CC BY
64
П.А. Аникин, 2010
УДК 622.831
Б.Г. Саксин, И.Ю. Рассказов, П.А. Аникин
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОБЪЕМНОЙ СТРУКТУРЫ НИКОЛАЕВСКОГО ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ НА ХАРАКТЕР ПРОЯВЛЕНИЯ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПРИ ЕГО ОТРАБОТКЕ
Скарново-полиметаллическое месторождение Николаевское расположено на восточных отрогах хребта Сихотэ-Алинь в Дальнегорском рудном районе Приморского края. Оно характеризуется глубоким залеганием (700 м и более). По мере эволюции тектонических концепций, изменялось понимание специфики геотектонической позиции района. В настоящее время большинство исследователей считает, что район располагается на восточной окраине Амурской литосферной плиты на стыке ее с Охотоморской. Эти плиты находятся в непосредственном соприкосновении и двигаются навстречу друг другу. Многие исследователи согласны с мнением Уткина В.П. [1] о том, что дислокация фанерозойских образований региона явилась результатом продольного сжатия этой части земной коры, которое произошло в связи с латеральным перемещением континентальных блоков вдоль глобальной Восточно-Азиатской системы сдвигов. По данным GPS- измерений, современное горизонтальное перемещение этой части земной коры региона происходит по азимуту 45о и со средней скоростью 7-10 мм в год [2].
В районе Николаевского месторождения фундамент Восточно-Сихотэ-Алинского вулканического пояса датируется ранним мелом и представлен кремнистыми сланцами, аргиллитами, алевролитами и песчаниками олистостромовой толщи, которая насыщена пластинами и крупными глыбами средне-верхнетриасовых рифтогенных известняков. Кроме известняков в виде глыбовых образований в разрезе присутствуют раннетриасовые и позднеюрские кремни, а также аркозовые песчаники. Породы фундамента смяты в крутые, иногда опрокинутые, складки северо-восточного простирания. Широко развиты соскладчатые нарушения, надвиги, взбросы, сбросо-сдвиги и блоковые перемещения.
Разрез верхнего структурного этажа (образования наложенного вулканического пояса) начинается с альб-сеноманских конгломератов, гравелитов, алевролитов и пепловых туфов кислого состава. Выше залегают лавы и туфы среднего состава и толща ингимбритов и туфов риолитов приморского вулкано-плутонического комплекса, а также вулканиты дальнегорского комплекса. Вулканиты слагают вулкано-тектонические депрессии. Завершается процесс внедрением гранитов и образованием даек базальтов и андезитов. К крупным линеаментам Николаевской вулкано-структуры, к которой приурочено одноименное месторождение, относят глубинные разломы - Нежданковский, Главный, Широкий, Довгалевский; их простирание обычно субмеридиональное, падение крутое на северо- или юго-восток. Разломы представляют собой сбросо-сдвиги с горизонтальной амплитудой перемещения блоков около 250 м и вертикальной - до 400 м. К ним приурочены пояса даек, сопровождаемые зонами интенсивной гидротермальной проработки вмещающих пород. По данным Натарова Г.Г. [3] площадь Николаевского месторождения в целом интенсивно дислоцирована. Система пересекающихся разломов определила его блоковую структуру. Собственно месторождение располагается в пределах Горбушинско-Довгалевского грабена, который разделен на 3 блока второго порядка: Николаевский, Центральный и Горбушинский. Решающими факторами контроля оруденения являются: литологический (приуроченность к известнякам) и структурный.
Исследованная нами часть месторождения (рис. 1) располагается между абсолютными отметками -260 м и -380 м (средняя отметка дневного рельефа составляет + 480 м).
Залегающие в этом интервале контактово-инфиль-трационные рудные тела представлены двумя типами: 1) сложные пласто- и плащеобразные тела значительных размеров в эндо- и экзоконтакте крупной пластины известняков; 2) весьма сложные плаще- и трубообразные тела приуроченные к разрозненным глыбам известняков в вулканитах верхнего этажа.
Гор. +340 и
Гор. +275 м Гор. -120 м
Гор. -220 м Гор. -260 м
Гор. -320 и
Гор. -380 и
Гор. -420 м
Гор. -520 м
Рис. 1. Аксонометрическая схема горных выработок рудника "Николаевский "
Следует подчеркнуть интересную особенность Николаевского месторождения. Рудные тела и сопровождающие их гидротермально-метасоматические преобразования вмещающих пород образуют здесь своеобразный чехол, который располагается: на верхних горизонтах вокруг шлейфа глыб известняков, а на нижних - вдоль контакта крупной пластины этих пород. Вертикальным каналом (рис. 2, 3) эти два горизонта соединенный между собой, образуя единое тело.
