Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геолого-структурная оценка карбонатитовых месторождений для прогнозирования в процессе их эксплуатации деформаций нерабочих уступов карьеров

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Геолого-структурная оценка карбонатитовых месторождений для прогнозирования в процессе их эксплуатации деформаций нерабочих уступов карьеров"

На правах рукописи

604602281 ДУНАЕВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ^^

УДК.551.24:622.83

ГЕОЛОГО-СТРУКТУРНАЯ ОЦЕНКА КАРБОНАТИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕФОРМАЦИЙ НЕРАБОЧИХ УСТУПОВ

КАРЬЕРОВ

Специальность 25.00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2010

2 О [:''П

004602281

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет» (МГТУ)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ермолов Валерий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шпаков Петр Сергеевич кандидат технических наук, доцент Анощенко Николай Николаевич

Ведущее предприятие - ГОУ ВПО «Белгородский государственный университет» (г.Белгород).

Защита диссертации состоится « 9 » июня 2010 г. в « 13 » час. на заседании диссертационного совета Д-212.128.04 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан « 7 » мая 2010 г.

И.о. ученого секретаря

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Вознесенский А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Карбонатитовые месторождения являются источником ценных, в том числе стратегических (ниобия, тантала и редких земель), видов минерального сырья. Они характеризуются столбообразной формой и субвертикальным залеганием рудных залежей, уходящих на большую (до 1-2 км) глубину с сохранением промышленных параметров оруденения. Ценность минерального сырья и большая глубина распространения промышленного оруденения определяют стремление недропользователей к увеличению глубины карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения, а экономическое требование минимизации коэффициента вскрыши заставляет идти по пути укручения бортов карьеров с использованием субвертикальных откосов уступов, поставленных на предельный контур. В этих условиях особую остроту приобретает проблема обеспечения безопасности горных работ.

Только прогнозирование деформаций уступов, планируемых к постановке на предельный контур (предсказание позиции, типа и масштабов потенциальных призм обрушения), позволяет заранее оценить степень угрозы безопасности горных работ и своевременно предпринять адекватные меры по ее устранению. Эффективность прогнозирования определяется уровнем знаний геологических условий возникновения деформаций уступов, и прежде всего особенностей разрывной структуры прибортового массива пород. Поэтому геолого-структурная оценка карбонатитовых месторождений для прогнозирования деформаций нерабочих уступов эксплуатирующих их карьеров является актуальной научной проблемой.

Целью работы является установление особенностей разрывной структуры карбонатитовых месторождений и совершенствование методики геолого-структурного обеспечения в процессе их эксплуатации прогнозирования нерабочих уступов карьеров.

Идея работы заключается в использовании для прогноза деформаций уступов карьеров в массивах скальных пород связи между устойчивостью уступов и геолого-структурными особенностями разрабатываемых массивов.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

1. Посткарбонатитовая разрывная структура карбонатитовых месторождений наследует основные черты геометрии предкарбонатитовой решетки трещиноватости и характеризуется многократными подвижками по трещинам при явном доминировании сдвиговой составляющей, изменчивостью в плане и по глубине угла

падения наиболее опасной кольцевой центриклинальной системы трещин, закономерным уменьшением интенсивности трещиноватоста от кровли скальных пород до глубины 300-350 м.

2. В карьерах, эксплуатирующих карбонатитовые месторождения, плоские обрушения нерабочих уступов обусловлены продольными трещинами центриклинальной и линейных систем (угол между азимутами простирания этих трещин и уступов 0-10°), а более многочисленные клиновые обрушения формируются двумя падающими навстречу друг другу преимущественно под углом 40-75° трещинами различных, исключая субгоризонтальную, систем, которые в плане образуют с простиранием уступов угол 20-65°, а между собой - 85-110°. Трещины карбонатитовых месторождений обладают низким сцеплением (0,0030,027 МПа), что обусловлено многократным проявлением посткарбонатитовой разрывной тектоники.

3. Методика геолого-струюурного обеспечения прогнозирования нерабочих уступов карьеров при эксплуатации карбонатитовых месторождений, предусматривающая на стадии первой очереди карьера геолого-структурное картирование, создание базы данных трещин и инженерно-геологическое районирование всего карьерного поля, выявление наиболее вероятных плоских и клиновых призм обрушения уступов в инженерно-геологических блоках на основе моделирования геометрии их решетки трещиноватости, а на стадии развитого карьера - картирование только приконтурной зоны карьера и прослеживание на глубину и по фронту бортов карьера трещин, способных вызвать плоские обрушения уступов, путем бурения скважин с выполнением в них видеометрических исследований.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- представительным объемом данных, характеризующих разрывную структуру карбонатитовых месторождений и использованных для их геолого-структурной оценки;

- результатами анализа разрывной структуры массивов неслоистых скальных пород при геолого-структурной оценке условий возникновения деформаций нерабочих уступов карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения;

- удовлетворительной сходимостью прогнозных, основанных на геолого-структурной оценке разрабатываемого массива пород, и фактических данных об элементах залегания трещин, ограничивающих призмы обрушения нерабочих бортов

на различных участках карьера, эксплуатирующего Ковдорское карбонатитовое месторождение;

- положительной апробацией результатов диссертации при проектировании и производстве открытых горных работ в процессе промышленного освоения Ковдорского карбонатитового месторождения.

Методы исследований. Использованы следующие методы исследований, позволившие реализовать идею работы:

- методы геолого-структурного картирования карьерных полей и натурного изучения деформаций уступов карьеров;

- метод компьютерного моделирования геометрии решетки трещиноватости в массивах скальных пород;

- методы математической статистики;

- метод обратных расчетов для определения сдвиговых характеристик по трещинам.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлено, что разрывная структура карбонатитовых месторождений характеризуется сочетанием радиально-кольцевых и линейных систем трещин, а также многократными разноориентированными подвижками по трещинам (при явном преобладании сдвиговой составляющей) в посткарбонатитовый этап ее развития;

- выявлена изменчивость в плане и на глубину угла падения наиболее опасной для устойчивости уступов карьеров кольцевой центриклинальной системы трещин;

- доказано закономерное уменьшение интенсивности трещиноватости карбонатитовых месторождений от кровли скальных пород до глубины 300-350 м.

Научное значение работы состоит в установлении характера разрывной структуры, закономерностей изменения с глубиной геометрии решетки и интенсивности трещиноватости карбонатитовых месторождений, связи позиции, типа и масштаба деформаций уступов при открытой разработке этих месторождений с особенностями их разрывной структуры на том или ином участке прибортовой зоны карьера.

Практическое значение работы заключается в разработке методики геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов при эксплуатации карбонатитовых месторождений и определении способом обратных расчетов сцепления по трещинам в породах этих месторождений.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов при эксплуатации карбонатитовых месторождений внедрена на руднике «Железный»

ОАО «Ковдорский ГОК» для использования службой мониторинга устойчивости уступов карьера.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на международных научных симпозиумах «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, ФГУП ВИОГЕМ, 2007г.) и «Неделе горняка» (Москва, МГГУ, 2008г.), международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (Тула, ТГУ, 2009г.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 научных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 11 таблиц, 58 рисунков и список литературы из 105 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.А. Ермолову за постоянное внимание и помощь в работе над диссертацией, заведующему кафедрой геологии МГГУ д.т.н., проф. A.M. Гальперину за ценные советы и консультации, а также всем сотрудникам этой кафедры за помощь и поддержку при подготовке диссертации, заместителю директора по научной работе ФГУП ВИОГЕМ K.T.H. С.С. Серому за консультации по методике выполнения обратных расчетов с применением компьютерных технологий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе изложены основные сведение о геологическом строении и промышленном значении карбонатитовых месторождений, оценено состояние изученности главных геологических факторов, обусловливающих деформации уступов на предельном контуре карьеров, разрабатывающих эти месторождения, выполнен анализ существующих методов прогнозирования указанных деформаций, сформулированы задачи и обоснован выбор базового объекта исследований, дана его краткая горно-геологическая характеристика.

