CC BY
20
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020;(3-1):216-223 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.831 DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-216-223
ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА КЕРНОВОГО МАТЕРИАЛА РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
Е.Л. Сосновская1, А.Н. Авдеев1
1 Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН)
Аннотация: При разработке золоторудных месторождений необходимо оперативно оценивать степень устойчивости и потенциальной удароопасности горных пород. Распространенным и надежным источником информации о структуре месторождения служит фотодокументированный керновый материал разведочных скважин колонкового бурения. В процессе исследований геомеханических процессов на золоторудных месторождениях разработана методика анализа степени разрушенности кернового материала разведочных скважин с целью выявления высоконапряженных участков массива. Методика основана на синергетическом научно-методическом подходе. Фрактальная структура тектонической нарушенности, полученная в результате анализа кернового материала, рассматривается как следствие самоорганизующегося процесса, природа которого связана с динамикой тектонических движений. Выявленные в результате анализа участки аномально трещиноватого керна используются в качестве маркера зон повышенной напряженности и неустойчивости массива горных пород. Предложенная методика апробирована на ряде месторождений Сибири и Дальнего Востока. В качестве примера использования методики иллюстративно рассмотрен анализ поля деструктивных элементов месторождения Ка-ральвеем. Методика позволяет производить оценку геомеханической ситуации в условиях ограниченной информации о тектонической структуре месторождения.
Ключевые слова: керн разведочных скважин, золоторудные жилы, трещиноватость, разрушение горных пород, фрактальная структура, геомеханические условия, естественное поле напряжений, геомеханический прогноз.
Для цитирования: Сосновская Е.Л., Авдеев А.Н. Прогноз устойчивости массива горных пород на основе анализа кернового материала разведочных скважин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3-1. — С. 216-223. Б01: 10.25018/02361493-2020-31-0-216-223.
Forecast of the stability of the array of gold ore deposits based on the analysis of core material from exploration core drilling wells
E.L. Sosnovskaya1, A.N. Avdeev1
1 The Institute of Mining of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, Russia
Abstract: During underground mining of gold deposits it is necessary to promptly assess the degree of stability and potential impact hazard of rocks. A common and reliable source of information on the structure of the deposit is photodocumented core material from exploration core drilling wells. In the course of research of geotechnical processes at gold ore deposits, the
© Е.Л. Сосновская, А.Н. Авдеев. 2020.
authors developed a method of analysis of the degree of core material destruction in order to identify high-tension areas of rock masses. The method is based on a synergetic scientific and methodological approach. The fractal structure of tectonic fractal fracturing obtained as a result of core material analysis is considered as a consequence of a self-organizing process, the nature of which is associated with the dynamics of tectonic movements of the deposit region. The areas of anomalously fractured core detected as a result of the analysis are used as a marker of zones of increased tension and instability of the rock mass. The proposed methodology has been tested in a number of fields in Siberia and the Far East. As an example of the use of the technique, the analysis of the field of destructive elements of the Karalveem field is considered illustratively. The method allows to make an assessment of the geomechanical situation in conditions of limited information about the tectonic structure of the gold ore deposit.
Key words: drilling-hole assay, gold ore veins, fracturing, rock destruction, fractal struture, geotechnical conditions, preminig stresses of rocks, forecast and prediction of initial stresses level.
For citation: Sosnovskaya E.L., Avdeev A.N. Forecast of the stability of the array of gold ore deposits based on the analysis of core material from exploration core drilling wells. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(3-l):216-223. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-216-223.
Введение
На больших глубинах при разработке рудных месторождений действуют высокие гравитационно-тектонические напряжения, вызывающие вредные проявления горного давления [1 — 6]. Возникает необходимость оценить степень устойчивости и потенциальной удароопасности массива горных пород, особенно при изменении горнотехнических, геологических условий, при значительном понижении горных работ. Для решения задач прогноза и управления геомеханическим состоянием массива горных пород важно знать структуру его тектонической нарушенности. Без этой информации трудно разработать корректные решения по прогнозу и управлению горным давлением в процессе проведения горных работ.
