CC BY
27
траектория нтолимий о, подвижный )’Ч»СТО« ДИЗЫМПЯМ неподвижные швы
Наиболее неблагоприятное расположение по отношению к новому полю напряжений на уступе имеют пологие нарушения. Взаимное перемещение крыльев шарьяжных структур чаще всего приводит к «наезжанию» краевой части уступа на массив, хотя логичнее было бы предположить, что должно идти «съезжание» краевой области массива. Наезд краевой части на массив по наклонным трещинам приводит к воздыманию этой части. Однако этот механизм поднятия массива часто объясняется другими физическими процессами, которые могут также иметь место, но быть вторичными по отношению к указанным деформациям.
Доказательством этого являются результаты наблюдений. В условиях северо-западного участка Главного карьера в восьмидесятые годы прошлого века сотрудниками Института горного дела УрО РАН изучалось поведение краевой части массива под влиянием взрывных работ и получены очень интересные результаты, раскрывающие механизм поведения краевой части массива вблизи вновь образованной бровки бермы под влиянием трансформации тектонического поля напряжений в приборто-вом массиве.
Было получено, что ширина зоны деформации на горизонте ведения взрывных работ оказывается близкой по значению к ширине «отбитой» рудной или породной полосы. Амплитуда сокращения ширины бермы в этом случае достигала порой 1,5 ми даже 2,7 м. Основной вектор подвижки, вычисленный по маркшейдерским замерам специально оборудованных измерительных станций, был ориентирован в
— Коротко об авторак ---------------------------
ЯковлевА.В., Волкодаева М.С., Ермако Н.И. - Институт
УДК 622.271
Схема подвижности нарушений
направлении восстания пологопадающих дизъюнктивов, причем в этот период деформирования на его результат были задействованы дизъюнктивы с падением в массив. Основной тип подвижки по этим пологим и наклонным структурам был надвиговым. Лишь в одном случае наблюдалась сдвиговая подвижка по одной из крутопадающих диагонально ориентированных структур. Зафиксированы также единичные случаи подвижек взбросового типа по крутопадающим субширотным нарушениям с небольшой амплитудой перемещения в горизонтальном направлении.
Фактическим подтверждением описанного механизма дезинтеграции прибортового массива под влиянием изменяющегося в пространстве и времени тектонического поля напряжений служит картирование ориентировок перемещений висячих крыльев множества дизъюнктивов, которое проводилось в период изучения структуры массива. Так, в пределах оползневой зоны были определены все кинематические оси подвижных дизъюнктивов. Кинематической осью дизъюнктива мы называем вектор перемещения любой точки, лежащей на поверхности висячего крыла шва нарушения. Ориентировка кинематических осей нарушений в пределах исследованных горизонтов карьера показывает, что дезинтеграция прибортового массива под влиянием тектонического поля напряжений происходит в несколько этапов. Сначала возникают подвижки в пределах влияния тектонических зон, затем эти процессы распространяются на междутрещинные породные перемычки, после чего выделяется оползневая призма. Процесс завершается образованием трех поверхностей скольжения. Нижняя из поверхностей скольжения интегрирована с включением множества сдвиговых и отрывных трещин, ориентированных по направлению главного перемещения.
горного дела УрО РАН.
© А.Р. Юмагужин, 2004
А. Р. Юмагужин
ОСОБЕННОСТИ ОТКРЫТЫХ РАЗРАБОТОК МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОБЛИЦОВОЧНОГО И СТРОИТЕЛЬНОГО КАМНЯ
Семинар №2
ш Ш риродные облицовочные и строи-
.Л-Ш. тельные камни широко используются в различных областях народного хозяйства: архитектуре, строительстве, художественном камнерезании. Развитие и освоение новых способов и технических средств добычи позволило существенно расширить область применения камня. При этом, в развитии промышленности по добыче и обработке облицовочных материа Фриндсвил Фриндсвил лов из природного камня за последние годы сильно проявились и негативные стороны, связанные с необоснованным расширением камнеоблицовочного производства без достаточного развития карьеров. По состоянию на 1 января 2002 г. в РФ балансом запасов учтено 197 месторождений облицовочного камня, разведано по промышленным категориям, в т.ч. гранитоидов-64, габброидов-32, мраморов и мраморизованных известняков-60. Общий объем балансовых запасов (категории А+В+С1) составляет 612,6 млн. м, большая часть из них приходится на долю мраморов (42,7 %) и гранитоидов (23 %). Основные разведанные запасы сосредоточены в Уральском (30,4 %), Сибирском (20,4 %), Северо-Западном (23,6 %) федеральных округах. Уровень освоенности сырьевой базы составляет 47,7 %. За последние два года сделаны шаги по улучшению качества сырья: в 2000г произведено уточнение баланса запасов, часть запасов списана либо переведена в группу строительного камня [1].
