CC BY
320
УДК 622.012.3
И.М. Игнатенко, аспирант (Россия, Белгород, ФГУП «ВИОГЕМ»)
РАЙОНИРОВАНИЕ КАРЬЕРА «ОАО «СТОЙЛЕНСКИЙ ГОК»
ПО БЛОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
Определены факторы, обусловливающие размер естественной отдельности (блочности) горных пород. Установлена связь между блочностью и прочностью горных пород Стойленского железорудного месторождения; разработана классификация горных пород по блочности; рассчитаны средний размер элементарного блока в зависимости от типа пород и их структурно-текстурных особенностей.
Ключевые слова: месторождение железистых кварцитов, складчатость, разрывные нарушения, блочность горных пород.
В настоящее время более 70 % сырой железной руды добывается в России карьерами, эксплуатирующими месторождения железистых кварцитов. Основная часть расходов на добычу руд (до 60 %) приходится на буровзрывные работы. От качества взрывной подготовки горной массы зависят производительность и себестоимость погрузки, транспортирования и первой стадии дробления руд.
Вместе с тем остаются нерешенными важные вопросы, связанные с инженерно-геологическим обеспечением буровзрывных работ. В частности, до настоящего времени слабо исследованы закономерности изменения блочности (основного показателя взрываемости пород) в массивах железистых кварцитов, недостаточно глубоко разработаны научно-методические основы натурного изучения и моделирования блочной структуры породных массивов.
Актуальность данной работы заключается в том, что детальное гео-лого-структурное картирование и изучение трещиноватости массива горных пород в карьере Стойленского ГОКа, с выделением инженерногеологических литотипов и выяснением закономерностей пространственной изменчивости их блочности позволяют районировать разрабатываемый массив по взрываемости пород. Использование карты взрываемости позволит оптимизировать параметры буро-взрывных работ и автоматизировать процесс их проектирования, сократить расход взрывчатых веществ, что в свою очередь снизит затраты на добычу сырой руды.
Основным методом изучения структуры массива докембрийских пород Стойленского месторождения являлась геолого-структурная съемка действующего карьера с детальным изучением трещиноватости пород.
Съемка проводилась на основе сплошной геологической документации уступов. Предварительно вдоль основания откосов уступов производилась разбивка геологического маршрута на пикеты через 20 м с помощью металлической рулетки. Привязка начала и конца маршрута
осуществлялась с помощью рулетки от объектов, указанных на плане карьера (водовода, штольни, ЛЭП) или инструментально.
Геологическая документация откосов заключалась в описании типа, состава и текстурных особенностей пород, характера складчатых и разрывных нарушений, трещиноватости породного массива, фиксации даек магматитов, измерении элементов залегания метаморфитов, даек, разрывных нарушений и трещин.
Особое внимание уделялось выделению границ между участками, различающимися не только по типам пород, но также и их структурными особенностями (геометрией решетки трещиноватости, размером и формой элементарного блока) и физическим состоянием пород.
Впервые была применена методика фотодокументации геологических маршрутов. С помощью цифрового фотоаппарата и высокоточного объектива с противоположного борта карьера производилась съемка геологического маршрута через каждые 20 м. Далее снимки масштабировались (М1:100) и служили страницей полевого дневника. Эта методика, в отличии от ручной зарисовки, позволила более наглядно отразить геологоструктурные особенности встреченные на месторождении и в дальнейшем более точно привязать их на картографической поверхности.
Для всех выделенных на зарисовке индивидуализированных структурных элементов, контактов пород, полосчатости, разрывных нарушений и даек интрузивных пород проводилось измерение их ориентировки гироскопическим трещиномером ГТ-3М по методике ВИОГЕМ [3].
Изучение трещиноватости пород велось практически непрерывно по откосам уступов, исключая участки, покрытые осыпями, взорванной горной массой или опасные по условиям работы. Поскольку горный массив Стойленского месторождения является слоистым сложноскладчатым с системным развитием трещин, измерение ориентировки трещин выполнялось на каждой станции наблюдения строго по системам. Измерение размера элементарного структурного блока осуществлялось мерной рейкой как расстояние между соседними трещинами каждой системы, а степень трещиноватости пород выражалась величиной среднего поперечника естественной отдельности, т.е. как среднеарифметическая величина из всех замеров по системам трещин.
В структуре кристаллического фундамента КМА Стойленское железорудное месторождение приурочено к одноименной синлинали II порядка, находящейся в южном (юго-восточном) замыкании Тим-Ястребовской грабен-синклинали I порядка. Стойленская синклиналь представляет собой брахиформноподобную складку, осложненную складками более высокого порядка (вплоть до плойчатости). Простирание ее се-веро-западное-280...3200, падение осевых поверхностей на юго-запад или северо-восток под углами 70...900. Максимальная протяженность складки с юго-востока на северо-запад около 6км, наибольший размах крыльев в
центральной части - 3,75 км. На северо-западе через Стойло-Лебединскую синклиналь она сопрягается с Лебединской складчатой структурой.
В геологическом строении Стойленского месторождения принимают участие два структурных комплекса: нижний - кристаллический фундамент, представленный сложнодислоцированными метаморфическими и магматическими породами докембрия; верхний - осадочный чехол, сложенный породами палеозоя, мезозоя и кайнозоя.
Непосредственно на месторождении Стойленская синклиналь осложнена ансамблем складок III порядка (с юго-запада на северо-восток): Юго-западной, Первой Центральной, Второй Центральной и СевероВосточной синклиналью, разделенными Юго-Западной, Центральной и Северо-Восточной антиклиналями. Складки практически симметричные, угол падения крыльев 75.85°, размах крыльев 0,3...0,7 км при протяженности 1.2 км.
Замки этих структур по направлению на северо-запад смыкаются, образуя сложный складчатый рисунок северо-западного замыкания Стойленской синклинали.
В ходе проведения полевых работ на северо-восточном борту карьера была установлена поперечная относительно структур III порядка складчатость. Погружение шарниров поперечных складок на юго-запад под углом 60.70°. Складки практически симметричные, углы падения 67.85°, размах крыльев составляет 50 .60 м. Всего было выделено 5 антиклиналей и 4 синклинали. Антиклинали соответствуют языкам сланцев вскрытыми горными работами до горизонта - 70 м. Было установлено что в зоне поперечной складчатости преобладают кварциты плойчатой текстуры. Данная складчатая структура была отнесена к складкам IV порядка.
Проявленные на месторождении разрывные нарушения представлены зонами дробления и рассланцевания пород. Среди них выделены нарушения 1 -го порядка, протягивающиеся через все карьерное поле и разрывные нарушения 2-го порядка прослеживающиеся на несколько уступов. Нарушения 1-го порядка локализованы преимущественно на сочленении анти- и синклинальных складок III порядка. Простирание северо-западное (азимут 291.320°), близкое к ориентировке осей складок, падение крутое до субвертикального (73 . 88°).
Важно отметить, что к выявленным разрывным нарушениям Ьго порядка тяготеют участки развития пакетов изоклинальных мелких складок шириной 5.10 м. Они пунктирно трассируют зоны разрывных нарушений. Это свидетельствует о древнем соскладчатом заложении северозападных нарушений Ьго порядка в зонах повышенной концентрации напряжений на сочленении складчатых структур.
Трещиноватость. Породный массив месторождения пронизан тремя системами отрывных трещин (М, N и К), названными нами блокообразующими, так как главным образом они определяют делимость массива на
элементарные структурные блоки. Эти системы трещин закономерно связаны с простиранием складчатости и залеганием слоистости (полосчатости) пород, приобретенных ими по завершению складкообразования, проходившего в условиях повышенной пластичности пород.
Система трещин М развивается по слоистости пород. Она наиболее выражена на месторождении. Трещины этой системы, как правило, непрерывно прослеживаются на всю высоту уступа, являясь часто ограничениями для трещин двух других блокообразующих систем. Простирание трещины совпадает с простиранием складок, падение их обычно крутое (60.85°) до вертикального в обе стороны (рис. 1). Генеральное простирание трещин, как и в целом складчатость, северо-западное (аз.300+10°). В обычных складках с падением крыльев в противоположные стороны в каждом крыле формируется своя подсистема трещин (М1 северо-восточного падения и М 2 юго-западного падения).
