Богатые железные руды КМА как объект скважинной гидродобычи

СЕМИНАР 20

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________

И.В. Британ, к.г.м.н., С.Г. Лейзерович,

НИИКМА НИИКМА

БОГАТЫЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ РУДЫ КМА КАК ОБЪЕКТ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ

Месторождения богатых железных руд КМА являются продуктом древних кор выветривания площадного и линейного типов, образовавшихся на выходах докембрийских железистых кварцитов. Их суммарные запасы превышают 60 млрд т. Руды характеризуются высоким качеством. По составу они, в основном, мартитовые и железнослюдково-мартитовые с переменным содержанием гидроокислов железа, шамозита и карбонатов. Рудные тела протяженные, мощность достигает сотен метров.

Большинство исследователей [1, 2, 3, 4] отмечают важную роль дизъюнктивных нарушений и трещиноватости субстрата в образовании богатых руд, особенно для залежей линейного типа, но из-за ограниченности данных, эти представления не в полной мере перенесены на внутреннею структуру рудных массивов. Во всех достаточно мощных залежах проявлена зональность, характеризующаяся последовательной сменой снизу - вверх: неокисленных железистых кварцитов - окисленных кварцитов - богатых окисленных руд. Верхняя зона повсеместно подверглась гипергенной вторичной цементации шамозитиза-ции и карбонатизации на глубину 10-50 метров от кровли, представленной более поздними осадочными образованиями, имеющими мощность до 400-700 м.

Окисленные богатые железные руды, расположенные между окисленными кварцитами и зоной вторичной цементации, характеризующиеся содержанием общего железа 65-68% и невысокой прочностью, рассматриваются в настоящее время в качестве потенциальной рудной базы для скважинной гидродобычи (СГД).

Г орно-геологические условия залегания богатых железных руд (БЖР) сложные. Они находятся на больших глубинах и сильно обводнены. Их физическое состояние изменчиво, существенная доля руд представлена неустойчивыми разновидностями. Горно-геологические условия залегания стали главным препятствием для вовлечения месторождений в эксплуатацию традиционными способами. По этой причине десятки лет продолжается подготовка к эксплуатации Яковлевского месторождения.

Впервые о необходимости разработки нетрадиционных технологий для добычи таких руд было заявлено в 1963-65 годах в исследованиях НИИКМА под руководством В.И. Терентьева с участием одного из авторов. Была выполнена работа по подземной гидравлической разработки слабых руд с использованием гидростатического давления подземных вод для развития управляемого самообрушения и выноса руды через шлюзы в выработки и откачки ее на поверхность. Были выполнены и проектные проработки опытного участка.

Впервые возможность разработки БЖР методом СГД обоснована в 1976 г. В.Ж. Аренсом, А.М. Гайдиным и Б.В. Исмагиловым (ГИГХС). К наиболее перспективным они отнесли Яковлевское и Гостищевское месторождения, где около 45% руд оценены как рыхлые (асж< 2.0 МПа). Последние были разделены на "мягкие", в основном, гидрогематитовые, гети-товые - "краски", и легкоразрых-ляемые железнослюдково-марти-товые разновидности со скелетом и без скелета - "синьки".

В 1987 году В.Л. Колибаба (ВИМС) разрабатывал концепцию СГД, которая, прежде всего базировалась на том, что в месторож-

дениях БЖР от 27% до 60-80% запасов относятся к рыхлым, способным при обрушении в подземной камере переходить в подвижное состояние. Концепцией предусматривалось извлечение дисперсной массы с оставлением обломочных руд в недрах [5].

Такие представления о рудах согласуются с общепринятыми взглядами. В частности, в известной монографии [6] подчеркивается, что в крупных месторождениях (Яковлевском, Гостищевском и др.) преобладают рыхлые и полурыхлые разности руд (стсж< 2.0 МПа, при средних значениях 0.6-1.2 МПа), "составляющие 50-58 и даже до 78% общей мощности залежей". Здесь же для Большетроицкого месторождения, куда в то время в качестве участка входило Шемра-евское месторождение, доля рыхлых руд по данным разведочных работ определена равной 71,4%. Это, а также крупные запасы, большая вертикальная мощность залежи (до 410 м) и другие благоприятные факторы послужили основанием для выбора Шемраев-ского месторождения в качестве первого объекта под СГД. Здесь, в соответствии с решением Мингео-логии СССР, Белгородская геологоразведочная экспедиция ПГО "Центргеология", организовала в 1988 году опытный участок и начала опытно-методические работы по созданию новой технологии добычи БЖР.