Ежегодное потребление камня в России составляет 3,4-3,8 млн. м2, а объем годовой добычи (в перерасчете на эквивалентную плитку толщиной 20 мм) до 2,5 млн. м2. Следовательно, для камнеоблицовочной отрасли актуальнейшей проблемой является увеличение объемов сырья за счет рациональной добычи и использовании блоков.
Задачей технологов является сохранение качества сырья месторождений природного камня с высокими потребительскими свойствами в процессе его извлечения из массива и
сохранение ненарушенных дополнительными трещинами блоков на месте его залегания.
Дальнейшее увеличение качества и одновременно объемов добычи блоков возможно за счет применения более современных и менее трудоемких технологических комплексов. Эффективным технологическим решением является двухстадийная схема с применением алмазно-канатного оборудования, получившая широкое распространение в развитых странах мира при добыче блочного камня из пород средней прочности.
Использование двухстадийной схемы предполагает на первой стадии отделение от массива монолита объемом 100 м3 и более, а на второй стадии, после операции опрокидывания, разделение по естественным трещинам на блоки, слагающих монолит. Одностадийная схема предполагает выпиливание блоков, размеров определенных выемочным оборудованием. Повышение выхода товарных блоков при использовании двухстадийной схемы достигается увеличением высоты уступов. Если при одностадийной технической схемы высота уступа 1-3 м, то с использованием двухстадийных схем до 14 мив отдельных случаях до 60 м. На сегодняшний день высокоуступная двухстадийная технология является самой передовой и позволяет сохранать качества и декоративные свойства природного камня. Кроме того при использовании высокоуступной технологии получается монолит пластинчатой формы, что позволяет выпиливать блоки требуемых размеров. Высота уступа, при такой технологии является самым важным параметром. Высота определяет не только экономическую эффективность разработки, но и безопасность ведения работ, которые связаны не только с эксплуатацией технических средств, но и устойчивостью прибортового массива на участке добычи. Разработка месторождений по добыче блоков природного камня в отличии от разработки угольных, рудных месторождений и других полезных ископаемых характеризуется рядом особенностей. Она осуществляется, как
правило, вертикальными уступами. В отечественной практике не существует специально разработанной методики по определению устойчивых бортов и уступов для месторождений природного камня. Поэтому в расчетах устойчивости используют единственную утвержденную методику института ВНИМИ [2]. Эта методика не позволяет обосновывать и конструировать высокие уступы при разработке месторождений природного камня. Это значит, что останутся неиспользованными преимущества разработки высокими уступами, а разработка месторождения уступами высотой до 5 м может оказаться экономически невыгодной, как было на карьере розового мрамора Фриндсвил в США, штат Теннеси [3] и ряде месторождений розового мрамора Урала. Разработка их оказалась экономически целесообразной только с применением высокоуступной технологии разработки и новых типов оборудования, выпуск которого с каждым годом все увеличивается за рубежом.
Более того, расчет устойчивости приборто-вых массивов таких месторождений нельзя основывать на механике сыпучих грунтов, как это предполагает методика ВНИМИ. Этот способ лишен физического смысла для подобных месторождений. Грунты и сыпучая масса коренным образом отличаются от твердых горных пород. Механика сыпучих сред изучает рыхлые массы, мало упорядоченные, испытавшие действия всестороннего давления и поэтому обладающие слабо выраженной анизотропией. Твердые горные породы изучает механика скальных горных пород, где массив горных пород уподобляется дискретной среде. Скала и сыпучий грунт различаются геологическим строением и по физико-механическим свойствам. Этих двух факторов достаточно, чтобы потребовались новые исследования для рудных типов месторождений и месторождений природного камня. Ясно, что для прогноза возможных деформаций и обоснования устойчивых параметров бортов карьера, в расчет устойчивости следует ввести дополнительное исследование геологического и структурнотектонического строения и физикомеханических свойств пород и контактов на выделенных участках бортов в ряде случаев, вероятно, потребуется произвести оценку напряженного состояния массива по комплексу природных факторов, а также отдельных точек массива, то есть структуры массива и направления смещения блоков по контактам. Такой
ряд факторов требует новых подходов в связи с чем, становится понятно, что разработка новых методических основ по обеспечению устойчивости бортов и уступов на месторождениях природного камня является актуальной задачей.