Рис. 1. Круговая диаграмма ориентировки блокообразующих трещин в западном и северо-западном бортах карьера
N=1148
Система трещин К субпараллельна простиранию пород и субпер-пендикулярна их слоистости. Вследствие этого подсистеме М1 соответствует падающая ей навстречу подсистема К1, а подсистеме М2 - подсистема К 2. Подсистема каждой пары М1 и К1, М2 и К2 образуют между собой двугранный угол, близкий к 90, т.е. чем круче залегание пород, тем положе будут трещины системы К.
Поскольку на месторождении преобладающим является крутое до субвертикального залегание пород, трещины системы К преимущественно пологие (10-30°) или субгоризонтальные (см. рис. 1).
Трещины системы N - поперечные по отношению к складчатости. По своей природе они явно отрывные. Их простирание субортогонально простиранию системы М (см. рис. 1).
По направлению падения рассматриваемая система образует две подсистемы и N2) с обратными азимутами падения. Выделение этих
подсистем достаточно условное, поскольку они плавно переходят друг в
друга. Обе подсистемы представлены трещинами крутого падения под углом 80-90°.
Кроме описанных выше блокообразующих систем трещин в процессе картирования карьера установлена система сколовых трещин «С» (см. рис.1).
Это протяженные, ровные трещины с притертыми стенками. Распространены они незначительно и встречаются по одной или сериями по несколько субпараллельных трещин. Простирание трещины субширотное, падение на юг по азимуту 175.207° под углом 50.65°.
Таким образом, блочность массива, сформированная в ранний по-слескладчатый этап под влиянием трещин систем М, К, К, в дальнейшем не претерпела существенных изменений, поскольку более поздняя трещиноватость развивалась либо спорадически (система сколовых трещин С), либо строго локализовалась в узких зонах разрывных нарушений.
Размер элементарного структурного блока определяется расстоянием между соседними трещинами блокообразующих систем (М, К, К), а форма блока с учетом субпараллельности трещин внутри системы и субортогональности систем между собой приближается к параллелепипеду с различным соотношением длин ребер, т.е. указанных выше расстояний.
В зависимости от минерально-петрографического типа пород средний размер элементарного структурного блока увеличивается в такой последовательности: сланцы (0,43 м), кондиционные железистые кварциты (0,7.0,72 м), слаборудные кварциты (0,75 м). Различия в среднем размере элементарного блока между наиболее распространенными на месторождении типами железистых кварцитов (магнетитовыми и силикатно-магнетитовыми) практически нет. Только для слаборудных кварцитов наблюдается некоторое увеличение (до 0,75 м) среднего размера элементарного блока.
Форма блока для всех типов пород, независимо от их структурной позиции, в грубом приближении параллелепипедальная с уплощением по ребру системы М. Степень этого уплощения, как правило, больше на крыльях складок (М:К, К=1:1,1. 1,5). Наиболее плоский блок на крыльях складок характерен для сланцев (М:К, К=1:2,0.2,2). В замках складок для железистых кварцитов намечается тенденция к относительному "утолщению" блока и приближению его к кубообразной форме (М:К, К=1:1,1.1,3).
На увеличение размера и степени изометричности элементарного структурного блока в замках складок по сравнению с их крыльями основную роль сыграли два обстоятельства: во-первых, подобный тип складок Стойленского месторождения, а во-вторых - трансформации текстурноструктурного и вещественного характера в замках таких складок.
В замках складок месторождения мощность подсвит продуктивной коробковской свиты и отдельных слагающих подсвиты пачек, горизонтов
и слоев увеличивается по сравнению с крыльями складок в 1,4-1,6 раза, а иногда в 2-2,4 раза. Следовательно, должно увеличиваться среднее расстояние между трещинами системы М, а соответственно и между трещинами систем N и К. Прямая зависимость между размером элементарного структурного блока и мощностью деформируемого пласта общеизвестна
[5].
В крыльях складок преобладает линейно-параллельная полосчатость кварцитов, легко провоцирующая развитие основной системы трещин М, а в замках складок широко развиты волнисто-полосчатые, неяснополосчатые и плойчатые текстуры кварцитов, затрудняющие появление указанной системы. В замках складок, как правило, увеличивается содержание кварца, существенно уменьшается размер зерен магнетита (с
0,07.0,08 до 0,05.0,06 мм) и повышается крепость железистых кварцитов, что также способствовало увеличению среднего размера их элементарного блока [1].
Наиболее крупный элементарный блок наблюдается в железистых кварцитах плойчатой и волнисто-полосчатой текстуры. Форма блока при этом сохраняется параллепипедальной с отношением М^, К=1,28.1,30.
