4.4. Системы разведочных работ и их обоснование

В соответствии с принятым выше содержанием понятия о системах разведочных работ в них могут быть выделены три основных элемента:

 вид, характер и глубина разведочных выработок;

 форма разведочной сети и порядок проведения разведочных выработок;

 густота разведочной сети, отражающая количество используемых разведочных выработок.

Все эти элементы взаимосвязаны, и выбор их рационального сочетания, т.е. оптимальной системы разведочных работ, должен выполняться с учетом их взаимного влияния и всех имеющих значение факторов, к которым относятся горно-геологические и географические условия месторождения.

Вид, характер и глубина разведочных выработок. Ведущим видом разведочных выработок являются скважины, на долю которых приходится до 80 % всех затрат на разведку. Это вполне естественно, поскольку бурение в большинстве случаев обеспечивает получение достаточно полных и представительных сведений обо всех геолого-промышленных параметрах изучаемого объекта, позволяет осуществлять разведку на разной глубине и в любых горно-технических условиях. Кроме того, буровые работы примерно в 3-4 раза дешевле горных, осуществляются в несколько раз быстрее и значительно проще с точки зрения организации, более безопасные, менее энергоемкие и требуют меньше рабочей силы.

Наибольшее распространение при разведке получило механическое колонковое бурение, осуществляемое как с поверхности, так и из подземных горных выработок. Оно позволяет извлекать, изучать на поверхности и опробовать горные породы и полезные ископаемые, залегающие на больших глубинах, причем зачастую с полным сохранением их структурно-текстурных особенностей и условий залегания. Реже используется пневмо- и гидроударное бурение с отбором керна, бескерновое вращательное и ударно-канатное бурение.

Тем не менее, скважины как разведочные выработки обладают и существенными недостатками. Во-первых, при большой глубине стволы скважин отклоняются от проектного направления, причем определение их фактического положения в пространстве является достаточно сложной задачей, точность решения которой в целом недостаточна, а вывод забоя скважины в проектную точку встречи с рудным телом практически никогда не достигается. Это влечет за собой существенные отклонения фактической сети пересечений тела полезного ископаемого от проектной и появление погрешностей в определении его морфологии и условий залегания.

Во-вторых, даже скважины колонкового бурения значительно уступают горным выработкам по полноте и точности получаемой информации, ибо являются крайне тонкими проколами участков земной коры, недоступными для непосредственных замеров и наблюдений. Часто наблюдаются потери керна или его избирательное истирание, что искажает представление о мощностях пересекаемых скважиной слоев и о качестве полезного ископаемого.

В-третьих, при бурении скважин даже большого диаметра обычно невозможно получить ненарушенные кристаллы полезных ископаемых, качество которых определяется их физическими свойствами (слюды, пьезооптическое сырье и др.), а значит, нельзя обеспечить достоверные результаты разведки. По скважинам возможен отбор лишь точечных и линейных проб, что далеко не всегда соответствует особенностям изменчивости качества полезного ископаемого. И, наконец, в скважинах невозможен отбор технологических проб для испытаний в заводских условиях, где требуются сотни и тысячи тонн полезного ископаемого.

Эти недостатки приводят к тому, что более сложные в организации, дорогие и медленные горные работы в ряде случаев являются главным техническим средством разведки. Основными видами горных выработок являются расчистки, канавы, траншеи, разведочные карьеры, шурфы, дудки, штольни, разведочные шахты, квершлаги, штреки, рассечки, орты и восстающие.

Недостатки горных выработок компенсируются возможностью производства наблюдений горных пород и полезных ископаемых в естественных условиях их залегания, осуществления необходимых замеров с любой практически достижимой точностью, организации любого вида опробования, получения более полных и достоверных сведений о гидрогеологических и горно-технических условиях разработки месторождения, а полученное при их проходке ценное минеральное сырье (золото, алмазы, редкие металлы, слюда, пьезооптические материалы) может быть реализовано, что снижает стоимость горных работ при разведке и повышает их эффективность.

В зависимости от типа применяемых выработок разведочные системы подразделяются на три группы:

 буровые системы;

 горные системы;

 комбинированные (горно-буровые) системы.

Возможно дальнейшее подразделение этих групп по характеру применяемых выработок (скважины колонковые и ударно-канатные, вертикальные и наклонные; штольни, квершлаги, орты, штреки; шурфы и шахты и др.) и по их глубине.

Рассмотрим факторы, влияющие на выбор видов разведочных выработок и их сочетаний для изучения различных геологических объектов. Эти факторы можно объединить в три группы: географические, геологические и горно-технические.