Карбонатитовые месторождения характеризуются большой вертикальной протяженностью с сохранением промышленных параметров оруденения, что обусловливает возможность их отработки глубокими карьерами, и представлены преимущественно массивами неслоистых скальных пород. Решению проблемы оценки устойчивости уступов карьеров в таких массивах посвящены исследования Г.Л. Фисенко, В.Н. Попова, Б.В. Несмеянова, М.Е. Певзнера, Э.Л. Галустьяна, М.А. Иофиса, И.И. Попова, Р.П. Окатова, В.Г. Зотеева, В.А. Гордеева, С.Н. Чернышева, П.С. Шпакова, А.И. Ильина, В.И. Стрельцова, В.П. Будкова, A.B. Количко, Л.В. Савкова, A.A. Козырева, В.В. Рыбина, С.С. Серого и др. Изучение опубликованных

работ этих авторов показало, что главными природными факторами устойчивости уступов карьеров при разработке карбонатитовых месторождений являются особенности их разрывной структуры, пространственные взаимоотношения трещин между собой и откосами уступов, сдвиговые характеристики по трещинам. Все перечисленные факторы применительно к карбонатитовым месторождениям изучены явно недостаточно для достоверного прогнозирования в процессе их разработки деформаций уступов, поставленных на предельный контур.

На основе результатов выполненного анализа современного состояния вопроса о геологических факторах возникновения деформаций нерабочих уступов карьеров и геолого-структурного обеспечения прогнозирования таких деформаций в процессе разработки карбонатитовых месторождений сформулированы задачи исследований:

1) изучить разрывную структуру карбонатитовых месторождений и выявить характерные для них особенности развития в плане и на глубину трещиноватости горных пород;

2) установить закономерности геолого-структурной приуроченности деформаций нерабочих уступов карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения;

3) определить обратными расчетами сдвиговые характеристики по трещинам в породах карбонатитовых месторождений;

4) разработать методику геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов карьеров при эксплуатации карбонатитовых месторождений.

В качестве базового объекта исследований выбрано Ковдорское карбонатитовое месторождение апатит-магнетитовой формации, расположенное в Мурманской области. Оно является типичным представителем карбонатитовых месторождений, разрабатывается карьером рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» с 1962 г. Достигнутая глубина карьера составляет 350 м, а конечная по проекту - 850 м.

Во второй главе рассмотрена схема формирования и дана общая характеристика разрывной структуры карбонатитовых месторождений, по данным натурных исследований в карьере рудника «Железный» установлены особенности её развития, закономерности изменения с глубиной геометрии решетки и интенсивности трещиноватости. Оценка геометрии решетки трещиноватости (выявление систем трещин и определение элементов их залегания) в заданном участке массива пород выполнена путем ее компьютерного моделирования

(автоматизированного построения круговой диаграммы ориентировки трещин) в программе ГИС ГЕОМИКС (ФГУП ВИОГЕМ) по запросу к базе данных трещин.

Для карбонатитовых месторождений характерна многоэтапность формирования их разрывной структуры, начиная с предкарбонатитового этапа и кончая неотекгоническим. Предкарбонатитовая разрывная структура этих месторождений запечатлена в многочисленных дайках и иной формы телах карбонатитов, залечивших все трещины предкарбонатитового этапа и сцементировавших массив пород в единый монолит. Посткарбонатитовая тектоника не сопровождалась внедрением магматических расплавов или гидротермальной минерализацией и связанным с этими процессами залечиванием образованных разрывов, вследствие чего такие разрывы и определяют главным образом устойчивость уступов карьеров при эксплуатации карбонатитовых месторождений.

Выявленные в карьере многочисленные случаи развития разрывов по контактам карбонатитовых даек и прожилков свидетельствуют о том, что посткарбонатитовая разрывная структура унаследовала основные черты предкарбонатитовой, которая формировалась под совокупным влиянием локальных напряжений, связанных с давлением восходящей колонны карбонатитового расплава, и региональных тектонических напряжений. В решетке трещиноватости предкарбонатитового этапа присутствовали и были унаследованы в посткарбо-натитовой разрывной структуре месторождений системы разрывов радиально-кольцевого стиля тектоники (радиальная, центриклинапьная, перикпинальная, субгоризонтальная), обусловленного локальными напряжениями, и линейные системы разрывов - производные региональных тектонических напряжений.

Посткарбонатитовая разрывная тектоника связана исключительно с региональными напряжениями в земной коре. Она проявлялась многократно. При этом наряду с унаследованным омоложением ранее возникших разрывов образовались новые линейные системы трещин. В конечном итоге сформировалась сложная по своей геометрии решетки трещиноватости, включающая как радиально-кольцевые, так и линейные элементы. Крутопадающие трещины радиальной системы (до субвертикальных) идут по радиусам от геометрического центра карбонатитового ядра месторождения (эпицентра глубинной камеры карбонатитового расплава). Центрикпинальная и перикпинальная системы трещин простираются субперпендикулярно радиальной, но первая из них падает к указанному центру, т.е. в сторону карьерной выемки, а вторая, наоборот, от центра. Угол падения субгоризонтальной системы трещин 0-25°.

Среди линейных систем трещин выделено 3 основные (северо-западная крутая, северо-западная пологая и северо-восточная) и несколько дополнительных. Основные системы имеют повсеместное распространение на месторождении, причем на отдельных его участках совпадают с радиальной, центриклинапьной,

реже периклинальной системами. Дополнительные линейные системы имеют локальное развитие.

Все системы трещин, исключая центрикпинальную, в плане выдержаны по своим элементам залегания. Центриклинальная система трещин, падающая в сторону карьерной выемки и потому наиболее опасная с точки зрения устойчивости уступов, изменчива по углу падения, который по периметру прибортовой зоны карьера изменяется в диапазоне от 36-43 до 64-74°.

Установлено три иерархических уровня разрывной структуры карбонатитовых месторождений: 1 - разрывные нарушения; 2 - крупные трещины; 3 - мелкие трещины, ограничивающие элементарные структурные блоки. Протяженность разрывных нарушений до 500 м, мощность 0,2-1,0 м, редко до 3 м; расстояние между нарушениями 30-100 м (среднее 50 м). Крупные трещины протягиваются на расстояние до 50-100 м при мощности до 1-2 см. Расстояние между соседними трещинами 5- 25 м (среднее 7 м). Протяженность мелких трещин от первых до 20 м. Размер ограниченных ими блоков пород варьирует от дециметров до первых метров.

Наиболее поздний неотектонический этап посткарбонатитовой тектоники обычно предшествует формированию коры выветривания и проявляется в виде куполообразного поднятия, как это наблюдается на Ковдорском месторождении. При ■ этом образуются зоны растяжения, в которых сохраняется ранее сформированная решетка трещиноватости пород, но нарушаются связи между элементарными блоками и увеличивается степень открытости трещин. По зонам растяжения происходит интенсивная инфильтрация поверхностных вод, вследствие чего такие зоны на карбонатитовых месторождениях трассируются участками углубления коры выветривания.

Путем сравнительного анализа данных моделирования геометрии решетки трещиноватости пород на различных горизонтах карьера, расположенных примерно через 40 м друг от друга, установлено, что с увеличением глубины наблюдаются вариации элементов залегания основных систем трещин без сколько-нибудь выраженной тенденции - в среднем по азимуту падения +12°, по углу падения +7°. Только для центриклинальной системы отмечается направленное уменьшение или увеличение угла падения до 10° на глубину 100-150 м (рис.1). Поведение с глубиной дополнительных линейных систем трещин более изменчиво - на одном и том же участке месторождения от горизонта к горизонту могут исчезать одни системы и появляться новые, а иногда исчезнувшая система вновь обнаруживается на более глубоких горизонтах.

По результатам статистической обработки массива данных, включающего 3060 значений величины размера отдельности пород, полученных в процессе документации керна 12 скважин, а также геометризации по блочное™ пород западного участка прибортовой зоны карьера доказано, что вниз по вертикали от

кровли скальных пород интенсивность трещиноватости карбонатитовых месторождений закономерно уменьшается по экспоненциальной зависимости до глубины примерно 300-350 м (рис.2). Аппроксимирующая функция имеет вид ДА) = 1.66-1.505е"0 007''. Корреляционное отношение 0,95.

300

250

200

2 I-

о

о ю со

- 150 га х

f 100 с

50

Угол падения, град.

20 40 60 80

Рис.1. Кривые изменения с глубиной угла падения трещин центриклинальной системы на различных участках Ковдорского месторождения: 1 - юго-восточном, 2 - южном, 3 - западном, 4 - северном

d, М

0 0.5 1 1.5 2

0

50

100

* 150 л

200 250 300 350

Рис.2.Аппроксимация изменения среднего размера отдельности пород с глубиной на

Ковдорском месторождении

\ к.