Как видно на рис. 2 и 3 положение вертикального канала контролируется субширотным валом кровли пластины известняков. Чехол метасоматитов прослежен бурением до глубины 1500 м, где он круто погружается, вместе с контактом пластины известняков, в восток - северо-восточном направлении.
Современное напряженное состояния массива пород, вмещающих месторождение Николаевское, характеризуется следующими параметрами главных напряжений [3]:
О! = 2,5 о3 (азимут направления действия 45о); о2 = 1,5 о3, азимут 135о; о3 - азимут 100о.
Горизонтальная составляющая тензора напряжений, действующая по азимуту 45о, совпадает с направлением современного перемещения этой части земной коры, а величина ее является наибольшей (50 МПа).
Первые признаки динамических проявлений горного давления на месторождении отмечены уже на стадии проходки стволов и при проведении разведочно-подготовительных работ. В этой связи, решением постоянно действующей комиссии по горным ударам, та часть месторождения, которая расположена ниже горизонта -120 м, отнесена к категории опасной по горным ударам. По мере увеличения глубины и масштабов отработки, появились и стали получать все большее развитие толчки в глубине массива. Более подробная информация о характере и условиях проявления горного давления на объекте отражена в работах [5-6]. Отметим здесь лишь то, что задача прогнозирования места и характера проявления катастрофических динамических событий на данном объекте, как и в других местах, решается не уверенно. Это связано, прежде всего, с тем, что используемые факторы контроля опасных геодинамических ситуаций (структурновещественные неоднородности массива) в сложных условиях описываемого месторождения
пользуются чрезвычайно широким распространением и трудно поддаются разбраковке по их значимости для формирования очаговых зон. Автоматизированные системы контроля горного давления (в т.ч. геоакустический мониторинг) поставляют сведения о местах концентрации сейсмоакустических событий и их показателях. Однако одни эти данные не дают возможность произвести первичную разбраковку факторов и не позволяют с определенностью ответить на вопрос: каким образом и когда произойдет самоорганизующаяся перестройка общей структуры
140,
130
120
^///м
//Л?
110^
400
\ V
500
600
700
Ш1 ПП2 Ш* Ю4 О5 ЕЕЬ 1^37 I- -I8 1---19 1»уи°
11
Рис. 2. Объемная структура основных физико-механических неоднородностей Николаевского полиметаллического месторождения:
1-3 — результаты морфоструктурной интерпретации карты изогипс кровли крупной пластины известняков (у =2750 кг/м3; асж =65,0-99,0 МПа; Е=(4,5-4,94)х104МПа; у=0,23-0,28; Куд = 0,85): 1 — начало (градиентная зона) крутого склонения кровли, 2 — линеаменты рельефа кровли, 3 — осевые линии локальных выступов кровли; 5-4 — результаты интерпретации карты рельефа рудосопровождающих метасоматитов, локализованных вдоль контакта кровли крупной пластины известняков (у =3390-3560 кг/м3; асж =98-132 МПа; Е=(4,9-8,6) х104 МПа; у=0,21-0,3; Куд = 0,74-0,91: 4 — предполагаемое положение каналов движения рудообразующих растворов (стрелки указывают направление движения): а - основной канал, б - дополнительный, 5 — подводящий канал для верхнего шлейфа метасоматитов; 6-8 — карта рельефа верхних рудосопровождающих метасоматитов, сфомировавшихся вдоль глыбовой осыпи изестняков среди вулканогенно-осадочных пород: 6 — крупный линеамент, контролирующий положение верхних метасоматитов, 7 - оси локальных выступов кровли шлейфа метасоматитов и направление погружения кровли (стрелки); 8 — другие линеаменты; 9 — разломы установленные геологическими методами; 10 — линия разреза, изображенного на рис. 3; 11 — очаги акустических импульсов, зарегистрированные в массиве горных пород при сейсмоакустическом мониторинге в 2005-2007 гг.
Примечание: физико-механические свойства вышележащих вулканитов: у =2710-2750 кг/м3; асж =42,0-99,6 МПа; Е=(5,5-7,2) х104 МПа; у=0,2-0,28; Куд = 0,75-0,9.