Для оценки его тектонической нару-шенности с целью прогноза устойчивости массива горных пород обычно используется комплексная горно-геологическая информация: геологические карты, планы и разрезы, фотографии стенок выработок, данные эксплуатационной разведки. Распространенным источником первичной геологической информации, особенно при малой изученности место-
рождения, является керн разведочных скважин. Керн используется как непосредственно (например, для определения прочностных свойств горных пород), так и в виде фотодокументации (например, для оценки удароопасности или тектонической нарушенности массива).
В соответствии с современной нормативно-технической литературой, основным методом оценки устойчивости массива по керновому материалу разведочных скважин является анализ степени дискования керна. Этот метод является базовым при прогнозе удароопасности. К сожалению, метод имеет технические ограничения в использовании в случае отсутствия стабильных характерных дисков вблизи контура выработки. Следует также отметить, что часто при низком качестве применяемого бурового оборудования (буровых коронок) снижается выход неразрушенного кернового материала. Вблизи обнажения буровой выработки образуется значительная зона полностью разрушенных пород, не позволяющая с достаточной определенностью выделить максимум опорного давления.
Данные, получаемые по скважинам колонкового бурения, отличаются своей
спецификой. Скважины — дискретные линейно-непрерывные носители информации о геологической среде. Они проходят на значительную глубину от поверхности и пересекают области повышенных и пониженных напряжений в горных породах. Поэтому поднятый керн, в большинстве случаев, будет подвергнут эффекту саморазрушения не обязательно в форме классического «дискования» вблизи контура горных выработок, а может быть частично или полностью разрушен в местах пересечения скважиной высоконапряжённых участков горного массива. Следы такого разрушения фиксируются фотодокументацией керна. Также данный факт подтверждается наличием в керновом материале зон не только полного, но и частичного разрушения в виде «шубы» из мелких осколков шелушения породы в областях разгрузки по трещинам. Таким образом, аномальная интенсивность трещиноватости, наблюдаемая по керну скважин, может быть принята в качестве маркера зон повышенного напряжения в массиве горных пород. При достаточно большом выходе керна (90 — 100 %) интенсивная в нем трещиноватость объясняется тем, что керн, будучи изначально напряжённым, разгрузился и саморазрушился либо в колонковой трубе, либо в ящике уже после его отрыва от массива и подъёма (рис. 1). Вышеописанные соображения приняты в качестве основы при разработке методики выявления и прогнозирования высоконапряженных и неустойчивых участков массива горных пород.
Методика
Авторами в ходе многолетних исследований геомеханических условий ряда золоторудных жильных месторождений (Каральвеемского, Ново-Широ-кинского, Погромного, Майского, Кедровского, Ирокиндинского, Зун-
Холбинского и др.) разработана методика анализа степени разрушенности кернового материала разведочных скважин с целью прогноза устойчивости массива горных пород. Теоретическое обоснование предлагаемой технологии основано на концепции саморазвития тектонических структур [7 — 12].
Основные положения предлагаемой методики следующие. Вначале по разведочным скважинам колонокового бурения определяется средневзвешенная интенсивность трещиноватости (удельная трещиноватость), выражаемая в количестве трещин на 1 погонный метр (табл. 1). Для удобства последующего анализа трещиноватость можно представить в виде графиков (рис. 2) или вынести на основную геологическую документацию (рис. 3). Статистически обрабатываются результаты: определяется средневзвешенная интенсивность трещиноватости и среднее расстояние между трещинами. Выявляются иерархически структурированные участки повышенной интенсивности трещин. Определяются их средние размеры иерархически структурированных ячеек и оцениваются масштабные коэффициенты между структурными уровнями. Далее проводятся интерполяция и интерпретация полученных данных.
