CC BY
53
© Б.В. Шрепп, В.В. Сенкус, В.Н. Фрянов, Н.И. Скляр, 2004
УДК 622.831
Б.В. Шрепп, В.В. Сенкус, В.Н. Фрянов, Н.И. Скляр
ТЕКТОНИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ГЛУБИННЫХ РАЗЛОМОВ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОТРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ АЛТАЕ-САЯНСКОЙ СКЛАДЧАТОЙ ОБЛАСТИ
Семинар № 10
А лтае-Саянская складчатая область
^~Ж (АССО) находится юго-западнее Сибирской платформы и имеет мозаичное линейно-блоковое строение, обусловленное тектонической активностью зоны глубинных разломов северо-западного и северо-
восточного направлений, мобильностью и направленностью перемещения структурных блоков пород.
Кузнецкий Алатау и Горная Шория представляют собой один из наиболее крупных отрогов Алтае-Саянской складчатой зоны, окаймляющей юго-западную окраину Сибирской платформы. Горная Шория является непосредственным продолжением Кузнецкого Алатау. В тектоническом отношении Кузнецкий Алатау и Горная Шория представляют собой сложно построенный антиклинорий и находится в зоне длительно развивающихся глубинных разломов северо-западного направления.
Современная тектоническая активность разломов установлена сейсмической историей региона, в котором первое значительное землетрясение отмечалось в 1734 г. Сила землетрясений достигала 6-7 баллов. В настоящее время эпицентральные зоны землетрясений явно тяготеют к границам неотектонических движений тектонических блоков, имеющих разнонаправленные движения или вертикальные движения разной интенсивности в четвертичное время [1].
В Западном Саяне вблизи Абаканского месторождения проявились Саяно-
Минусинский и Кандатский (Джебашский) глубинные разломы субширотной ориентировки. Они сопровождены разрывными нарушениями субширотного и субмеридиональ-ного простирания. Одним из них является крупный Девонский дизъюктив, проявивший-
ся западнее Абаканского месторождения. Как и в Горношорском, в Западносаянском наиболее сильные землетрясения (5-7 баллов по шкале Рихтера) установлены в зоне разрывных нарушений, сопровождающих глубинные разломы [2].
В Восточном Саяне ярко выражены Восточносаянский глубинный разлом северозападной ориентировки и Казырский глубинный разлом субширотного направления. Около них развиты соподчиненные им более мелкие дизъюнктивы нескольких порядков.
На эксплуатируемых железорудных месторождениях АССО подземным способом глубина горных работ составляет 600-1050 м и в дальнейшем достигнет 1200-1700 м (участок Глубокий, Таштагольское месторождение). Отработка железорудных месторождений проходит в сложных горно-геологических условиях при снижении объемов горных работ, при этом активизируются зоны дизъюнктивных нарушений, увеличиваются горизонтальные тектонические напряжения, что ведет к интенсивному проявлению горного давления в динамической форме, с мощными ударами горно-тектонического типа.
Наличие тектонических полей напряжений на месторождениях Горной Шории и Хакасии обусловлено геологическими процессами глобального характера, которые находятся в пределах сейсмоактивной зоны АССО, где имеют место современные движения земной коры с деформациями сжатия.
Алтае-Саянская область, как часть Евроазиатской плиты двигается на юг со скоростью
0,77 см в год и испытывает давление от встречного движения Индийской плиты. Одинаковая направленность крупных структурных элементов АССО и новейших движений региона обусловила и общие черты сущест-
вующих полей напряжений на довольно обширной территории рассматриваемого региона.
Горную Шорию представляют железорудные месторождения Темир-Тельбеской (Каз-ское месторождение) и Кондомской групп. Наиболее перспективными являются месторождения Кондомской группы, к которой относятся Таштагольское и Шерегешевское крупные месторождения.
Абаканское месторождение расположено на северных отрогах Западного Саяна в Хакасии. Рудные тела месторождений - крутопадающие, мощные, с глубиной подсечения более 1500 м.
Рудное поле Абаканского месторождения расположено на юго-восточном крыле антиклинальной структуры в Западном Саяне и сложено эффузивными и туфогенноосадочными породами. Рудные тела (Главное и Третье) удлинены в северо-восточном направлении. Длина Главного рудного тела на поверхности около 1 км, мощность - от 30-50 до 140 м. Длина Третьего рудного тела 340 м, мощность - от 20 до 70 м. Падение рудных тел крутое, 85-900. Основные вмещающие породы с северо-западной стороны рудных тел -агломератовые туфы, с юго-восточной - песчано-глинистые сланцы.
