування причин мінливості цих показників, на родовищі не проводилися. Детальне вивчення геологічних умов, тектоніки і хімічного складу вапняків дозволить обгрунтувати зв'язок геологічних чинників і якості сировини на території Родниківського родовища.

Рис. 1. Цикл обробки вапняка. GIF-анімація, 13 кадрів, зацикленне повторення, 23,1 кб.

Дана наукова робота має зв'язок із Загальнодержавною програмою розвитку мінерально-сировинної бази України на період до 2030 року по розділу «Неметалічна сировина для металургії» підрозділу «Флюсові вапняки і доломіти». Вона проводиться за завданням державного підприємства КП «Южукргеологія» Приазовська КГРЕ.

Мета дослідження полягає у вивченні чинників мінливості якості вапняків і його просторового розподілу для оптимізації відробітку Родниківського родовища.

Завдання дослідження:
1) вивчити якість вапняків південно-західної частини Донбасу;
2) отримати статистичні характеристики мінливості якісних показників вапняків;
3) виявити геологічні чинники, що впливають на розподіл різних показників якості по різних ділянках родовища;
4) визначити залежність якості вапняків від умов залягання;
5) провести порівняльний аналіз якості вапняків родовища з технічними вимогами різних галузей промисловості;
6) розробити практичні рекомендації подальшого відробітку Родниківського родовища.

Ідея роботи полягає в перевірці відомих теоретичних чинників зміни хімічного складу вапняків в Родниківському родовищі.

Об'єктом дослідження є Родниківське родовище флюсових вапняків Донецької області.

Предмет – просторові закономірності розподілу якості вапняків, їх зв'язок з геологічними чинниками.

Методи дослідження:
- статистична обробка вихідних даних;
- аналіз графічного матеріалу для з'ясування особливостей будови досліджуваного об'єкту (геологічна карта району, гіпсометричні плани, стратиграфічні колонки й ін.);
- складання вибірок вихідних даних для порівняльної характеристики окремих елементів об'єкту;
- просторовий аналіз розподілу корисних і шкідливих компонентів корисної копалини на досліджуваному об'єкті;
- метод системного аналізу результатів обробки для створення моделей мінливості якості вапняків.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше проаналізована зміна якісних показників карбонатних відкладень південно-західної частини Донбасу. Розроблені критерії якості вапняків для відробітку Родниківського родовища. Встановлені закономірності просторового поширення мінливості показників якості корисної копалини.

Практичне значення отриманих результатів Позначені зони з високоякісною вапняковою сировиною в межах Родниківського родовища. Зроблені рекомендації за технологією подальшого відробітку родовища.

Мною були систематизовані раніше проведені дослідження, визначені завдання роботи, складені вибірки, проведена статистична обробка і інтерпретація даних. На підставі проведених досліджень, результати роботи представлені в графічному вигляді. Складені практичні рекомендації.

Питання даної роботи докладалися на ІІ Всеукраїнській науковій конференції-школі молодих вчених «Сучасні проблемі геологічніх наук», яка проходила в Київі 12-15 квітня 2010 року. Моя доповідь на тему «Совершенствование технологии разведки и отработки месторождений флюсовых известняков» надрукована в тезах цієї конференції.