Результаты
Рассмотрим применение вышеприведенной методики на примере месторождения Каральвеем. На месторождении был проанализирован керн по 30 скважинам, пробуренным из разведочных выработок. Проекции трасс скважин с результатами анализа керна были вынесены на разрезы по участку, фрагмент одного из которых показан на рис. 3, на основании которых была проведена пространственная интерпретация результатов.
природная трещиноватость "дискование" керна
Рuc. 1. Последовательность саморазрушения керна в условиях разгрузки напряжённого массива (месторождение Погромное)
Fig. 1: Core self-destruction sequence under stress unloading conditions (Pogromnoye field) Таблица 1
Оценка интенсивности трещин в массиве горных пород нижних горизонтов Холбинского рудника (по данным 8 разведочных скважин, пройденных на нижних горизонтах рудника)
Evaluationof crack intensity in the rock mass of the lower horizons
of the Kholbinsky mine (based on 8 exploration wells drilled at the lower horizons
of the mine)
Классы интенсивности трещиноватости, число трещин на 1 погонный метр Распределение по классам в метрах скважины Распределение по классам в процентном соотношении, %
от до
1 5 206 8
5 10 857 35
10 15 691 28
15 20 418 17
20 25 185 8
25 30 80 3
30 35 15 1
Суммарная длина скважин, м 2452
Средневзвешенная интенсивность трещиноватости , количество трещин на 1 погонный метр 12,2
Рис. 2. Распределение интенсивности трещиноватости по данным разведочной скважины РС-911 Холбинского рудника: 1 — фактическое распределение показателя; 2 — сглаживающая кривая; 3 — средневзвешенное значение показателя; N — количество трещин на 1 пог.м; L — расстояние от устья скважины, м
Fig. 2. Distribution of fracture intensity based on RS-911 exploration well of the Kholbinsky mine: 1 — actual distribution of the index; 2 — smoothing curve; 3 — weighted average index value; N — number of cracks per 1 line meter; L — distance from wellhead, m
Рис. 3. Распределение максимумов интенсивности трещиноватости по керну буровых скважин в массиве горных пород месторождения Каральвеем:1 — трассы скважин с нанесенными максимумами трещиноватости; 2 — проекции горных выработок, 3 — зоны сближенного расположения максимумов трещиноватости, 4 — скальные породы с низкой трещиноватостью
Fig. 3. Distribution of maximum intensity of fracturing on the core of drilling wells in the Karalveem deposit rock mass: 1 — Well routes with maximum fracturing; 2 — mine workings projections, 3 — zones of close proximity of cracking maximums, 4 — rocks with low fracturing
В результате анализа и пространственного обобщения информации по керну буровых скважин выявлены следующие закономерности строения зон аномальной интенсивности трещиноватости (как
маркеров зон повышенных напряжений в горном массиве), пространственного размещения самих зон и составляющих их элементов в границах изучаемого объёма геологической среды месторождения.
