Московский экономический журнал 8/2020

DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10586

Формирование точности приборов, используемых в горном деле

Forming the accuracy of devices used in mining

Руденко Екатерина Александровна, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Патачаков Игорь Витальевич, кандидат технических наук доцент, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Боос Иван Юрьевич, ассистент кафедры маркшейдерского дела СФУ, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Бойченко Егор  Олегович, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Бархатов Денис Владимирович, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Кузьменко Ирина Анатольевна, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Rudenko Ekaterina Aleksandrovna

Patachakov Igor Vitalevich

Boos Ivan IUrevich

Boychenko Yegor Olegovich

Barkhatov Denis Vladimirovich

Kuzmenko Irina Anatolyevna

Аннотация. Влияние состояния поверхности измеряемой рудной массы заключается в наличии в развале воздушных зазоров и неровной поверхности, что вносит дополнительную погрешность в измерения и снижает точность контроля качества. Воздушные зазоры влияют на плотность отдельного объема, а неровности поверхности приводят к тому, что расстояния от датчика устройства до руды будут непостоянны, что внесет погрешности в зону измерения. Главным фактором, который влияет на снижение точности контроля взорванной горной массы, относительно массива горных пород является нарушение естественного состояния в результате проведения буровзрывных работ. В связи с этим разработаны методики калибровки и подстройки точности, которые учитывают средние показатели удельной плотности взорванной горной массы, а также снижают погрешность измерений по неровной поверхности в забое карьера.  На сегодняшний день существует надежный способ достичь повышения достоверности показателей содержания полезного компонента в забое карьера – это выполнить достаточное количество измерений, а затем провести математическую обработку полученных результатов (например – усреднение результатов). Основным недостатком при этом является прямая зависимость длительности контроля при увеличении количества измерений в одном забое, что приводит к снижению производительности опробования.

Summary. The influence of the surface condition of the measured ore mass is the presence of air gaps and uneven surface in the collapse, which makes an additional error in the measurement and reduces the accuracy of quality control. Air gaps affect the density of an individual volume, and surface irregularities cause the distances from the device sensor to the ore to be unstable, which will introduce errors in the measurement area. The main factor that affects the decrease in the accuracy of control of the blasted rock mass relative to the rock mass is the violation of the natural state as a result of drilling and blasting operations. In this regard, methods of calibration and accuracy adjustment have been developed that take into account the average specific density of the blasted rock mass, as well as reduce the measurement error on the uneven surface in the quarry face.  To date, there is a reliable way to improve the reliability of indicators of the content of the useful component in the quarry face – it is to perform a sufficient number of measurements, and then conduct mathematical processing of the results (for example, averaging the results). The main drawback is the direct dependence of the control duration on the increase in the number of measurements in one face, which leads to a decrease in testing performance.

Ключевые слова: контроль, горное дело, карьер, структура, развитие.

Keywords: Control, mining, quarry, structure, development.

Каротаж представляет собой детальное исследование разреза скважины с помощью спуска-подъема в ней геофизического зонда. Гамма-гамма каротаж относится к ядерным методам геофизического исследования. Суть метода заключается в том, что породу сначала облучают источником гамма-излучения. Гамма-излучение, которое возникает как вторичное (рассеянное), позволяет более эффективно измерять параметры породы, чем ее естественное излучение, которое без приведенного в многих случаях – отсутствует. Основными для геофизики являются следующие виды взаимодействия квантов с веществом [6]:

• фотоэффект (происходит на внутренних электронных оболочках атомов), при этом энергия квантов должна быть меньше 0,5 Мэв;
• эффект Комптона (происходит на внешних электронных оболочках атомов), энергия квантов должна быть выше 0,5 Мэв, но меньше 1,02 Мэв.

Селективный гамма-гамма каротаж применяют на рудных и угольных месторождениях. На рудных месторождениях, соответственно, определяют порядковый номер металла, который содержится в руде [2].

Погрешность измерения содержания полезного компонента при каротаже является интегральной величиной от нескольких видов погрешностей, обусловленных следующими факторами:

• аппаратурная погрешность, которая обусловлена конструктивными особенностями зондов, элементной базой и уровнем программного обеспечения геофизического оборудования;
• погрешность от наличия промежуточной зоны – расстояния между стенкой скважины и зондом;
• погрешность, возникающая от изменчивости вещественного состава массива горных пород;
• погрешность, возникающая от состояния массива (влажность, трещиноватость, кавернозность).

