CC BY
41
© И.Ю. Рассказов, Б.Г. Саксин, П.А. Аникин, 2010
УДК 622.831:551.24
И.Ю. Рассказов, Б.Г. Саксин, П.А. Аникин
ОСОБЕННОСТИ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННОЙ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ МЕСТОРОЖДЕНИЯ АНТЕЙ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ УДАРООПАСНОСТИ
Рассмотрено значение природных факторов в процессах формирования современной природно-техногенной геодинамической системы месторождения Антей.
Показано, что местоположение тектонического клина, вмещающего рудные зоны месторождения определилось физико-механическими свойствами геологической среды и ее структурой (особенно формой тела позднепалеозойских гранитоидов), которые сформированы до начала эксплуатационных работ. Акустический мониторинг, охвативший большую часть отрабатываемых блоков, выявил активную зону, перемещение которой не согласуется с планами горных работ, но хорошо объясняется природными факторами.
Ключевые слова: тектонический клин, гранитоид, акустический мониторинг, ударо-опасность, гнейсовидность.
Семинар № 16
И И од природно-техногенными -*■ геодинамическими структурами (ПТГС) понимаются локальные системы, включающие в себя тектонические нарушения и геоблоки широкого спектра форм и размеров, вычленяемые разрывами, горными выработками, выработанными пространствами, зонами сдвижения и обрушения горных пород, которые возникают в земной коре при интенсивном техногенном воздействии, в результате горных работ, крупномасштабном подземном строительстве, добыче углеводородного сырья и других видов воздействия. При этом происходит перестройка и самоорганизация предельно напряженного массива горных пород, сопровождающаяся высвобождением энергии и проявляющаяся как в деформационных, так и в геофизических волновых полях.
В пределах подобных систем проявляются различные формы разрушения геологической среды, которые в отдельных случаях приводят к техногенным катастрофам (горные и горнотектонические удары). Влияние природных факторов на процесс формирования удароопасности покажем на примере относительно хорошо изученной современной геодинамической системы месторождения урана Антей (юговосточное Забайкалье).
Месторождение Антей входит в состав известного Стрельцовского урановорудного узла, который приурочен к мезозойской Тулукуевской кальдере. По мнению большинства исследователей положение кальдеры контролируется крупным долгоживущим тектоническим узлом разломов северо-восточной, суб-меридиональной и северо-западной ориентировки. Большинство месторождений
рудного узла локализовано в вулкано- евской кальдеры. генно-осадочных образованиях Тулуку-
ттт ЮВ
Рис. 1. Неоднородности геологической среды в районе шахтного поля месторождения Антей (по данным ГРП 324 СЭ): 1 - вулканогенно-осадочные образования верхней юры (пологоза-легающие горизонты лав среднего, основного и кислого составов, перемежающиеся с туфопесча-никами и конломератами); 2-6 - основные литологические разности пород фундамента кальдеры: 2 - крупнозернистые порфировидные биотитовые граниты; 3 - лейкократовые и аплитовидные граниты; 4 - общий контур интрузивного тела позднепалеозойских гранитоидов; 5 - раннепалеозойские среднезернистые биотитовые граниты с блоками и ксенолитами плагиогранитов и грано-диоритов; 6 - направление гнейсирования в раннепалеозойских гранитах; 7 - главные рудоконтролирующие разломы месторождения Антей; 8 - номера разломов; 9 - подземные горные выработки (римские цифры - номера горизонтов); 10 - направление регионального сжатия до начала
массового освоения месторождения (по данным геомеханических станций, удаленных от мест очистных работ); 11 - контур области ведения горных работ (более детально изображен на рис.
2).
Из эксплуатируемых в настоящее время объектов рудного поля, только месторождение Антей залегает в структурах погребенного фундамента.
Рудное поле месторождения Антей локализовано в структуре следующего иерархического уровня - пересечении валообразного поднятия погребенного фундамента северо-запад-ного направления с рудоподводящей Аргунской зоной разломов северо-восточной ориентировки. Последняя в свою очередь наследовала направление замковой части древней гнейсово- купольной структуры. Структурный каркас месторождения Антей (рис. 1) представлен сближенными субпараллельными разломами № 160 и № 13. Они имеют субмеридиональную ориентировку и крутое падение [1-2]. Упомянутые разломыформируют «тектонический клин», внутреннее пространство которого интенсивно дезинтегрировано по сравнению с окружающими породами (частота встречаемости крутопадающих тектонических швов в пределах клина в 2-3 раза выше, чем за его пределами).
Район рудного поля преимущественно сложен крупнозернистыми порфировидными биотитовыми гранитами и среднезернистыми биотитовыми (до лейкократовых) гранитами (рис. 1).
Меньшее распространение имеют плагиограниты, гранонодиориты и единичные дайки долеритов. Гнейсовид-ность сохранилась в раннепалеозойских среднезернистых гранитах, свидетельствуя о наличии линейной неоднородности этих пород. В разрезе, ориентированном вкрест простирания тектонического клина, она имеет северо-западное
падение. Последовавшее затем внедрение древообразного тела гранитов позднего палеозоя во многом наследует данное направление, что находит отражение в его морфологических особенностях. Примечательно, что в описываемом теле участки сложенные лейкократовыми гранитами группируются преимущественно в его ветвящейся верхней части, тяготея к эндоконтактовым зонам. Эти породы занимают около половины объема тела гранитоидов. Они отличаются повышенным содержанием кварца и поэтому характеризуются максимальными значениями упруго-прочностных параметров. Композиция тел лейкократовых гранитов создает сводовую структуру, в наиболее напряженной, шарнирной, части которой заложился и развивается тектонический клин. Таким образом, возникновение тектонического клина в данном месте валообразного поднятия фундамента определилось физикомеханическими неоднородностями геологической среды и ее структурными особенностями, т.е. природными факторами, которые сформировались до начала работы горного предприятия. Петро-физическое исследование образцов гра-нитоидов из разлома № 160 и № 13 (по данным ИГЕМ РАН) показало, что в пределах разлома № 13 закономерно падает значение плотности и скоростей упругих волн, в том числе и потому, что он чаще пересекает тела лейкратовых гранитов.
На рис. 1 показано направление естественного современного регионального сжатия, которое установлено на ранних стадиях отработки месторождения. Гео-механические станции, с помощью ко-
торых выполнены измерения, располагались вне зоны влияния очистных работ. Последующие изучение показало, ным
юв
447
506
571
636
690
750
810
В2 □
|еН 6
и
перемещением Евроазиатской лито-сферной плиты. Региональное поле, на зональном и локальном уровнях, может перераспределяться в соответствии с характером движения более мелких блочно-иерархических масс.
Тектонические нарушения № 160 и № 13 являются основными рудовме-
что в регионе современное региональное поле напряжений задается горизонталь-
Рис. 2. Пространственное положение и динамика очагов АЭ (I-III квартал 2009 г.) в зоне контроля месторождения Антей (разрез по разведочной линии 632 через центральную часть контролируемой зоны): 1 - вулканогенно-
осадочные образования Тулукуевской кальдеры; 2 - поверхность погребенного кристаллического основания кальдеры; 3 - гранитоиды фундамента; 4 - рудоконтролирующие разломы и их номера; 5 -прочие разломы и их номера; 6 - подземные горные выработки; 7 - отработанное пространство; 8 - номера горизонтов; 9 -общая позиция акустически активной области; 10 - направление миграции очагов акустической эмиссии в 2009 г.
щающими структурами месторождения Антей (рис. 2).
В этой связи именно они, особенно разлом №160, определяют конечную
геометрию выработанного пространства. Оруденение прослежено бурением до глубины 1500 м. Однако контур промышленных руд не опускается ниже 900 м, что согласуется с гипсометрией основания вала гранитоидов. Мощность рудных тел изменяется от нескольких метров до первых десятков метров. Протяженность по простиранию (до IQ горизонта X) составляет 300-350 м. К горизонту XIII протяженность промышленного контура по простиранию возрастает до 800 м (вытягиваясь в ССВ направлении).
Фронт очистных работ соответственно продвигается в этом же направлении. В этой связи, ССВ фланг отработанного пространства всегда более изрезан, чем противоположный. Выявлены закономерности процесса разрушения контура
выработок в зависимости от их расположения относительно фронта очистных работ. Установлено, что наиболее опасными являются межблочные целики. В настоящее время добыча осуществляется на глубинах 580-740 м, а на ниже лежащих горизонтах ведутся горноподготовительные работы. Выработанное пространство закладывается твердеющей смесью.
Считается, что в результате эксплуатации месторождения на фоне геостатиче-ских напряжений, которые определяются описанными природными факторами, создаются зоны техноген-ного напряженно-деформи-рованного состояния трех типов: 1) разгрузки, 2) временного опорного давления, 3) стационарного опорного давления.
По мере развития добычных работ происходит изменение формы и объема выработанного пространства, а также конфигурации фронта очистного забоя. Применительно к новым условиям отмеченные зоны изменяют свое местоположение и объем. Так, измерения на реперных точках [3], начиная с 1996 г., показали, что вначале максимальные смещения (сжатия) закладки происходили на горизонтах 8 и 10, а в последние годы уже фиксируются на горизонтах IX и XI, где достигают 51 мм в год (см. рис. 2).
По результатам обобщения многолетних наблюдений за характером разрушения контура горных выработок и дискования керна скважин, которые выполнены на горизонтах с 7 по 11 (в этаже 240 м), выявлена значительная неоднородность поля напряжений. Она фиксируется по изме-нению не только величины, но и направления главных напряжений. Кроме того, установлена взаимосвязь подобных изменений с элементами морфо-
логии погребенного палеорельефа. Замечено, что выработки, пройденные вдоль направления действия регионального поля напряжений минимально испытывают его негативное влияние. Главенствующее значение на перераспределение техногенного поля напряжений имеют пространственно-геомет-рические особенности развития очистных работ.
Для прогноза удароопасности на месторождении «Антей» с 2006 года применяется автоматизированная сис-тема контроля горного давления (АСКГД) «Prognoz-ADS». Система обеспечивает эффективную регистрацию акустических сигналов, их оцифровку, обработку и передачу по цифровым каналам связи в центральный компьютер, с которого осуществляется управление измерительно-вычислительным комплексом [4-5].
В настоящее время наблюдатель-ная сеть АСКГД, включает в себя 19 цифровых приемников акустических импульсов. Они установлены в сква-жинах, пробуренных из горных выра-боток на IX, Х, XI и XII горизонтах рудника «Глубокий» в этаже 570-750 м. Зона контроля автоматизированного измерительно-вычислительного ком-плекса охватывает большую часть от-рабатываемых блоков. В 2009 г. отра-батывались блоки 6а-1006, 6а-1102, 6а-1212, 6а-1202 и дорабатывались вторичные заходки в блоке 6а-1110.
Анализ базы данных АЭ событий, которые зарегистрированы в процессе мониторинга с первого по третий кварталы 2009г., показал, что большая их часть (38 %) лоцировалась в блоке 6а-1006 (рис. 2). Крупная долгоживущая акустически активная зона приурочена преимущественно к контурам очистных выработок, а также отчетливо приурочена к «пережиму» между разломами № 160 и № 13, который про-
странственно совпадает с описанной выше шарнирной зоной (рис. 1). Ранее на этом участке массива неоднократно отмечались динамические проявления горного давления, вплоть до горного удара, В пределах зоны контроля на уровне IX и X горизонтов в 2009 году наблюдается характерный направленный процесс миграции акустически активной зоны. На протяжении всего года активная зона перемещалась со средней скоростью 23...27 м/месяц. Каждый раз зона насчитывала от 10 до 20 очагов. В среднем объем самой акустически активной зоны составлял около 32 м3. Энергетический показатель суммарной энергии очаговой зоны колеблется от десятков до первых сотен Дж, причем в местах, где скорость миграции понижается, энергетическое значение акустически активной зоны повышается в несколько раз по отношению к более ранним значениям. На рис. 2 показана общая траектория миграции акустически активной зоны в 2009 г. Характер передвижения зоны не сопоставляется с планами ведения горных работ, но отчетливо корреспондирует с гео-лого-струк-турной ситуацией. Область акустической активности зарождается на удалении от места «пережима» но отчетливо перемещается в его направлении вдоль разлома № 13. В этой связи, место
1. Поляков А.Н. Прогноз удароопасности горнотехнических ситуаций на перспективные глубины разработки // Горный журнал, 1993 -№ 4 - с.51-56
2. Рассказов И.Ю., Саксин Б.Г. Особенности геодинамики и геомеханических условий месторождения, залегающего в крутопадающих разрывных структурах погребенного фундамента // Горный информационно-аналити-ческий бюллетень, 2009. - № 7. - С. 296-303
3. Особенности динамических проявлений горного давления на месторождении «Антей» / И.Ю. Рассказов, Б.Г. Саксин, Б.А. Просекин и
«пережима» было и остается местом концентрации и последующей разрядки техногенных напряжений и поэтому требует постоянного контроля за горным давлением.
Анализ полученных результатов дает основание для следующих выводов:
• важной региональной особенностью геосреды, вмещающей месторождение Антей, является наличие в разрезе погребенных поверхностей раздела (пологих и крутых сместителей в виде контактов разномодульных геологических тел и разломов), а также их разная ориентировка в пространстве. На следующем иерархическом уровне аналогичные им элементы в сочетании с формируемыми особенностями геометрии шахтного поля, контролируют положение очагов аномальных очагов акустической эмиссии.
• в пределах природно-техногенных геодинамических структур, в зоне изменяющегося во времени выработанного пространства могут возникать деструктивные участки, положение которых в основном определяется вещественноструктурными особенностями геологической среды, т.е. обнаруживаются участки, где роль природных факторов становится решающей.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
др. // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2007.- № ОВ9.- С. -167-177.
4. Рассказов И.Ю., Аникин П.А., Искра А.Ю., Саксин Б.Г., Мирошников В.И. Результаты геоакустических исследований ударо-опасности на месторождении «Антей» // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2009. - № 4ОВ. - С. 41-49.
5. Рассказов И.Ю., Саксин Б.Г., Шабаров А.Н., Святецкий В.С., Просекин Б.А. Контроль динамических проявлений горного давления при
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------
Рассказов И.Ю. - доктор технических наук, директор Института горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск, [email protected]
Саксин Б.Г. - доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник Института горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск
Аникин П.А. - научный сотрудник Института горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск