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

Аналіз стану вивченої питання.
          Мною проаналізована література і фондові матеріали за темою карбонатної сировини в Україні. Особлива увага була приділена вивченню нижнекам’яновугільних відкладень вапняків зони зчленування Приазовського мегаблоку Українського щита і складчастого Донбасу.
          Вивчення відкладень нижнього карбону південно-західної частини Донбасу велося рядом геологів, починаючи з середини XIX століття. У 1928 – 1929 рр. Ротаєм О.П. проведене геологічне картирування південно-західної частини Донбасса в масштабі 1:42000, в результаті якого була прийнята нова індексація стратиграфічних зон. В 1947-1951 рр. Укргеолтрестом МЧМ зроблена інструментальна геологічна зйомка масштабу 1:100000 з метою уточнення подальших напрямів геологоразвідувальних робіт по нарощуванню балансових запасів флюсових вапняків і доломітів. Вперше пошукові роботи на Родниківському родовищі були виконані Приазовською ГРЕ в 1982-1984 рр. В період з 1985 по 1990 роки Приазовськими ГРЕ ДГП «Южукргеологія» проведені пошуково-оцінюючі роботи на Комсомольській площі, у тому числі і на Родниківському родовищі.
          Вивченням геолого-тектонічних особливостей залягання карбонатної сировини в зоні зчленування Приазовського мегаблока Українського щита й складчастого Донбасу займався вчений А.І. Недошовенко. В його статті " О методике разведки месторождений карбонатного сырья юго-западной части Донбасса", опублікованої в 1977 році, освітлена проблема закарстованості досліджуваного району й неудосконалювання системи геологічної розвідки подібних ділянок.
          В роботі А.В.Канунниковой і В.І. Ремизова " Литологические особенности, постседиментационные изменения и поровое пространство средне-нижнекаменноугольных известняков" (1977р.), дослідження карбонатних порід проводилися для оцінки колекторів, що широко використовуються при пошуку нафти й газу. Однак деякі аспекти їх роботи можуть бути кориисні для порівняння хімічних особливостей вапняків Родниківського родовища.
          В науковій статті С.А. Мачуліной і М.В. Безуглой «О находке крупных сталактитоподобных образований пирита в известняках нижнего карбона Стыльского карьера юго-западной части Донбасса» (2004г.) вказується причини появи сульфідів сірки в карстових порожнечах вапняків турнейського віку.
          В роботі В.А. Міхайлова, М.М. Курило, Н.Ю. Галкиной «Определение зависимости между рентабельностью горнодобывающих предприятий и технико-экономическими характеристиками отечественных месторождений флюсового карбонатного сырья» (2005г) розглянута проблема забезпечення якісної карбонатної сировини для металургійного виробництва у зв'язку із збільшенням технічних вимог промисловості до якості вапняків.
          Особливості геологічної будови південно-західної частини Донбасу, тектонічних особливостей, хімічного складу порід нижнього карбону описано у фондових матеріалах КП «Южукргеология» Приазовська КГРЕ.

Геологічна будова об'єкту дослідження.
Головним районом розвіданих запасів флюсових вапняків України, є зона зчленування південно-західної частини Донецької складчастої структури з Приазовським блоком Українського щита. Тут сконцентровані 38 % розвіданих запасів флюсових вапняків і 20 % вапняків доломітизованих. Продуктивною є моноклінально залягаюча вапняково-доломітова товща турнейського та візейського ярусів нижнього карбону потужністю до 500 м. Відкладення візейського ярусу представлені, головним чином, вапняками, а турнейського ярусу – чергуванням шарів вапняку, доломіту і доломітизованих вапняків. Також зустрічаються глинисті і окремнілі вапняки, вапняки із сланцем. Потужність карбонатної товщі складає від декількох до 100 і більше метрів.
Основним постачальником вапняку для конвертерного виробництва є Комсомольське рудоуправління. Його сировинна база представлена Каракубським родовищем флюсових вапняків. Діючі кар'єри - Північний, Південний, Жеголевский. Кар'єр Дальний повністю відпрацьований і затоплений. Запасів Каракубського родовища вистачить до 2015 року при досягнутій потужності підприємства в 7 млн тонн сирого вапняку в рік. Поповнення дефіциту високоякісної флюсової сировини планується за рахунок введення в експлуатацію Родниківського родовища.
У геолого-структурному відношенні Родниківське родовище розташоване в південно-західній частині зони зчленування складчастої структури Донбасу із Приазовським мегаблоком Українського щита. Воно приурочено до смуги поширення порід визейського й турнейського ярусів нижнього карбону, які складають південне крило Кальміус- Торецької улоговини. Продуктивними товщами є вапняки турнейського й визейського ярусів нижнього карбону. Потужність корисної копалини становить 72,4 м на Східній ділянці родовища й 90,3 м - на Західній (підраховані запаси до обрію -7м). Відкладання визейського ярусу представлені, в основному, вапняками. Турнейський ярус відрізняється чергуванням шарів, головним чином, вапняку, доломіту, доломітизованих вапняків із прослоями глинистих, окремнілих та сланцевих вапняків. Карбонатні породи турнейского й визейского ярусів ставляться до типу органогенних, переважно мелкодетритусових, слабометаморфизованих порід. У них, як сингенетичне утворення, зустрічаються кремені різної форми. Це доводить хемогенність процесу утворення вапняків. Більша роль хімічного процесу в утворенні доломіту підтверджується малою наявністю викопної фауни в доломітизированих породах, яка поступово змінюється в доломітизованих або звичайних вапняках.
Залежно від хімічного складу й змісту компонентів, що лімітують, серед вапняків Родниківського родовища виділяються: феросплавні, конверторні, доменні. При цьому майже 70% від усіх запасів родовища становлять конверторні вапняки. Для контролю масової частки SiО2 карбонатні породи попередньо обпікаються в спеціальних вапнякобжигаючих агрегатах з одержанням конверторного вапняку. Запаси карбонатних порід Родниківського родовища підраховані за даними попередньої розвідки (табл. 2). Дані по стану запасів флюсових вапняків Родниківського родовища надані підприємством КП "Южукргеологія" Приазовська КГРЭ.