\

2

1 / Л

\

1 - фактические значения; 2 - аппроксимирующая кривая

В третьей главе по данным натурного изучения в карьере произошедших деформаций уступов с учетом геометрии решетки трещин на участках локализации деформаций установлены особенности их размещения, типы, масштабы проявления и геологические условия возникновения. Способом обратных расчетов определена величина сцепления по трещинам, ограничивающим призмы обрушения пород.

Выявлено, что деформации стационарных уступов при открытой разработке карбонатитовых месторождений группируются на участках прибортовой зоны карьера, позиция которых обусловлена благоприятным для развития деформаций (при заданных ориентировке и параметрах уступов) сочетанием трещин различного залегания в массиве пород, слагающих эту зону. Такие участки четко выделяются в карьере по отсутствию или пунктирному проявлению следов контурных скважин в откосах уступов. Наиболее многочисленные группы деформаций явно тяготеют к неотектоническим зонам растяжения.

Основные виды деформаций - это оползни-обрушения и обрушения. Первые из них формируются в верхней части массива коренных пород, где они подвергнуты интенсивному выветриванию. Геологические факторы, способствующие их возникновению: пониженная прочность и повышенная трещиноватость пород, присутствие среди них значительной доли дресвяно-песчано-глинистого материала, их водонасыщенность, сезонное промерзание и оттаивание. Наиболее характерными являются обрушения (плоские и клиновые) при явном преобладании последних. Обрушения составляют около 80% от общего числа произошедших деформаций уступов, а клиновые - 74% от всех обрушений. Они возникают в скальных (слабовыветрелых и не затронутых выветриванием) породах, причем зачастую обрушения обнаруживают себя непосредственно в процессе заоткоски уступов.

Плоские обрушения обусловлены падающими в карьер под углом меньшим, чем угол наклона откоса уступа, трещинами центриклинальной и линейных систем, образующими в плане с простиранием уступа угол 0-10°.

На круговой диаграмме ориентировки трещин полюс трещины, обусловивший плоское обрушение, может быть смещен относительно полюсов указанных систем, но всегда находится между ними в общем поясе повышенной плотности полюсов трещин.

Клиновые обрушения образуются парами падающих навстречу друг другу и в сторону карьерной выемки трещин радиальной, центриклинальной или линейной систем. Угол наклона линии скрещения клиноформирующих трещин (он

определялся путем построения их стереопроекций) меньше угла наклона откоса уступа. На круговых диаграммах линия простирания одной кпиноформирующей группы трещин проходит через область полюсов другой такой группы, что свидетельствует о субперпендикулярности в плане клиноформирующих трещин. Абсолютное большинство клиновых обрушений (81%) обусловлено парами трещин, угол между азимутами простирания которых составляет 85-110°. Критериальные значения угла между простиранием уступа и простиранием клиноформирующих трещин колеблются в диапазоне 20-65° (87.5% от общего числа учтенных таких трещин), а угла их падения - в диапазоне 40-75° (94,6%).

Автором предложен способ, позволяющий на основе установленных закономерностей геолого-структурной приуроченности плоских и клиновых обрушений оценить наиболее вероятные значения азимута и угла падения трещин, ограничивающих потенциальные призмы таких обрушений, на любом участке карьера, охарактеризованном круговой диаграммой ориентировки трещин. Для этого на диаграмму выносят линию простирания уступов с указанием направления наклона откосов, а также границы секторов азимутов падения трещин, которые могут привести к обрушениям (плоским или клиновым).

Наиболее вероятным значениям азимута и угла падения искомых трещин на диаграмме будет соответствовать точка максимальной плотности полюсов трещин в каждом секторе. Обычно, но не всегда этой точкой является полюс какой-то системы трещин. Если в секторе для плоских обрушений нет полюса какой-либо системы, то такой точкой будет точка пересечения перпендикуляра к линии простирания уступа с осевой линией пояса повышенной плотности полюсов трещин, проходящей через этот сектор (рис.3).

В случае, когда на диаграмме только в одном секторе выделяется потенциально клиноформирующая система трещин, то наиболее вероятные значения азимута и угла падения клиноформирующих трещин в другом секторе определяются позицией точки пересечения линии простирания первой системы трещин с осевой линией пояса повышенной плотности полюсов трещин.

Прогностические возможности предложенного способа доказаны данными сравнения средних и наиболее вероятных значений элементов залегания трещин, ограничивающих соответственно фактически произошедшие и прогнозные обрушения на трех участках карьера рудника «Железный». Расхождения составили в среднем для плоских обрушений по азимуту падения +4° и углу падения +3°, а для клиновых по обоим параметрам +7°.

8

Рис.3. Круговая диаграмма ориентировки трещин участка северо-восточного борта карьера рудника «Железный» с элементами оценки наиболее вероятных значений элементов залегания трещин, ограничивающих потенциальные призмы обрушения: 1 - изолинии плотности полюсов трещин и их значения, %; 2 - полюс системы трещин (рядом указано модальное значение азимута и угла падения системы); 3 - линия простирания уступов (цифра на конце линии - азимут простирания), коротким штрихом указано направление наклона откоса (рядом стоящая цифра - угол наклона); 4 -перпендикуляр к линии простирания уступов; 5,6 - секторы азимутов падения трещин, ограничивающих потенциальные призмы обрушения: 5 - клиновые, 6 - плоские; 7 - осевая линия пояса повышенной плотности полюсов трещин; 8 - точка, соответствующая наиболее вероятному значению азимута и угла падения трещин, способных вызвать плоское обрушение уступов

Сцепление по трещинам определено обратными расчетами исходя из условия предельного равновесия клиновой призмы обрушения (по В.Н. Попову, 1991г.):

_P■Cosa■tgcp' + С\Б{ + 52) ^ Ел Р-Бта

где Еь и Ел - соответственно сумма сил удерживающих и сдвигающих; С' и (р -сдвиговые характеристики по трещинам: С - сцепление, МПа; ср' - угол внутреннего трения, град.; Р - вес призмы, Н; в}, Эг - площадь ограничивающих призму

плоскостей трещин, м2; а - угол наклона линии скрещения клиноформирующих трещин, град. Из данного условия следует, что

, Р - Sina - Р ■ Cosa ■ tgtp' = ^^

С использованием разработанной С.С. Серым (2004г.) программы в геоинформационной системе ГИС ГЕОМИКС по заданному через 1° значению <р' (в диапазоне 0-45°) для каждой деформации были рассчитаны значения С и построен график условия предельного равновесия призмы обрушения, представляющий собой множество точек с различными значениями С' и qj, при которых выполняется указанное условие. Под этим графиком расположена область неустойчивого состояния призмы, а над ним - устойчивого (рис.4).

с'.МПа 0,01

0,005

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Рис.4. График условия предельного равновесия клиновой призмы обрушения (деформация N95, юго-восточный борт карьера) (а,б - соответственно области устойчивого и неустойчивого состояния призмы обрушения)

По заданному в соответствии с рекомендациями Г.Л. Фисенко диапазону <р' для трещин в прочных скальных породах (17-28°) рассчитаны средние значения С' по всем построенным графикам, а затем по совокупности таких значений для каждого участка проявления деформаций в карьере, представленного одним типом пород, определена средняя величина С'. При среднем значении <р', равном 23°, для трещин в фенитах она составила 0,003 МПа, в пироксенитах 0,02 МПа, в ийолитах 0,027 МПа, что хорошо согласуется с данными о небольшом, приближающемся к нулю значении этой сдвиговой характеристики на карбонатитовом месторождении Папабора (ЮАР).

Низкое сцепление по трещинам в карбонатитовых месторождениях логично связать с многократным проявлением посткарбонатитовой разрывной тектоники. Самым низким сцеплением обладают трещины в зонах интенсивного растяжения с признаками глубокого проникновения по ним нисходящих вод (наличие гипергенной

а

ш ■ щш - ттт

минерализации, выщелачивание первичного заполнителя), как например, в фенитах юго-восточного борта карьера рудника «Железный».

В четвертой главе изложена методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов карьеров в процессе эксплуатации карбонатитовых месторождений. В соответствии с принципом поэтапности проектирования и разработки глубоких карьеров предложено выделять две стадии геолого-структурного изучения эксплуатируемых месторождений, условно названных стадией первой очереди карьера и стадией развитого карьера.

