CC BY
20
© A.B. Яковлев, Н.И. Ермаков, 2007
УДК 622.271
A.B. Яковлев, Н.И. Ермаков
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИБОРТОВЫХ МАССИВОВ РУДНОГОРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ*
Семинар № 11
Надежный геомеханический прогноз состояния прибор-товых массивов рудных месторождений требует привлечения многих факторов, основными из которых являются структура вмещающих пород и руды, а также напряженное состояние массива. Очень часто при изучении геологического строения месторождения становится очевидным, что достаточно полная информация для соответствующего прогноза или отсутствует, или не соответствует фактическому состоянию. В этих случаях приходится возвращаться к изучению структуры и состава пород не по геологическим отчетам, а в натуральных условиях.
В связи с новым этапом изучения структуры породного массива для геомеханических расчетов устойчивости бортов карьеров хочется отметить, что геологический прогноз структуры массива на стадии разведки месторождения, проведенный до периода мобилистических позиций в геологии, почти никогда не подтверждается на практике. Тогда на этапе разведки правильные выводы были сделаны лишь относительно границ рудных зон и их контактов с вышележащими породами. Строение вмещающих пород почти всегда оказыва-
ется схематичным, а сами схемы являются субъективными.
Наполнение такой схемы строения массива месторождения до соответствующей кондиции для геомеханиче-ских расчетов и прогноза устойчивости требует больших затрат по времени. При этом возникает потребность возвращения к исходному керновому материалу и к геофизическим данным. Однако без детальной съемки в пределах карьерного пространства и картирования структурных нарушений с выделением тектонически подвижных структур в настоящее время здесь не обойтись.
Высказанные утверждения рассмотрим на примере Рудногороского месторождения, расположенного в Ангаро-Илимском железорудном районе Восточной Сибири. Важность рассмотрения этого примера заключается в том, что объект находится на стыке двух крупных азиатских платформ и приурочен к периферийной сейсмической Байкальской зоне [1]. По геологическим данным, подготовленным на стадии геологоразведки месторождения в 1947-1970 годы, Рудногорское месторождение приурочено к мульде оседания слоистой осадочной толщи и образовалось в мезозойский период, как трубка взрыва.
* Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации. 184
Протяженное рудное тело крутого падения является следствием этого взрыва и находится в окружении скарновых пород различного состава и различной прочности. Разорванный магмой комплекс вмещающих пород находится в окружении слоистых пород аргиллито-песчанис-того и доломитового состава на разном удалении от рудного тела. Удаление осадочной толщи от рудных тел колеблется от одного до двухсот метров. Дистанция контакта между скарнами и слоистой толщей изменяется как по простиранию залежи, так и по глубине. Зона скарнов по простиранию и вкрест простирания рудной залежи включает породы средней прочности и малопрочные. Осадочная толща представлена как компетентными слоями на значительном удалении от рудной залежи, так и тонкими слоями при приближении к рудной залежи. Размеры блоков в скарновом массиве и в осадочной толще колеблются от десятка сантиметров до первых метров. Было определено, что падение слоев направлено вкрест простирания рудной зоны и углы падения составляют от 10° на удалении от залежи до 30-40° вблизи нее.
Приведенный геологический материал нами был соответствующим образом трансформирован в инженерногеологические факторы прибортового массива. Затем, согласно этим факторам, были рассчитаны угол наклона бортов и отдельных уступов. Расчет проводился двумя способами. Первый способ основывался на методических подходах, найденных более 30 лет назад в институте ВНИМИ. Второй подход базировался непосредственно на законе Кулона-Мора [2]. Для бортов этого карьера по двум методикам расчета были получены значения углов наклона уступов и бортов, равные соответственно 30° и 38°.
Уточнение этих параметров потребовалось, когда глубина карьера в северной части месторождения составила 150 м. На карьере возникла необходимость поставить борта западного фланга карьера в проектное положение, так как геология западной части месторождения не была адекватной базовой по данным разведки сороковых и пятидесятых годов прошлого столетия. Обстоятельства пересчета наклонов борта и уступов были продиктованы еще и тем, что в проекте не учитывалась геодинамика месторождения.
