Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование изменений юрских глинистых пород КМА под влиянием открытых горных работ

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Сидибе, Сулейман

ВВЕДЕНИЕ

Глава I СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ И

ПРОГНОЗА ИЗМЕНЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД В РАЙОНАХ

ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ . . V.

Глава П ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ И ЩЖШЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Лебединское месторождение.

2.2. Гидрогеологическая характеристика карьера

2.3. Михайловское месторождение.

2.4. Гидрогеологическая характеристика карьера

Глава Ш ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ В ОТКОСАХ

ЛЕБЕЩИНСКОГО И МИХАЙЛОВСКОГО КАРЬЕРОВ

3.1. Общие положения.

3.2. Виды деформаций на карьерах КМА. а) Лебединский карьер б) Михайловский карьер.

3.3. Влияние времени стояния глинистых откосов на развитие деформаций а) Лебединский карьер б) Михайловский карьер.III

Глава 1У ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ЮРСКИХ

ГЛИНИСТЫХ ПОРОД ПОД ВЛИЯНИЕМ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ

РАБОТ . V.

4.1. Характеристика объекта изучения.

4.2. Изменение напряженного состояния юрских глин при разработке месторождения

4.3. Результаты изучения изменений юрских глин Лебединского карьера а) Изучение глин естественного состояния б) Возможные изменения юрских глин в пределах перегруженной зоны. в) Краткая характеристика зоны ведения горных работ (зоны разгрузки).

Глава У ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОГРАНИЧЕНИЮ ИЗМЕНЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД В ОТКОСАХ КАРЬЕРОВ К М А.

А. Участки оформления постоянных бортов

Б. Оползневые участки.

Введение Диссертация по геологии, на тему "Исследование изменений юрских глинистых пород КМА под влиянием открытых горных работ"

Разработка месторождений твердых полезных ископаемых открытым способом приводит к существенному изменению инженерно-геологических условий прилегающих территорий, что влечет за собой большой ущерб окружающей среде, а также снижение технико

Г" - - • экономических показателей хозяйственных предприятий. Изменениям ч подвергаются рельеф и гидрография местности, почвы, полезное ископаемое и вмещающие его горные породы, подземные воды, естественное напряженное состояние горных пород, геологические процессы и явления. Довольно резкое изменение местности происходит в связи с созданием самого карьера (глубина которого достигает 100 и более метров), образованием новых рельефных форм в виде отвалов, гидроотвалов, хвосто- и шламохранилищ, дамб различного назначения, насыпей и выемок для транспортных магистралей и линий электропередач и др. Гидрография местности изменяется в связи с коррекцией речных русел, строительством каналов, созданием искусственных водоемов, заболачиванием и т.д.

Изменения состава, состояния и свойств горных пород в откосах открытых горных выработок и прилегающих к ним территорий имеют существенное отличие от их изменения в естественной обстановке. Эти отличия определяются большой скоростью их проявления, связанной с быстрой и резкой сменой природных условий. Степень и масштаб этих изменений особенно велики в глинистых породах, которые подвергаются разуплотнению, выветриванию и набуханию. С течением времени происходит изменение состава, состояния и свойств пород на искусственных обнажениях, что приводит к снижению устойчивости бортов карьеров и откосов насыпных сооружений. Это вызывает необходимость внесения соответствующих изменений в расчетные характеристики; учитывая большой комплекс цриродных и техногенных факторов. В результате изменения пород на поверхности откосов образуются осыпи,оплывины, оползни, которые являются наиболее распространенными видами деформаций на карьерах, приводящих к уменьшению ширины межступных берм и вы-полаживанию откосов. Такой процесс разрушения и выполаживания создает значительные осложнения црн эксплуатации месторождений. Наибольшее влияние на устойчивость откосов оказывает набухание глинистых пород, которое оцределяется их составом, плотностью, влажностью, напряженным состоянием и условиями увлажнения. Результатом набухания является разупрочнение глинистых пород,которое в конечном итоге приводит к оползневым деформациям. Все изложенное здесь указывает на значительную актуальность исследований изменений природных условий в районе ведения горных работ.