Рис. 3. Схематический геологический разрез по линии АБ: 1 — крупная пластина известняков; 2 — глыбы известняков; 3 — туфы кварцевых порфиров с горизонтами кремнистых пород в нижних частях; 4 — рудоносные метасоматиты (геденберитовые скарны и гидротермально измененные породы смешанного состава); 5 — отработанные блоки; 6 — положение горных выработок, пройденных в плоскости разреза; 7 - очаговые зоны акустических импульсов, зарегистрированные в массиве горных пород в 2007 г. (проекция очагов на плоскость разреза)
природно-техногенной системы для восстановления ее устойчивости, нарушенной горными работами.
Одним из основных методов, используемых в настоящее время для контроля состояния удароопасных участков массива Николаевского месторождения, является сейсмоакустический, реализуемый с применением аппаратуры «Гроза-16» и пятиканальной микросейсмической станции «Прогноз-5АМ». По состоянию на 01.07.2008 г. здесь в работе находится 7 приемных преобразователей станции «Прогноз-5АМ», что с учетом размеров рудничного поля, является недостаточным для эффективного контроля состояния массива горных пород. Существующая конфигурация приемной антенны позволяет контролировать массив горных пород лишь центральной части шахтного поля (в районе блоков Доставочного, Восточного и прилегающих участков). При сейсмоакустическом контроле массива горных пород Николаевского месторождения аппаратурой «Гроза-16» в период 2006-08 гг. в работе находилось от 7 до 10 геофонов (последнее время 9 геофонов).
Анализ пространственного распределения очагов АЭ-событий показал, что сохраняется установленная ранее тенденция, согласно которой большее число очагов лоцируется в нижней части контролируемого участка.
В первые месяцы 2007 г. акустическая активность отмечалась с юго-западной стороны блока Восточного в этаже -348-370 м. В этот же период наблюдалось формирование акустически активной зоны с восточной стороны блока Доставочного в целике между выработанными пространствами блоков Центрального и Восточного. Относительно высокая акустическая активность также отмечалась в участках ведения горных работ в районе рудной зоны Харьковской в этаже выше горизонта -307 м (рис. 3).
По данным геоакустического мониторинга в период 2006-08 гг. установлено, что в пределах зоны контроля массив горных пород Николаевского месторождения продолжает испытывать деформации, обусловленные техногенным воздействием на него горных работ. Так, в центральной части шахтного поля в этаже ниже гор. -320 м, за рассматриваемый период наблюдений зарегистрировано 192 акустических импульса (61% от их общего числа), тогда как в этаже -270320 м в 2006-07 гг. было зарегистрировано 124 АЭ-события. Во втором квартале 2007 г. в зоне контроля наблюдается резкий (в 3-4 раза) рост числа акустических событий, значительная часть которых приходится на участок массива в районе блока Доставочного.
Из изложенного выше, становится понятно, что повышение эффективности интерпретации данных сейсмоакустического мониторинга является важнейшим направлением геодинамических исследований на месторождении. Особенно актуален аспект, касающийся прогнозирования мест проявления опасных динамических событий в конкретных условиях шахтного поля. Для того чтобы продвинуться в этом направлении, авторы статьи попытались переосмыслить накопленные по месторождению геологические и геомеханические данные, опираясь на известное положение [7] о том, что при геомеханических оценках размер учитываемой неоднородности (структурной или вещественной) подрабатываемого массива горных пород не должен быть меньше размеров зоны влияния выработанных пространств. Рис. 2-3 иллюстрируют, что подобной соразмерностью
на Николаевском месторождении обладают следующие крупные физико-механические неоднородности: 1) пластина известняков; 2) рудные тела и чехол сопровождающих их метасоматитов (или иначе - выработанное пространство, либо область проведения потенциальных очистных работ); 3) вулканогенные образования верхнего структурного этажа. Приведенные на рисунке 2 данные по физико-механической характеристике упомянутых неоднородностей показывают, что среди них аномально повышенной крепостью, плотностью и прочностью на сжатие обладают геденбергитовые и рудные скарны. Последние обладают повышенной способностью к накоплению потенциальной энергии упругого сжатия и хрупкому разрушению в динамической форме. В похожей ситуации на месторождении Куру - Сай (Тянь-Шань, Киргизстан) установлено, что при ведении горных работ среди гранат - пироксеновых скарнов характерным динамическим проявлением горного давления являются внезапные бурные обрушения междуэтажных целиков, тогда как в выше- и нижележащих породах (известняки, вулканиты) - микроудары, заколообразование и постепенное отслаивание пород.
