Возможности локального прогнозирования качества руды при подземной разработке месторождений полезных ископаемых (на примере апатитонефелиновых месторождений Хибинского массива)

Вопросы организации автоматизированного выпуска руды в режиме усреднения и стабилизации ее качества, снижения потерь и разубоживания, интенсификации добычи, проблемы комплексного использования руд диктуют необходимость разработки простого и эффективного способа локального прогнозирования минерального и химического состава руд в недрах. Прогнозирование пространственного распределения полезных компонентов в рудных телах, находящихся в ненарушенном залегании, базируется на закономерностях распространенности текстурных типов руд, особенностях их количественного минерального и химического состава. Для апатитонефелиновых месторождений, где текстуры руд имеют ярко выраженный характер, в основу метода локального прогнозирования был заложен комплекс теоретических и экспериментальных работ, посвященных гипотезе их ликвационного происхождения (“Горная промышленность”, 1997, №4). Образующиеся в процессе ликвации щелочной магмы слои сосуществующих в равновесии расплавов контрастны по составу и свойствам. И в то же время каждый слой обладает стабильным и очень хорошо усредненным составом, своим собственным значением среднего содержания компонентов и стандартом. Текстурные типы апатитонефелиновых руд (как аналоги слоеврасплавов, возникших в процессе ликвационного формирования рудных тел) также обладают устойчивым количественным минеральным и химическим составом.
Принимающие участие в строении апатитонефелиновых рудных тел пятнистые, пятнистополосчатые, брекчевидные, линзоиднополосчатые, крупно и мелкоблоковые, сетчатые текстурные типы руд, массивные уртиты, ийолиты, рисчорриты, луявриты, мончикиты и др. породы обладают ярко выраженными текстурноструктурными особенностями. Каждый текстурный тип апатитонефелиновых руд представляет собой элементарную структурную единицу, которую можно оконтурить как геометрическое тело и, проанализировав в нем закономерности пространственного распределения содержания минералов и химических компонентов, а также количественные связи между ними, осуществить локальное прогнозирование качества руды как в объеме эксплуатационного блока, так и над каждой выпускной воронкой в секции, подготовленной к выпуску.
Распространенность текстурных типов руд на различных горизонтах отработки неодинаковая и отличается высокой степенью изменчивости, даже на таких крупных месторождениях, как Кукисвумчоррское (табл.1). Попытки оценить ее разного рода расчетными методами связаны с большими ошибками, и поэтому определение распространенности текстурных типов руд возможно только с помощью эксплуатационной разведки.
Установлено, что каждый текстурный тип апатитонефелиновых руд обладает своим собственным средним содержанием апатита, нефелина, пироксена, полевого шпата, сфена и титаномагнетита и их стандартным отклонением. Среди месторождений Хибин состав текстурных типов руд лучше всего исследован на Кукисвумчорре, что позволило выяснить главные закономерности пространственного распределения минералов по простиранию, по падению и вкрест простирания рудных тел. Для выполнения такого анализа исследовано поведение Р2О5 в эксплуатационных блоках при высоте этажа 70 м, ограниченных по простиранию разрезами через 64 м, что позволило сравнивать получаемые расчетные данные в одинаковых стандартных условиях.
Таким образом, по простиранию рудного тела содержание Р2О5 в текстурных типах руд изменяется слабо, и состав их остается достаточно устойчивым. Абсолютные отклонения частных средних содержаний Р2О5 в блоках (∆х) от генерального среднего содержания Р2О5 (х) для двух интервалов глубин носят не систематический, а случайный характер. Величина ∆х обычно не превышает 11.5% и всегда меньше дисперсии (табл.2). Нет различий в величинах ∆х для богатых руд и бедных руд, коэффициент вариации содержаний Р2О5 для различных текстурных типов близки между собой и, соответственно, для богатых руд коэффициент вариации содержаний Р2О5 составляет 1018%, а для бедных — 2132%. Таким образом, содержания апатита в текстурных типах руд статистически колеблются около генерального среднего стандарта. Среднее содержание апатита является и наиболее вероятным его значением. Анализ статистических моделей распределения апатита (нормального, логнормального, бетараспределения, Стьюдента, Максвелла, Вейбулла, Релея, Лапласа, Шарлье, показательного, хквадрат, гаммараспределения, равномерного) с помощью критерия согласия Пирсона показал, что в текстурных типах руд и массивных уртитах распределение апатита не противоречит нормальному закону распределения. Для нефелина, пироксена, полевого шпата, сфена и титаномагнетита статистические законы распределения более сложные. Кроме того, данные табл.2 показывают, что с глубиной в текстурных типах руд содержание Р2О5 постоянно уменьшается, одновременно уменьшается и величина среднего квадратичного отклонения. Соответственно коэффициент вариации содержаний Р2О5 для типов руд остается постоянным. Перечисленные закономерности присущи всем месторождениям Хибинского массива.