Наличие в бортах карьеров КМА мощной надрудной толщи, сложенной песчаными, глинистыми и мело-мергелистыми легко поддающимися изменению под воздействием горно-технических и природных факторов, породами, а также длительный срок эксплуатации (для Лебединского карьера при добыче богатых железных руд оценивается в 25-30 лет, а при намечающейся комплексной добыче их с железистыми кварцитами цревышает 50 лет) требует изучения и количественной оценки изменений состава, состояния и свойств пород во времени, характера, масштабов и интенсивности возникающих процессов на искусственных обнажениях с целью надежного прогноза устойчивости бортов карьеров и ограничения ущерба горных работ на окружающую среду. В соответствии с целью диссертационной работы были поставлены следующие задачи:

I. Изучение геологических процессов, возникающих на откосах карьеров КМА, и оценка их влияния на ведение горных работ и нарушение геологической среды.

2. Установление закономерностей изменения физико-механических свойств юрских глин под влиянием горных работ, подземных и атмосферных вод.

3. Оценка влияния изменения свойств юрских глин на устойчивость бортов карьеров.

4. Научное обоснование мероприятий по ограничению интенсивности ухудшения условий устойчивости откосов карьеров.

Для решения поставленных задач были проведены следующие исследования:

1. Инженерно-геологическая съемка бортов карьеров с описанием всех нарушений откосных поверхностей с составлением карт пораженности.

2. Составление физической модели бортов карьеров с учетом нового напряженного состояния и потенциальных возможностей разупрочнения глинистых пород.

3. Отбор образцов и исследование на них изменения состава, состояния и свойств юрских глин в црибортовой зоне Лебединского карьера.

4. Аналитические оценки возникающих изменений.

Для выполнения данных исследований нами была принята ме- 1 тодика инженерно-геологической оценки месторождений полезных ископаемых и прогнозирования изменения природной обстановки при их разработке на основе геологического анализа подученной информации в полевых и лабораторных условиях.

На основе проведенных исследований на Лебединском и Михайловском карьерах КМА и в лаборатории кафедры инженерной геологии ЛГИ автору удалось получить следующие научные результаты:

I. Обосновать и выделить в пределах карьерного поля характерные зоны по напряженному состоянию, что позволило разработать физическую модель изменения юрских глинистых пород в процессе ведения открытых горных работ.

2. Количественно оценить пораженность искусственных обнажений наиболее распространенными процессами, а также оценить влияние этих процессов на устойчивость бортов карьера и нарушения прилегающих территорий.

3. Установить закономерности изменения физико-механических свойств юрских глинистых пород после их вскрытия горными работами под влиянием природных и искусственных факторов, что позволило сделать прогноз их поведения и внести соответствующие изменения в расчетные характеристики.

4. Научно обосновать комплекс методов для прогноза изменений глинистых пород при их вскрытии горными выработками.

Известно, что на месторождениях КМА за последние 30 лет проведен большой объем геологических исследований, в том числе получен значительный фактический материал по составу, состоянию и свойствам вскрышных пород, который был нами собран и детально проанализирован. Наблюдения, полевые и лабораторные исследования проводились в течение четырех лет современными методами и аппаратурой. Было отобрано и испытано более 60 образцов юрских глин. Результаты опытов тщательно обработаны, по ним построено большое количество графиков, разрезов, карт, расчетных схем.

Практическое значение работы состоит в том, что по ее результатам создана реальная возможность:

- повысить точность определения свойств глинистых пород с учетом установленных закономерностей их изменения и надежность рекомендуемых параметров откосов карьеров КМА;

- уменьшить площади нарушаемых земель за счет ограничения и предотвращения геологических явлений на откосах карьеров;

- обосновать инженерные мероприятия по обеспечению устойчивости откосов в глинах.

На основе данных исследований были сформулированы следующие защищаемые положения:

1. В результате вс1фытия месторождений изменяется напряженное состояние и создаются большие искусственные обнажения,в результате чего в горных породах возникают новые геологические процессы.

2. Глинистые породы в связи с изменением напряженного состояния и взаимодействия с подземными и поверхностными водами изменяют свое физическое состояние и свойства, что приводит к ухудшению условий устойчивости бортов карьеров.