Из географических факторов значение имеют рельеф поверхности, транспортные условия и климат. При равнинном рельефе предпочтительнее буровые системы разведки с использованием самоходных и передвижных буровых установок, тогда как горные работы возможны лишь со строительством шахт, относящихся к самым сложным и дорогим среди разведочных выработок. Наоборот, сильно расчлененный горный рельеф осложняет выбор площадок для установки буровых агрегатов и переброску их с одной точки на другую, часто увеличивает объемы бурения по вмещающим породам по мере возрастания глубины разведки. В этом случае применение для разведки штолен оказывается организационно и экономически более эффективным.

Наличие хороших транспортных условий позволяет использовать любые виды разведочных выработок, а отсутствие путей сообщения или их плохое состояние осложняет применение горных систем разведки (за исключением тех, которые используют легкие поверхностные выработки), так как требуется доставка более громоздкого и тяжелого оборудования и материалов, обустройство значительного числа работников.

Климат района оказывает влияние на организацию и проведение как буровых, так и горных работ. В общем случае можно считать, что в северных районах с суровым климатом предпочтительнее горные системы разведки с переводом работ под землю. В засушливых районах колонковое бурение затруднено из-за сложности промывки скважин, но и горные работы сложно организовать из-за отсутствия крепежного леса.

Геологические факторы играют ведущую роль при выборе типа разведочных выработок. Они определяют изменчивость месторождения (т.е. его сложность) и условия залегания тел полезных ископаемых. Выбор вида разведочных выработок осуществляют, ориентируясь на наиболее изменчивый (ведущий) геолого-промышленный параметр, справедливо полагая, что если он будет изучен достаточно полно и достоверно, то все менее изменчивые параметры тем более окажутся надежно изученными. В зависимости от изменчивости месторождений общие рекомендации по выбору типа разведочных выработок сводятся к следующему:

1. Месторождения весьма выдержанные и выдержанные (осадочные и большая часть магматических полезных ископаемых, метаморфогенные месторождения железа, стратиформные месторождения) разведуются почти исключительно бурением.

2. Невыдержанные месторождения (гидротермальные и скарновые месторождения большинства цветных металлов) являются объектами применения комбинированных систем разведки с заметным преобладанием доли буровых работ.

3. Для разведки весьма невыдержанных месторождений (гидротермальные и пегматитовые месторождения олова, вольфрама, молибдена, отчасти золота, слюды-мусковита) целесообразно применять комбинированные системы с преимущественной ролью горных выработок.

4. Крайне невыдержанные месторождения (гидротермальные и пегматитовые месторождения пьезооптического сырья, драгоценных камней, отчасти золота и редких металлов) следует изучать с помощью разведочных систем или систем с резким преобладанием горных выработок. Следует отметить, что чисто горные системы разведки в настоящее время встречаются крайне редко, уступая место комбинированным системам даже в случае крайне сложных объектов.

Условия залегания могут внести существенные коррективы в выбор типа разведочных выработок, а также во многом определяют их конкретный вид, ориентировку в пространстве и глубину. Так, при глубоком залегании невыдержанных, а иногда также весьма невыдержанных и даже крайне невыдержанных тел полезных ископаемых буровые системы вытесняют горные, а при выходе полезного ископаемого на поверхность верхние горизонты даже весьма выдержанных месторождений обычно изучают с помощью горных выработок. Горизонтальные и пологозалегающие тела разведуют бурением любого вида, гораздо реже  сочетанием скважин и шурфов; при разведке крутопадающих и вертикальных тел используют наклонные скважины колонкового или бескернового вращательного бурения и горные выработки различного типа (от канав и расчисток до разведочных шахт с системой квершлагов, штреков, ортов и т.д.).

Из горно-технических факторов при выборе системы разведочных работ следует учитывать крепость и устойчивость полезного ископаемого и вмещающих пород, степень обводненности участка, геокриологические условия и возможные системы вскрытия и отработки при эксплуатации месторождения.

В зависимости от крепости и устойчивости пород выбирается вид бурения, диаметр скважин, тип породоразрушающего инструмента, конструкция скважин, характер и размеры поперечного сечения горных выработок, способ их проведения, а иногда и место заложения (по полезному ископаемому или по вмещающим породам). Кроме того, неустойчивость пород и сильные водопритоки могут оказаться весьма неблагоприятным фактором, заставляющим отказываться от применения горных выработок при разведке месторождений.

