CC BY
27
_ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА_
2019 Геология Том 18, №1
ГЕОЛОГИЯ, ПОИСКИ И РАЗВЕДКА ТВЁРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, МИНЕРАГЕНИЯ
УДК 551.2.01
Оценка закарстованности месторождений строительного гипса
К.О. Худеньких
ООО «Ергач», 617437, Пермский край, Кунгурский район, п. Ергач, ул. Заводская, 10. E-mail: ms002@ergach0.ru
(Статья поступила в редакцию 20 марта 2018 г.)
Рассмотрены различные методики расчета закарстованности полезной толщи месторождений гипса. Предложен собственный комплексный метод расчета закарстованности, основанный на определении объемных коэффициентов закарстованности поверхности гипсовой толщи и ее внутренней закарстованности. Представлены результаты опробования предложенного метода на Соколино-Саркаевском месторождении гипса и ангидрита. Установлено, что процент поверхностной и внутренней закарстованности заполненных полостей характеризует разубоживание полезной толщи.
Ключевые слова: месторождения гипса, коэффициент закарстованности, объем, карстовая полость, разубоживание.
Б01: 10.17072/р8и.§ео1.18.1.49
В настоящее время при инженерно-геологических изысканиях на территориях, подверженных карстовым процессам, специалисты используют расчетные показатели, предложенные в основных нормативных документах (Методические рекомендации..., 2009, СП 11-105-97, 2009, ТСН 11-301-2004, 2005 и др.). Наиболее часто применяют следующие: интенсивность провалообразования (случаи/км2год), средний диаметр карстовых провалов (м), плотность карстовых форм (шт./км2), площадной показатель закарстованности (%), объемный показатель закар-стованности (мм). Но не все из перечисленных показателей можно применить для оценки закарстованности полезной толщи месторождений гипса.
В литературе оценить закарстованность полезной толщи предлагается двумя способами. В первом случае закарстованность полезной толщи (Зпт) вычисляется по формуле
В своей работе Е.А. Чуракова и А.В. Га-рифулова не уточняют, о каких воронках идет речь, но исходя из контекста статьи можно сделать вывод, что имеются в виду воронки, развитые на дневной поверхности, объем которых (V) предлагается вычислять по формуле
У =^(й2+й нКв + Кв2), (2)
где И - глубина воронки (м), Я в радиус ее верхнего основания (м), Ян - радиус ее нижнего основания (м). Объем потерь на контакте с карстовыми образованиями вычисляется по следующей формуле:
(3)
З —
У+Уп
^общ
(1)
где V - объем воронок (м3), Уп - объем потерь на контакте с карстовыми образованиями (м3), Vобщ - объем полезной толщи (м3) (Чуракова, Гарифулова, 2015).
где Ь - средняя длина окружности воронки (м), 8тр - площадь элементарной трапеции (м2), п - количество уступов (Чуракова, Гарифулова, 2015).
Проанализировав формулы 1-3, необходимо отметить следующее. Во-первых, данный метод будет совершенно бесполезен для месторождений, где поверхностные карстовые формы развиты слабо, крайне неравномерно или не развиты совсем. Во-вторых, непонятно, как определить исходные данные для расчета площади элементарной трапе-
© Худеньких К О., 2019
ции. В-третьих, почему потери на контакте с карстовыми формами используются для характеристики закарстованности? Вывод: данный метод не может быть применим для оценки закарстованности полезной толщи.
Второй метод оценки закарстованности полезной толщи предложила Д.А. Усольцева (Усольцева, 2013). Суть его заключается в следующем. Закарстованность предлагается оценивать через два показателя:
- коэффициент внутренней закарстованности (Квз), определяемый по формуле
Yh
КВз=|7х100% :
(4)
где к - вертикальный размер полости (м), I -мощность горизонта, на котором вскрыты полости (м);
- коэффициент общей подземной закарстованности (Копз), вычисляемый по формуле
(5)
= Yh+Y^-0 х 100%,
Yh
Кппч 100%
нако это практически не отражает реальную ситуацию, которая складывается в процессе эксплуатации месторождения. Например, сравнительный анализ показал значительное расхождение данных оценки запасов и эксплуатации Шубинского месторождения гипса (Богомаз, 2016).
