К статье ГОРНОЕ ДЕЛО
Поисковые работы нацелены на выявление признаков месторождений. При обнаружении выходов минерала на дневную поверхность проводится детальная разведка местности для установления размеров и ценности месторождения. В случае положительных результатов и благоприятных маркетинговых, транспортных и других условий можно готовить месторождение к активной эксплуатации.
Индивидуальные поиски. Наиболее легко распознаваемые и доступные месторождения давным-давно открыты. В дополнение к традиционным инструментам геолога-поисковика - кайлу и лотку для промывки проб - в современных условиях необходимы счетчик Гейгера или сцинтиллятор, если ведется поиск радиоактивных минералов, приборы ультрафиолетового излучения при поиске флюоресцирующих минералов, бериллометр (прибор, обнаруживающий бериллий с помощью облучения пород радиоактивными изотопами) при разведке бериллиевых руд.
Разведывательные бригады. Современные горнодобывающие компании для поиска минерального сырья нанимают разведывательные бригады, оснащенные полноприводными автомобилями и транспортными средствами на гусеничном ходу, малой авиацией и вертолетами, а также геофизическими приборами, химическими и микрохимическими лабораториями, портативными буровыми станками. Иногда для бороздового опробования исследуемых зон и получения представительных образцов разведывательные партии применяют землеройную технику.
Территории, перспективные для разведки. С каждым годом проблема выбора участка для проведения разведочных работ с вероятностью успеха выше средней усложняется. Не последнюю роль в этом играет элемент случайности.
Многие экономически важные месторождения были обнаружены в непосредственной близости от старых действующих рудников. Как правило, они залегают глубже эксплуатируемых залежей.
Поскольку поверхность Земли на 71% покрыта водой, объектами исследований стали также морская вода и дно океана. Теперь из морской воды извлекают магний. В связи с открытием марганцевых конкреций на дне океанов требуется сконцентрировать внимание на разработке методов их добычи. Планируются более развернутые подводные исследования с целью поиска других ценных материалов. В будущем, возможно, развернутся работы по извлечению полезных компонентов из металлоносных илов, покрывающих обширные площади дна Тихого океана, а также из высокоминерализованных вод Красного моря.
Методы разведки. Выбор методики исследований часто определяется формой и условиями залегания рудного тела. Если рудная залежь представлена пологозалегающим пластом, то для ее разведки используют сеть вертикальных скважин. Аналогичным образом изучают массивные месторождения вкрапленных руд. Если залежь крутопадающая, то для оконтуривания месторождения на глубине бурят наклонные скважины. Трубо- или чечевицеобразные рудные зоны в жилах требуют еще более тщательного выбора расположения буровых скважин. Обычно глубокозалегающие месторождения полезных ископаемых не поддаются изучению простыми методами, а требуют подробных и сложных исследований.
Сначала проводятся исследования земной поверхности, на которой можно обнаружить поисковые признаки скрытых в недрах рудных тел. Зоны красной горной породы или грунта ("железные шляпы") связаны с окислением железосодержащих минералов и часто оказываются признаком руд железа, золота, свинца, цинка и бокситов. На присутствие марганца указывают черные или коричневые пятна (т.н. "пустынный загар"). Светло-желтая окраска может свидетельствовать о присутствии урана, зеленая или голубая - меди, бледно-зеленая - никеля или мышьяка. Легко распознаются черные выветрившиеся обнажения угля.
В результате выветривания рудовмещающих пород ряд минералов в них может растворяться, оставляя небольшие полости или "ядра" (породы, заполняющие внутренние полости), сохраняющие форму выщелоченного минерала. Эти породы с ячеистой структурой служат индикаторами нижележащих рудных зон. Кроме того, благоприятными поисковыми признаками являются зоны сильно измененных коренных пород или разрывов, где в результате смещения земной коры образовались положительные и отрицательные формы рельефа.
Геофизические исследования. При разведке рудных участков применяются чувствительные приборы, регистрирующие изменения гравитационного и магнитного полей, электропроводности и других физических свойств горных пород земной коры. Геофизическое оборудование (магнитометры для поиска магнитных руд и гравиметры для выявления различий в плотности горных пород) может быть портативным или устанавливаться на автомобилях и самолетах. Применение авиационных бортовых геофизических устройств значительно ускорило процесс разведки и повысило ее эффективность.
Микрохимические, геоботанические и биогеохимические методы. Микрохимический анализ относительно малых количеств вещества в большом числе проб используется для обнаружения металлов, присутствующих в незначительных количествах. Обобщение результатов таких количественных исследований позволяет в дальнейшем выявлять скопления полезных ископаемых геофизическими методами.