Фактический геологический материал, полученный при разведке и эксплуатационных работах, позволил представить объемную структуру перечисленных неоднородностей с помощью карт рельефа главных поверхностей раздела. С этой целью на площадь рудного поля размером 250 х 300 м по равномерной сети точек (20 х 20 м) с геологических разрезов снята информация об абсолютных отметках залегания следующих поверхностей раздела (снизу-вверх): 1) кровли крупной пластины известняков; 2) кровли нижних метасоматитов; 3) рельефа верхних метасоматитов, сформировавшихся вдоль глыбовой осыпи известняков. На соответствующих схематических картах, которые планируется опубликовать в самостоятельной статье, изогипсы рельефа проведены через 20 м. Морфоструктурная интерпретация этих материалов изображена на рис. 2. Для понимания кинематики вероятных перемещений крупных неоднородностей нам представляется важным учет наличия в разрезе наклонной в сторону моря пластины известняков, по крутым граням которой, при соответствующей активизации деформационных процессов, весьма вероятно «соскальзывание» вулканитов верхнего структурного яруса вниз (рис. 3).
В построенных нами материалах объемная структура Николаевского месторождения выглядит следующим образом. Относительно пологая часть пластины известняков имеет в плане омегообразную форму, с открытой стороной на юго-запад (см. рис. 2). От градиентной зоны, во все остальные стороны, происходит крутое погружение граней пластины. На описываемой части имеются локальные выступы кровли пластины, которые формируют вал субширотной ориентировки. Линеаменты, которые выделены при морфоструктурном анализе, чаще всего имеют северо-восточную и субширотную ориентировку. Морфология рельефа нижних рудосопровождающих метасоматитов в общих чертах совпадает с морфологией кровли пластины известняков. Однако общее вздымание этой поверхности отчетливо ориентировано в северовосточном направлении (согласном с направлением современного регионального сжатия). Локальные выступы кровли нижних метасоматитов, которые показаны нами как предполагаемые каналы движения рудообразующих растворов, ориентированы уже в поперечном (северозападном) направлении. Кровля рельефа верхних метасоматитов отличается строгой упорядоченностью в северо-западном направлении вдоль крупной линейной структуры. Погружение этой поверхности отчетливо северо-восточное.
На основе обобщения мирового опыта разработки удароопасных месторождений авторы работы [8] делают вывод, что «возрастанию деформационных процессов сопутствует эмиссия упругих колебаний, возникающих при динамической перестройке нагруженного массива. Она является не только функцией изменяющейся нагрузки, но и реакцией массива на технологические воздействия, особенно на взрывные работы». На примере изучения многих месторождений показано, что повышенный уровень акустической эмиссии напрямую связан с усилением процессов трещинообразования, т.е. с подготовкой динамического события. В этой связи на рисунки нами вынесены обобщенные контуры очагов акустических импульсов, установленных при сейсмоакустическом мониторинге в 2005-2007 гг. Традиционная интерпретация этих данных приведена выше. При этом отмечалась обычная повышенная концентрация импульсов в окрестностях неоднородностей подрабатываемого массива различной природы: тектонических нарушений, контактов пород, границ блоков и т.п. Рис. 3 хорошо иллюстрирует закономерную приуроченность регистрируемых очагов акустической эмиссии к контактовой зоне метасоматитов с другими породами разреза. Для анализа роли крупных линейных тектонических нарушений в распределении очагов эмиссии в плане, на рис. 2 нами сознательно вынесены все установленные линейные элементы рельефа изученных
поверхностей раздела (включая нарушения, выявленные геологическими методами), которые соразмерны масштабу данного исследования. Анализ показал, что эту роль нельзя назвать столь же определенной. В рассматриваемом конкретном случае правильнее говорить не о контроле разломами распределения очагов акустической эмиссии, а об активизации отдельных их участков в процессе уравновешивания природно-техногенной системы.
Комплексный анализ данных, выполненный на основе материалов по объемной структуре месторождения, позволяет сформулировать общую закономерность: в настоящее время
абсолютное большинство очагов акустической эмиссии локализуется в зоне юго-восточного обрамления вертикального соединяющего канала метасоматитов, а в пределах этой зоны -приурочивается к контактам метосамотитов с другими породами геологического разреза.