3. Для предотвращения деформаций в откосах необходимо инженерно-геологическое обоснование мероприятий по обеспечению их устойчивости, что позволяет уменьшить площади нарушенных земель.

Автор выражает искреннюю благодарность всецу коллективу кафедры инженерной геологии Ленинградского горного института, руководимому профессором В.Д.Ломтадзе за постоянную помощь и позитивный интерес к проводимым исследованиям, их обсуждению и описанию.

Автор также глубоко благодарен научному руководителю -доктору геолого-минералогических наук, профессору И.П.Иванову за неустанную помощь, которая во многом сказалась на направленность работы.

Особо хотелось отметить помощь сотрудников НИИКМА М.А.Дер-гилева, Ю.М.Перцовского, Л.П.Нестеренко и др., при проведении полевых исследований.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Сидибе, Сулейман

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрен весьма актуальный вопрос об изменениях в юрских глинистых породах, вызванных открытой разработкой железорудных месторождений КМА и о влиянии этих изменений на устойчивость бортов карьеров, на интенсивность нарушения прилегающих территорий и на условия разработки месторождения.

По результатам выполненных исследований и наблюдений можно сделать следующие научные и практические выводы.

1. Разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом приводит к существенному изменению инженерногеологических условий, что влечет за собой большой ущерб окружающей среде; изменению подвергаются рельеф и гидрография местности, режим подземных вод и др. Особое место занимает образование новых искусственных обнажений горных пород, которые под воздействием природных и техногенных факторов претерпевают существенные изменения состава, состояния и свойств. В глинистых породах в результате их набухания при разгрузке и дополнительном увлажнении подземными и поверхностными водами происходят изменения, которые оказывают отрицательное влияние на устойчивость бортов карьеров, на производительность горнотранспортного оборудования и на безопасность ведений горных работ.

2. На искусственных обнажениях в карьерах подверженных влиянию внешних агентов возникают и интенсивно развиваются различные геологические процессы, среди которых основное место занимают: эрозия, оплывание, осыпание, оползни, суффозии. Наблюдения на Лебединском и Михайловском карьерах позволяют отметить, что в отличие от естественных, геологические процессы в районе ведения горных работ возникают в результате деятельности человека. В частности, они характеризуются большой скоростью и интенсивностью проявления, а также ограниченностью по площади и более разнообразным характером. В результате многолетних наблюдений нам цредставилась возможность выявить их особенности, проследить за тенденцией их развития, оценить степень пораженности откосов, сложенных разными породами.

3. Изменение прочности юрских глинистых отложений в откосах карьеров зависит от их состава, физического и напряженного состояния и,особенно, от возможности дополнительного увлажнения. Для различных участков глинистых откосов, в связи с изменением напряженного состояния особе значение в их разупрочнении приобретает отношение между давлением набухания и нагрузкой от вышележащих пород. Предлагаются критерии оценки возможного набухания в различных частях откоса. Эти критерии должны учитываться в расчетах, что позволит внести поправку при определении различных характеристик, особенно при определении коэффициента запаса.

4. Исследование сопротивления сдвигу юрских глинистых пород с учетом их набухания в различном напряженном состоянии показывает, что в результате разупрочнения их сцепление уменьшается на порядок и более по сравнению со сцеплением, характерным для их естественного природного состояния. Заметное уменьшение наблюдается и для величин угла внутреннего трения.

5. Набухание глинистых пород приводит к изменению характера и абсолютных значений деформаций сдвига. В процессе среза после достижения разрушающего значения деформация сдвига продолжает развиваться с уменьшением к некоторой величине называемой "остаточной" прочностью. Разрушение с явно выраженным эффектом остаточной прочности наблюдается в глинах естественного сложения, а в набухших она переходит в пластическое. Критическая деформация для набухших глин составляет 0,5-4,0 от такой же деформации естественных глин.

6. Полученные результаты дают возможность оценить по новому условия устойчивости бортов карьеров и сделать инженерно-геологическое обоснование по их поддержанию, что позволит уменьшить площади нарушенных земель.

Библиография Диссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Сидибе, Сулейман, Ленинград

1. Сидоренко А.В. Геология наука будущего. М., "Знание", 1964, 63с.