Совместно с главным геологом предприятия были обследованы по-горизонтно все борта карьера, в результате чего обнаружено очень много несоответствий с геологическими данными, полученными на стадии геологоразведки. Эти несоответствия, в основном, заключены в деталях, которые играют огромную роль для прогноза устойчивости бортов карьера. Несоответствия начинаются со структуры рудной залежи. Фактически основная залежь представляет собой жильные образования различной мощности и высокой прочности. Ориентировка жильного магнетита по простиранию залежи - субширотная. Падение большинства жил - крутопадающее, почти нормальное к поверхности. Однако есть рудные жилы с падением 50-60° на юг. Большинство из рудных жил имеет мощность до 1020 см и небольшую протяженность по простиранию. В широтном направлении к центру залежи рудная зона сильно брекчирована и представляет собой включения скарновой зоны. Вдоль рудной зоны выделяются три тектонических полосы более поздней генерации, в которых размер кусков брекчии составляет в поперечнике не более 5 см, и на некоторых участках магнетит замещен гематитом и даже
лимонитом. Набор пород в пределах рудной тектонической зоны включает глинку трения и кальций в виде отдельных пропластков.
Околорудное породное окружение в преобладающем большинстве -скарн, представленный различным соотношением песчаника и породного цемента, к которому относится известковый, глинистый, кальцитизиро-ванный цементы различной прочности. Контакт между рудой и скарном - тектонический с серицитовым заполнителем, местами оталькованый. В современной геологической литературе такие образования носят название метасоматиты. Другая трактовка образования вмещающих пород дает новое представление об инженерногеологических условиях вмещающих пород.
Скарновый или метасоматический массив разбит трещинами различного простирания, большинство из которых имеет крутое падение. Плотность таких крутопадающих трещин варьирует в очень широких пределах. В подавляющем большинстве они являются непротяженными, то есть вторичными по отношению к тектоническим нарушениям, оконтуривающим блоки скарнового массива. В старой тектонической трактовке месторождения наименее значимыми среди нарушений являются субгоризонтальные сместители, хотя на некоторых участках они удалены друг от друга всего лишь на расстояние 0,5-1,0 м. Наиболее значимая роль отведена субме-ридиональным крутопадающим нарушениям с мощностью шва 0,5-1,5 м. Швы нарушений - изначально очень плотные с гладкими поверхностями контакта. В недалеком геологическом прошлом они были выполнены плотными кальцитизированными породами. Современное состояние породного массива по обе стороны от шва
различное: уплотненное со стороны лежачего крыла сбросовых структур и разуплотненное со стороны висячего крыла. Субгоризонтальная дислоци-рованность в виде тонко рассланцо-ванных пачек на юго-западной оконечности промышленной залежи остается в том виде, в каком закончилось ее формирование в дорудный геологический период.
Особую роль в строении массива и в его устойчивости на выходах в карьерное пространство в настоящее время имеют относительно протяженные нарушения, залеченные каль-цитизированной глинкой трения, с падением в выработанное пространство. Преобладающее их количество имеет субширотное простирание с углами падения от 45° до 60°. Все их поверхности являются обнаженными, а на лежачем крыле дизьюнктива четко видны борозды скольжения со сбросовой ориентировкой смещения по шву.
Прочность отдельных образцов скарна на сжатие в зонах разуплотнения очень мала и составляет всего лишь около 10 МПа, хотя образцы скарна на кремнистом и кальцитовом цементе с кварцевой основой достигают прочности 70 МПа. В зависимости от многообразия литологических разновидностей пород, которых насчитывается более 24, различными оказываются и требуемые для расчета устойчивости бортов карьера угол внутреннего трения и сцепление, резко изменяющееся от зоны уплотнения к зоне разуплотнения скарновой породы.
На удалении до 50 м от контакта с рудой рассланцованный массив центральной части месторождения обладает иным структурным строением, чем в западной оконечности рудной зоны. Он весь рассечен протяженными осветвленными пологопадающими трещинами и наруше-
ниями и их апофизами. Падение нарушений происходит на север, то есть в карьер, падение апофизных трещин - на юго-восток. Апофизы имеют протяженность до 100 м от основного нарушения и выходят на земную поверхность. Нарушения и апофизы под разными углами секут плоскости напластования и образуют локальные области осветленного массива. За пределами этой зоны, то есть на значительном удалении от контакта скарновой зоны со слоистой толщей, осадочный комплекс пород деформирован не сильно. Таких деталей в базовой геологической документации отмечено не было.