На участке был подготовлен полигон из 35 специальных и наблюдательных скважин глубиной 700-1200 м по сети 25х25 и 25х50 м со сгущениями до 5-15 м; выполнены большие объемы геологических, инженерно-геологических, гидрогеологических и геофизических исследований. Полученные данные показали, что основная

масса руд характеризуется прочностью ст сж. до 6.0 МПа, в том числе руды с ст сж до 3.0 МПа составляют около 30-40% запасов. При этом физические свойства руд характеризуются резкой изменчивостью.

Исследования позволили в 1988 году одному из авторов подготовить первую рабочую геотех-нологическую классификацию руд. Выделялось четыре типа: естественноплывунные, легкораз-мываемые (внутреннеразмываемые и поверхностноразмываемые), труд-норазмываемые (дресвянистые и плотные) и неразмываемые. Считалось, что первые два типа, которые характеризуются стсж < 1.0 МПа, являются самообрушающимися и самоизмельчающимися, а для запуска и поддержания процесса СГД достаточно гидродинамических воздействий, возникающих при откачке; все остальные руды требуют принудительного обрушения (гидромониторный размыв, взрывные способы и т.п.).

В 1989-1991 годах появляются несколько классификаций БЖР Шемраевского месторождения.

В.А. Котов (ВИОГЕМ) выделяет рыхлые руды (стсж до 5 МПа), средней плотности (стсж 5-10 МПа), плотные (стсж 10-20 Мпа), крепкие ((Стсж > 20 МПа).

В НИИКМА, на основании лабораторных опытов по размывае-мости, руды были разделены на весьма легоразмываемые, легко-размываемые, среднеразмывае-мые и неразмываемые [7]. К перспективным для гидромониторной разработки отнесены два первых типа, которые по характеристикам, приведенным к реальным условиям подземной камеры, могут обеспечить продуктивность размыва не менее 5,4 тонн в час. Такими свойствами характеризовались образцы руд, имеющие как правило, стсж. до 0.7 МПа, пористость более 40% и скорость распространения продольных волн менее 1000 м/сек. Опытной проверки результатов не проводилось.

В институте «ВНИПИПромтех-нология» [8] была разработана классификация, основа которой

базируется на величине модуля сцепления ^0). Выделено три типа: псевдоплывунные, подвижные ^0<1 МПа), принудительно сдвигаемые (1^0 <2,5 МПа), трудно-сдвигаемые ^0>2,5 МПа). Для них рекомендовались соответствующие системы разработки: с гидромониторной выемкой, само-обрушением и самотечнопринудительной доставкой; с предварительным разуплотнением массива; с принудительным обрушением.

Специалисты МГРИ [9] разделили руды по величине предельного сжимающего напряжения (МПа) на рыхлые (0<стсж<5),полускальные

(5<стсж<10), скальные (стсж>10).

Начавшиеся опытные откачки из скважин показали, что руды четко разделяются на два типа:

♦ слабосцементированные, не образующие при обрушении устойчивого обломочного материала, переходящие в процессе обрушения и пульпоприготовления в рудный песок;

♦ руды сцементированные, разрушающиеся с образованием прочного кускового материала.

Первые было предложено называть рыхлыми, вторые - каменистыми [10]. Принятая (ориентировочно) прочностная граница между ними составляет ст сж 3.0 МПа.

В соответствии с этими представлениями была проведена оценка месторождений КМА по перспективам вовлечения их в СГД. Было выделено 3 типа месторождений:

♦ тип I - месторождения с мощными (более 20 м) горизонтами рыхлых руд, которые занимают в рудной массе не менее 20-25% объема;

♦ тип II - месторождения с горизонтами рыхлых руд мощностью 520м, с их общим объемом 10-15%;

♦ тип III - месторождения каменистых руд с маломощными прослоями рыхлых.

К типу I, являющемуся наиболее перспективным для освоения СГД, отнесены крупные месторождения линейных кор выветрива-

ния (Яковлевское, Гостищевское, Большетроицкое и Шемраевское) с суммарными запасами около 20 млрд.тонн. Тип II представлен крупными месторождениями площадкой коры выветривания (Разу-менское, Мелихово-Шебекинс-кое и др.) с запасами около 25 млрд.т. Тип III не перспективен для СГД в настоящее время.