Опис фактичних даних
На першому етапі роботи був проведений аналіз геологічної документації, що містить відомості про літологію й тектонику ділянки досліджень, відібрані дані для вибірки, по яких розраховані статистичні показники й визначені кореляційні зв'язки для кожного стратиграфічного шару окремо . Найбільшу інформативність має якісний показник СаО. Він є визначальним критерієм при сортуванні вапняків. Для всіх показників розраховані максимальні й мінімальні значення, середнє значення показника й стандартне відхилення, що характеризує ступінь мінливості показника. По статистичних характеристиках визначені особливості мінливості якісних показників по окремих шарах і в цілому, по потужності. Проведений порівняльний аналіз між результатами статистичної обробки даних по окремих шарах і по всієї корисної товщі родовища. При проведенні просторового аналізу виявлені ділянки з високоякісною вапняковою сировиною.
Вихідними даними для кількісного дослідження закономірності поширення якості вапняків є просторово прив'язані дані хімічних аналізів секційних проб по пластопересеченням розвідницьких свердловин Родниківського родовища. Вибірка містить в собі 2270 секційних проб (при середній довжині секції рівної 2,0 м). Проби відібрані Приазовською КГРЭ. У пробах визначені наступні якісні показники: СаO, MgO, SiO2, Al2O3+Fe2O3, S, P. На родовищі були проведені попередні геолого-розвідувальні роботи. Виділені геологічні блоки з категоріями запасів С1 і С2. Площа родовища покрита мережею розвідницьких свердловин з відстанню між ними: по категорії запасів С1 - 200?200 м, по категорії запасів С2 - 400?400 м. Буріння свердловин проводилося до обрію з абсолютною відміткою -7 м.

Вибір і опис методики обробки даних
Наявні дані організовані для обробки в такий спосіб:
- складені вибірки по окремим шарам, що служать для дослідження впливу геологічних факторів на якість вапняків;
- складені вибірки по всій потужності родовища в цілому для порівняння просторового розподілу якості й виявлення загальних закономірностей.
Для розв'язку завдань поставлених у цій роботі обрані наступні методи:
- статистичний аналіз, що дозволяє охарактеризувати масив даних, виявити зв'язки між різними показниками;
- аналіз графічного матеріалу, який дає можливість докладно розглянути геологічну будову об'єкта;
- просторовий аналіз, за допомогою цього методу здійснюється виділення просторових закономірностей розподілу показників і їх прив'язка до геологічних структур об'єкта;
- метод системного аналізу результатів обробки по генезису корисної копалини й просторовому положенню досліджуваного об'єкта;
- узагальнення результатів для створення моделей мінливості якості корисної копалини.