Прежде всего, геологическая среда на нижних горизонтах Каральвеемского месторождения представляет собой послойно напряжённое пространство. В нём отмечаются участки с различной степенью разрушения, начиная от практически монолитных или слабо трещиноватых скальных состояний, находящихся в ненапряжённом или в относительно равновесном состоянии (поднятый керн не подвергается саморазрушению), до средне- и высоконапряжённого состояния (керн подвержен различной степени самодеструкции вплоть до полного разрушения). Интервалы скважин с аномально деструктиро-ванным керном не образуют сплошных зон, а представлены сближенными мелкими интервалами, периодически повторяющимися в пределах условно непрерывной зоны или линзы. Величина самого минимального периода, который возможно выделить по керну скважин, колеблется от долей метра до 2 — 3 м и в среднем составляет около 1,5 м. Зоны с такой периодичностью, в свою очередь, также формируют зоны следующего порядка (масштабного уровня), но со своей периодичностью и т. п. Как видно, горный массив характеризуется сложной внутренней неоднородностью и упорядоченностью в распределении участков с аномальным модулем трещиноватости. На основе отмечающейся по трассам скважин разнопорядковой периодичности в локализации этих участков можно предполагать, что структура тектонической нарушенности имеет фрактальный характер. Просматриваются периоды 50 м, 25 м, 10 — 12 м, 5 — 6 м. Можно наблюдать периодичность более малых масштабов. Размеры последовательно входящей друг в друга периодичности распределены по принципу удвоения. Взаимное расположение у разномасштабных зон повышенной трещиноватости формирует тектониче-
скую «мегатекстуру» горного массива, которая напоминает сланцеватую текстуру обычной породы. Сопоставление полученных результатов с общим геологическим строением изученного участка месторождения показало, что выявленная структура поля тектонической нарушенности не зависит от литологи-ческого состава пород. Этот факт наблюдается на многих изученных авторами месторождениях и интерпретируется как признак синергизма, т. е. как следствие того, что процесс формирования структуры поля напряжений в массиве шёл в режиме самоорганизации. Максимально разрушенные участки массива, соответствующие участкам повышенных напряжений, распределены дискретно, но объединяются в последовательно входящие друг в друга условно непрерывные зоны (иерархические ячейки). Наиболее вероятный вариант объединения в масштабе месторождения показан на рис. 3.
Таким образом, предложенная методика позволяет оценить фрактальное строение поля естественных напряжений в массиве горных пород на основе анализа фотодокументированного керна разведочных скважин.
Выводы
Фотодокументированный керн является достоверным источником первичной геологической информации о степени устойчивости массивов горных пород золоторудных месторождений. Оценку устойчивости на базе фотодокументированного керна рекомендуется производить комплексно, с учетом синергетического научно-методического подхода. Фрактальная структура тектонической нарушенности, полученная в результате анализа кернового материала, трактуется как следствие самоорганизующегося процесса, природа которого связана с динамикой
тектонических движений земной коры. Участки аномально интенсивной трещиноватости, наблюдаемой по керну скважин, предлагается использовать в качестве маркера зон повышенной напряженности и неустойчивости массива горных пород. Предложенная методика анализа тектонической нарушен-ности, на основе фотодокументации
керна разведочных скважин позволяет произвести оценку геомеханической ситуации даже при ограниченной геолого-маркшейдерской информации и в целом достичь большей объективности и надежности геомеханического прогноза для условий сложноструктурных золоторудных жильных месторождений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технология разработки золоторудных месторождений / Под редакцией Нега-нова В.П.М. Недра. 1995. - 336 с.
2. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках / Н.П. Влох. - М.: Недра, 1994. -208 с.
3. The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007—2014. Under the editorship of R. ULusay, Springer International Publishing Switzerland, Cham, 2015, 293 p.
4. Chunlai Wang. Evolution, Monitoring and Predicting Models of Rockburst. Springer, Singapore, 2018, 188 p.
5. Walter Wittke. Rock Mechanics Based on an Anisotropic Jointed Rock Model (AJRM). Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, 2014, 865 p.
6. Baotang Shen, Ove Stephansson, Mikael Rinne. Modelling Rock Fracturing Processes. Springer, Dordrecht, 2014, 173 p.
7. Сосновский Л.И. Механизм возникновения и закономерности пространственного распределения участков с относительно высокой и невысокой степенью естественной напряженности в горном массиве / Сосновский Л.И., Филонюк В.А., Соснов-ская Е.Л. //Вестник ИрГТУ. — 2006. — № 2. — С. 93—97.
8. Сосновская Е.Л. Прогноз потенциальной удароопасности крутопадающих жильных золоторудных месторождений / Сосновская Е.Л., Авдеев А.Н. //Горный журнал. Известия Вузов, 2016. — № 2. — С. 74—85.
9. Control over the geotechnical processes at the goldfields of Eastern Siberia (in eng.) /Sosnovskaia E.L., Avdeev A.N. // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2019. № 5. С. 21—29.