При доразведке Абаканского месторождения на глубине 365 и 605 м соответственно были обнаружены новые (слепые) рудные тела V и IV - аналоги Главной залежи и Третьего рудного тела, расположенные в непосредственной близости от действующей промп-лощадки.
Месторождение является тектонически нарушенным, рудные тела разорваны и перемещены на 120-150 м. Разрывная тектоника глубоких горизонтов представлена крупными Кенийским и Девонским разломами. Кенийский разлом имеет субпараллельные ветви, относящиеся к системе глубинных разломов Алтае-Саянской складчатой области.
Тектоника месторождения представлена дорудными и послерудными нарушениями. Дорудные дизъюктивные нарушения представляют трещины, субпараллельные простиранию пород (азимут 30-500), мощность трещин 10-12 см. Отмечается кулисообразное расположение рудных тел и их фрагментов, которое рассматривается как результат по-струдных тектонических подвижек. Поструд-ные нарушения представлены зонами дробле-
ния. Мощность их составляет от нескольких сантиметров до десятков метров. Четыре по-струдные системы имеют наибольшее значение, протягиваются диагонально к Главному рудному телу и имеют субмеридиональное направление. Характер нарушений взбросово-сдвиговый. Ориентировка систем мелкой трещиноватости согласуется с направлением систем пострудной тектоники и направлена вкрест простирания (с юго-востока на северо-запад).
Тектоника региона имеет характерные особенности, из которых наиболее важны:
а) простирание всех структурных элементов и разграничивающих их разломов является резко выраженным линейным в северовосточном направлении. При этом оси всех крупных пликативных структур параллельны крупным разломам типа надвигов и взбросов;
б) складки сильно сжаты и осложнены большим количеством складок высших порядков.
Проведенный анализ разрывных нарушений, направлений перемещения крупных структурных блоков в рудном поле Абаканского месторождения, параметров измеренных напряжений в массиве горных пород на гор. +65, -15, -95 м позволяют утверждать:
1. Перемещение верхних фрагментов IV рудного тела (известного как Третье рудное тело), с учетом схемы разрывных нарушений в рудном поле месторождения, происходило с амплитудой до 150 м в северо-западном направлении по азимуту Апер. = 310-3400 со значительным кулисообразным подъемом, что подтверждается детальной проработкой перемещения, сохранением естественных границ пород различного литологического состава.
2. В зоне тектонического разрыва параметры измеренных напряжений по горизонтам составляют:
гор. +65 м а1= ашах = -78,9 МПа,
Аатах = 450;
гор. -15 м = атах = -81,0 МПа,
Аатах = 31,50,
т.е. приведенные уровни напряжений, близки между собой по величине и направлению действия (северо-восток).
В результате действия высоких тектонических напряжений при проходке ствола «Клетьевой» по прочным гранитам были зарегистрированы динамические проявления горного давления первоначально на рассечке сопряжения гор. -95 м (Н = 845 м). Проходка
ствола осуществлялась по удароопасным гранитам с коэффициентами удароопасности
= 0,94 и *2 = А = 0,25’ т'к' Кі > 0’7 и е„ м
К2 < 1,0.
При проходке ствола «Клетьевой» ниже сопряжения с гор. -95 м примерно на 18 м было отмечено вновь динамическое проявление. В юго-восточной стенке ствола в районе тектонического нарушения во вмещающих породах произошло динамическое разрушение постоянной бетонной крепи толщиной 400 мм на площади 3x2 м. В целом отмечено около 30 динамических проявлений.
В настоящее время горные работы достигли глубины 1050 м (забой ствола «Сибиряк»). Очистные работы ведутся на глубине Н = 820-890 м (этаж - 350 ^ -280 м). В перспективе переход на глубины Н = 1200-1700 м (участок Глубокий).
В пределах рудной зоны Таштагольского месторождения выделены четыре участка: Западный, Северо-Западный, Восточный и ЮгоВосточный. В настоящее время отрабатывается только Восточный, по которому оконтурено 6 рудных тел, остальные участки разведены сравнительно недавно.