Первая стадия охватывает период от момента достижения горными работами в плане проектных границ карьера до завершения постановки на предельный контур уступов в приповерхностной, выветрелой части массива пород (рис.5). Содержание и последовательность процедур, реализация которых предусмотрена в эту стадию, отражены на рис.6.

Рис. 5. Схема размещения зон геолого-структурного картирования глубокого карьера на различных стадиях его эксплуатации для прогнозирования деформаций уступов, поставленных на предельный контур: 1 - вмещающие породы; 2 - рудная запежь; 3,4 - зоны геолого-структурного картирования карьера на стадии первой очереди (3) и стадии развитого карьера (4); 5 - нижняя граница гипергенных изменений массива пород; 6 - предельный контур карьера

Основным методом натурного изучения породного массива является геолого-структурное картирование всего карьерного поля путем сплошной геологической документации обнаженных откосов рабочих и поставленных на предельный контур уступов с фиксацией границ между породами различных типов, степени их гипергенных преобразований, элементов разрывной структуры массива (даек карбонатитов, разрывов различных порядков) и измерением их азимута и угла падения. При этом отмечается наличие следов скольжения и гипергенной

минерализации на поверхности разрывов. На предельном контуре карьера устанавливается нижняя граница зоны выветривания пород, выделяются участки ее углубления, соответствующие зонам растяжения, фиксируются и описываются деформации уступов, характерные для приповерхностной, затронутой выветриванием части массива (промоины, оплывины, осыпи, и особенно оползни-обрушения), природные и техногенные условия их проявления.

Рис. 6. Схема геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций стационарных уступов на стадии первой очереди карьера

По данным картирования карьера формируется база данных геолого-структурной информации, составляются сводный геолого-структурный план карьера и схема его инженерно-геологического районирования. Формирование базы данных геолого-структурной информации заключается в пространственной привязке по данным маркшейдерских измерений трассы полевого геологического маршрута на цифровом плане горных работ, алгоритмическом расчете координат (х, у, г) точек измерения параметров ориентировки плоскостей ослабления массива с указанием их вида и ввода с клавиатуры измеренных значений этих параметров (азимута и угла падения). Построение сводного геолого-структурного плана карьера выполняется путем взаимной увязки элементов геологической ситуации между смежными задокументированными уступами на маркшейдерском плане карьера.

Построение схемы инженерно-геологического районирования карьера осуществляется на основе его сводного геолого-структурного плана с учетом следующих критериев: постоянства ориентировки уступов карьера, литологической и структурной однородности инженерно-геологических районов (блоков). Цитологическая однородность блоков обеспечивает однородность их по физико-механическим свойствам слагающих их горных пород. Вначале границы инженерно-геологических блоков устанавливаются по литологическому фактору, а затем оценивается степень структурной однородности выделенных блоков путем анализа геометрии решетки трещиноватости по диаграммам ориентировки трещин, построенным для различных участков каждого блока. При существенных ее различиях на участках одного блока производится его разделение на два или несколько блоков.

Геолого-структурную оценку массива пород в любом инженерно-геологическом блоке для прогнозирования деформаций уступов, которые будут ставиться на предельный контур, в первую стадию предлагается выполнять по следующему алгоритму:

1) определение наиболее вероятных значений азимута и угла падения трещин, ограничивающих потенциальные призмы обрушения при заданном простирании уступов карьера по предложенному автором способу;

2) определение азимута горизонтальной проекции и угла наклона линии скрещения клиноформирующих трещин путем построения на сетке В. Шмидта стереопроекций плоскостей этих трещин и откоса уступа;

3) оценка возможных масштабов потенциальных призм обрушения по пространственным взаимоотношениям линии их сдвига с профилем борта карьера путем построения разрезов. Применительно к плоским деформациям такие разрезы должны ориентироваться перпендикулярно простиранию откоса уступа, так как провоцирующие их трещины следуют субпараплельно откосу, а к клиновым деформациям - по линии скрещения клиноформирующих трещин, так как угол наклона этой линии относительно угла откоса определяет высоту призмы обрушения и величину углубления её в массив на верхней берме;

4) оценка устойчивости потенциальных призм обрушения (плоских и клиновых).

Работоспособность предложенного алгоритма доказана на примере четырех инженерно-геологических блоков прибортовой зоны карьера рудника «Железный» путем сравнения данных прогноза с фактическим состоянием откосов уступов в этих блоках.

Вторая стадия геолого-структурного изучения вскрытрго карьером массива пород для прогнозирования деформаций уступов начинается с момента, когда на предельный контур поставлены хотя бы 1-2 уступа, охватывающие весь периметр карьера в практически не затронутых выветриванием скальных породах, и непрерывно продолжается до завершения работы карьера. Этой стадии обычно предшествует корректировка горной часта проекта разработки месторождения (изменение конструкции и параметров бортов карьера) в соответствии с геомеханическим обоснованием, базирующимся на геолого-структурном изучении месторождения и прогнозировании деформаций нерабочих уступов, выполненных в первую стадию.

Объектом натурного изучения на второй стадии является не карьерное поле в целом, а только его приконтурная зона, в которой все уступы, поставленные на предельный контур, подвергаются геолого-структурной документации. При этом особое внимание уделяется фиксации и характеристике качества заоткоски (точнее, степени гладкости откоса), произошедших деформаций уступов, потенциальных призм обрушений. Для деформаций указывается их позиция в уступе, тип, линейные размеры, ориентировка ограничивающих призму обрушения трещин. Потенциальные клиновые призмы обрушения устанавливаются по наличию пересекающейся в основании откоса пары диагональных трещин, падающих навстречу друг другу, а плоские - по выходу на поверхность откоса согласного с ним разрыва, следующего под небольшим (менее 10-15°) углом к простиранию уступа.

Большая высота и крутизна откосов, узкие бермы - всё это существенно затрудняет геолого-структурную документацию уступов, поставленных на предельный контур. В такой ситуации традиционную зарисовку целесообразно дополнять масштабированным панорамным фотоснимком группы уступов, сделанным с противоположного борта карьера. Использование подобных фотопанорам резко повышает объективность и точность геолого-структурной документации и составленных на ее основе картографических материалов.

Результаты натурного изучения уступов карьера обобщаются в виде сводного геолого-структурного плана приконтурной зоны карьера с элементами инженерно-геологического районирования, охватывающей все уступы, поставленные на предельный контур, и 1-2 нижележащих рабочих уступа. На этом плане, кроме границ между различными типами пород, разрывных нарушений, а также границ, отражающих гипергенную зональность массива пород, показывают происшедшие деформации, границы участков прибортовой зоны карьера с различным качеством заоткоски уступов. По мере постановки на предельный контур новых уступов этот план, как и база данных трещин, постоянно пополняется и поддерживается в

актуальном состоянии, а в пределах рабочей зоны карьера на нем показывают только границы пород и основных типов руд.

На второй стадии сочетаются вероятностный и детерминированный подходы к прогнозированию деформаций уступов карьеров, которое осуществляется в целом по изложенному выше алгоритму. Изменчивость с глубиной геометрии решетки трещиноватости карбонатитовых месторождений определяет необходимость постоянной ее оценки по мере углубления карьера и прогнозирования на основе этого наиболее вероятных типов деформаций будущих нерабочих уступов.

Вместе с тем знание позиции и геолого-структурных условий проявления фактически произошедших деформаций позволяет непосредственно оценить возможность их продолжения в нижележащих уступах, планируемых к постановке на предельный контур, и определить геометрические параметры потенциальных призм обрушения. Для аналитической оценки их устойчивости берутся значения сдвиговых характеристик по трещинам, полученные способом обратных расчетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи геолого-структурной оценки карбонатитовых месторождений для прогнозирования в процессе их эксплуатации нерабочих уступов карьеров, что вносит существенный вклад в теорию и практику горнопромышленной геологии.

Основные выводы и рекомендации, полученные лично автором:

1. Исследована посткарбонатитовая разрывная структура карбонатитовых месторождений, являющаяся при их открытой разработке главным фактором устойчивости карьерных откосов, в результате чего установлено, что она наследует основные черты геометрии предкарбонатитовой решетки трещиноватости и характеризуется многократными подвижками по трещинам при явном доминировании сдвиговой составляющей, изменчивостью в плане и по глубине угла падения наиболее опасной кольцевой центриклинальной системы трещин, закономерным уменьшением интенсивности трещиноватости от кровли скальных пород до глубины 300-350 м.