Поверхность гипсовой толщи имеет крайне неровную поверхность, осложненную различными погребенными карстовыми формами, которые, как правило, не выражены на дневной поверхности. Для оценки поверхностной закарстованности полезной толщи в пределах ее отработанного участка целесообразно применять формулы, используемые для оценки закарстованности на дневной поверхности, а именно объемный коэффициент поверхностной закарстованно-
сти
схт
где т - полная мощность карстующихся пород (м), с - количество скважин (Усольцева, 2013).
Формула (4) используется для оценки за-карстованности только одного уступа, но не характеризует полезную толщу в целом. Этот коэффициент полностью зависит от мощности горизонта, для которого производится расчет. Чем меньше мощность горизонта, тем больше будет коэффициент его закарстованности. Непонятен и вопрос, как и зачем это применять на практике, поскольку такой коэффициент не используется ни при подсчете запасов, ни в расчетах потерь и разубоживания.
В формуле (5) не объяснено, какую роль играет выражение Е(т—1) и зачем его нужно прибавлять к сумме высот всех вскрытых скважинами полостей? Если из формулы (5) убрать это выражение, то она приобретет вид
(6)
Kv_ =
Yvm
100%,
(7)
схт
и будет характеризовать закарстованность всей полезной толщи в пределах месторождения. Именно формула (6) используется для определения закарстованности при подсчетах запасов.
При последнем подсчете запасов Соколи-но-Саркаевского месторождения, выполненном в 2014 г., коэффициент закарстованно-сти, рассчитанный по формуле (6), для гипса составил 5,21%, для ангидрита - 1,62%. Од-
где ЕУпк - суммарный объем всех поверхностных карстопроявлений в пределах участка местности (м3), Уткп - усредненный объем толщи карстующихся пород в пределах участка местности (м3) (Худеньких, 2011).
В границах карьера Саркаевский имеется отработанный участок, в пределах которого построена гипсометрическая поверхность кровли гипсовой толщи (рисунок).
Как уже отмечалось, поверхность гипсовой толщи имеет крайне сложный рельеф, изобилующий различными карстовыми формами, поэтому подсчитать суммарный объем всех карстопроявлений в пределах отработанного участка «вручную» - процесс весьма трудозатратный и долговременный.
Для определения объемного коэффициента поверхностной закарстованности гипсовой толщи использовалось лицензионное программное обеспечение компании CREDO DIALOGUE, в частности программный комплекс «CREDO Объёмы».
С помощью этой программы были рассчитаны ЕУпк - суммарный объем всех поверхностных карстопроявлений в кровле полезной гипсовой толщи (691984 м3) и Уткп -усредненный объем полезной толщи в пределах отработанного участка (3170774 м3), получившиеся значения подставлены в формулу (7):
v.
из
691984
ку„ = • 100% = 22%.
пз 3170774
Отработанный участок карьера «Саркаев-ский», в пределах которого построен гипсометрический план поверхности гипсовой толщи
Таким образом, объемный коэффициент поверхностной закарстованности гипсовой толщи Соколино-Саркаевского месторождения в пределах отработанного участка составил 22%. Полученный коэффициент характеризует не только поверхностную за-карстованность гипсовой толщи, но и ее разубоживание. В данном случае, поскольку речь идет об объемах, разубоживание равно объемному коэффициенту поверхностной закарстованности, а значит, составляет также 22%.
Объемный коэффициент внутренней за-карстованности полезной толщи может быть определен через объемный коэффициент за-карстованности, вычисляемый по формуле
УУ
К¥ = У-П • 100%
(8)
характеристиках карстовой полости (хотя бы высоты).
Существуют два основных метода вычисления объема карстовой полости, выявленной в результате бурения скважин. Первый предложен российским ученым В.П. Хомен-ко. Суть его в следующем. Первоначально известна высота полости. Сама полость представляется как цилиндр, диаметр которого определяется как средний диаметр провалов на исследуемой территории (Хоменко, 2009). Таким образом, объем полости вычисляется как объем цилиндра:
Уц = пг2К . (9)
Второй метод предложен немецкими кар-стоведами. Отличие его от российского варианта в том, что немецкие исследователи предлагают рассматривать полость как полусферу и вычислять объем полости с помощью формулы объема полусферы (Адерхо-льд, 2010):
V, = -ПГ3
п 3
(10)
где ЕУп - суммарный объем выявленных полостей в гипсовой толще или на ее участке (м3), Упт - усредненный объем полезной толщи или ее участка (м3) (Худеньких, 2011).