Рудные тела Восточного участка представлены магнетитом с примесью кварца, хлорита, кальцита, эпидота и др. минералов. Предел прочности на одноосное сжатие составляет 120140 МПа, в тектонических зонах 60-100 МПа. В совокупности рудные тела участка образуют зону северо-западного простирания, длина которой на вскрываемых и подготавливаемых горизонтах 730-750 м. Горизонтальная мощность рудных тел изменяется от 15-20 до 40-60 м. Общая горизонтальная мощность рудных тел вместе с прослоями пустых пород составляет 100120 м. Отмечается тенденция к слиянию рудных тел, глубина распространения которых превышает 1500 м. Угол падения изменяется от 70 до 900. Вмещающие породы представлены в основном сиенитами, скарнами, сланцами и порфиритами. Предел прочности пород на одноосное сжатие изменяется от 50 до 180 МПа.
Для удароопасного Таштагольского месторождения характерны: высокие природные тектонические напряжения, с преобладанием горизонтальных составляющих; динамическое разрушение почвы (кровли) откаточных выработок в условиях действия аномально высоких горизонтальных напряжений, техногенные землетрясения, площадные удары горно-тектонического типа.
Анализ имеющихся данных о землетрясениях юга Западной Сибири позволил констатировать, что Алтае-Саянская складчатая область (АССО), имеющая мозаично-блоковое строение, подвержена интенсивным тектоническим движениям в наше время. Одни участки земной коры поднимаются, другие - опускаются. Главной причиной возникновения землетрясений считаются неотектонические движения по глубинным разломам северо-западного и северовосточного простирания. Известно, что Ташта-гольский блок, включающий месторождение, окружают семь геодинамических блоков (рисунок): Северо-Таштагольский, Тельбесский, Ко-чуринский, Каменушинский, Чернореченский, Верхне-Александровский, Чушлинский, которые взаимодействуют с ним и друг с другом в силу ряда причин, за счет ведения горных работ по добыче железной руды.
Часто землетрясения вызываются деятельностью человека (сооружения плотин и заполнение водоемов, горные разработки и массовые взрывы при добычных работах с весом заряда до 700 т, откачка воды и др.) - это, так называемые, техногенные землетрясения.
На Таштагольском месторождении в результате откачки воды из трещиноватых пород в объеме около 1 млн. м3 в районе сооружаемого ствола «Сибиряк» в феврале-марте 1988 г. вблизи р. Кочура начались землетрясения техногенного типа с энергией до 3-109 Дж. Контрольные наблюдения с помощью сейсмостанции «Таштагол» продолжаются до настоящего времени. Последнее из них зарегистрировано 26.03.98 (спустя 10 лет) и соста-
т
![ Северо- 11 /Дяштягопоскйй ]|
/ елон ^
^^чТяштагопь-)!
• Л^снйй впон^
//
Тепобессний
впдн
Г /\
^шдринс-1! ^
ний сиен.// ч
МАССИВ //и .'V П
V ПОЧУРИИСНИИ \\ V
А
/Ч!
// %
/ ЧЕРНОРЕЧЕНСННЙ
ІУШЛИНСНИЙ4^ БПОН /'
3-грдиииы впонов
Нрассний
границы между массивами
вило 7,2-108 Дж.
Горные удары на рудниках юга Западной Сибири обусловлены интенсивной неотектоникой и сейсмичностью Алтае-Саянской складчатой области, преобладанием горизонтальных составляющих тектонических напряжений и наличием удароопасных пород.
На начало 2002 г. на удароопасном Ташта-гольском месторождении зарегистрировано около 5500 динамических проявлений, в т.ч. 20 горных ударов (из них 10 горнотектонического типа, четыре из которых отнесены по результатам ретро анализа), около 80 микроударов. Более 80% зарегистрированных динамических явлений приурочено к контактам разномодульных пород, даек и тектоническим трещинам. Разрывная тектоника на месторождении представлена четырьмя системами трещин, две из которых отнесены к системам первого порядка.
Крутопадающие нарушения первого порядка представлены серией нарушений суб-меридионального простирания с углами падения 60-900 на запад и расположенных друг от друга на расстоянии около 140 м. По шахтному полю Восточного участка выделено 7 крутопадающих нарушений, которые отнесены к динамически активным. Одни из них пересекают рудные тела отрабатываемого Восточного участка («Диагональное», «2Д», «3Д», «Нагорное»), другие проходят во вмещающем массиве («Северное», «Западное», «4Д»).
Пологие тектонические нарушения северо-восточного простирания с углом падения 5-300 на северо-запад расположены на расстоянии около 70 м друг от друга. Мощность пологих нарушений увеличивается в местах встречи с крутопадающими нарушениями, что связано с более древними пологими нарушениями, которые смещаются молодыми крутопадающими. К местам их пересечения, как правило, приурочены удары горнотектонического типа.