2. Сидоренко А.В. Человек, техника, земля. М., "Недра",1967, 58с.

3. Рациональное использование земной коры. Материалы научного совещания. М., 1972, М.,"Недра",1974,(ВСЕГИНГЕО), П2с.

4. Проблемы инженерной геологии в связи с рациональным использованием геологической среды. Материалы Всес.конференции,Л., ЛГИ,1976.

5. Сергеев Е.М., Баулин В.В., Парабучев И.А. Инженерная геология на ШТ сессии Международного геологического конгресса. Инж.геология,3,1981, "Наука", с.3-9.

6. Охрана окружающей среды цри проектировании и эксплуатации рудников. Ред.В.Н.Мосинец. М., "Недра", 1981, 309с.

7. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М., "Недра", 1965, 378с.

8. Панюков П.Н. Инженерная геология. М., "Недра",1978, 296с.

9. Демин A.M. Закономерности цроявлений деформаций откосов в карьерах. М.,"Наука",1981, 144с.

10. Вопросы инженерно-геологического изучения цроцессов и кор выветривания. М., МГУ, 1971, 358с.

11. Котлов Ф.В. Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека. М., "Недра", 1978, 263с.

12. Коломенский Н.В. Роль человека в выветривании горных пород. Труды Лаб.гидрогеол.проблем АН СССР, 1948,т.3,с.356-359.

13. Коломенский Н.В. Методические указания по изучению процессов выветривания горных пород для инженерно-геологических целей. М., Госгеолтехиздат, 1952.

14. Шадунц К.Ш., Осениц Е.Д., Зоэ Э.Б. Исследование процесса выветривания юрских аргиллитов в лабораторных условиях. Тр.Междунар.конференции "Генетические основы инженерно-геологического изучения горных пород", М., МГУ,1975,с.381-392.

15. Золотарев Г.С. Формирование и физико-механические свойства элювий в различных породах субтропической области ЮЗ склона Б.Кавказа. Тр.Междунар.конференции "Генетические основы инженерно-геологического изучения горных пород", М., МГУ, 1975,с.289-304.

16. Сорочан Е.А. Строительство сооружений на набухающих грунтах. М., Стройиздат, 1974, 224с.

17. Фисенко Г.Л., Иванов И.П.и др. Методическое пособие по изучению ИГУ МПИ. Л., ВНИМИ, 1965, 120с.

18. Иванов И.П. Изменение прочности и деформируемости глинистых пород цри набухании. Труды Всес.конф.по гидрогеологии. Л., ВНИМИ, 1974,с.91-98.

19. Иванов И.П., Иваникова Н.П., Руднева И.Е. Исследование разупрочнения глинистых пород при различных режимах увлажнения. Вест.ЛГУ, № 18, 1978,с.54-60.

20. Иванов И.П. Инженерно-геологические условия МПИ. Л., ЛГИ, 1962, 94с.

21. Литература ко 2-ой части (гл. П-У)

22. Актуальные проблемы инженерно-геологических изысканий. М., 1978,157с. Тр.Гидроцроекта,в.65.

23. Аносова Л.А., Карабанова И.Г., Копылова А.К. Закономерности формирования свойств оползневых отложений. М., 1976.

24. Артемьев В.А. Методика изучения инженерно-геологических условий устойчивости откосов на карьерах. НИИКМА, Белгород, 1968, с.8-19.

25. Бондаренко Н.Ф., Коваленко Н.П. %рн.Инженерная геология, 1982, № 6.

26. Власов М.А., Мануйлов М.И. Исследование устойчивости бортов карьеров КМА. Л., 1970.

27. Вопросы инженерно-геологического изучения процессов и кор выветривания. М., МГУ, 1971, 358с.

28. Тимошков И.А. Определение глубины проникновения иловых растворов в пески и гравий. ВИОГЕМ, в.12,Белгород,1970.

29. Всес.НТС по проблемам гидрогеомеханики в горном деле, гидротехническом и гражданском строительстве. Тезисы докладов, Л., 1974.

30. Горькова И.М. Физико-химические исследования дисперсных пород в строительных целях. М., 1975.