2. Выяснено, что в эксплуатирующих карбонатитовые месторождения карьерах плоские обрушения нерабочих уступов обусловлены продольными трещинами центриклинальной и линейных систем (угол между азимутами простирания этих трещин и уступов 0-10°) , а более многочисленные клиновые обрушения формируются двумя падающими навстречу друг другу преимущественно под углом 40-75° трещинами различных, исключая

субгоризонтальную, систем, которые в плане образуют с простиранием уступов угол 20-65°, а между собой 85-110°.

3. Способом обратных расчетов определено низкое (в среднем от 0,003 до 0,027 МПа) сцепления по трещинам в породах карбонатитовых месторождений, что обусловлено многократным проявлением посткарбонатитовой разрывной тектоники.

4. Доказана возможность прогнозирования наиболее вероятных обрушений в будущих стационарных уступах на любом участке карьера, разрабатывающего карбонатитовые месторождения путем анализа круговой диаграммы ориентировки трещин в породах этого участка, выявленных на верхних, уже отработанных горизонтах, с учетом проектных параметров уступов и установленных в данной работе закономерностей геолого-структурной приуроченности плоских и клиновых обрушений.

5. Разработана методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов карьеров при эксплуатации карбонатитовых месторождений, предусматривающая на стадии первой очереди карьера геолого-структурное картирование, создание базы данных трещин и инженерно-геологическое районирование всего карьерного поля, выявление наиболее вероятных плоских и клиновых призм обрушения уступов в инженерно-геологических блоках на основе моделирования геометрии их решетки трещиноватости, а на стадии развитого карьера - картирование только приконтурной зоны карьера и прослеживание на глубину и по фронту бортов карьера трещин, способных вызвать плоские обрушения группы уступов, путем бурения скважин с выполнением в них видеометрических исследований.

6. Разработанная методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов внедрена на руднике «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» для использования службою мониторинга устойчивости уступов карьера.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дунаев A.B. Природные факторы устойчивости откосов в массивах скальных пород в связи с инженерно-геологическим районированием карьеров //Вопросы осушения, горнопромышленной геологии и охраны недр, геомеханики, промышленной гидротехники, геоинформатики, экологии: Сб. материалов 9-го междунар. симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях». - Белгород: ФГУП ВИОГЕМ, 2007. - С. 162-167.

2. Серый С.С., Ермолов В.А., Дунаев A.B. Инженерно-геологическое районирование массивов скальных горных пород и прогноз деформаций уступов карьеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008,- №5. - С. 157-163.

3. Серый С.С., Дунаев A.B. Методика изучения структуры массива скальных пород для оценки устойчивости карьерных откосов // Маркшейдерия и недропользование. - 2008. - №4. - С.40-41.

4. Дунаев A.B. Прогноз деформаций стационарных уступов карьеров в массиве скальных пород по данным изучения их трещиноватости // Маркшейдерия и недропользование. - 2009. - №4. - С.55-59.

5. Дунаев A.B. Типы и условия проявления деформаций стационарных уступов карьера при разработке Ковдорского апатит-магнетитового месторождения II Известия Тульского госуниверситета. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений»: Сб. материалов VI межд. конф. - Тула, 2009. - С.56-59.

6. Дунаев A.B. Характер изменения трещиноватости пород Ковдорского апатит-магнетитового месторождения с глубиной II Горный информационно-аналитический бюллетень. -2010. - №3. - С.130-136.

Подписано в печать 29.04.2010 г. Формат 60x90/16

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №

ОИУП Московского государственного

горного университета. Москва, Ленинский пр-т, 6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Дунаев, Андрей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И БАЗОВЫЙ ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Основные черты геологического строения и промышленное значение карбонатитовых месторождений.

1.2. Состояние изученности геологических условий проявления деформаций уступов карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения.

1.3. Анализ существующих методов прогнозирования устойчивости уступов карьеров в массивах неслоистых скальных пород и актуальные вопросы методики геолого-структурной оценки таких массивов.

1.4. Постановка задач исследований.

1.5 Выбор и горно-геологическая характеристика базового объекта исследований.

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ РАЗРЫВНОЙ СТРУКТУРЫ КАРБОНАТИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

2.1. Схема формирования и общая характеристика разрывной структуры карбонатитовых месторождений.

2.2. Особенности геометрии решетки трещиноватости пород.

2.3. Изменение с глубиной геометрии решетки трещиноватости пород.

2.4. Изменение с глубиной интенсивности трещиноватости пород.

ГЛАВА 3. ТИПЫ, МАСШТАБЫ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ НЕРАБОЧИХ УСТУПОВ КАРЬЕРОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАРБОНАТИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

3.1. Типы и масштабы деформаций, особенности их размещения в прибортовой зоне карьера.71'

3.2. Геолого-структурная приуроченность обрушений.

3.3. Геологические условия проявления оползней-обрушений.

3.4. Физико-механические свойства пород и сдвиговые характеристики по трещинам.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ГЕОЛОГО-СТРУКТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ НЕРАБОЧИХ УСТУПОВ КАРЬЕРОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАРБОНАТИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

4.1. Стадия проектирования карьера.

4.2. Стадия первой очереди карьера.

4.3. Стадия развитого карьера.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геолого-структурная оценка карбонатитовых месторождений для прогнозирования в процессе их эксплуатации деформаций нерабочих уступов карьеров"

Актуальность работы. Карбонатитовые месторождения являются источником ценных, в том числе стратегических (ниобия, тантала и редких земель), видов минерального сырья. Они характеризуются столбообразной формой и субвертикальным залеганием рудных залежей, уходящих на большую (до 1-2км) глубину с сохранением промышленных параметров оруденения. Ценность минерального сырья и большая глубина распространения промышленного оруденения определяют стремление недропользователей к увеличению глубины карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения, а экономическое требование минимизации коэффициента вскрыши заставляет идти по пути укручения бортов карьеров с использованием субвертикальных откосов уступов, поставленных на предельный контур. В этих условиях особую остроту приобретает проблема обеспечения безопасности горных работ.

Только прогнозирование деформаций уступов, планируемых к постановке на предельный контур (предсказание позиции, типа и масштабов потенциальных призм обрушения), позволяет заранее оценить степень угрозы безопасности горных работ и своевременно предпринять адекватные меры по ее устранению. Эффективность прогнозирования определяется уровнем знаний геологических условий возникновения деформаций уступов и прежде всего особенностей разрывной структуры прибортового массива пород. Поэтому геолого-структурная оценка карбонатитовых месторождений для прогнозирования деформаций нерабочих уступов эксплуатирующих их карьеров является актуальной научной проблемой.

Целью работы является установление особенностей разрывной структуры карбонатитовых месторождений и совершенствование методики геолого-структурного обеспечения в процессе их эксплуатации прогнозирования нерабочих уступов карьеров.

Идея работы заключается в использовании для прогноза деформаций уступов карьеров в массивах скальных пород связи между устойчивостью уступов и геолого-структурными особенностями разрабатываемых массивов.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

1. Посткарбонатитовая разрывная структура карбонатитовых месторождений наследует основные черты геометрии предкарбонатитовой решетки трещиноватости и характеризуется многократными подвижками по трещинам при явном доминировании сдвиговой составляющей, изменчивостью в плане и по глубине угла падения наиболее опасной кольцевой центриклинальной системы трещин, закономерным уменьшением интенсивности трещиноватости от кровли скальных пород до глубины 300350 м.

2. В карьерах, эксплуатирующих карбонатитовые месторождения, плоские обрушения нерабочих уступов обусловлены продольными трещинами центриклинальной и линейных систем (угол между азимутами простирания этих трещин и уступов 0-10°), а более многочисленные клиновые обрушения формируются двумя падающими навстречу друг другу преимущественно под углом 40-75° трещинами различных, исключая субгоризонтальную, систем, которые в плане образуют с простиранием уступов угол 20-65°, а между собой - 85-110°. Трещины карбонатитовых месторождений обладают низким сцеплением (0,003-0,027 МПа), что обусловлено многократным проявлением посткарбонатитовой разрывной тектоники.

3. Методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов карьеров при эксплуатации карбонатитовых месторождений, предусматривающая на стадии первой очереди карьера геолого-структурное картирование, создание базы данных трещин и инженерно-геологическое районирование всего карьерного поля, выявление наиболее вероятных плоских и клиновых призм обрушения уступов в инженерно-геологических блоках на основе моделирования геометрии их решетки трещиноватости, а на стадии развитого карьера - картирование только приконтурной зоны карьера и прослеживание на глубину и по фронту бортов карьера трещин, способных вызвать плоские обрушения уступов, путем бурения скважин с выполнением в них видеометрических исследований.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- представительным объемом данных, характеризующих разрывную структуру карбонатитовых месторождений и использованных для их геолого-структурной оценки;

- корректностью применения методов анализа разрывной структуры массивов неслоистых скальных пород при геолого-структурной оценке условий возникновения деформаций нерабочих уступов карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения;

- удовлетворительной сходимостью прогнозных, основанных на геолого-структурной оценке разрабатываемого массива пород, и фактических данных об элементах залегания трещин, ограничивающих призмы обрушения нерабочих бортов на различных участках карьера, эксплуатирующего Ковдорское карбонатитовое месторождение; положительной апробацией результатов диссертации при проектировании и производстве открытых горных работ в процессе промышленного освоения Ковдорского карбонатитового месторождения.

Методы исследований. Использованы следующие методы исследований, позволившие реализовать идею работы:

- методы геолого-структурного картирования карьерных полей и натурного изучения деформаций уступов карьеров; метод компьютерного моделирования геометрии решетки трещиноватости в массивах скальных пород;

- методы математической статистики;

- метод обратных расчетов для определения сдвиговых характеристик по трещинам;

Научная новизна работы заключается в следующем: установлено, что разрывная структура карбонатитовых месторождений характеризуется сочетанием радиально-кольцевых и линейных систем трещин, а также многократными разноориентированными подвижками по трещинам (при явном преобладании сдвиговой составляющей) в посткарбонатитовый этап ее развития;

- выявлена изменчивость в плане и на глубину угла падения наиболее опасной для устойчивости уступов карьеров кольцевой центриклинальной системы трещин;

- доказано закономерное уменьшение интенсивности трещиноватости карбонатитовых месторождений от кровли скальных пород до глубины 300-350м;

Научное значение работы состоит в установлении характера разрывной структуры, закономерностей изменения с глубиной геометрии решетки и интенсивности трещиноватости карбонатитовых месторождений, связи позиции, типа и масштаба деформаций уступов при открытой разработке этих месторождений с особенностями их разрывной структуры на том или ином участке прибортовой зоны карьера.

Практическое значение работы заключается в разработке методики геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов при эксплуатации карбонатитовых месторождений и определении способом обратных расчетов сцепления по трещинам в породах этих месторождений.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов при эксплуатации карбонатитовых месторождений внедрена на руднике «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» для использования службой мониторинга устойчивости уступов карьера.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на международных научных симпозиумах «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях (Белгород, ФГУП ВИОГЕМ, 2007г.) и «Неделе горняка» (Москва, МГГУ, 2008г.), международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (Тула, ТГУ, 2009г.)

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 научных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 11 таблиц, 58 рисунков и список литературы из 105 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Дунаев, Андрей Владимирович

Основные выводы и рекомендации, полученные лично автором:

1. Исследована посткарбонатитовая разрывная структура карбонатитовых месторождений, являющаяся при их открытой разработке главным фактором устойчивости карьерных откосов, в результате чего установлено, что она наследует основные черты геометрии предкарбонатитовой решетки трещиноватости и характеризуется многократными подвижками по трещинам при явном доминировании сдвиговой составляющей, изменчивостью в плане и по глубине угла падения наиболее опасной кольцевой центриклинальной системы трещин, закономерным уменьшением интенсивности трещиноватости от кровли скальных пород до глубины 300-350 м.

2. Выяснено, что в эксплуатирующих карбонатитовые месторождения карьерах плоские обрушения нерабочих уступов обусловлены продольными трещинами центриклинальной и линейных систем (угол между азимутами простирания этих трещин и уступов 0-10°) , а более многочисленные клиновые обрушения формируются двумя падающими навстречу друг другу преимущественно под углом 40-75° трещинами различных, исключая субгоризонтальную, систем, которые в плане образуют с простиранием уступов угол 20-65°, а между собой 85-110°.,

3. Способом обратных расчетов определено низкое (в среднем-от 0,003 до 0,027 МПа) сцепления по трещинам в породах карбонатитовых месторождений, что обусловлено многократным проявлением посткарбонатитовой разрывной тектоники.

4. Доказана возможность прогнозирования наиболее вероятных обрушений в будущих стационарных уступах на любом участке карьера, разрабатывающего карбонатитовые месторождения путем анализа круговой диаграммы ориентировки трещин в породах этого участка, выявленных на верхних, уже отработанных горизонтах, с учетом проектных параметров уступов и установленных в данной работе закономерностей геолого-структурной приуроченности плоских и клиновых обрушений.

5. Разработана методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов карьеров при эксплуатации карбонатитовых месторождений, предусматривающая на стадии первой очереди карьера геолого-структурное картирование, создание базы данных трещин и инженерно-геологическое районирование всего карьерного поля, выявление наиболее вероятных плоских и клиновых призм обрушения уступов в инженерно-геологических блоках на основе моделирования геометрии их решетки трещиноватости, а на стадии развитого карьера -картирование только приконтурной зоны карьера и прослеживание на глубину и по фронту бортов карьера трещин, способных вызвать плоские обрушения группы уступов, путем бурения скважин с выполнением в них видеометрических исследований.

6. Разработанная методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов внедрена на руднике «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» для использования службою мониторинга устойчивости уступов карьера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи геолого-структурной оценки карбонатитовых месторождений для прогнозирования деформаций в процессе их эксплуатации нерабочих уступов карьеров, что вносит существенный вклад в теорию и практику горнопромышленной геологии.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Дунаев, Андрей Владимирович, Москва

1. Архангельская, В.В. Линеаментный метод регионального металлогенического анализа / В.В.Архангельская // Разв.едка и охрана недр. — 2008.-№2.-С.13-17.

2. Астафьев, Ю.П. Управление состоянием массива горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых / Ю.П. Астафьев, Р.В. Попов, Ю.М. Николашин. Киев; Донецк: Вища школа, 1986. - 272с.

3. Букринский, В.А. Геометрия недр. Практический курс. Учебное пособие / В.А. Букринский. г М.: МГГУ, 2004. 333с.

4. Быховец, А.П. Геомеханическое и техническое обоснование оптимальных конструкций уступов и бортов основного карьера / А.Н.

5. Быховец, Г.Е. TapäcoB, A.A. Козырев, С.П. Решетняк, С.С. Серый, Н.В. Черевко // Горный журнал. Спец. выпуск: Ковдорский ГОК. 2002. - С. 1317.

6. Быховец, А.Н. Прогноз деформаций и технология закрепления неустойчивых участков при постановке бортов карьера в конечное положение / А.Н. Быховец, С.С. Серый, Н.Т. Фатеев, В.А. Ермолов, Э.В. Каспарян // Горный журнал. 2007. - №9. - С. 26-29.

7. Викторов, С.Д. Сдвижение и разрушение горных пород / С.Д. Викторов, М.А. Иофис, С.А. Гончаров. М.: Недра, 2005. - 277с.

8. Владимиров, В.Г. Методика статистической обработки элементов залегания пород / В.Г. Владимиров, В.Ю. Жираковский // Геология и геофизика. 1988. - №4. - С. 30-36.

9. Временные методические указания по управлению устойчивостью бортов карьеров цветной металлургии. М.: Унипромедь, 1989. - 127с.

10. Гайдин, A.M. Прогнозная оценка инженерно-геологических условий разработки месторождений твердых полезных ископаемых / A.M. Гайдин, М.Е. Певзнер, Б.В. Смирнов. М.: Недра, 1983.-310с.

11. Гальперин, A.M. Геомеханика открытых горных работ: Учебник для вузов / A.M. Гальперин. М.-.МГГУ, 2003. - 473 с.

12. Галустьян, Э.Л. Управление геомеханическими процессами в карьерах / Э.Л. Галустьян. М.: Недра, 1980. - 237с.

13. Галустьян, Э.Л. Прогнозирование деформаций карьерных уступов / Э.Л. Галустьян // Горный журнал. 1989. - №8. - С. 22-25.

14. Галустьян, Э.Л. Геомеханика открытых горных работ: Справочное пособие / Э.Л. Галустьян. -М.: Недра, 1992. 272с.