Горные удары горно-тектонического типа (ГТУ), по результатам комиссионного расследования впервые зарегистрированы на руднике 19 февраля 1992 г. в днище блока №9 (гор.
- 210 м) и 31 августа 1992 г. в складе ВВ (гор.
- 210 м), с сейсмической энергией 2,5-108 Дж. Выработка склада ВВ своей восточной частью подсекла тектоническую трещину. Общая площадь разрушения составила около 420 м2.
При ГТУ разрушаются глубинные части массива, с высвобождением накопленной
энергии. Происходит разрыхление пород в глубине массива и сдвиг по тектоническому шву разрыва. При этом сейсмическими и ударными волнами разрушаются выработки на значительных площадях, захватываются большие участки по глубине, образуются многочисленные очаги разрушений. Как показали наблюдения проводимые комплексом методов, в подготовке ГТУ в условиях Таштагольского рудника, участвуют системы тектонических нарушений протяженностью более 500 м. Из вышесказанного горнотектонические удары следует отнести к ударам регионального типа.
Как показывают исследования, основное влияние в подготовке ударов горно-
тектонического типа на месторождении оказывают пологие нарушения. Места пересечений пологих нарушений с крутопадающими являются структурно-ослож-ненными участками массива, где происходит реализация ГТУ. Перед горно-текто-ническим ударом значительные изменения отмечаются в состоянии «Пологопадающего» нарушения по всей его протяженности.
Практика показывает, что для уверенного прогноза динамической обстановки после взрыва и возможных последствий горнотектонических ударов, достоверным показателем является динамический параметр [2]. По данному параметру к моменту взрыва можно косвенно оценить наличие или отсутствие накопления пригрузок в массиве, прилегающем к взрываемому блоку.
Профилирование выработок приборами АНЧ-3 и ИМПУЛЬС позволяет оценить равновесное состояние крыльев пологого нарушения или наличие «перекоса» поля напряжений, связанных с высокими перегрузками в одном из крыльев. Динамический параметр, профилирование электро и ЭМИ дают представление об относительной пригрузке или разгрузке, горного массива.
Управление удароопасным массивом осуществляется целенаправленным воздействием для ослабления или устранения одного из обязательных факторов в механизме горных ударов: свойств пород накапливать энергию упругого деформирования; предельного уровня напряжений или скорости нагружения. На месторождениях Горной Шории и Хакасии, склонных к горным ударам, целесообразно ориентироваться на направленное изменение уровня напряжений за счет технологических
мер (порядка и очередности отработки рудных тел, подбора специальных форм выработок, скорости подвигания очистных и подготовительных забоев, обоснования периодичности проведения массовых взрывов как способа выравнивания напряжений в массиве или инициирования горных ударов в отсутствии людей и др.); за счет специальных инженерных мероприятий (региональных разгрузочных щелей во вмещающих породах и рудных массивах в основании блоков), преимущественное ориентирование выработок по направлению максимальных напряжений атах.
Шерегешевское месторождение входит в состав Кондомской группы железорудных месторождений Алтае-Саянской горной области и находится в центральной части югозападных отрогов Кузнецкого Алатау.
Оно относится к контактово-метасома-тическому типу и по происхождению связывается с интрузией сиенитов. В настоящее время появляются представления о совместном с вмещающей вулканогенно-осадочной толщей генезисе руд. Рудное поле месторождения представляет мощную рудо-скарновую зону субширотного простирания длиной более двух километров и имеющую на различных участках мульдообразное и флексурообразное строение. Руды месторождения магнетитовые. Вмещающие породы представлены скарнами, альбитофирами, порфиритами, сиенитами, мра-моризованными известняками, гранитами.
В рудной зоне семи участков, два из которых уже отработаны, три отрабатываются (Болотный, Главный, Новый Шерегеш), участки Подрусловый и Новая промплощадка распространены на нижние горизонты и находятся в целинах под промплощадку и Большую Речку. Месторождение разведано на глубину до одного километра. Общая мощность рудной зоны, включающая большую часть рудных тел, составляет 160-180 м. Магнетитовые руды, как правило, окружены скарнами.
Исследованиями ВостНИГРИ установлено, что на месторождении действует гравитационно-тектоническое поле напряжений, причем тектонические напряжения в 5-8 раз больше гравитационных, определяемых весом налегающих пород.
Взаимосвязь между абсолютными значениями главных напряжений выражается соотношениями: = 2,6а3; а2 = 1,4а3; а =
УН.