Вычислить объемный коэффициент закар-стованности можно лишь при наличии информации о имеющихся пространственных
После проведения буровых работ достоверно известна только одна величина - высота полости, вскрытой скважиной. Определить диаметр полости не представляется возможным. На Соколино-Саркаевском месторождении фиксирование образования провалов началось только в 2012 г., зафиксировано всего порядка трех десятков, что не позволяет достоверно высчитать средний диаметр провалов. В формуле 10 к=г, т.к. речь идет о полусфере, поэтому при вычислении объемов карстовых полостей эта формула имеет практическое применение.
В пределах отработанного участка карьера «Саркаевский» скважинами вскрыто 93 карстовые полости, из которых 39 незаполненные и 54 заполненные. По формуле (10) рассчитан объем каждой полости (в табл. 1
- объемы незаполненных полостей, в табл. 2
- заполненных).
Раздельный расчет объемов заполненных полостей и незаполненных объясняется следующим. Объемный коэффициент внутренней закарстованности гипсовой толщи будет характеризовать ее разубоживание, т.к. заполнитель карстовых полостей состоит в большинстве случаев из щебня и дресвы карбонатных пород с песчано-суглинистым заполнителем.
пт
Суммарный объем незаполненных полостей составил 40361 м3, заполненных -219432 м3, общий суммарный объем всех полостей - 259793 м3.
Усредненный объем полезной толщи, как указано выше, - 3170774 м3. Подставив получившиеся объемы в формулу (8), получим следующие значения объемного коэффициента внутренней закарстованности полезной толщи:
Таблица 1. Результаты вычисления объемов незаполненных карстовых полостей
№ скв. Высота полости (Ю, м Объем полости (Уп), м3 № скв. Высота полости (Ю, м Объем полости (Уп), м3 № скв. Высота полости (Ю, м Объем полости (Уп), м3 № скв. Высота полости (Ю, м Объем полости (Уп), м3
139 1,0 4 1054 0,5 1 1071 4,0 268 1095 1,5 14
159 1,6 17 1056 4,6 408 1072 5,0 523 1102 2,0 33
174 3,2 137 1057 8,5 2571 1077 3,5 180 1107 6,9 1375
182 1,3 9 1059 8,9 2951 1079 1,5 14 1109 1,0 4
828 2,9 102 1061 4,2 310 1080 1,0 4 1110 0,5 1
1048 16,6 19151 1062 3,9 248 1082 2,0 33 1111 3,7 212
1049 7,4 1697 1063 7,5 1766 1083 1,0 4 1116 4,2 310
1050 0,5 1 1066 1,5 14 1088 3,0 113 1120 12,0 7235
1051 1,0 4 1069 4,0 268 1093 1,5 14 1128 1,1 6
1052 2,5 65 1070 1,8 24 1094 4,0 268 ^Уп(незап) 40361
Таблица 2. Результаты вычисления объемов заполненных карстовых полостей
№ скв. Высота полости (Ю, м Объем полости (Уп), м3 № скв. Высота полости (Ю, м Объем полости (Уп), м3 № скв. Высота полости (Ю, м Объем полости (Уп), м3 № скв. Высота полости (Ю, м Объем полости (Уп), м3
4 1,4 11 1047 3,1 125 1066 3,5 180 1118 3,7 212
13 1,4 11 1048 1,0 4 1080 15,5 15591 1120 4,5 382
29 2,7 82 1049 1,0 4 1082 18,4 26081 1121 1,7 21
122 15,1 14414 1050 5,0 523 1083 4,5 382 1122 1,4 11
166 3,0 113 1051 1,7 21 1085 10,5 4847 1126 21,5 41609
174 10,2 4443 1052 3,5 180 1092 3,8 230 1127 13,4 10074
178 2,6 74 1054 1,0 4 1099 7,8 1987 1128 2,4 58
179 3,2 137 1056 3,4 165 1100 5,7 775 1129 2,2 45
187 1,5 14,13 1057 11,5 6367 1102 7,3 1629 1132 23,7 55733
364 1,8 24 1059 1,5 14 1106 2,1 39 1133 5,3 623
1012 1,0 4 1060 1,5 14 1108 4,0 268 1134 2,6 74
1013 1,0 4 1061 2,5 65 1113 3,3 150 1135 2,0 33
1015 1,0 4 1062 9,6 3704 1115 18,6 26941 ^Уп(зап) 219432
1021 6,0 904 1063 1,5 14 1117 1,5 14
- для незаполненных полостей
40361
= 40361 . 100% = 1%.