15. Галустьян, Э.Л. Предупреждение крупномасштабных разрушений бортов карьеров путем поэтапной оценки их устойчивости / Э.Л. Галустьян, И.П. Веретельник. // Горный журнал. 1999. - №2. - С. 25-28.

16. Галустьян, Э.Л. Условия формирования бортов карьеров и обеспечение их устойчивости / Э.Л. Галустьян, В.Л. Рыбак // Горный журнал. 1999. - №8. -С. 26-28.

17. Гордеев, В.А. Основы геометризации геотехнических условий разработки на карьерах: автореф. дисс. на соискание ученой степени докт. техн. наук / В.А. Гордеев. СПб, 1994.- 32с.

18. Гордеев, В.А. Новые технологии геомеханического мониторинга на карьерах / В.А. Гордеев, A.B. Самарин // Маркшейдерский вестник. -2004.-№1.- С. 33-36.

19. Горная энциклопедия: в 5т. / под ред. Е.А. Козловского. М.: Советская энциклопедия, 1984.

20. Демин, A.M. Новый подход к выбору механических характеристик приоткосного массива при оценке устойчивости уступов и бортов карьеров /

21. A.M. Демин, A.M. Иоффе // Маркшейдерия и недропользование. 2009. -№1.-С. 60-62.

22. Дунаев, A.B. Характер изменения трещиноватости пород Ковдорского апатит-магнетитового месторождения с глубиной / A.B. Дунаев // Маркшейдерский вестник. 2009. - №.3.- С.57-61.

23. Дунаев A.B. Прогноз деформаций стационарных уступов карьера в массиве скальных пород по данным изучения их трещиноватости / A.B. Дунаев// Маркшейдерия и недропользование. 2009. - №4.-С.55-59.

24. Дунаев, A.B. Закономерности геолого-структурной приуроченности и прогноз деформаций уступов на предельном контуре карьера в массивах скальных пород / A.B. Дунаев // Геология, география и глобальная энергия. -2009.-№1 (32).-С.20-27.

25. Дриженко А.Ю. Вскрытие глубоких карьеров / А.Ю. Дриженко,

26. B.П. Мартынов, В.И. Симоненко. -М.: Недра, 1994.- 288с.

27. Епифанова, М.Е. Инженерно-геологические аспекты проектирования глубокого карьера Ковдорского ГОКа / М.Е. Епифанова,

28. С.А.Федоров, А.А.Козырев, B.B. Рыбин, Ю.И. Волков // Горный журнал. -2007.- №9. -С. 30-33.

29. Замесов, Н.Ф. Прогнозирование исходных полей напряжений в рудных месторождениях / Н.Ф.Замесов, И.И. Дзема. М.: ИПКОН АН СССР. -1987.- 157с.

30. Зотеев, В.Г. Изучение трещиноватости железорудных месторождений / В.Г. Зотеев, A.B. Можаев, В.В. Комаров // Горный журнал. -1970.-ЖЗ.-С. 54-55.

31. Зотеев, В.Г. Прогноз трещиноватости скальных пород при разработке железорудных месторождений / В.Г. Зотеев, Н.П. Ершов // Горный журнал. -1972. №7. - С. 5-7.

32. Зотеев, В. Г. Теория и практика устойчивости бортов карьеров и отвалов / В.Г. Зотеев, A.B. Фролов // Горный журнал. 1987.- №2. - С. 27-31.

33. Зотеев, В.Г. Опыт заоткоски скальных уступов на предельном контуре карьера Ковдорского ГОКа / В.Г. Зотеев, В.Н. Морозов, В.В. Якунин, В.А. Сазонов, Ф.Б. Кампель // Бюллетень научн.-техн. информации Минчермета СССР. 1988.- Выпуск №7.- С. 39-42.

34. Иванов, И.П. Инженерно-геологические исследования в горном деле / И.П. Иванов. Л.: Недра. - 1987. - 255с.

35. Изучение гидрогеологических и инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых. М.: Недра. -1986. - 172с.

36. Ильин, А.И. Обобщение опыта управления устойчивостью откосов на железорудных карьерах в различных инженерно-геологических условиях / А.И. Ильин, Ю.М. Николашин, В.П. Будков // Инженерная геология. 1991. -№1.-С. 44-51.

37. Ильин, А.И. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах / А.И. Ильин, A.M. Гальперин, В.И. Стрельцов. М.: Недра. - 1985. -248с.

38. Инженерно-геологические изыскания. Справочное пособие / Н.Ф.

39. Архипов, Е.С. Карпышев, Л. А. Молоков, В.А. Парфиянович. М: Недра. -1989.-289с.

40. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов, уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. -Л.: ВНИМИ. . 1971. - 187с.

41. Инструкция по гидрогеологическому и инженерно-геологическому обслуживанию горнодобывающих предприятий. Белгород: ВИОГЕМ. -1982.-95с.

42. Каган, A.A. Инженерно-геологическое прогнозирование / A.A. Каган. М.: Недра. - 1984. - 196с.

43. Кирков, А.Е. Перспективы применения телеметрических наблюдений за сдвижением горных пород / А.Е. Кирков II Маркшейдерский вестник. 2007. - №2. - С. 46-48.

44. Количко, A.B. Оценка оптимальных параметров откосов в трещиноватых скальных породах / A.B. Количко // Инженерная геология скальных массивов. М.: Энергия. - 1976. - С. 123-126.

45. Кононов, В.В. Инженерно-геологические методы исследований массива горных пород при открытой разработке месторождений / В.В. Кононов, А.Я. Егоров // Горнохимическая промышленность: обзорная информация. М.: НИИТЭХИМ. 1989. - 21с.

46. Краснова, Н.И. Тектоника и механизм формирования Ковдорского щелочно-ультраосновного интрузивного комплекса Н.И. Краснова, В.Б. Соколова // Вестник Ленингр. Ун-та. - 1978. - №6. - С. 16-21.

47. Кремер, Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебник для вузов / Н.Ш. Кремер. М.: ЮНИТИ-ДАНА. - 2003. - 573с.

48. Лукичев, В. Г. Районирование карьерного поля по условиям устойчивости откосов / В. Г. Лукичев // Вопросы рационализации маркшейдерской службы на горных предприятиях: межвузовский научн,-темат. сб. Свердловск. - 1977. - С. 108-111.

49. Методические рекомендации по изучению трещиноватости массива скальных пород для решения задач механики горных пород. Белгород: ВИОГЕМ, 1976.-59с.

50. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. — JL: ВНИМИ, 1972.- 164с.

51. Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости. -Л.:ВНИМИ, 1987.- 118с.

52. Мирошникова, JI.C. Опыт применения ЭВМ для обработки результатов инженерно-геологических работ при расчетах и исследованиях скальных массивов / JI.C. Мирошникова // тр. Гидропроекта, сб. №128. МЛ.: Энергия. - С. 59-65.

53. Михайлов, А.Е. Структурная геология и геологическое картирование / А.Е. Михайлов. М.: Недра, 1973.- 432с.

54. Невский, В.А. Трещинная тектоника рудных полей и месторождений / В.А. Невский. М.: Недра. - 1979. - 224с.

55. Несмашный, Е.А. Прогноз устойчивости бортов рудных карьеров / Е.А. Несмашный, A.B. Романенко // Горный журнал. -1999. №2. - С. 36-37.

56. Несмеянов, Б.В. Анализ состояния и пути повышения устойчивости бортов карьеров цветной металлургии / Б.В. Несмеянов, Г.Н. Городничев, А.Б. Чачкис // Горный журнал. 1989. - №10. - С.26-27.

57. Панюков, П.Н. Инженерная геология / П.Н. Панюков. М: Недра, 1978.-295с.

58. Павлинов, В.И. Структурная геология и геологическое картирование с основами геотектоники / В.И. Павлинов. М.: Недра, 1979. -223с.

59. Петере, Ш. Практическое применение скважинного видеозонда для решения геотехнологических задач / Ш. Петере, В.В. Набатов, A.C. Вознесенский // Горный информ .- аналит. бюлл. 2008. - №7. - С. 162-169.

60. Попов, И.И. Борьба с оползнями на карьерах / И.И. Попов, Р.П. Окатов. М.: Недра, 1980. - 239с.

61. Попов, В.Н. Технология отстройки бортов карьера / В.Н. Попов, Б.Н. Байков. -М.: Недра, 1991. 250с.