В 1995 году была завершена предварительная разведка Шемра-евского месторождения. Разведанные по категориям В+Q запасы составили 401,2 млн. т (общие 1036,7 млн. т), в том числе отнесены к перспективным запасы для СГД (стсж < 3.0 МПа) - 209,3 млн. т или 52,2%. Последние оконтури-вались по данным акустического каротажа (АК) и визуальной оценки кернового материала. В пределах опытного полигона подсчет выполнен по категории В, запасы определены в количестве 17,9 млн. т, в том числе 6,0 млн. т (33,3%) рыхлых.

Комплекс геофизических работ, особенно каротажные исследования, позволил значительно продвинуться вперед в поисках надежных способ оценки состояния руд в массиве. В частности, В.П. Семенова и А.А. Голубев [11] сделали вывод о том, что состояние массива достоверно оценивается по данным АК, а контуры пород и руд, различающиеся по прочностным свойствам четко, устанавливаются по значениям скорости распространения упругих волн. Скоростные границы по их данным составляют для рыхлых руд

- 2,25 км/сек, для полурыхлых 2,75 км/сек, для полускальных - 3,00 км/сек; для скальных - 3,25 км/сек.

Таким образом, на стадии опытно-методических работ использовалось шесть маркирующих признаков для классификации руд применительно к СГД: по величине предельного сжимающего напряжения; по размываемости; по величинам модуля сцепления; по волновым характеристикам; по поведению руд в реальном гидродобычном процессе и по состоянию кернового материала. Но на

Рис. 1. Распределение руд с ст<3,0 МПа в вертикальных разрезах Шемраев-ского месторождения

1 - известняки нижнего карбона; 2 - окисленные богатые железные руды, в том числе: а - в межотраслевом горизонте; 3 - внутрирудные сланцы;

4 - окисленные кварциты; 5 - графики средних колечеств руд с ст < 3,0 МПа.

практике лишь два из этих направлений: - волновые характеристики и керновый материал, обеспечивали сплошное изучение и оценку руд в разрезах. При этом, так же, как и в предыдущие годы, прочные разновидности «увязывались» с наложенной поровой цементацией окисленных руд минералами - бемитом, гиббситом, шамозитом, кальцитом, доломитом и сидеритом; рыхлые - с отсутствием такого цемента.

С использованием данных АК, был произведен авторский подсчет запасов в пределах опытного полигона Шемраевского месторождения, который показал, что руды с стсж < 3.0 МПа составляют здесь 32%, в том числе с стсж < 2.0 МПа

- 6%. При этом основная часть таких руд сосредоточена между внутрирудными прослоями сланцев, образуя здесь горизонт мощностью около 50 м, погружающийся к западу под углами 30-700 (средний 450).

Опытные работы дали несколько неожиданных результатов. В процессе СГД в межслан-цевом горизонте и вне его руды, с одинаковыми физическими и химическими характеристиками, вели себя по разному. В скважине 1Т, где работы за пределами горизонта заняли 30% рабочего времени, было добыто лишь 19% от общей массы. Производительность при этом была ниже в 1,8 раза. Выяснилось так же, что в пределах межсланцевого горизонта, безусловно сформировавшегося за счет единого минералогического типа кварцитов, физические свойства руд могут резко изменяться. Всего в 25 метрах от скважины 15 м, где руды с ст сж. < 3.0 МПа составляют почти 100%, в скважине 4Н они полностью отсутствуют (данные АК). Подтвердилась такая неоднородность и опытами. Например, в скв 2Т из межсланцевого горизонта было добыто около 15 тыс.т руды, а в скв.3Т -4,5 тыс.т, т.к. процесс полностью

остановился из-за непоступления руды на забой.

Таким образом, было установлено, что концепции СГД, базирующиеся на общепринятых представлениях о строении рудных залежей и преобладании в них рыхлых руд (стсж < 2.0 Мпа) должны быть соответствующим образом скорректированы. Необходимо также пересмотреть оценки физического состояния руд месторождений КМА, так как в их основу положены характеристики прочности, определенные по состоянию кернового материала. Ограниченное количество лабораторных определений физических свойств руд, поднятых с больших

глубин и ослабленных не только снятием напряжений, но и воздействием процесса бурения, не могли дать точной картины.