* взпт 3170774
- для заполненных полостей
219432
= 219432 . 100% = 7%;
* взпт 3170774
- для всех полостей
259793
к„ = 259/93 ■ 100% = 8%.
* взпт 3170774
На заключительном этапе рассчитывается общая закарстованность полезной толщи (Зпт) по формуле
Зпт = • 100% , (11)
^гг
которая для отработанного участка карьера «Саркаевский» составляет
691984+259793
З = б91984+259793 • 100% = 30%.
пт 3170774
Фактическая закарстованность отработанного участка карьера «Саркаевский» составляет 30%, из которых 29% - разубоживание гипсовой толщи. Эти цифры могут быть использованы в качестве прогнозных при дальнейшей эксплуатации Соколино-Саркаевского месторождения. Они свидетельствуют о сильном загрязнении гипсовой толщи.
Таким образом, данные о закарстованно-сти, полученные при эксплуатации Соколи-но-Саркаевского месторождения, значительно расходятся с аналогичными данными разведки (соответственно 30% и 5,21%). Такая разница вызвана тем, что при подсчете запасов не учитывается коэффициент поверхностной закарстованности гипсовой толщи, хотя именно этот фактор является ключевым при разработке месторождений строительного гипса. Закарстованность отработанного участка карьера «Саркаевский» можно назвать равномерной, поэтому предполагается, что оставшаяся еще не вскрытая толща гипса будет иметь такую же поверхность и такое же строение (наличие карстовых полостей). При данном условии закарстованность оставшегося неотработанного участка месторождения будет стремиться к 30%, из которых большая часть будет являться разубо-живанием и, значит, снижать качество полезного ископаемого. Для уточнения и корректировки геологических данных на месторождениях строительного гипса необходимо проводить опережающую эксплуатационную разведку.
на. Рекомендации по оценке геологических рисков при проведении строительных мероприятий: монография/ под ред. Е.В. Копосова; пер. с нем. В.В. Толмачева; ННГАСУ. Н. Новгород, 2010. 109 с.
Богомаз М.В. Методы геометрической и статистической обработки геологических полей месторождений гипса (на примере Шубинского месторождения) // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сб. науч. тр. / ГИ УрО РАН. Пермь, 2016. Вып 14. С. 44-47.
Методические рекомендации по проведению инженерно-геологических изысканий на карсто-опасных территориях (на примере Пермского края)/ ГИ УрО РАН, ОАО «ПНИИИС». М., 2009. 154 с.
СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов/ ПНИИИС Госстроя России. М., 2000. 94 с.
ТСН 11-301-2004. Инженерно-геологические изыскания на закарстованных территориях Пермской области. Пермь, 2005. 120 с.
Усольцева Д.А. Подсчет закарстованности на Шубинском месторождении строительного гипса // Геология в развивающемся мире: сб. науч. тр. в 2 т. / отв. ред. Е.Н. Батурин; Перм. гос. ун-т. Пермь, 2013. Т.2. С. 41-44.
Хоменко В.П. Карстово-обвальные провалы «простого» типа: полевые исследования // Инженерная геология/ ОАО «ПНИИИС». М., 2009. №4. С. 40-48.
Худеньких К.О. К вопросу об определении некоторых показателей (коэффициентов) закарстованности // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сб. науч. тр. /ГИ УрО РАН. Пермь, 2011. Вып. 9. С. 57-59.
Чуракова Е.А., Гарифулова А.В. Оценка закар-стованности Селищенского месторождения строительного гипса // Геология в развивающемся мире: сб. науч. тр. в 2 т. / отв. ред. П.А. Белкин; Перм. гос. ун-т. Пермь, 2015. Т.1. С. 137140.