При выборе технических средств разведки должны учитываться возможные системы вскрытия и отработки месторождения. Если предполагается открытая разработка или применение геотехнологических способов добычи (подземное выщелачивание, подземная выплавка и др.), то наиболее целесообразно использовать буровые системы разведки, иногда в сочетании с канавами, мелкими шурфами или разведочными карьерами. В этих условиях применение тяжелых подземных выработок является неоправданным, ибо они не могут быть использованы для последующей эксплуатации и обычно создают серьезные затруднения технического характера при ведении работ в карьере или в пределах подземного технологического участка. Если же ожидается подземная разработка месторождения, то роль горных выработок при разведке обычно увеличивается, так как затраты на их проходку могут быть частично отнесены на себестоимость продукции будущего горного предприятия, а применение их ускорит последующий ввод в эксплуатацию этого предприятия. При этом габариты, оборудование и точное положение в пространстве разведочных горных выработок должны выбираться с учетом возможной системы вскрытия и отработки месторождения.

Форма разведочной сети и порядок проведения разведочных выработок. В зависимости от взаимного пространственного положения разведочных пересечений можно выделить две группы разведочных систем: с расположением разведочных пересечений по правильной геометрической сети и с расположением их по линиям и рядам, вытянутым в определенных направлениях. В первой группе в зависимости от конфигурации элементарной ячейки различают сети квадратные, прямоугольные и ромбические.

Квадратная разведочная сеть наилучшим образом отвечает принципу равной достоверности в случае изотропных объектов  изометрических, плитообразных или близких к ним по форме тел (пласты, крупные линзы, плащеообразные залежи, штокверки и т.д.), изменчивость которых в плоскости создаваемой сети более или менее одинакова во всех направлениях (см. рис.15, а). Для таких сетей ориентировка их сторон в пространстве не имеет существенного значения.

Прямоугольные сети применяют при отчетливо выраженной анизотропии объектов разведки. При этом длинная сторона ячейки ориентируется в направлении наименьшей изменчивости ведущего геолого-промышленного параметра, короткая  в направлении наибольшей его изменчивости, а соотношение сторон выбирается в соответствии со степенью анизотропии объекта (рис.15, б).

Ромбические сети в практике разведки применяются редко. Как правило, они возникают лишь при сгущении прямоугольных сетей путем проходки дополнительных выработок в центрах ячеек сети (рис.15, в). При этом расстояния между выработками в обоих направлениях анизотропии тела полезного ископаемого остаются неизменными, но уменьшается вдвое расстояние между разведочными сечениями (разрезами) по этим направлениям.

Линейная разведочная сеть применяется для лентообразных тел полезных ископаемых, преимущественно для аллювиальных россыпей (рис.15, г). При их разведке расстояние между разведочными линиями достигает сотен метров, а между выработками на линиях составляет 10-40 м.

Как правильные геометрические сети, так и системы линий должны обеспечивать возможность построения разведочных разрезов по тем или иным направлениям в зависимости от ориентировки разведочных выработок. В соответствии с этим разведочные системы могут быть сгруппированы следующим образом:

 системы вертикальных разрезов;

 системы горизонтальных разрезов;

 системы вертикальных и горизонтальных разрезов.

Системы первой группы соответствуют разведке месторождений бурением скважин с поверхности, часто в сочетании с канавами, шурфами, иногда со штольнями, задаваемыми по направлению разведочных линий. Они наиболее распространены в практике разведочных работ.

Системы горизонтальных разрезов возникают в случае разведки месторождений горизонтальными выработками (штольни, квершлаги, штреки, орты, иногда канавы, редко  скважины) на ряде горизонтов.

Системы вертикальных и горизонтальных разрезов встречаются очень часто при разведке месторождений скважинами и горными выработками и обеспечивают наилучшее изучение морфологии и условий залегания сложных тел полезных ископаемых.

Все вышеизложенное относится к так называемой основной системе расположения разведочных выработок, которая призвана обеспечить равномерное изучение месторождения или рудного тела на всей площади его распространения. Однако зачастую при разведке возникает необходимость более тщательного изучения отдельных участков  зон разрывных нарушений, резких раздувов и пережимов тела, участков со специфическими гидрогеологическими и горно-техническими условиями и т.д. В подобных случаях разведочные выработки могут задаваться и вне системы разведочных разрезов, как поодиночке, так и группами.