В связи с тем, что в апатитонефелиновых рудах содержания главных минералов (апатита и нефелина, апатита и пироксена, нефелина и пироксена) находятся в определенных количественных соотношениях, описываемых линейными уравнениями связи, то количество нефелина и пироксена рассчитываются исключительно по данным опробования руд на содержание Р2О5 (табл.3).  Количество же апатита, как единственного промышленного минерала, содержащего фтор, рассчитывается по уравнению: апатит=Сод.Р2О5х2,458.
В итоге установлено, что апатитонефелиновые руды характеризуются следующими основными параметрами:
• самым устойчивым признаком текстурного типа руды является среднее содержание апатита, которое не противоречит нормальному закону распределения;
• текстурные типы руд значительно отличаются по среднему содержанию на всех горизонтах отработки рудного тела;
• среднее квадратичное отклонение содержаний апатита в текстурных типах руд является естественными колебаниями состава руд.
Располагая данными по распространенности текстурных типов руд, среднему содержанию в них Р2О5 и величине дисперсии, возможно описать распределение количества всех промышленно ценных минералов над выпускными воронками на всю высоту этажа отработки рудного тела. Необходимо только подчеркнуть, что данный расчетный метод применим для рудного массива, находящегося в ненарушенном залегании. По мере же того, как происходит процесс выпуска руды из взорванной секции, просачивающиеся породы кровли рудного тела (рисчорриты, луявриты, ювиты, малиньиты и др.) будут вызывать разубоживание рудной массы и нарушать указанные выше количественные связи между минеральными фазами иные, чем в рудном массиве. Определить момент поступления пород кровли в рудный массив принципиально возможно, если на выпуске будет организован количественный фазовый анализ проб выпускаемой рудной массы.
Таким образом, по данным эксплуатационной разведки вкрест простирания рудного тела по оси выпускных воронок строятся поперечные геологические разрезы с подробным нанесением на них границ текстурных типов руд и пород. На разрезы выносятся значения среднего содержания Р2О5, дисперсии и коэффициента вариации для каждого текстурного типа руд и пород. Содержания апатита, нефелина и пироксена рассчитываются по приведенным выше уравнениям регрессии, количества остальных минералов принимаются по среднему их содержанию в типах руд. От горизонта выпуска руды по оси воронок через определенный интервал производится отсчет среднего содержания полезного компонента в соответствии с тем, какие текстуры руд и пород пересекает ось выпускной воронки. Предельно допустимая величина интервала, на котором происходит усреднение содержания полезного компонента зависит от планируемой для отработки участка рудного тела организации работ. Практика отработки апатитонефелиновых месторождений показывает, что без ущерба точности горногеологических и горнотехнических расчетов интервал этот может достигать 3 м. Такая высота рудного столба соответствует максимальной сменной дозе выпуска руды из одного выпускного отверстия (воронки). Схема построения и расчета качества руды, находящейся в ненарушенном залегании показана для двух разрезов на рис.1. Она вполне понятна и не требует пояснений. Такое описание по 232 воронкам выпуска было составлено для блока 11/13 гор. +252 м Кировского рудника, а по 10 воронкам проверено в опытнопромышленных условиях на Расвумчоррском руднике. В дальнейшем метод был подтвержден на Юкспорском месторождении.
Имея геологические разрезы с детальными данными пространственного распределения полезного компонента (в данном случае это Р2О5), возможно описать его распределение по вертикальной оси выпускных выработок в направлении от лежачего бока рудного тела (горизонт выпуска) к висячему боку. Согласно исследованиям А.Ф.Ермолина распределение полезного компонента достаточно корректно аппроксимируется полиномом третьей степени (коэффициент корреляции близок 0.9):
С = ао + а1Z + а2Z2 + a3Z3,
где С — содержание Р2О5 в балансовых запасах, %;
Z — высота рудного столба, м;
а — коэффициенты регрессии при членах полинома, доли ед.;
0, 1, 2, 3 — показатели степени полинома.
В соответствии с полученными им аналитическими зависимостями для определения содержания Р2О5 в элементарной дозе выпускаемой руды до начала и в процессе разубоживания были получены расчетные данные по изменению содержания Р2О5 в процессе выпуска руды из воронок. По мере выпуска руды из воронок производилось опробование каждой тысячи тонн полезного ископаемого. Было опробовано 184 тыс.т извлеченных запасов на Расвумчоррском подземном руднике.
Сравнительная оценка расчетных и фактических данных изменения содержания Р2О5 в процессе выпуска руды показала достаточно хорошее их совпадение (рис.2). Среднеквадратичное отклонение расчетных данных от фактических колебалось в пределах 0.60.7% абсолютного содержания Р2О5.
Метод локального прогнозирования может быть, кроме того, использован в тех случаях, когда по условиям ведения горных работ участки рудных тел невозможно опробовать.
Полученные с использованием метода локального прогнозирования данные могут быть использованы при составлении планограмм выпуска руды из блоков, при осуществлении контроля за правильностью ведения технологического режима выпуска, они могут закладываться в системы управления в режиме стабилизации и усреднения качеством руды. Метод может быть использован на месторождениях, где текстуры руд хорошо выражены и легко отличаются друг от друга (хромитовых, титаномагнетитовых, карбонатитовых и т.п.).5

Журнал "Горная Промышленность" №3 1998