62. Попов, В.Н. Управление устойчивостью карьерных откосов: Учебник для вузов / В.Н. Попов, П.С. Шпаков, Ю.Л. Юнаков. М.: изд-во МГГУ, изд-во «Горная книга», 2008.- 683с.

63. Попов, В.Н. Конструкция нерабочих бортов карьеров / В.Н. Попов, Б.В. Несмеянов, О.В. Попова М.: НИА-природа, 1999. - 148с.

64. Певзнер М.Е. Борьба с деформациями горных пород на карьерах / М.Е. Певзнер. М.: Недра, 1978. - 255с.

65. Певзнер, М.Е. Деформации горных пород на карьерах / М.Е. Певзнер, М.: Недра, 1992. - 235с.

66. Певзнер, М.Е. Геомеханика: Учебник для вузов. — 2-е изд. стер. / М.Е. Певзнер, М.А. Иофис, В.Н. Попов. М.: изд-во МГГУ, 2008. - 438с.

67. Рац, М.В. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород /

68. M.B. Рац, C.H. Чернышев. М.: Недра, 1970. - 164с.

69. Савков, J1.B. К вопросу учета трещиноватости при расчетах устойчивости откосов в скальных породах / JI.B. Савков // Физ.- техн. пробл. разр. пол. иск. 1967. - №1. - С. 3-10.

70. Самарин, A.B. Горно-геометрическое районирование карьерных полей по физико-техническим условиям разработки: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук / A.B. Самарин Екатеринбург, 1994.-20С.

71. Свирский, М.А. Рудничная геология./ М.А. Свирский, Н.М. Чумаченко, Б.А. Афонин. -М.: Недра, 1987. 237с.

72. Серый, С.С. Инженерно-геологическая оценка и моделирование структуры скальных массивов горных пород рудных месторождений: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук /С.С. Серый -М.:МГТУ, 1998.- 17с.

73. Серый, С.С. Моделирование структуры массива скальных горных пород для прогнозной оценки устойчивости уступов карьера./ С.С. Серый // Горный инф.- аналит. бюлл. 2004. - №5. - С. 106-108.

74. Серый, С.С. Инженерно-геологическое районирование массивов скальных горных пород и прогноз деформаций уступов карьеров / С.С. Серый, В.А. Ермолов, A.B. Дунаев //Горный инф.- аналит. бюлл. 2008. -№5.-С. 157-163.

75. Серый, С.С. Методика изучения структуры массива скальных пород для оценки устойчивости карьерных откосов / С.С. Серый, A.B. Дунаев // Маркшейдерия и недропользование. 2008. - №4. - С. 40-41.

76. Серый, С. С. Опыт применения скважинной видеометрии для изучения структуры массива скальных пород / С.С. Серый, A.B. Кожуховский, Е.Б. Яницкий, A.B. Дунаев // Маркшейдерия и недропользование. 2009. - №3. - С.

77. Смирнов, В.И. Геология полезных ископаемых / В.И.Смирнов. М.:1. Недра, 1989.-326с.

78. Справочник по инженерной геологии. Под ред. М.В. Чуринова. М.: Недра, 1981.-325с.

79. Тагильцев, С.Н. Основы гидрогеомеханики скальных массивов: Учебное пособие / С.Н. Тагильцев. Екатеринбург: изд-во УГГА, 2003. - 88с.

80. Такранов, Р. А. Диаграммы трещиноватости и автоматизация их построения на ЭВМ / P.A. Такранов // Изв. Вузов. Геология и разведка. 1984. - №7. - С. 33-38.

81. Тарасов, Г.Е. Основные проектные решения по развитию карьера Ковдорского ГОКа до глубины 850 метров / Г.Е. Тарасов, С. В. Ивановский, A.JI. Сердюков, М.И. Драя, С. П. Решетняк // Горный журнал. 2007. - №9. -С. 22-25.

82. Ткачук, Э.И. Закономерности вертикальной изменчивости параметров трещиноватости и фильтрационных свойств скальных массивов / Э.И. Ткачук // Инженерная геология. 1992. - №4. - С. 3-26.

83. Теоретические основы инженерной геологии. Механико-математические основы. Под ред. Е.М. Сергеева. М.: Недра, 1986. - 254с.

84. Терновой, В. И. Карбонатитовые массивы и их полезные ископаемые / В.И. Терновой. JL: ЛГУ, 1977. - 167с. * -/ 89. Турчанинов, И. А. Основы механики горных пород / И. А.

85. Токмурзин, О. Т. Статистическое определение необходимого и достаточного количества замеров трещин / О. Т. Токмурзин, В. И. Листьев // Физико-техн. проблема разраб. пол. иск. 1986. - №4. - С. 124-128.

86. Туголуков, A.B. Интенсификация использования природных и техногенных минерально-сырьевых ресурсов / A.B. Туголуков, Ф.Б. Кампель, А.Н. Быховец, C.B. Жабин // Горный журнал. 2007. - №9. - С. 14-19.

87. Турчанинов, И.А. Основы механики горных пород / , И.А. Турчанинов, М.А. Иофис, Э.В. Каспарян. — Л.:Недра, 1989. — 488с.

88. Фисенко, Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов / Г.Л.

89. Фисенко. M.: Недра, 1965. - 324с.

90. Фисенко, Г.Л. Оценка устойчивости бортов глубоких карьеров в скальных породах / Г.Л. Фисенко, Э.Л. Галустьян // Гидротехническое строительство. 1986. - №5. - С. 9-12.

91. Фокин, В.А. Развитие теории проектирования буровзрывных работ на предельном контуре карьера: автореф. дис. на соискание ученой степени докт. техн. наук / В.А. Фокин. Апатиты, 2005. - 45с.

92. Фролов, A.A. Структура и оруденение карбонатитовых массивов / A.A. Фролов. -М.: Недра, 1975. 160с.

93. Фролов, A.A. Карбонатиты и кимберлиты (взаимоотношения, минерагения, прогноз) / A.A. Фролов, A.B. Лапин, A.B. Толстов, Н.Н.Зинчук, C.B. Белов, A.B. Бурмистров. М.:НИА - Природа, 2005. - 540с.

94. Чернышев, С.Н. Трещины горных пород / С.Н. Чернышев. М.: Наука, 1983.-240с.

95. Чернышев, С.Н. Трещиноватость горных пород и ее влияние на устойчивость откосов / С.Н. Чернышев. М.: Недра, 1984. - 111с.

96. Шерман, С.И. Поля напряжений земной коры и геолого-структурные методы их изучения. / С.И. Шерман, Ю.И. Днепровский. -Новосибирск: Наука, 1989. 158с.

97. Шестаков, Ю.Г. Математические методы в геологии / Ю.Г. Шестаков. Красноярск: КГУ, 1988. - 208с.

98. Шпаков, П.С. Метод обратных расчетов при оценке устойчивости карьерных откосов / П.С. Шпаков // Горный инф.- аналит. бюлл. 1997. -№1.-С. 88-92.

99. Юшков, A.C. Кернометрия / A.C. Юшков. М.: Недра, 1989. -224с.

100. Яницкий, Е.Б. Применение фотометодов для изучения структуры массива скальных пород / Е.Б. Яницкий, И.М. Игнатенко, A.B. Дунаев // Геология, география и глобальная энергия. 2009. - №1(32). - С.31-36.

101. Bieniawski Z.T. Case studies prediction of rock mass behauour by thegeomechanics classification. — "Second Australio — Nuv Zealand conference on geomechanics". -1975. -p. 36-41.

102. Hoek E. Methods for the rapid assessment of the stability of three-dimensional rock slopes // Quart.I. Engug. Geol. 1973. - v.6. - N 3-4.

103. Martin D.C., Steenkamp N.S.L., Lill J.W. Application of a statistical analysis technique for design of high rock slopes at Palabora mine, South Africa //MiningLat.-Amer.Pap. Conf. Santiago. London: 1986. - 17-19 Nov.-p.241-255.

104. Pacher F. Beitrag zum Mechanismus des Bruschbildung in gekluteth Medien.-Proc.l-st.Suternet. Congr. Rock Mech, disbon, 1966, v.l

105. Piteau D.R. Stewart A.F., Martin B.C., Trenhcolme B.S. A combine limit equilibrium and statistical analysis of wedges for design of high rock slopes.ASCESpecialityConference. -Denver, Colorado, 1985.

106. Slope stability in Surface Mining Littleton, Colorado, USA, Publ. by SWE,2001.-442p.