Густота разведочной сети. Данный показатель имеет важнейшее значение, так как в конечном счете именно он определяет объемы, стоимость и длительность работ, необходимых для решения задач разведки. Густота разведочной сети может быть охарактеризована через площадь залежи, приходящуюся на одну разведочную выработку s, или через расстояние между соседними разведочными выработками h. В случае правильных геометрических сетей возможны оба эти способа, поскольку площадь постоянна по значению, геометрически соответствует элементарной ячейке разведочной сети и связана с расстоянием между соседними выработками простыми зависимостями: s = h² при квадратной сети и s = h₁h₂ при прямоугольной сети.

Выбирая оптимальную густоту разведочной сети, следует добиваться минимального количества разведочных пересечений на единицу площади изучаемого объекта при обеспечении требуемой точности и достоверности получаемых результатов. Существующие способы решения этой задачи разведки можно сгруппировать следующим образом:

 способ геологических построений;

– способ аналогий;

 способ сравнения разведочных и эксплуатационных данных;

 математические способы;

 экспериментальные способы;

 математико-экономические способы.

Способ геологических построений является ведущим. Он основан на построении прогнозной геологической модели объекта в виде комплекта графических материалов (геологические карты, проекции, разрезы, планы в изолиниях, погоризонтные планы и др.) и заложении разведочных выработок в первую очередь в точках перегиба геологических поверхностей или резкого изменения значений геолого-промышленных параметров. Кроме того, в соответствии с представлениями о степени, характере и структуре изменчивости месторождения, положенными в основу прогнозной модели, выбирают расстояния между выработками для уточнения значений геолого-промышленных параметров в промежутках между точками перегиба.

Способ аналогий исходит из выявленного сходства между анализируемым объектом и хорошо изученными и ранее разведанными однотипными месторождениями полезных ископаемых или их участками. Этот способ основан на типизации месторождений и используется в качестве главного инструмента при выборе разведочной сети. Чаще всего для этих целей используют инструкции, изданные Государственным комитетом по запасам (ГКЗ) полезных ископаемых по видам минерального сырья [7].

Способ аналогий прост и эффективен, в силу чего в последние десятилетия стал наиболее распространенным в практике геолого-разведочных работ. Однако необходимо отметить, что получаемые с его помощью результаты являются приближенными, ибо в природе нет двух совершенно одинаковых месторождений даже одного и того же типа, а количественные критерии типизации месторождений разработаны довольно слабо. Кроме того, ориентировочные расстояния между разведочными выработками даются в упомянутых инструкциях в виде достаточно широких пределов, позволяющих менять густоту разведочной сети в 2-4 раза.

Способ сравнения разведочных и эксплуатационных данных считается одним из наиболее надежных при выборе оптимальной густоты разведочной сети. В этом случае данные о геолого-промышленных параметрах месторождения, полученные в процессе его разработки (результаты эксплуатационной разведки, маркшейдерских замеров выработанного пространства, учета выдачи полезного ископаемого с рудника, эксплуатационного и товарного опробования и т.д.), используют в качестве эталона, с которым сравнивают результаты изучения соответствующих параметров при разведке. Если данные разведки достаточно хорошо совпадают с результатами эксплуатации, то густота применяемой сети признается достаточной. Однако не исключено, что аналогичные результаты могли быть получены и по более редкой сети наблюдений, поэтому рассматриваемый метод должен быть дополнен экспериментальным разрежением используемой разведочной сети, а результаты могут служить для обоснованного применения способа аналогий на других участках того же месторождения или на однотипных объектах. Если же разведочные и эксплуатационные данные не совпадают, то применяемая разведочная сеть была недостаточно густой.

Обычно результаты эксплуатации принимают за безошибочный эталон, что, к сожалению, не всегда верно. Дело в том, что при разработке месторождения не всегда полностью учитываются потери полезного ископаемого, а это искажает представление о морфологии и качестве тел полезных ископаемых. Кроме того, подготовительные и очистные работы зачастую не проводятся в тектонически сложных зонах, на участках размыва залежей, их расщепления или выклинивания, что снижает достоверность наших знаний об условиях залегания, морфологии тел полезных ископаемых и их внутреннем строении. Это всегда необходимо учитывать при определении степени соответствия данных разведки и эксплуатации, иначе можно прийти к неточным выводам и рекомендациям.

Математические способы определения густоты разведочной сети используют зависимости между показателями изменчивости тел полезных ископаемых, количеством точек наблюдения и ошибками определения средних значений геолого-промышленных параметров. Задаваясь значением допустимой погрешности, можно рассчитать число точек наблюдения n, а затем определить площадь s разведуемого тела, приходящуюся на одну разведочную выработку, и расстояния между соседними разведочными выработками h. Это можно показать на примере статистической модели изменчивости, используя формулу относительной погрешности , из которой следует, что n = V²/², где V  коэффициент вариации;   относительная погрешность определения среднего значения параметра. В случае моделей со сглаживанием наблюдений используется аналогичная формула, в которую подставляются значения коэффициента вариации, вычисленные по случайной составляющей изменчивости.