Новые методы расчета, должны учитывать следующую инженерно-геологическую информацию:
• начальное напряженное состояние массива пород месторождения;
• начальное тектоническое строение массива;
• начальная фильтрационная способность массива;
• физико-механические свойства пород и руд;
• физико-механические свойства заполнителей швов дизъюнктивов;
• геометрия карьерного пространства;
• технология ведения буровзрывных работ;
• трансформация начального поля напряжений;
• образование кинетических плоскостей трещин и нарушений;
• возникновение новых плоскостей межблочных контактов;
• ориентировка поверхностей зоны дезинтеграции массива;
• наличие и расположение отрывных трещин в прибортовом массиве;
• направление перемещений отдельных участков прибортового массива и скорости перемещений (динамика перемещений блочного массива);
• измерение фильтрационных способностей прибортового массива.
Решение вопроса устойчивости с использованием обширной базы фактического материала видится в определении оптимальной высоты уступов. В качестве объекта исследований автор выбрал Першинское месторождение мра-моризованных известняков. Месторождение расположено в Режевском районе Свердловской области в 10 км северо-восточного направления от города Реж и в 0,5 км южнее деревни Першино на правом берегу излучины р. Реж. Оно приурочено к Режевской зоне покровов с пластинами серпентинита и мраморизо-ванного известняка и полосами меланжа с востока на запад. К востоку покровно-чешуйчатый надвиг с преобладанием осадочной части. Раз-
меры месторождения составляют 700x250 м, а площадь 17,5 га.
Месторождения природного камня подверглись значительно меньшим тектоническим изменениям, чем рудные, на стадии формирования. Иначе не было бы пригодного для коммерческого освоения месторождения ввиду сильной раздробленности массива. Эти месторождения преимущественно осадочного типа с последующей метоморфизацией, изверженные с метосоматизацией. Начальная стадия тектонического разрушения присуща этим месторождениям. Хотя интенсивность тектонических процессов не такая сильная как у рудных. На-рушенность присутствует участками. Поэтому изучение напряженного состояния следует вести только для отдельных участков. В рамках данной работе учет напряженного состояния прибортового массива не предусмотрено. Присутствие трещин локального характера с одними параметрами на одном участке борта и совершенно другой трещиноватостью на другом требует изучения каждого участка по отдельности. Между этими трещинами всегда сохраняется взаимосвязь, которую обеспечивают залеченные контакты. Грани блоков до конца не проработаны. Так как на месторождениях природного камня породы обладают высокими физико-механическими свойствами, то устойчивость прибортового массива будет определятся физико-механическими свойствами контактов заполняющих блоки. В этом случае очевидно, что поверхность скольжения оползневой призмы образуется по контактам слоев, трещин и нарушений.
Одна из задач исследований при определении высоты уступа заключается в выявлении нарушенных зон и установлении степени их подвижности на каждом участке. Так, если условно принять три степени подвижности: неподвижная, малоподвижная, подвижная, то каждой будут соответствовать свои характеристики контактов.
С целью повышения безопасности разработки Першинского месторождения мрамори-зованных известняков решались следующие задачи: изучение генезиса месторождения, определение элементов тектонически разрушенных зон; показатели физико-механических свойств пород, по которым выполнены расчеты устойчивости уступов. Инструментами для решения этих задач были натурные эксперименты, компьютерное моделирование и теоретические исследования.
Отличительным способом изучения структуры массива было фотографирование поверхностей обнажения и их дальнейшее изучение. Автором работы с помощью цифровой фотосъемки проведено изучение структурнотектонических элементов строения массива на выбранных уступах карьера. Целью съемки было зафиксировать следующие элементы массива: интенсивность трещиноватости, нарушения, заполнителя швов и контактов, и на основе их сделать оценку блочности. Изучение произведено для каждого борта месторождения с привязкой фотоснимков к плану карьера и записью элементов структуры в таблицу.