Аппаратурная погрешность снижается в соответствии с уровнем совершенствования геофизического оборудования. Данная погрешность является на сегодняшний день наименьшей из всех остальных. 

Погрешность, вносимая промежуточной зоной измерения между датчиком и горной массой, зависит от плотности последней и вещественного состава, от плотности среды и конструкции зонда. 

Прижим зонда уменьшает величину промежуточной зоны, но остается влияние микрокаверн, глинистой корки и тому подобное. 

Из физических основ селективного гамма-гамма метода следует, что на величину интегрального потока интенсивности рассеянного гамма-излучения, помимо эффективного атомного номера, влияет плотность среды, которая исследуется (r) [5]. Если этот параметр не будет коррелировать с содержанием полезного компонента, то, за счет его изменения, будут наблюдаться значительные искажения конечных результатов [1].

В целом же для железных руд Кривбасса характерным является высокий корреляционная связь между r и Fe_общ., что является благоприятной предпосылкой для применения гаммагамма [8]. 

Чтобы избежать вредного воздействия этого фактора, прибегают к специальным способам сборки и настройки зондовых устройств. Наиболее эффективный способ уменьшения влияния переменной плотности в относительно больших пределах базируется на использовании так называемых двойных инверсионных зондов. Суть метода состоит в том, что зонды снаряжаются двумя источниками с различной активностью гамма-излучения Q₁ и Q₂, расположенными, соответственно, на расстояниях L1 и L2 от детектора. Расстояния L₁ и L₂ (размер зонда) обеспечивают эффект инверсии. Они рассчитываются, исходя из средней величины плотности (r_mid) для случая контактной геометрии измерений (h₀=0). Расчет производится по приближенной формуле

где m_–р – среднее значение массового коэффициента ослабления i-го источника. Если для одного источника в двойном зонде L₁<L₀ (доинверсионная зона), а для другого L₂>L₀ (постинверсионная зона), то для первого источника величина рассеянного гамма-излучения (N) возрастает с увеличением плотности пород, а для другого – уменьшается.

Таким образом, при одновременном использовании двух источников, имеющих определенное соотношение активностей, величины N практически не зависят от плотности среды, потому что влияние плотности компенсируется [7]. 

Для компенсации изменения плотности необходимо также, чтобы величины N₁ и N₂ были одного порядка.

В случае точечного источника и точечного детектора величина N является обратно пропорциональна L₂. Поэтому соотношение активностей источников должно выбираться из условия:

Опыт применения двойных зондов на месторождениях железорудного бассейна показывает, что с помощью них влияние переменной плотности железных руд можно учитывать при каротаже скважин [10]. 

Поскольку между плотностью и ячеистостью имеется тесная корреляционная связь, то изменение ячеистости горных пород и руд является равнозначным изменению их плотности, или объемной массы. Поэтому можно считать, что изменение ячеистости при использовании двойного инверсионного зонда не искажает величину N.

Влияние промежуточной зоны h между рабочей поверхностью зондового устройства и поверхностью исследуемого связано с тем, что функция N=f(h) имеет инверсионный характер аналогично функции N=f(r) [9]. 

Влияние этого фактора можно снизить путем создания двойного инверсионного зонда (комбинированного). В таком зонде используются два источника гамма-излучения с активностями Q₁ и Q₂, расположенными на соответствующих расстояниях R₁ и R₂ от детектора. Расстояния R₁ и R₂ устанавливаются таким образом, чтобы источник с Q₁ работал в доинверсионной зоне, а с Q₂ – в постинверсионной. В результате при снятии характеристики N=f(h) для двойного зонда инверсионная зона расширяется до 25-40 мм. Это объясняется тем, что излучения источников с Q₁ и Q₂ как бы компенсируют друг друга.

Такой зонд позволяет выполнять измерения на относительно неровной поверхности, проводить анализ геометрии 2p или же исследовать сухие скважины с переменным диаметром в геометрии 4p (рис. 1) без прижимных устройств [3].

Существенным фактором, влияющим на достоверность определения Fe_mid. гаммагамма методом, является естественная влажность горных пород. По статистическим данным богатые рыхлые руды содержат до 12 % H₂O, при этом влажность основных твердых разновидностей руд колеблется в пределах от 2 до 8 %. 