На Шерегешевском месторождении в период с 1974 по 2000 гг. отмечено более 60 проявлений горного давления в динамической форме. На месторождении выделены удароопасные зоны - стык Подруслового с участком Новый Шерегеш, ограниченный тремя крупными тектоническими зонами разлома; стык участков Главный и Болотный.
Казское месторождение относится к Тель-бесскому рудному району Горной Шории, к контактово-метасоматической группе. Рудное поле представлено двумя рудно-скарновыми зонами широтного простирания: северной и южной. К северной относится участок Лес-промхозный, к южной - рудные участки Б.Медвежий, Амфитеатр - Бегунец, ЮгоЗападные, и Северо-Восточные Штоки, участок Центральные Штоки. Все участки вытянуты прерывистой полосой протяженностью 4 км и шириной около 0,5 км. Средняя мощность рудных тел 10-15 м, длина по простиранию 30-40 м. Руды устойчивые, не склонные к самообрушению. Породы представлены гранатовыми, гранат-пироксеновыми, гранат-магнетит-пироксеновыми скарнами, диоритовыми порфиритами и мраморами. Породы слаботрещиноватые, устойчивые, не склонные к обрушению.
Инструментальные исследования напряженно-деформированного состояния
массива пород на месторождение впервые проведены ВостНИГРИ. Анализ измеренных напряжений в различных участках различно ориентированных откаточных выработок гор. - 90, 160 м показывает, что усредненные значения максимальных напряжений на гор. - 90 м ®1 = атах = -53,7 МПа, азимут А атах = 800; средние значения горизонтальной составляющей а2 = аср. = -36,0 МПа и действует по азимуту А = 1700; а3 = атт = -14,6 МПа. Соотношение : а2 : а3 = 3,7 : 2.5 : 1.0, что свидетельствует о неравномерном тектоническом поле напряжений. На гор. -160 МС1 = атах = -54,6 МПа, и ориентировано по азимуту А атах = 800. На Казском месторождении с глубины 400 м зарегистрировано более 20 динамических проявлений.
Рассмотренные месторождения тектонически нарушены, имеют прочные высокомодульные породы, способные накапливать энергию упругих деформаций и динамически разрушаться.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Романенко М.Ф. О сейсмотектонике Алтае-Саянской горной области // Вопросы тектоники Алтае-Саянской горной области (материалы научно-
технической конференции) — Новокузнецк, 1971. - С. 136-148.
2. Курленя М.В., Еременко А.А., Шрепп Б.В., Кононов А.Н. Геомеханические особенности отработки удароопасных месторождений Алтае-Саянской складчатой области // ФТПРПИ. - №3, 1997. - С. 3-11.
— Коротко об авторах --------------------------------
Шрепп Б.В. - профессор, доктор технических наук, ВостНИГРИ. Сенкус В. В. - профессор, доктор технических наук, КемГУ. Фрянов В.Н. - профессор, доктор технических наук, СибГИУ. Скляр НИ - кандидат технических наук, Таштагольское РУ.
-А
------------------------------------------- © Н.В. Хозяйкина, 2004
УДК 622.023.7:510.67 Н.В. Хозяйкина
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРУШЕНИЯ ПОРОД КРОВЛИ ЛАВ, ВМЕЩАЮЩИХ ПЛАСТ ПРОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
Семинар № 10
¥ ¥ а шахте Белозерская ГХК “Добро-польеуголь” ведется отработка угольных пластов, одним из которых является пласт 18, залегающий на горизонте 550 м и имеющий сложное строение. При отработке пласта 18 управление горным давлением в лавах осуществляется полным обрушением. Обрушение пород кровли лав обладает особенностями в силу наличия в кровле крепкого нетрещиноватого песчаника, мощность которого достигает 14 м.
На отрабатываемом горизонте фактически измеренные величины генерального обрушения составляют 90-110 м, шаг установившегося обрушения - 35-45 м.
В процессе ведения очистных работ обрушение сопровождается
Рис. 1. Механическая модель обрушения пород основной кровли в лаве
рядом специфических проявлений горного давления: увеличение нагрузки на механизированную крепь и крепь сопряжения, повышенное газовы-деление в призабойное пространство лавы, пучение пород почвы в подготовительных выработках, динамические эффекты. Поэтому, все это предполагает прогнозирование момента обрушения пород основной кровли с тем, чтобы технический и рабочий персонал имел возможность осуществить необходимые действия, позволяющие свести к минимуму негативные проявления горного давления и максимально обезопасить работу в лаве.