Структурно-тектоническое строение массива определено по результатам анализа геологических разрезов и проведенных натурных наблюдений, затем по этим данным было выполнено построение структуры массива с выделением зон нарушений в прибортовом массиве. Эти зоны являются ограничением для устойчивости бортов карьеров. Так, на западном участке борта обнаруживается неявная зона нарушения. В эту зону включены известняки комковатой структуры: от черного до темносерого цвета. Зона ослабления в западном борту имеет большую протяженность по простиранию, то есть она прослеживается на плане на всем протяжении месторождения. Вероятно, что эта структура регионального плана и представляет собой тектонически раздробленный породный массив мощностью от 10 до 20 м. Прибортовой массив дезинтегрирован, трещиноватым участком, здесь также представлены редкие горизонтальные, субгоризонтальные, субвертикальные трещины. Основная часть трещин имеет падение согласное со слоистостью. Этот участок борта был подвижным и в современную геологическую эпоху. На этот факт указывает гематизация субвертикальных трещин. По своему деформационному характеру сдвига эта тектоническая зона является над-виговой. Надвиговые процессы привели к сильному сжатию структуры, в результате образовались опрокинутые свиты известковых толщ. Наклон поверхности разрыва преимущественно под углом 70° В висячем крыле надви-говой зоны залегают известняки Са1С1111, датированные этим же возрастом, что и подстилающие Са2С1111.
Последнее означает, что в процессе тектонической деформации структуры, вероятно, произошло сдваивание одной и той же свиты. Поскольку тектоническая зона имеет падение в
массив под углом до 70°, то на устойчивость западного борта она влияет незначительно.
Проведенное детальное изучение строения северного борта позволило выделить сдвиговую тектоническую зону, с углом падения 900, возможно, сформированную по деструктивным трещинам. Этот участок включает ряд коротких залеченных трещин. Трещина, имеющиеся в массиве, растяжения с крутым углом падения не оказывают существенного значения на устойчивость.
Висячий бок промышленной зоны (восточный борт) подстилают слоистые известняки Са4С1111, образованные в нижнем карбоне. По структуре они имееют слоистое строение. С мощностью одного слоя до 1 м. При создании поверхности обнажения она может быть потенциально не устойчивой. Визуальные наблюдения, проведенные на двух верхних горизонтах карьера, позволили уточнить параметры этой зоны: ее общая мощность составляет 20 м. Зона залегает на тектонически раздробленном массиве известняков Са2С1111. Трещины отдельности на этих участках массива выполнены углистым веществом и карбонатами. Промышленная часть восточной зоны месторождения представлена в виде тектонических узлов на удалении 20 м друг от друга с развитой трещиноватостью. Вертикальные раздвиговые трещины в узловых зонах образованы вследствие пологих перемещений по ранее имеющимся структурам.
Природный массив восточного борта является более ослабленным по сравнению с другими бортами. Расчет устойчивости этого бор-
1. Карасев Ю.Г., Сычев Ю.И Природный камень России: сырьевая база, перерабатывающие мощности, рынок сбыта // Горный журнал. 2003. - №10 - С. 90 - 92.
2. Правила обеспечения устойчивости откосов на
та дает представление о устойчивости других бортов. В результате проведенных выше исследований на данном месторождении с точки зрения устойчивости бортов и качества добываемого блочного камня, следует исключить из промышленных запасов тектонически раздробленные участки на стадии проектировании. Как это было сделано на карьере розового мрамора Фриндсвил. При постановке бортов в конечное положение на трещиноватом участке прибортового массива требуется принять следующие меры: исключение из границ карьерного поля или изменить параметры элементов систем разработки.
Еще один важный фактор в ограничении карьерного пространства- гидрогеологические условия. Важно чтобы нарушенная зона выходила на поверхность. То есть разуплотненные тектонические зоны не должны выходить в карьерное пространство, поскольку все поверхностные воды будут дренировать в карьер со сравнительно небольшой глубины. Дренирующая вода является слабым растворителем известняка и будет способствовать ухудшению физико-механи-ческих характеристик в пределах тектонической зоны.
Представляя детальную и общую картину строения прибортовых массивов, становится возможным сделать их структурный прогноз на глубину, и по этим данным рассчитать параметры устойчивости. Получены обнадеживающие результаты с точки зрения увеличения высоты уступов при сохранении коэффициента запаса устойчивости на высоком уровне безопасности.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
угольных разрезах: -Утв. ВНИМИ.-СП6, 1998. - 208 с.
3. Lance P. Meade Dimension Stone: Friendsville Quarry/ Mining Engineering Handbook// Open Pit. -Colorado: Littlton, 1992. - P. 1400 -1404.
Коротко об авторок ______________
Юмагужин А.Р. - Институт горного дела УрО РАН.