Методы геоботанической индикации, основанные на воздействии определенных минералов на различные растения, были разработаны в начале 1940-х годов. Наиболее широко они использовались в СССР, где с 1955 стали обычными в работе разведочных партий. Растения, растущие на грунтах повышенной минерализации, отличаются аномалиями окраски, формы и роста. Для выявления площадей, в пределах которых растения-индикаторы реагируют на присутствие определенных минералов, совместно применяются аэрофотосъемка и наземный контроль. "Универсальными" индикаторами называются растения, которые всегда реагируют на присутствие данного элемента, а "локальными" - такие, которые действуют лишь в пределах ограниченного района. Так, индикаторами цинка служат определенные виды горчицы и гвоздики, хотя до сих пор по их присутствию не были открыты новые цинковые месторождения. Среди индикаторов меди выделяются растения из семейства гвоздичных, разные виды мяты и мхи. В Швеции на основе изучения состава бриофлоры были обнаружены три месторождения меди. По некоторым видам астрагала и других бобовых - индикаторов селена - в США было обнаружено месторождение урановых руд на плато Колорадо. В биоиндикации важным признаком являются аномалии морфологии растений, а также их фенологических циклов. Присутствие в почве алюминия ведет к укорачиванию корней, увяданию и пятнистости листьев, а никеля - к появлению белых мертвых пятен на листьях.
Биогеохимический анализ растений особенно полезен, когда зоны оруденения расположены глубоко. Образцы растений (трав, кустарников, деревьев) обычно исследуются колориметрическим или спектрографическим методами для определения микродоз различных элементов и выявления отклонений от нормы их содержания. Выбор растений для химических анализов определяется глубиной и мощностью их корневой системы, возрастом, высотой и "коэффициентом аккумуляции", показывающим, насколько больше минерал абсорбируется растениями, растущими в пределах ареала рудного тела, по сравнению с теми, которые растут в иных почвенно-грунтовых условиях.
Трассирование потоков рассеяния. Потоками рассеяния называют отторженные обломки и компоненты полезного ископаемого, вынесенные эрозионными процессами из месторождения. Когда находят такие полезные компоненты, то прослеживают их путь вплоть до самого источника (рис. 1). Наиболее успешно этот метод применяется в аридных районах. Однако это чрезвычайно трудно выполнить в тропиках, где пышная растительность и мощный почвенный покров надежно маскируют исходную залежь. Иногда там, где эрозия полностью разрушила зону оруденения, единственное, что остается от месторождения, это поток рассеяния полезных компонентов.
При изысканиях на золото пробы последовательно отбираются вдоль водотока вверх по течению. Таким образом ведется поиск других тяжелых минералов (в России этот метод называется шлиховым опробованием). Когда частицы золота обнаруживают в русле водотока, на прилежащих склонах намечается система перпендикулярных линий, располагающихся на одинаковом расстоянии друг от друга. Образцы, отбираемые в узлах этой равномерной сетки, промываются, а количество частиц золота подсчитывается для того, чтобы найти коренной источник их происхождения. Коренное месторождение с поверхности вскрывают траншеями или канавами, а на глубину - штольнями, шурфами и шахтами. Затем подсчитывают запасы и определяют ценность месторождения.
Опробование. В рыхлых отложениях, перекрывающих рудную жилу, опробование ведут шурфами или канавами. Когда в этих поверхностных породах обнаруживаются признаки оруденения, из свежих стенок канав и шурфов отбираются более представительные пробы.
При колонковом опробовании в грунт через определенные интервалы, часто вручную, забиваются буры - секции труб диаметром 2,5 или 5 см с острой режущей кромкой. Затем исследуются отобранные буром пробы. Этот метод применим лишь при изучении рыхлых отложений, не содержащих камней или валунов. В России известен метод "отодвигания" встретившихся валунов или остроугольных обломков. Для получения более полной и надежной информации о мощности и особенностях залежей, выходящих на поверхность, проводят комплексное опробование с помощью шурфов, канав и ручных колонковых буров.
Бурение. Там, где исследуемые участки перекрыты мощной осадочной толщей или твердыми породами, необходимо бурение скважин (рис. 2) при помощи разных буровых установок - шнековых, ударно-канатных, вращательных, а также станков "Эмпайр".