В ходе геолого-структурного картирования карьерного поля установлено, что разрывные нарушения не оказывают существенного влияния на блочность пород. Обычно на расстоянии 3-5м от разломов наблюдается фоновая трещиноватость.
Кроме охарактеризованных выше литолого-структурных факторов на блочность пород массива Стойленского месторождения существенное влияние оказывает гипергенный фактор. Он проявляется в тенденции к увеличению с глубиной среднего размера элементарного блока с 0,48 м в этаже +65...+5 м до 0,70 м в этаже +5.-145 м. Таким образом, средний размер отдельности увеличивается почти в 1,5 раза.
Преобладающим распространением на Стойленском месторождении пользуются магнетитовые кварциты (около 68,98 %). Далее идут сили-катно-магнетитовые (примерно 15,64 %), железнослюдково-магнетитовые (14,84 %). Основными минералами железистых кварцитов являются магнетит, кварц и силикаты.
На прочностные свойства докембрийских горных пород в верхней части их массива решающее влияние оказывает выветривание. По вектору нарастания его интенсивности (снизу вверх) прочность пород уменьшается. В верхней зоне коры выветривания преобладают полускальные породы, для которых предел прочности при одноосном сжатии? сж. меньше 5 МПа [5]. Ниже идут выветрелые скальные породы: окисленные и полуокислен-ные железистые кварциты, сланцы и кварцитопесчаники ( сж. в среднем около 30 МПа). В целом скальный массив, затронутый выветриванием, характеризуется высокой изменчивостью коэффициента крепости пород - от 2.4 до 6.8.
Не подвергнутые выветриванию докембрийские породы Стойленского месторождения относятся к прочным и очень прочным с коэффициентом крепости от 7.9 до 13.16. Среднее значение предела прочности при одноосном сжатии для железистых кварцитов 120.130 МПа, 60.65 МПа.
В порядке уменьшения средней прочности (крепости) железистые кварциты образуют такую последовательность: магнетитовые и железнос-людково-магнетитовые (осж.=100 .120 МПа, f=7 .13), силикатно-магнети-товые в целое м ( сж.= 140.150 МПа, f=11.16) и слаборудные
(осж.=150.160 МПа, f = 16).
Таким образом, по минерально-петрографическим особенностям и прочностным свойствам все скальные породы Стойленского месторождения, дробление которых осуществляется буровзрывным способом, можно разделить на 4 основных инженерно-геологических литотипа. Из них первые два слагают незатронутую выветриванием часть массива: 1 - неокис-ленные железистые кварциты (f=7. 16), 2- сланцы (f=5.8), а два других литотипа распространены в верхней, подвергнутой выветриванию части массива: 3 - окисленные и полуокисленные железистые кварциты (f=2. 8), 4 - выветрелые сланцы и кварцитопесчаники (f=2 .5).
Блочность и прочность (или крепость) обусловлены одними и теми же геологическими факторами: литолого-структурным и гипергенным.
Литолого-структурный фактор определил характерное для Стойленского и других месторождений железистых кварцитов бассейна КМА синхронное увеличение крепости пород и их блочности в направлении от крыльев к замкам складок.
Гипергенный фактор обусловил увеличение блочности и крепости пород с глубиной. Физическое выветривание и гипергенная разгрузка массива за счет снятия эрозией вышележащей толщи осадков привели к указанному выше направленному изменению блочности пород, а химическое выветривание - к изменению их крепости.
Из установленной связи блочности и крепости пород в массивах месторождений железистых кварцитов следует важный вывод. При условии хорошей изученности массива по трещиноватости (блочности) пород их крепость (в пределах инженерно-геологического литотипа) автоматически учитывается в классификации и схеме районирования массива по блочности пород, т.е. эти классификация и схема адекватно отражают градацию категорий взрываемости пород и размещение их в карьерном поле. Тем самым удается избежать большого объема дорогостоящих физикомеханических испытаний образцов пород, которые необходимо было бы выполнить для достоверного районирования массива по крепости пород, учитывая ее высокую изменчивость внутри литотипа.
Районирование карьерного поля по блочности горных пород выполнено на сводном геолого-структурном плане карьера следующим обра-
зом. По частным измерениям расстояний между смежными трещинами одной системы был рассчитан средний размер естественной отдельности (среднее значение расстояний между трещинами блокообразующих систем - М, К, К).