Иногда при обосновании расстояния между разведочными выработками учитываются дополнительные ограничения. Так, для надежной интерполяции свойств в пространстве между разведочными выработками рекомендуется располагать их на расстоянии, не превышающем двух радиусов автокорреляции. Если наблюдается периодическая изменчивость, то расстояние между разведочными выработками должно быть меньше половины длины волны периодической изменчивости.

При математическом обосновании густоты разведочной сети используют показатели изменчивости наиболее невыдержанного геолого-промышленного параметра объекта, а полученное необходимое количество точек наблюдения относят к тому участку (блоку) месторождения, в пределах которого будет рассчитываться среднее значение этого параметра с ожидаемой погрешностью, иначе говоря, к блоку подсчета запасов соответствующей категории. Могут быть предложены такие значения:

Экспериментальные способы заключаются в искусственном разрежении существующих разведочных сетей или их выборочном сгущении, а также в экспериментах с сетями различной плотности на моделях реальных или гипотетических объектов. Поскольку принципиальной разницы в применении этих способов на реальных месторождениях или их моделях нет, целесообразно в дальнейшем рассмотреть лишь два различных по сути направления в рамках этого способа, которые можно назвать методом разрежения разведочной сети и методом ее сгущения.

Метод разрежения основан на предположении, что достигнутая на объекте густота сети наблюдений заведомо обеспечивает требуемую точность результатов. Последовательно разрежая сеть и рассматривая все возможные варианты выборок, определяют для каждого из них средние значения ведущего геолого-промышленного параметра и максимальные погрешности их оценки. Задавая допустимый уровень погрешности, можно установить минимальную густоту сети, при которой во всех вариантах пространственного положения ее начального пункта погрешности оценки параметра не превышают допустимого значения.

Метод сгущения разведочной сети применяется в тех случаях, когда имеющаяся сеть точек наблюдения либо признана заведомо недостаточно густой (например, при сравнении разведочных и эксплуатационных данных, при экспериментах на моделях), либо есть сомнения в ее достаточности и необходим контроль правильности представлений о прогнозной геологической модели объекта. Для этого проводится выборочное сгущение сети на отдельных участках месторождений. Сгущение сети ведется последовательно, причем в отличие от метода разрежения при каждом сгущении имеется лишь один вариант пространственного положения начального пункта сети, для которого и определяется среднее значение исследуемого геолого-промыш­лен­ного параметра и вероятная погрешность его оценки. Достаточной признается такая густота сети, которая обеспечивает погрешность ниже допустимой, а увязку данных по соседним разведочным выработкам делает однозначной.

Математико-экономические способы мало применяются для обоснования густоты разведочной сети, хотя и обладают существенными преимуществами и хорошими перспективами. В основе их лежит учет затрат на разведку и непродуктивных дополнительных затрат при эксплуатации, связанных с неточностью результатов разведочных работ (так называемых "бросовых" затрат).

Пример. Рассмотрим возможные виды ущерба при добыче и при переработке руды. Так, при открытой добыче себестоимость добычи зависит в основном от коэффициента вскрыши (отношения массы пустой породы к массе руды в контуре карьера). Чем больше коэффициент вскрыши, тем дороже добыча руды и, соответственно, продукции, получаемой из нее. Если в контуре карьера руды окажется меньше, чем было подсчитано в процессе разведки, то при эксплуатации произойдет удорожание руды и продукции по сравнению с плановой (ожидаемой). Поэтому неподтверждение запасов руды в контуре карьера вызывает ущерб, выражаемый в удорожании руды и продукции из нее. Аналогичное явление, хотя и в более сложном варианте, имеет место и при подземной добыче.

Если руда при добыче окажется хуже по качеству, чем было заложено в проекте, то из руды получится меньше продукции и себестоимость ее окажется выше плановой, поэтому неподтверждение качества руды (в худшую сторону) приведет к удорожанию продукции.

Имеется положительный опыт применения математико-экономических способов обоснования густоты разведочной сети в Подмосковном угольном бассейне (В.С.Огарков), на Курской магнитной аномалии (Г.Н.Пермяков) и в Предуральском соленосном бассейне (В.И.Раевский).