31. Дашко Р.Э., Каган А.А. Механика грунтов в инженерно-геологической практике. М., 1977.

32. Демин A.M. Закономерности проявлений деформаций откосов в карьерах. М., "Наука", 1981, 144с.

33. Денисов Н.Я. О природе прочности глинистых пород.М.,1957.

34. Затенецкая Н.П. Диффузионное выщелачивание глин и его влияние на свойства. М., 1968.

35. Золотарев Г.С. Выветривание глинистых пород Поволжья и его влияние на устойчивость откосов.Сов.геол.,№35,1948.

36. Золотарев Г.С. Формирование и физико-механические свойства элювий в различных породах субтропической области ЮЗ склона Б.Кавказа. Тр.Межд.конференции "Генетические основы инженерно-геологического изучения горных пород",М., МГУ, 1975, с.289-304.

37. Иванов И.П. Изменение прочности и деформируемости глинистых пород при набухании. Труды Всес.конф.по гидрогеологии. Л., ВНИМИ, 1974, с.91-98.

38. Иванов И.П., Иваникова Н.П., Руднева И.Е. Исследование разупрочнения глинистых пород при различных режимах увлажнения. Вестн.ЛГУ,№ 18,1978,с.54-60.

39. Иванов И.П. 0 методике определения прочности глин при срезе. Труды геол.Болгарии, 1964.

40. Иванов И.П. Определение показателей сопротивления сдвигу грунтов, характеризующих их естественную прочность. Труды Всес.конф.по гидрогеомеханике,Л.,1974.

41. Иванов И.П. Инженерно-геологические условия МПИ. Л.,ЛГИ, 1982, 94с.

42. Изменение инженерно-геологических свойств грунтов в связи с их обводнением. Киев,1970.

43. Ильин А.И., Будков В.М. К вопросу оценки степени устойчивости уступов, бортов карьеров. Труды ВИ0ГЕМ,в.№ 12. Белгород, 1970.

44. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия района КМА (Применительно к разработка месторождений открытым спосбом). Коллектив авторов. Тр.Лаб.гидрогеологич. проблем им.Ф.П.Саваренского,т.ХХУШ,М.,АН СССР,М.,1960.

45. Инженерно-геологическая характеристика юрских пород КМА в связи с условиями их формирования. АН СССР,Лаб.гидро-геологич.проблем. М., изд.АН СССР, 1963.

46. Истомина B.C. Изменение состава и деформационного поведения глин при оползневых процессах. М., 1966.

47. Истомина B.C. Фильтрационная прочность глинистых грунтов. М., 1975.

48. Истомина B.C. Фильтрационная устойчивость грунтов. М., Госстройиздат, 1957.

49. Кагермазова С.В. Показатели процесса выветривания пород в откосах карьеров и методика их оцределения. Ш Регион, совещание по инженерной геологии недр. 1966.

50. Кацнельсов Н.Н., Никольская Н.М., Иванов И.П. Определение углов сдвижения и расчеты осадки пород от водопонижения на Яковлевском железорудном месторождении. ВНИМИ,Л.,1961.

51. Климентов П.П., Овчинников A.M. Гидрогеология месторождений твердых полезных ископаемых. Недра, 1966.

52. Коломенский Н.В. Методические указания по изучению процессов выветривания горных пород для инженерно-геологических целей. М., Госгеолтехиздат,1952.

53. Колрменский Н.В. Роль человека в выветривании горных пород. Труды Лаб.гидрогеол.цроблем АН СССР, 1948, т.З,с.356-359.

54. Комаров И.С. Накопление и обработка информации при инженерно-геологических исследованиях.

55. Коробанова И.Г., Бочарова И.С., Зубкович Г.Г. и др. Инженерно-геологическая характеристика юрских пород КМА в связи с условиями их формщювания. АН СССР, Лаб.гидрогеол.цроблем. М., изд.АН СССР, 1963.

56. Коробанова И.Г. Инженерно-геологические свойства юрских глин некоторых районов КМА в связи с условиями их формирования и залегания. Тр.совещ.по инженерно-геолагич.свойствам горных пород и методам их изучения.Т.I,изд.АН СССР, 1958.36