Інтерпретація результатів
Для родовищ вапняків визначальними показниками якості є показники СаO, MgO, SiO2, Al2O3+Fe2O3, S, P. Зміст СаО є основним показником якості вапняків. Для одержання точних відомостей про причини й закономірності його мінливості, була проведена статистична обробка даних. За результатами проведених аналізів виявлений неоднорідний розподіл основного якісного показника СаО в Родниківському родовищі (рис 1).

Рис. 2. Гістограма мінливості показника СаО в Родниківському родовищі а) по шару С1vb+c; б) по всіх шарах продуктивної товщі.

Гістограми мінливості показника СаО мають східчастий одновершинний вид, що доводить відповідність досліджуваної ознаки зеркально-логнормальному закону розподілу. Присутність порожніх інтервалів свідчить про неоднорідність геологічного середовища. Це пояснюється шаруватою будовою продуктивних товщ визейського й турнейського ярусів нижнього карбону, наявністю карстових порожнеч і розривних порушень. На рис.1а зображена гістограма мінливості показника СаО по одному зі стратиграфічних шарів продуктивної товщі Родниківського родовища. На рис.1б наведена гістограма мінливості усередненого показника по всієї продуктивної товщі родовища. Розмах між мінімальним і максимальним значеннями показника СаО по шару C1vb+c становить (рис. 1а) 7,06, а по продуктивній товщі в цілому - 19,32 (рис.1б). При осередненні даних відбувається значне зниження значення показників якості вапняків (CaО + MgО). Така відмінність пояснюється тим, що в продуктивній товщі родовища зустрічаються некондиційні прошари порід вапняку з низьким змістом СаО й непродуктивні добавки у вигляді аргилитів, алевролітів, пісковику. Самі високоякісні вапняки зустрічаються в шарах C1vb+c, C1td, C1tb.
Розподіл мінливості якісного показника MgО - зеркальнообратно мінливості показника СаО. Це викликано залежністю змісту MgО у товщі вапняків від розвитку (інтенсивності) процесів доломітизації:

          При цьому Mg2+ заміщає Са2+ у кристалічних ґратах вапняку СаСО3.
          Зміна показника СаО зв'язане із шаруватістю родовища та зміною мінерального й хімічного складу наступних порід (а також їх домішок):
- вапняка (доломіту, кальциту);
- глини (каолініту Al4[Si4O10](OH)8);
- ортофіра ( зміст кальциту, каолініту, хлориту);
- плагіопорфира (плагіоклазів);
- порід, які містять сульфиди.
          Зміна значення показника СаО в Родниківському родовищі знаходить пояснення не тільки в шаруватій будові продуктивної товщі, але й у процесах доломітизації, окремніння, кальцитизації й вилуговування.
          Наявність значимого негативного кореляційного зв'язку між показниками СаО і MgO (складає ?0,6, рівень значимості < 0.05) пояснюється заміщенням оксида кальцію оксидом магнію в процесі доломітизації породи. Основна частина доломітизованих порід утворилася на стадії седиментації карбонатних відкладень і пов'язана з процесами діагенетичної доломітизації. Також має місце епігенетична доломітизация, що викликається дією підземних вод, збагачених магнієм. Вона приурочена до тріщинуватих вапняків і карстових порожнеч.
          Негативний кореляційний зв'язок СаО й SiO2 (складає ?0,31) пояснюється зміною значення показника СаО, пов'язане з окремнінням вапняків. У карбонатних породах, що складають Родниківське родовище, як сингенетичний утвір, зустрічається кремені різної форми. Причиною виникнення кремнію у вапняках є хімічні реакції, що відбуваються на стадії седиментації вапняків і наявність карстових порожнеч, що сприяють протіканню процесу окремніння. Карстові порожнечі виникли в результаті розмиву товщі ґрунтовими й поверхневими водами, а також у результаті діяльності тектонічних порушень. Карстові порожнини, залежно від наявності безпосереднього зв'язку з поверхнею, можуть бути заповнені пухкими піщано-глинистими відкладеннями - це підтверджується наявністю значимого негативного зв'язку між показниками СаО й Al2O3+Fe2O3 (складає 0,3).
          Проведений просторовий аналіз розподілу якісного показника СаО.