Оконтуривание участков пород различной блочности осуществлялось путем увязки границ интервалов одной категории блочности между смежными задокументированными уступами. Критериальные значения среднего размера отдельности для различных категорий блочности пород взяты в соответствии с «Временной классификацией.» [2], в которой с целью более дифференцированной геометризации массива по степени трещиноватости пород наиболее распространенная на месторождении III категория была разделена на две подкатегории: 111-а (0,5.0,75) и 111-б (0,75.1,0 м) (таблица).
Классификация по блочности горных пород в массиве Стойленского ________________________месторождения__________________________
Показа- тели Категория (подкатегория) блочности пород
I II 111-а ІІІ-б IV V
Степень блочно- сти Мел- ко- блоч ные Средне- блочные Крупноблоч- ные Весьма крупно блоч- ные Исключи- тельно крупно- блочные
Интервал значений размера отдельности, м до 0,1 10, 0, 0, 0,5. 0,75 ю: °, 0, 0 5 более 1,5
Анализ составленной карты блочности докембрийских пород карьерного поля показал, что в незатронутом выветриванием массиве участки пород различных категорий трещиноватости образуют чередующиеся между собой полосы и линзы, вытянутые по простиранию складчатости. Участки пород с крупным размером естественной отдельности тяготеют к замковым частям складок (рис. 2) По величине площадей участков пород различной блочности установлено, что на Стойленском карьере преобладают крупноблочные породы (58 %), весьма и исключительно крупноблочные породы составляют соответственно 4,23 и 0,82 %. Представлены они в основном магнетитовыми (щелочно-амфибол-магнетитовыми) и куммингтонит-магнетитовыми кварцитами плойчатой, волнисто-
полосчатой, неяснополосчатой и массивной текстуры. Среднеблочные породы составляют 35,74 %. Среди них преобладают железистые кварциты и сланцы. Мелкоблочные породы распространены незначительно (0,32 %).
Это в основном окисленные кварциты и сильно выветрелые сланцы. Часть мелкоблочных пород сопровождает разрывные нарушения, но ввиду небольшой мощности и прерывистости участков развития таких пород гео-метризовать их на карте не представляется возможным.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕН! 1Я
Ж Оси складок III порядка категория блочностн (размер блокам)
И I (менееО, I)
11(0.1-0.5)
га Ша (0,5-0,75)
КХ1 HI6 (0,75-1,0)
ГГП IV (1,0-1,5)
Ч V (более 1,5)
Рис. 2. Схема районирования карьерного поля по блочности
горных пород
Доля пород каждой категории в границах действующего карьера составляет примерно (в последовательности от первой до шестой категории): 4,4; 19,6; 24,7; 40,2; 7,4 и 3,79 %. Около 55 % площади разрабатываемого массива в Стойленском карьере представлено крупноблочными породами от средней до очень трудной взрываемости при явном преобладании (40,2 %) средневзрываемых пород 4 категории.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госкон-тракт №1736 от 30 марта 2010 г.).
Список литературы
1. Булгакова А.П., Ряполов О.Г., Щёкин Ю.С. Об изменчивости петрофизических и технологических свойств железистых кварцитов // Горный журнал. №4. 1989.
2. Временная классификация горных пород по степени трещиноватости в массиве // Информ. вып. В-199. М.: ИГД, 1968. 17с.
3. Методические рекомендации по изучению трещиноватости массива скальных пород для решения задач механики горных пород. Белгород: ВИОГЕМ, 1976. 59 с.
4. Тангаев И.А. Буримость и взрываемость горных пород. М.: Недра, 1978. 184 с.
5. Чернышов С.Н. Трещины горных пород. М.: Наука, 1983.
I. Ignatenko
Regionalization open pit “OAO Smoilenskiy GOK” by blockiness of rocks
Factors, which condition size of nature parting (blockiness) of rocks, were defined. Dependence between blockiness and strength of rocks for Smoilenskiy iron-Ore Deposit was determined. A classification rock by blockiness was created. Average size of elementary block at the dependence kind of rocks and their structure-textural features were calculated.
Key words: ferruginous quartzite deposit, folding, breaking-down irregularity, blockiness of rocks.
Получено 17.03.2010