На опытном полигоне Шемра-евского месторождения, используя данные АК, удалось выделить два физических типа разрезов, разобщенных в пространстве.

I тип характеризуется тем, что в межсланцевом горизонте среднее количество руд с стсж<3.0 МПа характеризуется аномально высокой величиной - 77,0% (рис.). Горизонт размещается в пределах блока сложной конфигурации внутри поля со средним количеством таких руд 20,1% (II тип), не

выделяясь по этому показателю из общего разреза.

Исследованиями установлено, что для одной из линий скважин, пересекающих добычной блок, на разрезах, обнаруживается, что увеличение количества руд с стсж< 3.0 МПа совпадают с определенным положением кварцитов, и известняков карбона, перекрывающих руды.

Специальный геолого-геофизи-ческий корреляционный анализ, разработанный и выполненный для условий рудных массивов КМА впервые, показал, что субстрат до начала процессов окисления был раздроблен с образованием мелкоблоковой структуры. Относительные перемещения блоков составляют от несколько метров до 100-150 м. Нарушения имели характер как секущих и продольных сбросов, так и послойных срывов и подвижек. Все это способствовало глубокой переработке субстрата в зоне окисления и формированию мощной линейной коры выветривания, но одновременно определило сложную, подчас мозаичную, структуру рудного массива.

Изучение вещественного состава и геохимических характеристик показали, что гипергенные процессы, с которыми связывается вторичная цементация руд, протекали не только на поверхности залежей, но и проникали вглубь, подчиняясь положению подновлявшихся разрывов на границах блоков и внутриблоковых меж-слоевых срывов, захватывая большие объемы залежи.

Было также обнаружено, что гипергенез, который внутри массива проявлялся по зонам трещиноватости, хорошо подчеркивая ограничения блоков, не закачивался процессами шамозитизации и карбонатизации. В благоприятных условиях, гипергенные изменения руд продолжались в форме гидатоморфизма рудных и цементирующих минералов. В результате происходило разрушение и разупрочнение порового цемента и ослабление сцепления между рудными минералами. В частности, интенсивностью процессов, про-

исходивших в рудном теле объясняются резкие различия свойств руды в межсланцевых и около-сланцевых пространствах. В этом структурном блоке нормативное содержание определенных компонентов изменяется в пределах 10,0-13,7% , а за его пределами резко падает. К примеру, в скв.8Н оно составляет 12,4%, а в скв.16Н, удаленной всего на 15 метров, -4,7%. Значительное влияние определенных процессов рудопреоб-разования на устойчивость и подвижность руд подверждается результатами опытных работ. Оказалось, что продуктивность СГД имела прямую зависимость от содержания определенных форм железа и некоторых других продуктов гидатоморфизма в рабочем горизонте. По-видимому, процессы добычи протекали более эффективно не только за счет ослабления внутренних связей, но и в результате большей подвижности, связанной с проявлением плывунных свойств, благодаря повышению общей дисперсности и наличию глиноподобных и гелевидных масс. Увеличение эффекта выноса руды на поверхность проявлялось изменением цвета пульпы, которая приобретала бурый маслянистый оттенок, становясь на ощупь липкой.

Оценивая БЖР как объект СГД, следует подчеркнуть следующее. Общий показатель прочности руд, сам по себе, не определяет их технологичность, так как, в конце концов, можно всегда найти достаточно мощный способ для их обрушения и разрушения. Принципиальное значение имеет реакция руд на физические и иные формы воздействия, их склонность к межзерновой дезагрегации, либо к разрушению с образованием обломочного агрегированного материала. Последние не могут пока считаться объектом гидродобычи, т.к. для их подъема необходимы другие схемы и энергетика выдачи полезного ископаемого на поверхность

Опыты показали, что некоторые руды Шемраевского месторо-

ждения, за пределами верхней зоны вторичной цементации, относятся к самообрушающимся и самоизмельчающимся, а частично

- к плывунным разновидностям. Руды расположенные над окисленными кварцитами и не захваченные процессами вторичной цементации, характеризуются устойчивостью в гидродобычной камере и требуют принудительного сдвижения, но в процессе обрушения и пульпоприготовления могут давать дисперсный материал в форме рудного песка. Прочностные границы таких руд неоднозначны. Они могут изменяться в зависимости от структурнотекстурных и других особенностей, но в основном значения ст сж,, по-видимому, не превышают 2.5-3.5 МПа. Это подтверждается опытами в скважинах и состоянием руд в керне, где они в значительной части представлены песчанистым материалом и мелкими структурированными комками.