Приведенные выше инженерногеологические условия верхних горизонтов прибортового массива западной и центральной части карьера позволяют проследить изменение геомеханической ситуации на месторождении и в регионе с периода формирования осадочной толщи. Осадочный материал в пределах региона представлен терригенными и хемогенными разновидностями пород. Осадочные слои являются компетентными благодаря продолжительному циклу осадконакопления. К моменту образования рудной залежи в мезозое земная поверхность уже не была горизонтальной. Из-за глубинных процессов в регионе поверхность просела с образованием тектонических трещин глубинного заложения, по которым поднялась магма и растворенные минералы. Произошло рудоотложение в виде жильных тел и вкрапленников. Затем случилась более глубокая деформация поверхности за счет сдвиговых нарушений глубокого заложения, ориентированных вкрест залежи. Такая геологическая позиция ранее не была представлена.
Анализируя современное строение толщи вокруг рудной залежи, мы пришли к мнению, что залежь в по-струдный геологический период испытала значительный подъем по отношению к ее исходным дорудным отметкам поверхности. Отметка вершины рудной горы на западном фланге месторождения находится на 230 м выше, чем на периферии восточной части месторождения, хотя до образования рудного массива соответствующая область поверхности рудной горы была значительно ниже. Периферийный массив месторождения из-за тектонических процессов в пострудный период, включающих как вертикальные, так и горизонтальные подвижки, был разрушен и денудирован.
Вертикальные сдвиговые подвижки воздымания происходили с образованием сбросовых нарушений по периферии залежи, в основном, в скарни-рованной толще. Чисто горизонтальные сдвиги в пострудный период реализовались по крутопадающим плоскостям дизъюнктивов субширотного и субмеридианального направления и по слегка наклонным плоскостям, вызывая тектонические расслоения слоистой толщи и скарновой зоны массива. Последовательность проявления сдвиговых деформаций в массиве пока не установлена.
Важным геомеханическим фактором для устойчивости прибортового массива является то обстоятельство, что в современный геологический период происходят унаследованные сдвиговые подвижки как в субверти-кальном, так и в субгоризонтальном направлениях.
Учитывая высокие прочностные показатели материала заполнителя сбросовых дизъюнктивов, можно констатировать, что современная сбросовая подвижка имела место на соответствующем участке массива при
преобладании примерно в 2,5 раза вертикальной компоненты поля напряжений в массиве скарнов над горизонтальной компонентой. В подтверждение того обстоятельства, что в условиях тектонического поля напряжений вблизи рудной залежи за счет трансформации основного поля напряжений максимальной является субвертикальная компонента, есть еще один факт.
Так, на одном из уступов южного борта западной части слабого скар-нового прибортового массива имела место деформация оползневого характера. Она произошла на длине 10 м на всю высоту уступа с углом падения поверхности скольжения оползневой призмы в нижней части около 35°. Оползневая деформация в уступе могла реализоваться только при значении вертикальной компоненты напряжений, превышающей значение гравитационной компоненты в 1,21,3 раза.
Объяснение такому сложному распределению напряжений в скарновых
областях и слоистом массиве следует искать в модели нагружения расслан-цованной и сложным образом деформированной среды со слабым включением из инородного материала. Эта модель нагружения отличается от традиционных моделей геологической среды с однородным полем напряжений во всем объеме месторождения тем, что каждая область массива обладает индивидуальным полем напряжений. Такая модель нагружения может существовать и на других месторождениях. Но она может быть получена только на основе новых представлений о генезисе месторождения и пострудных тектонических преобразованиях геологической среды вблизи месторождения, включая и современные изменения.
Полученная модель нагружения всего массива месторождения и при-бортового массива, в частности, использована нами в качестве базовой при расчете параметров бортов Рудногорского карьера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Парфенов Л.М., Кузьмин Б.М., Гри-ненко О. В. Сейсмичность и геодинамика восточной Сибири // Сб.: Современная тектоническая активность Земли и сейсмичность. - М.: Наука, 1987. - С. 108-129.
2. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеев А.Б. Прочность и деформируемость горных пород. - М.: Недра, 1979. - 271 с.
— Коротко об авторах-----------------------------------
Яковлев A.B., Ермаков Н.И. - Институт горного дела УрО РАН.