Любое увеличение влажности от W₀ до W приводит к повышению плотности в (1+W–W₀) раз и во столько же раз повышает погрешность измерения. Связано это с тем, что происходит перераспределение процессов взаимодействия гамма-квантов со средой, которое исследуется (для комптоновского рассеивания увеличивается, а для фотоэффекта – снижается, поскольку уменьшается величина Z_ef) [4].

График зависимости интенсивности гамма-излучения N=f(d) для скважинного двойного инверсионного зонда 4p-геометрии (источник ионизирующего излучения Co-57) приведены на рис. 1.

Значение эффективного атомного номера среды (Z_ef), влажность которого изменилась на (W-W₀), рассчитывается по формуле:

где Z_еf(W₀) – эффективный атомный номер среды с начальной влажностью W₀.

В табл. 1 приводятся расчеты Z_еf. по указанной формуле для железной руды различной плотности и влажности.

Как видно из таблицы, рост влажности на 10% сопровождается уменьшением Z_еf исследуемой среды на 0,6 ед. Соответственно снижается расчетное содержание Fe_mid. примерно на 5,2 %. Доказано, что уменьшение Z_еf предопределяется снижением расчетного содержания Fe_mid за счет роста влажности.

Для снижения погрешности при каротаже скважин применяются различные конструкции зондов, совершенствуются методики градуировки и проведения измерений, учитывающие влияние факторов, которые «мешают»).

Список литературы

1. Everett, J. E. (2006). Simulation modelling of iron ore production system and quality management. In ICEIS 2006 — 8th International Conference on Enterprise Information Systems, Proceedings (Vol. AIDSS, pp. 300–303).
2. Heather, B., Sousa, R., Lapworth, A., & De Tomi, G. (2005). Management of iron ore quality through effective technology implementation using software systems designed from an idefo analysis. In Australasian Institute of Mining and Metallurgy Publication Series (pp. 291–295).
3. Hofmeyr, P. K., & Valentin, C. B. (2007). The influence of using automated sample preparation and pressed powder pellets on data quality when analysing iron ore samples using X-ray fluorescence spectrometry (XRFS) techniques. In Australasian Institute of Mining and Metallurgy Publication Series (pp. 99–102).
4. Khakulov, V. A., Shapovalov, V. A., Ignatov, M. V, & Karpova, Z. V. (2018). Automated System for Forming the Quality of Ores at the Stage of Mining Operations for the Conditions of Flotation Enrichment with Hydrometallurgical Debugging. In Proceedings of the 2018 International Conference “‘Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies’”, IT and QM and IS 2018 (pp. 330–336). https://doi.org/10.1109/ITMQIS.2018.8524973
5. Lazarev, S. (2020). Adaptation mechanisms and life strategies of species of the Robinia L. genus under the conditions of introduction. World Ecology Journal, 10(1), 48-67. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2020.1.3
6. Mazhdrakov, M., & Benov, D. (2006). Automated system for management of quality of the extracted ore in opencast mine for mass detonation. In 6th International Scientific Conference on Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental protection, SGEM 2006 (pp. 27–34).
7. Semenyutina, A. V., Khuzhakhmetova, A. S., Lazarev, S. E., Semenyutina, V. A., & Sapronova, D. V. (2019). Scientific basis for the formation of multifunctional cluster dendrological expositions of collections of the Federal Research Center for Agroecology of the Russian Academy of Sciences. World Ecology Journal, 9(2), 39-63. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2019.2.3
8. Shengo, L., & Mutiti, W. (2016). Bio-treatment and water reuse as feasible treatment approaches for improving wastewater management during flotation of copper ores. International Journal of Environmental Science and Technology, 13(10), 2505–2520. https://doi.org/10.1007/s13762-016-1073-5
9. Shields, B. M. (1986). RAW MATERIALS QUALITY MANAGEMENT — AN ESSENTIAL REQUIREMENT FOR NEW AND ONGOING OPERATIONS. In Symposia Series — Australasian Institute of Mining and Metallurgy (pp. 31–41).
10. Tyrtigina, N. A., & Sharov, S. A. (2020). Ore-management system of ore quality management in underground mining. In Topical Issues of Rational Use of Natural Resources 2019 (Vol. 1, pp. 109–114). https://doi.org/10.1201/9781003014577-14