Изложенное позволяет сделать следующие выводы.

1. Изученность месторождений КМА, разведка которых проводилась десятки лет назад с целью подготовки к отработке традиционными способами, недостаточна для обеспечения требований технологии СГД из-за высокой изменчивости физических характеристик руд и сложности внутренней структуры залежей.

2. Физические характеристики руд и их вещественный состав зависят не только от состава субстрата и положения относительно зон окисления и вторичной цементации, но являются одновременно во всем своем объеме сложным продуктом тектонических и ги-пергенных процессов, путей, состава и времени инфильтраций.

3. На Шемраевском месторождении самообрушающиеся и само-измельчающиеся руды связаны с определенной зоной, которая контролируется маркирующими признаками. Такие руды могут обладать плывунными свойствами. Наличие указанных зон - благоприятный фактор для реализации

технологии и могут быть выявлены на других месторождениях СГД.

4. Руды вне этих зон и без вторичной поровой цементации могут быть отработаны методом СГД с принудительным обрушением.

5. Запасы руд, пригодных для отработки методом СГД в бассейне КМА, хотя и меньше, чем предполагалось ранее, но остаются весьма значительными, превышающими 2 млрд. тонн. Их выявление и оценка должна производиться по специальной методике, учитывающей особенности формирования перспективных залежей.

6. Для геотехнологической классификации руд и их оконтуривания недостаточно общего определения физических характеристик. Следует учитывать особенности вещественного состава, структурнотекстурные особенности и другие свойства, вытекающие из сложной геологической истории формирования залежей.

7. Требуется разработка специальной геофизической аппаратуры и методик, обеспечивающих определение необходимых характеристик руд в естественном залегании.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Булгакова А.П.,Щекин Ю.С., Ряполов А.Г. О структурно-

тектоническом контроле кор выветривания на железорудных месторождениях КМА. Геология рудных месторождений, № 3,

1988, с.98-102.

2. Геология, гидрогеология и железные руды бассейна Курской магнитной аномалии, т.П, Изд-во "Недра", М.1969, с.309.

3. Чайкин С.И. Структурные и литологические факторы образования железных руд КМА. В сб."Условия формирования кор выветривания и их минеральных месторождений"., Изд-во "Наука", М., 1983, с.164-170.

4. Чайкин С.И., Зубков В.А. О структуре Большетроицкого железорудного месторождения КМА. Геология рудных месторождений, № 3, 1989, с.82-87.

5. Колибаба В.Л. Концепция скважинной добычи богатых руд КМА. В сб. "1-ый советско-югославский симпозиум по проблемам скважинной гидравлической технологии", Т.1, М., 1991, с. 16-19.

6. Геология, гидрогеология и железные руды бассейна Курской магнитной аномалии, т.П, изд-во "Недра", М., 1972, с.479.

7. Лейзерович С.Г., Лебедев О.Ф., Булгакова А.П., Горкунова О.В. Исследование размываемости рыхлых руд Курской магнитной аномалии при скважинной гидро-

добыче. В сб. "Технический прогресс в атомной промышленности", сер. "Горно-металлургическое производство", вып.1, М., 1990, с. 13-17.

8. Кирцов В.В., Кошколда К.Н., Чесноков Н.Н. Скважинные системы разработки рудных месторождений большой мощности. В сб. "Технический прогресс в атомной промышленности", сер. Горно-металлургическое производство", вып.1, М., 1990, с. 17-21.

9. Абрамов Г.Ю., Вильмис А.Л. Скважинная гидродобыча глубоко залегающих богатых железных руд КМА. В сб. "1-ый советско-югославский симпозиум по проблемам скважинной гидравлической технологии", т.1, М., 1991, с.33-37.

10. Британ И.В., Мерзликин В.К., Романщак А.А. Месторождения богатых железных руд Курской магнитной аномалии - перспективные объекты для скважинной гидродобычи. В сб. "Технический прогресс в атомной промышленности", сер. "Горнометаллургическое производство", вып.1, М., 1990, с.7-9.

11. Семенова М.П., Голубева А.А. Система геофизического обеспечения гидравлической технологии добычи полезных ископаемых. Горный журнал, № 1, 1995, с.32-35.

© И.В. Британ, С.Г. Лейзерович