Библиографический список
Адерхольд Г. Классификация провалов и мульд оседаний в карстоопасных районах Гессе-
Evaluation of Karst Occurrence at the Construction Gypsum Deposits
K.O. Khudenkikh
Yergach LLC, 10 Zavodskaya Str., Kungur district, Perm region, 617437, Russia. E-mail: ms002@ergach0.ru
Various methods of calculation of a productive strata cavernous porosity at the gypsum fields are considered. New complex method of calculation of a cavernous porosity based on determination of the cavernous porosity volumetric coefficients of a surface features and internal cavernous porosity is offered. Results of approbation of the offered method on the Sokolino-Sarkayevskoe field of gypsum and anhydrite are presented. It is established that percentage of a superficial and internal cavernous porosity of the filled cavities characterizes the productive strata dilution.
Keywords: gypsum fields; coefficient of cavernous porosity; volume; karst cavity; dilution.
References
Aderhold A. 2010. Klassifikatsiya provalov i muld osedaniy v karstoopasnykh rayonakh Gessena. Recomendatsii po otsenke geologicheskikh riskov pri provedenii stroitelnykh meropriyatiy [Classification of collapse features and subsidence troughs of the karst dangerous areas of Hessen. Recommendations on assessment of geological risks at the construction development]. N. Novgorod, NNGASU, p. 109. (in Russian)
Bogomaz M.V. 2016. Metody geometricheskoy i statisticheskoy obrabotki geologicheskikh poley mestorozhdeniy gipsa (na primere Shubinskogo mestorozhdeniya) [Methods of geometrical and statistical processing of geological data of gypsum fields (example of the Shubinskoe field)]. In: Strate-giya i protsessy osvoeniya georesursov. Perm, GI UrO RAN, pp. 44-47. (in Russian)
Metodicheskie recomendatsii po provedeniyu in-zhenerno-geologicheskikh izyskaniy na
karstoopasnykh territoriyakh (na primere Permskogo kraya) [Methodical recommendations on carrying out engineering-geological studies of the karst dangerous territories (on the example of Perm region)]. 2009. Moskva, GI UrO RAN, PNIIIS. p. 154. (in Russian)
SP 11-105-97. 2000. Inzhenerno-geologicheskie izyskaniya dlya stroitelstva. Chast II. Pravila pro-izvodstva rabot v rayonakh razvitiya opasnykh geo-logicheskikh i inzenerno-geologicheskikh protsessov
[Engineering-geological studies for construction. Part II. Rules of works in areas of development of dangerous geological and engineering-geological processes]. Moskva, PNIIIS, p. 94. (in Russian)
TSN 11-301-2004. 2005. Inzhenerno-geologicheskiye izyskaniya na zakarstovannykh ter-ritoriyakh Permskoy oblasti [Engineering-geological survey at karstified territories of the Perm region]. Perm, p. 120. (in Russian)
Usoltseva D.A. 2013. Podschyot zakarstovannosti na Shubinskom mestorozhdenii stroitelnogo gipsa [Calculation of karstification on the Shubinskoe field of gypsum plaster]. In: Geologiya v razvivay-ushchemsya mire. Perm, PGNIU, pp. 41-44. (in Russian)
Khomenko V.P. 2009. Karstovo-obvalnye provaly "prostogo" tipa: polevye issledovaniya [Karst collapse failures of "simple" type: field study]. Inzhe-nernaya geologiya. 4:40-48. (in Russian)
Khudenkikh K.O. 2011. K voprosu ob opredelenii nekotorykh pokazateley (koeffitsientov) zakarsto-vannosti [To a problem of definition of some indicators (coefficients) of karstification]. In: Strategiya i protsessy osvoeniya georesursov. Perm, GI UrO RAN. pp. 57-59. (in Russian)
Churakova E.A., Garifulova A.V. 2015. Otsenka zakarstovannosti Selishchenskogo mestorozhdeniya stroitelnogo gipsa [Assessment of karstification of the Selishchenskoe field of gypsum plaster]. Geologiya v razvivayushchemsya mire. Perm, PGNIU. pp. 137-140. (in Russian)