10. Филонюк В.А. Фрактальные кластеры в геологических системах и гипотеза о процессах многоуровневого структурообразования в геологической среде / Филонюк В.А., Корнаков В.В. // Известия Сибирского отделения РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2011.№ 2 (39). С. 231 — 247.
11. Павлов А.М. Фрактальные свойства геологической среды как показатель сложности условий эксплуатации золоторудных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. — М: Издательство МГГУ, 2011. — № 6. — С. 60—66.
12. Павлов А.М. Обоснование параметров подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений на основе выявления и использования свойств фракталь-ности геологической среды /А.М.Павлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — М: Изд-во МГГУ, 2011. — № 4. — С. 106—112. ЕШ
REFERENCES
1. Tekhnologiya razrabotki zolotorudnyh mestorozhdenij [Technology of the gold fields mining]. Pod redakciej Neganova V.P. Moscow: Nedra. 1995. 336 p. [In Russ]
2. Vloh N.P. Upravlenie gornym davleniem na podzemnyh rudnikah [Rock pressure control at underground mines]. N.P. Vloh. Moscow: Nedra, 1994. 208 p. [In Russ]
3. The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007—2014. Under the editorship of R. Ulusay, Springer International Publishing Switzerland, Cham, 2015, 293 p.
4. Chunlai Wang. Evolution, Monitoring and Predicting Models of Rockburst. Springer, Singapore, 2018, 188 p.
5. Walter Wittke. Rock Mechanics Based on an Anisotropic Jointed Rock Model (AJRM). Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, 2014, 865 p.
6. Baotang Shen, Ove Stephansson, Mikael Rinne. Modelling Rock Fracturing Processes. Springer, Dordrecht, 2014, 173 p.
7. Sosnovskij L.I., Filonyuk V.A., Sosnovskaya E.L. Mechanism of occurrence and spatial distribution patterns of areas with relatively high and low degree of natural tension in a mountain range. Vestnik IrGTU. 2006. no 2. pp. 93—97. [In Russ]
8. Sosnovskaya E.L., Avdeev A.N. The potential rockburst hazard in steep vein ore deposits. Gornyj zhurnal. Izvestiya Vuzov, 2016. no 2. pp. 74—85. [In Russ]
9. Sosnovskaia E.L., Avdeev A.N. Control over the geotechnical processes at the goldfields of Eastern Siberia. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Gornyj zhurnal. 2019. no 5. pp. 21—29. [In Eng]
10. Filonyuk V.A., Kornakov V.V. Fractal clusters in geological systems and the hypothesis on the processes of multilevel structure formation in geological environment. Izvestiya Sibirskogo otdeleniya RAEN. Geologiya, poiski i razvedka rudnyh mestorozhdenij. 2011.no 2 (39). pp. 231 — 247. [In Russ]
11. Pavlov A.M. Fractal properties of the geological environment as an indicator of the complexity of the conditions of exploitation of gold deposits. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2011. no 6. pp. 60—66. [In Russ]
12. Pavlov A.M. Substantiation of parameters of underground geotechnology of gold ore deposits on the basis of identification and use of properties of fractality of the geological environment. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2011. no 4. pp. 106 — 112. [In Russ]
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Сосновская Елена Леонидовна1 — канд. геол.-минерал. наук, старший научный сотрудник,
Авдеев Аркадий Николаевич1 — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: avdeev0706@mail.ru
1 Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН), 620075 г. Екатеринбург, ГСП-219, Мамина-Сибиряка 58.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Sosnovskaya E.L.1, Cand. Sci. (Geol. Mineral.), Senior Research Worker, Avdeev AN.1, Cand. Sci. (Eng.), Senior Research Worker, e-mail: avdeev0706@mail.ru, 1 The Institute of Mining of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, 620075, Ekaterinburg, Russia.
Получена редакцией 21.11.2019; получена после рецензии 21.02.2020; принята к печати 20.03.2020. Received by the editors 21.11.2019; received after the review 21.02.2020; accepted for printing 20.03.2020.