Объяснение этой закономерности авторы усматривают в следующем. До начала эксплуатационных работ верхний и нижний структурные ярусы геологического разреза были прочно соединены между собой единым телом рудно-метасома-тического чехла. По материалам физико-механических исследований эти образования геологического разреза отличаются повышенной способностью к накоплению потенциальной энергии упругого сжатия и хрупкому разрушению в динамической форме. Как видно на рисунке 3, данное связующее тело в настоящее время активно разрабатывается, т.е. в результате добычи естественный элемент, соединяющий структурные этажи разрушается. Несмотря на то, что пока очистные работы сосредоточены в районе относительно пологой части кровли пластины известняков, влияние крутого контакта, по которому более активно может осуществляться соскальзывание пород верхнего структурного этажа, уже выражается в общем смещении аномальной акустической зоны от мест очистных работ на юго-восток. С понижением глубины разработок это влияние будет только нарастать, о чем свидетельствует и существенное увеличение акустической эмиссии в массиве горных пород ниже блока Восточный. Немаловажным является также неблагоприятное сочетание описанного обстоятельства с позицией объекта эксплуатации в региональном поле напряжений. Как отмечалось выше, направление регионального сжатия имеет северовосточную ориентировку. Следовательно, направление крутопадающего контакта пластины известняков является практически нормальным к нему, что дополнительно способствует формированию здесь обстановок растяжения. В этом отношении отработка рудных тел, которые локализованы в верхних метасоматитах, является менее опасной, нежели нижних, т.к. общее склонение этих метасоматитов согласуется с ориентировкой регионального сжатия (рис. 2).
Из сказанного можно сделать следующий общий вывод. С понижением уровня очистных работ в пределах крупной пластины известняков и, особенно, в районе ее висячего контакта, глубже горизонта - 400 м вероятность катастрофического проявления горного давления существенно возрастает. Это требует более внимательного пересмотра применяемой системы отработки и усилению работ по геоакустическому контролю массива горных пород.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ханчук, А.И. Геодинамика, магматизм металлогения Востока России. В 2-х кн. / А.И. Ханчук и др. -Владивосток: Дальнаука, 2006. - 572 с.
2. Тимофеев, В.Ю. Результаты анализа данных GPS измерений (2003-2006 гг.) на Дальнем Востоке по Сихотэ-Алинской сети / В.Ю. Тимофеев, П.Ю. Горюнов, Д.Г. Ардюков и др. // Тихоокеанская геология. - 2008. - № 4. - С. 3949.
3. Натаров, А.Г. Закономерности размещения скрытых скарново-полиметаллических тел Николаевского месторождения (Ю. Приморье) и вопросы методики их поисков: афтореф. дисс. ... канд. техн. наук. - Москва,1971.
4. Рассказов, И.Ю. Контроль и управление горным давлением на рудниках Дальневосточного региона / И.Ю. Рассказов. - М.: Изд-во «Г орная книга», 2008. - 329 с.
5. Рассказов, И.Ю. Методы контроля и управления горным давлением на рудниках ОАО «ГМК «Дальполиметалл»/ И.Ю. Рассказов, Г.А. Курсакин, А.М. Фрейдин, В.Н. Черноморцев, С.П. Осадчий // Горный журнал. - 2006. - № 4 - С. 35 - 38.
6. Барышников, В.Д. О напряженно - деформированном состоянии Николаевского месторождения / В.Д. Барышников, М.В. Курленя, А.В. Леонтьев и др. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1982. - № 2. - С. 3 -11.
7. Айтматов, И.Т. Геомеханика массивов горно-складчатых областей / И.Т. Айтматов, Н.Г. Ялымов, В.Я. Степанов // Известия АН Кирг. ССР. Физико-техн. и матем. наук. - 1990. - № 2. - С. 54-73.
8. Курленя, М.В. Взгляд на природу напряженно-деформированного состояния недр земли и техногенные динамические явления / М.В. Курленя, В.Е. Миренков, С.В. Сердюков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М. - 2008. - № 8. - С. 5-19. ВТШ
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Рассказов И.Ю. - доктор технических наук, директор, [email protected], Саксин Б.Г. - доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, [email protected],
Аникин П.А. - научный сотрудник, рау. [email protected],
Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск.