Шнековые установки применяются для бурения мягких грунтов. Вращение шнека осуществляется вручную, либо с использованием лошадиной тяги, либо механическими средствами. Шнековое бурение ведется в основном до глубины ок. 200 м.
Станки "Эмпайр" широко используются для бурения рыхлых отложений до глубины 9-12 м при разведке бокситовых и других месторождений латеритного генезиса. Основной частью установки является тяжелая обсадная труба с режущим башмаком на нижнем торце и круглой стальной платформой на верхнем торце. Чтобы платформа вместе с обсадной трубой могла вращаться, к ней крепится поворотный рычаг. В случае мягкого грунта труба под действием веса человека, стоящего на платформе, вдавливается в почву. В глинах и других более плотных породах дополнительную вдавливающую силу обеспечивают приводные плунжеры, которые можно поднимать и сбрасывать. Рыхлый материал, скапливающийся внутри обсадной трубы, разжижается водой.
Установки ударно-канатного бурения состоят из тяжелого долота, ударной штанги, ударников и замка, к которому крепится канат. Для забивания бурового снаряда используется вышка с силовой установкой, поднимающей и сбрасывающей рабочий орган. Раздробленная масса извлекается из скважины желонкой или змеевиком. При ударно-канатном бурении скважины редко бывают прямыми, а опробование - точным. Поскольку породы, в которые забивается буровой снаряд, дробятся, часто бывает трудно получить ясное представление об их генезисе. Несмотря на то, что в настоящее время ударно-канатное бурение применяется редко, оно сыграло важную роль в практике разведки и подготовки к эксплуатации многих месторождений полезных ископаемых.
Установки вращательного бурения обеспечивают низкую себестоимость бескернового бурения в непродуктивных отложениях. Отбор керна проводят лишь в продуктивной зоне. Некоторые конструкции таких установок предназначены для наклонного бурения под любыми углами. Самая глубокая в мире скважина (12 066 м, Кольский п-ов) была пробурена с применением вращательного бурения.
Размеры буровых установок различны - от небольших станков, монтаж и управление которыми в подземных выработках могут осуществлять два человека, до огромных, смонтированных на стальных вышках и обслуживаемых бригадой квалифицированных буровиков. Имеются установки, смонтированные на автомобильных шасси или полозьях. Вращательное бурение нефтяных и газовых скважин (роторное) осуществляется также со специальных судов и стационарных морских платформ. До недавнего времени использовались стальные буровые штанги, поэтому предельная глубина бурения определялась мощностью станка, удерживающего буровую колонну. Появление алюминиевых буровых штанг, хотя и более дорогих, чем стальные, позволило бурить более глубокие скважины.
Когда установки вращательного бурения используются для отбора керна, на конец колонковой трубы навинчивается буровая коронка, армированная алмазами или твердыми сплавами, например карбидом вольфрама (победитом). В этой системе полые буровые штанги удерживаются буродержателем, закрепленным на торце полой колонковой трубы, оснащенной резьбой. Буровой раствор под давлением подается вниз по полым штангам для охлаждения коронки и удаления раздробленной массы и шлама. По мере продвижения коронки в керноприемнике колонковой трубы формируется цилиндр из ненарушенной горной породы (керн). Когда коронка углубится на расстояние, равное длине колонковой трубы (от 1,5 до 3,6 м), колонна штанг, колонковая труба и коронка извлекаются из скважины, а керн - из колонковой трубы. Затем он отправляется на разного рода анализы.
При бурении бескерновыми вращательными установками (роторное бурение) исследуется раздробленная масса и шлам, вынесенные сжатым воздухом или буровым раствором через полые буровые штанги. Как правило, роторное бурение быстрее и дешевле колонкового. Общая глубина скважин, пробуриваемых за смену, может меняться в широком диапазоне в зависимости от геологических условий и размеров скважин - от нескольких сотен метров до 1,5-3 м в скальных породах.
Буровые установки с алмазными буровыми наконечниками используются для проходки скважин глубиной до 3 км. Некоторые из этих установок снабжены специальными колонковыми трубами, позволяющими извлекать керн через штанги с помощью троса. Установки такого типа позволяют достигать более высоких скоростей бурения за счет меньших временнх затрат на извлечение керна без подъема на поверхность всей буровой колонны.
Для проходки бурением относительно неглубоких шахтных стволов применяются специальные установки вращательного бурения с использованием твердосплавных коронок или коронок дробового бурения диаметром 1 м и более. Установки такого типа используются также в некоторых системах разработки для буровой проходки очистных горных выработок (например, при подземной разработке калийных солей).