Рис. 3. План розподілу показника СаО в продуктивній товщі східної ділянки Родниківського родовища.

Значення показника оксида кальцію на сході поширене вкрай нерівномірно (рис. 2). Поле карти розподілу показника СаО має складну будову, що підтверджується наявністю декількох мінімумів і максимумів, нерівномірно розміщених на досліджуваному об'єкті. Більшу частину карти займають вапняки із процентним вмістом СаО рівним 46–48 %. У центрі описуваної території спостерігається чергування мінімумів і максимумів змісту показника. Найменше значення показника СаО присвячене до південної частини Родниківського родовища, що пояснюється проходженням субгоризонтального тектонічного розривного порушення й вихідом на поверхню протерозойского гранитоідного масиву. Максимальне значення СаО в центрі території підтверджується геологічною будовою ділянки. Тут відсутні тектонічні порушення, карстові порожнечі й розташовані найбільш якісні вапняки, що мають більшу потужність і малу частку домішок шкідливих компонентів (SiO2, Al2O3+Fe2O3, S, P).
За результатами хімічного аналізу послойно досліджений розподіл якості вапняків на родовищі. Виявлені шари з підвищенням і зниженням якісних характеристик корисної копалини, досліджені причини їх зміни. З метою встановлення закономірності зміни якості вапняків Родниківського родовища проводилася статистична обробка даних з наступним порівнянням зміни кожного з показників якості (табл. 1).

Табл. 1. Значення якісних показників вапняків східної частини Родниківського родовища.

Якісні показники копалин	Середнє значення показників якості за всією продуктивної товщі	Середнє значення показників якості за шарами продуквтивної товщі
Якісні показники копалин		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

Як видно з таблиці 1, при усередненні значень показників на всю потужність продуктивної товщі родовища відбувається зниження якості, у порівнянні з пошаровими значеннями: корисні компоненти (CaО і MgО) зменшуються; шкідливі - збільшуються.

Практичні висновки й рекомендації
– Таким чином, була детально вивчена якість вапняків південно-західної частини Донбасу.
– Отримані статистичні характеристики мінливості якісних показників вапняків по окремим шарам і по всій корисній потужності значно відрізняються. Середні змісти якісних показників вапняків на конкретному горизонті Родниківського родовища різні. Виявлене зниження якісних характеристик при усередненні показників по всій корисній потужності родовища в 3 рази.
– Зниження якості вапняків викликане процесами доломітизації, окремніння, кальцитизації й вилуговування. Найбільш негативним фактором є карстоутворення.
– У зв'язку з відмінністю якісних характеристик окремих стратиграфічних шарів родовища, рекомендується підраховувати запаси для кожного конкретного споживача окремо.
– Відпрацювання Родниківського родовища слід проводити пошарово з урахуванням відмінності будови стратиграфічних шарів продуктивної товщі. У цьому випадку, сорт буде відповідати технічним умовам певної промисловості. Вапняки віку C1vb+c відповідають технічним умовам для доменного, металургійного, сталеплавільного виробництва. Вапняки C1td можуть використовуватися в якості сировини для металургії. Породи віку С1vd, C1tc, C1tb можуть застосовуватися в сталеплавільній, феросплавній промисловості, виробництві вапна й цементу.

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: [Электроний ресурс.] – Режим доступу:

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: [Электроний ресурс.] – Режим доступу: