CC BY
83
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГОРНОЙ ФИЗИКИ
© А.Ф. Мамонов, В.П. Зубков, Г.П. Необутов, 2001
УДК 622.023.42:622.831.3
А.Ф. Мамонов, В.П. Зубков,
Г.П. Необутов
ОЦЕНКА ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОГО МАССИВА МЕСТОРОЖДЕНИЯ БАДРАН В ЯКУТИИ*
Обобщая имеющиеся данные по первоначальному напряженному состоянию верхних слоев земной коры области криолитозоны, в частности, Якутии, можно отметить его слабую изученность, а результаты натурных измерений естественных напряжений в подземных горных выработках отсутствуют [1].
Поэтому в настоящее время для получения оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) при гео-механическом обосновании технологических решений, сопровождающих добычу полезных ископаемых в условиях горнодобывающих предприятий принимается априори, что естественное напряженное состояние соответствует гипотезам А. Гейма или А.Н. Динника, то есть, обусловлено весом вышележащих пород и в некоторых случаях это оправдано [2].
В настоящее время убедительно доказано исследователями разных стран, что на формирование полей напряженного состояния массива горных пород большое влияние оказывают силы тектонического происхождения, распределенные к тому же более неравномерно, чем гравитационные силы.
Оценить напряженное состояние нетронутого массива пород позволяет интенсивно развиваемый в последние годы метод геодинамического районирования месторождений. Напряженное состояние при этом рассматривается как результат взаимодействия подвижных, геодинамически активных блоков земной коры [3] различного ранга.
Так центральную часть Верхояно-Колымской складчатой системы Восточной Якутии занимают два главных структурных элемента: Адычанский антикли-норий и Иньяли-Дебинский синклинорий, разделен-
*Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, код проекта № 01-05-96218
ные Адыча-Тарынским надвигом, который можно считать разломом II ранга. Адычанский антиклино-рий орографически занимает южную часть Эльгинского и Нерско-го плоскогорий. В Верхне-Индигирский рудный район входит золоторудное месторождение "Бадран", которое в тектоническом отношении приурочено к Эльгинскому складчатоглыбовому поднятию и контролируется зоной влияния Бадран-Эгеляхского взбросо-надвига (рис. 1). Последний может быть выделен как разлом III ранга. К северу от него наблюдаются Бал-ханайский разлом и Право-облачненская зона разрывов, к югу - примыкающая к нему Хал-балох- Кенгнейская зона разрывов, далее Средне-Эгеляхский и Кенгней-Танинский взбросы, которые могут быть выделены как разломы III ранга. К югу от Адычанского антиклинория располагается Сунтаро-Лабынкырс-кое поднятие, восточнее которого выделяется самостоятельный Верхне-Индигирский синклино-рий, сложенный породами триаса и юры, смятыми в систему линейных складок. Протяженность его в северо-западном направлении 500 км при ширине до 50 км.
Район Бадранского рудного узла занимают следующие структурные элементы (рис. 1): Талалахский антиклинорий; I - Мугурдахский синклинорий; II -Селериканский антиклинорий; III - Талалахмулкан-ская антиклиналь; IV - Тумаринская антиклиналь.
Структурно-геологические работы, выполненные на территории сейсмического пояса Черского, детальное дешифрирование космических снимков реконструировать и восстановить позднекайнозойское поле тектонических напряжений и направление траекторий главных нормальных напряжений [4].
Из анализа данных работы [4] следует, что наблюдается достаточно сложная картина траекторий тектонических главных напряжений сжатия региона, которая отражает сложный процесс, вызванный взаимодействием двух литосферных плит в субширотном направлении. Направление регионального сжатия колеблется от северо-восточного в южной части региона до близширотного к северо-западу. Например, азимут оси регионального сжатия для географических координат, близких к географическим координатам месторождения "Бадран" в среднем составляет приблизительно 40 ±10° (ЮЗ-СВ).
В связи со сказанным выше вытекает необходимость разработки методических положений по оценке
первоначального напряженного состояния массива горных пород области криолитозоны, и на основе их разработку методики непосредственных измерений напряжений ненарушенного массива пород в подземных выработках.
Методические положения по оценке первоначального напряженного состояния массива горных пород области криолитозоны предусматривают
• качественную оценку напряженного состояния земной коры региона путем изучения тектонических процессов, начиная от планетарных и переходя к региональным, с комплексным использованием данных
о его современном тектоническом развитии, позволяющей выделить в земной коре региона зоны растяжения и сжатия, а также определить ориентировочно направления действий главных напряжений;
• непосредственные измерения естественных напряжений в подземных выработках методом щелевой разгрузки в условиях отрицательных температур. Необходимым условием для определения первоначальных напряжений является то, что измерения проводятся вне зоны влияния очистных работ.
В то же время механический перенос известных методик по оценке первоначального напряженного состояния массива горных пород, существующих в западных регионах, на область криолитозоны нецелесообразен в виду геокриологических особенностей залегания пород и физико-механических свойств многолетнемерзлых пород, в частности, свойства их ползучести при наличии включений льда-цемента и незамерзшей воды. Поэтому данные методические положения предусматривают определять величину напряжений на контуре выработок с учетом параметров ползучести многолетнемерзлых пород.
Величину напряжений ук1 ^=х, у, z) на контуре выработки, действующих перпендикулярно к плоскости щели, определяют по формуле, полученной на основе решения Снеддона пространственной задачи теории упругости для круглой в плане щели [5] с учетом методики УрО РАН [6]
У :
1-
[8R-^7(1-Ki(i)+ Vt K||(i))],
Vt
(І=Х, у, 2) (1)
где иАВ- деформация массива между точками А и В после образования щели. иАВ = 1к - 1н, 1н, 1к - начальное и конечное показания индикатора; Еь К - модуль упругости и коэффициент Пуассона породы с учетом ее ползучести, соответственно; R - радиус щели; I - расстояние между точками А и В (центрами реперов); £±(±), АГ||(± ) - коэффициенты концентрации напряжений С± в направлениях соответственно перпендикулярно и параллельно щели, которые берут из графиков [6].
Ползучесть многолетнемерзлых пород можно описывать соотношениями наследственной теории упругости с ядром типа Абеля:
С
K(t - tG) = -------(t - tG)
1 -а
\1-а
(2)
Величины параметров ползучести, полученные ИГДС СО РАН в шахтных условиях, например, для многолетнемерзлых пород Кулара имеют следующие
значения: СХ= 0, 72; 8 = 0,0245 с-1. В этом случае для решения задачи деформирования вмещающего массива при неизменных граничных условиях в напряжениях применим метод переменных модулей [7], позволяющий свести задачу ползучести к упругой, в которой упругие характеристики материала Е, V заменяются функциями времени:
E
Et 1 + K(t) vt
G,5 -v 1 + K (t)
(3)
где K(t) — функция ползучести, имеющая вид (2).
Уточненные значения напряжения у; (i=x, y, z) на контуре выработки с учетом неровности, имеющейся в месте измерения на стенке выработки, являются исходными данными для определения, в общем случае, фактических напряжений в массиве пород.
СТх0пр, СТу0пр - принимаемые горизонтальные напряжения в массиве и равные средним значениям
напряжений на контуре выработки СТхсрк, СТусрк на выбранных участках;
Коэффициенты концентрации Kz(z), Kz(x), Kz(y) на контуре выработок в направлении оси Z от первоначальных напряжений Cz0, Сх0, Су0 в конкретных сечениях рассчитывают методом конечных элементов с учетом неоднородности массива с помощью программы OPTION, разработанной в ИГДС СО РАН.
Определение первоначальных напряжений 0°z(x),
0°z(y), ОХ0, Оу°, действующих в массиве горных пород, производят по формулам [6] методом последовательных приближений. Условие окончания расчета выражается в виде:
І |о;0|-|а0І І /|а°| ^ о,оі (і=х, у, 2), (4)
где <7у0пр - принимаемые горизонтальные напряжения в массиве и равные средним значениям напряжений на контуре выработки на выбранных участках.
Месторождение сложено верхнетриасовыми терри-генными толщами. Главная рудоносная структура месторождения - минерализованная зона сместителя взбросо-надвига (зона «Надвиговая») прослежена на поверхности в общем северо-западном направлении на 5,6 км и изучена горноразведочными выработками на длину по падению до 100 м, единичными буровыми скважинами до 1200 м. Азимуты падения сместителя изменяются от 355 °С до 65° ВСВ, углы падения от 23° до 40°. Сместитель разлома представлен дроблеными, милонитизированными, рассланцованными и
Объектом исследования было золоторудное месторождение "Бадран", которое находится в пределах Яно-Оймяконского нагорья, в бассейне р. Эльги на территории Оймяконского улуса Республики Саха (Якутия), в. 130 км к юго-западу от пос. Усть-Нера, административного центра улуса. Площадь месторождения ограничивается географическими координатами: 64°12'-64°14' с.ш., 141°29'-
141°33' в.д. В тектоническом отношении месторождение приурочено к Эльгин-скому складчатоглыбовому поднятию и контролируется зоной влияния Бадран-Эгеляхского взбросо-надвига, по которому более древние существенно песчаниковые отложения быйттахской свиты надвинуты с северо-востока на более молодые преимущественно алевролитовые осадки черняйской и быланьинской свит с амплитудой
от 600 м до 1300 м. На рис. 1. представлена тектоническая схема Бадранского рудного узла.
Рис. 1. Тектоническая схема Бадранского рудного узла.
1 - невскрытый массив пород среднего состава, предполагаемый по данным гравиметрической съемки; 2 - активные разломы: генеральные, региональные, локальные; взбросонадвиги; предполагаемые региональные разломы; 3 - минерализованный участок Бадран-Эгеляхского взбросо-надвига; I Мугурдахский синклинорий; II - Селериканский ан-тиклинорий; III - Талалахмулканская антиклиналь; IV - Тумаринская антиклиналь
будинированными вмещающими породами. Мощность зоны изменяется от 0,4 до 10-16 м, обычно в пределах 3-1 м. Границы с вмещающими породами
достаточно четкие, слабоволнистые, с зеркалами скольжения и глинками трения.
Рудоносность зоны «Надвиговая» напрямую зависит от насыщенности ее кварцем в виде жил, прожилков, линз, гнезд, будин и цемента брекчий. В ее пределах выделены три рудные залежи, за которым закрепилось название рудные столбов I, II и III. Рудные столбы приурочены к участкам корытообразных понижений в рельефе осевой плоскости зоны, характеризующимся повышенной мощностью текто-нитов, и имеют форму полос, в целом вытянутых по падению при длине по простиранию от 150 м до 450 м.
Рудные столбы I и III представлены серией крупных кварцевых жил с оторочками и «окнами» оквар-цованных милонитизированных пород. Рудный столб II, напротив, сложен преимущественно прожилково-окварцованными тектонитами, вмещающими разобщенные жилы кварца небольших размеров.
Форма кварцевых жил обычно удлиненная по падению, протяженность их по простиранию от 15-20 м до 155 при длине, по падению до 550 м и более. Мощность их обычно 0,2-0,9 м, участками до 2,5-4,8 м. Жилы, как правило, размещаются в осевой части зоны, реже они смещены в сторону лежачего, еще реже -висячего бока. В раздувах зоны иногда наблюдаются до 2-3 сближенных субпараллельных жил (столб III).
В своей юго-восточной части зона «Надвиговая» прослеживается по юго-западному склону водораздела руч. Халбалох-Бадран-Безводный в условиях штольневого рельефа с крутизной склонов 10-20° и абсолютными отметками выхода 840-1015 м. Эта часть зоны, вмещающая рудные столбы I и II, вскрыта штольнями по простиранию на горизонтах +960 (шт. 290), +920 (шт. 280) и +840 (шт. 252) и уклонами с поверхности. Ниже горизонта +840 рудный столб I вскрывается системой уклонов и горизонтальных выработок из них до горизонта +720 м.
Северо-западная часть зоны, включая рудный столб III, проходит по долине руч. Безводный, гипсометрически ниже последнего штольневого горизонта и вскрыта уклонами с поверхности (№ 194, 195) и штреками на горизонтах +760, +740, +720, +700, +660.
Вмещающими для рудоносной зоны «Надвиговая» являются терригенно-осадочные породы. В ее лежачем боку развиты преимущественно алевролиты и алевро-песчаники на глинистом и углисто-глинистом цементе. В висячем боку зоны преобладают песчаники с редкими прослоями алевролитов - до 10-15 % объема [8]. Песчаники висячего бока зоны, подвергшиеся метасо-матическому окварцеванию, характеризуются повышенной прочностью и устойчивостью в сравнении с подстилающими. Породы за пределами тектонических зон умеренно трещиноваты (от 1-2 до 10-15 трещин на 1 п.м.), трещины заполнены льдом.
Рудные тела представлены кварцевыми жилами и зонами прожилкового окварцевания, как правило, тяготеющими к осевой части или к лежачему боку тектонической зоны. Кварцево-жильное выполнение занимает от 10 % до 80 % от общей мощности рудовмещающих тектонитов. Границы рудных тел нечеткие, их мощности варьируют в широких пределах - от 0,54 м до 5,68 м при средних значениях на разведочных горизонтах 0,89-3,54 м.
Степень трещиноватости пород в рудных зонах составляет 10-50 трещин на 1 п. м. Трещины ориентированы главным образов близпараллельно контактам кварцевых жил и границам зоны тектонитов. Большая
часть трещин выполнена льдом, прожилками кварца, гипсом и эпсомитом. Наиболее интенсивная трещиноватость наблюдается в милонитизированных породах висячего бока кварцево-жильных тел. Мощность этой тектонически ослабленной неустойчивой зоны в зависимости от степени насыщения жильным кварцем колеблется от 0,5-1,5 м до 3,0-4,5 м [8]. Прочностные свойства пород зоны резко понижены в сравнении с вмещающими породами и это является основным осложняющим фактором при проведении горнопроходческих и очистных работ.
Если в горизонтальных горных выработках по простиранию рудных зон (штреки), при ограниченной площадной обнаженности висячего бока рудной зоны, породы кровли достаточно устойчивы, то проходка горных выработок по падению горных тел (уклоны, восстающие, очистные камеры), связанная с обнажением кровли на значительных площадях, приводит к их неустойчивости. Положение осложняется колебаниями температурного режима в горных выработках: в частности, - временное растепление с оттаиванием и вторичным промерзанием трещинных вод сопряжено с растрескиванием и отслаиванием пород. Ожидается постепенное снижение устойчивости горных пород с приближением к подмерзлотной зоне [8].
Нобходимым условием проведения исследования исходного поля напряжений массива горных пород в натурных условиях является получение экспериментальных данных о механических свойствах горных пород и руд месторождения. В связи с этим ИГ ДС СО РАН были проведены испытания образцов мерзлых пород месторождения Бадран и определены 13 базовых свойств, которые сгруппированы и сведены в паспорта физических свойств горных пород месторождения Бадран. Информация, получаемая из паспортов горных пород, вполне достаточна для выполнения большинства практических расчетов. Базовые свойства пород позволяют по известным формулам вычислить производные показатели, в том числе и технологические.
Результаты определения механических свойств литологических разностей горных пород верхних горизонтов (выше гор. 940 м) представлены в табл. 1.
Физико-механические свойства горных пород в месте измерения напряжений соответствуют п. 4 табл.
1.
Измерения напряжений ненарушенного массива методом полной разгрузки были исключены в связи с его "точечностью", т.е. малой базой измерений. Этот метод не дает представительности результатов в крупнозернистых, милонитизированных породах, поэтому выбор был остановлен на методе щелевой разгрузки.
На рис. 2. представлен план экспериментального участка на золоторудном месторождении «Бадран» (Рудный столб №1 зоны "Надвиговой") на горизонте
Порождения "бадран"
Предел Предел проч-фочности ности на расІ сжатие к ДрЖе 8 с|сж, мЦ§срив?РоШ&к по Сопротивление сдвигу, 40е мв ,гіерйонс род составил Угол внутреннего тре- чиьныегрййт и МПа: Сцепление С, МПа ряжения в
162,0 ^оризой^льньк я и н е а н : по ЗГростир шиЮ2руд-
115ног|> телаТ^х = 9,< р к в с* +1 ест прОкОгираї [ия -03 =
45,015.8 ± 0.3?’8 3,2 26,0 6,5
94,0# ^ертик&Аное н шряжеййе у0: : = 6,290 0,2. 10,3
Численные результаты, полученным МКЭ с учетом гористого рельефа в месте измерений в выработке показали, что вертикальное напряжение у02 = 6,5 МПа. Влияние гористого рельефа на распределение напря-ИВОВ жений вокруг выработки оценивали с помощью коэф-
фициента Кг = уУуИ» УЗЄУі - расчетные вертикаль-
Сибирскии и
ные напряжения, а УИ Восточный '
ияния гористого рельефа, /и учае расчетнс^ значение Кг =
Верхне-Индигирский
напряжения от веса налегаю рудный район
щихпородбезучетавл 8,5 МПа. 7Е5 нашем сл 0,76. 7'5 '
Параметры поля естественных напряжений место-
ляют объясни^ процессы де-ения горных пород, наблю-ботках. Наиболее убедительно образования линзовидных тел в
уші
рождени)| ^дран позво формирования и разр даемые в горных выра это следует из анализа
выработку имеющих различное направление Основной объём в материале рудной зоны Надвиговой
840 м, орты 18010 и 18011 в близи уклона № 14. Здесь оси X и У направлены соответственно вкрест простирания и по простиранию рудного тела. Из плана горных пород и данных, представленных в видно, что ось У близка к азимуту оси регионального сжатия.
Для определения напряжений ненарушенного массива пород выполнялись измерения напряжений на контуре двух взаимно перпендикулярных выработок, находящихся вне зоны влияния очистных работ. Выработки проходятся буровзрывным способом с формой поперечного сечения близкой к трапециевидной.
При моделировании коэффициенты концентрации на контуре подготовительной выработки в месте измерений определялись в плоской постановке по упругой модели методом конеч-
месторождения Бадран занимают рассланцованные, развальцованные и милонитизированные породы со стержневой кварцевой жилой (кварцевым телом мощностью от
1 до 4-5 м) в
ных элементов с учетом неоднородности массива (литологический разрез по рудному месторождению "Бадран”) и гористого рельефа в два этапа. На первом этапе расчет проводился по схеме с упрощенной сеткой, включающей участок гористого рельефа в окрестности рудного тела. Параметры сетки: число узлов -277, число треугольных элементов - 492. Максимальная разница между номерами соседних узлов - 49. На втором этапе на расчетной схеме выделялась область сгущения. При определении коэффициента концентрации напряжений от вертикальных нагрузок К2(2) для сокращения объема и времени счета учитывалась симметрия контура выработки, при этом параметры сетки были приняты: число узлов - 38, число тре-
Рис. 2. План района экспериментального участка.
Точки № 1, 3 и 5 с горизонтальными щелями, остальные — с вертикальными; 1 - направление регионального сжатия
I
угольных элементов - 58. При вычислении коэффициента концентрации напряжений К2(ЛУ) от горизонталь-
ных нагрузок параметры сетки были следующими: число узлов - 58, число треугольных элементов - 106. пределах рудного столба и с прожилковым окварцева-нием в остальной части (за пределами рудного столба). Зона над кварцевым телом мощностью от 1,5 до 3,5-6,0 метров характеризуется большим количеством тектонических трещин, располагающихся по падению рудной зоны (в целом параллельно ее контакту), залеченных кварцем, гипсом, эпсомитом и льдом (на верхних горизонтах). Эти трещины делят зону на отдельные линзовидные тела размером от 2-3 до 5-7 м по ширине, от 5-7 до 10-15 метров длиной и мощностью от 0,5-1,5 до 3,0-4,5 метра. Располагаются эти линзы длинной осью по падению зоны. В связи с этим устойчивость выработок, находящихся в пределах рудной зоны, различна:
• по горизонтальным выработкам, направленным по простиранию рудного тела, кровля относится к среднеустойчивому и устойчивому классам в зависимости от ширины выработки, частоты появления и размеров линзовидных тел (шатров);
• по выработкам, располагающимся по падению рудной зоны, кровля относится к малоустойчивому и устойчивому классам - в связи с повышенной частотой появления линзовидных тел (шатров), длинная ось которых ориентирована, в основном, по азимуту от 3550 до 650, что обусловлено действием повышенного горизонтального тектонического напряжения, в основном, в направлении ЮЗ-СВ, установленного экспериментально.
Сравнительную характеристику напряженности массивов по Верхне-Индигирскому рудному району, полученную нами, и Сибирскому и Восточному регионам по данным [1], можно получить по данным табл.
2.
Следует отметить, месторождение "Бадран" подвержено воздействию полей напряжений сравнительно низкого уровня. Так средние напряжения достигают О =10.5 Мпа, а интенсивность касательных напряжений 7=4.8 МПа.
Результаты изучения естественного поля напряжений месторождения "Бадран", а также обследования состояния горных выработок, позволяют сформулировать следующие выводы и рекомендации.
1. Анализ направления действия главных напряжений, основанный на взаимосвязи тектонических процессов с ориентировкой действующего поля напряжений и известных сейсмологических данных, а также результатов измерений естественных напряжений массива показывает, что на месторождении «Бадран» главные напряжения сжатия (О) действуют в приблизительном соответствии с региональным направлением оси главного сжимающегося напряжения. Параметры естественного поля напряжений месторождения убедительно показывают, что в верхней части земной коры Верхне-Индигирского рудного района происходят неотектонические процессы.
2. Напряженное состояние месторождения Бад-ран характеризуется величинами главных сжимающих напряжений - С1, С2, С3, которые можно выразить отношением как 2,5:1,5:1,0, причем горизонтальная составляющая тензора напряжений действующая, в основном, в направлении ЮЗ-СВ (азимут равен от 3550 до 650) вкрест простирания рудного тела имеет максимальное значение и достигает 2,5уН.
3. Установленные величины этих напряжений на горизонте 840 м рекомендуется использовать на производстве для решения вопросов расчета конструктивных параметров системы разработки, управления горным давлением и других геомеханических задач.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Леонтьев А.В. Анализ естественных напряжений по результатам измерений в рудниках на территории Северной Евразии // ФТПРПИ. -2001. - № 1.
2. Мамонов А.Ф. Взаимодействие вмещающих пород с закладочным массивом на россыпных шахтах Севера. - Якутск: изд-во ЯНЦ СО РАН, 1999.
3. Батугина И.М., Петухов И.М. Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и
эксплуатации рудников. - М.: Недра, 1988.
4. Имаев В.С., Имаева Л.П., Козьмин Б.М. Активные разломы и сейсмотектоника Восточной Якутии. -Якутск: ЯНЦ СО РАН СССР, 1990.
5. Снеддон И. Преобразования Фурье. - М.: ИЛ, 1955.
6. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. -М.: Недра, 1994.
7. Амусин Б.З., Линьков А.М. Об использовании переменных модулей для решения одного класса задач ли-
нейно-наследст-венной ползучести // Изв. АН СССР. МТТ. - 1974. - №6.
8. Необутов Г.П., Гринев В.Г. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки в условиях многолетней мерзлоты" // Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1997.
X
)
и
Мамонов Алексей Филиппович, Зубков Владимир Петрович, Необутов Геннадий Павлович - кандидаты технических наук, Институт горного дела Севера СО РАН.
