Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Закономерности формирования инженерно-геологических условий рудных месторождений горно-складчатых областей и оценка их изменений при техногенном воздействии

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Закономерности формирования инженерно-геологических условий рудных месторождений горно-складчатых областей и оценка их изменений при техногенном воздействии"

• V»' Ч' -

Всероссийский научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО)

На правах рукописи УДК 624.131.1:551.3.053

КУЗЬКИН ВЯЧЕСЛАВ ИВАНОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИНЖЕНЕРИО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРНО-СКЛАДЧАТЫХ ОБЛАСТЕЙ И ОЦЕНКА ИХ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Специальность 04.00.07. Инженерная геология, < мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Москва, 1996

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО].

Официальные оппоненты: доктор геолого-мннералогических наук,

профессор С.Н. Чернышев;

доктор геолого-мннералогпческпх наук, Л.В. Шаумян;

доктор технических наук профессор С .Е.Чирков.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский, проектный и конструкторский институт металлургии цветных металлов (Типроцветмет).

. защита диссертации состоится' МАР/Т7А 199^ г. в 10 час. на заседании специализированного совета Д.071.11.01 по присуждению ученой степени доктора Геолого-мннералогических наук при ВСЕГИНГЕО по адресу: 142452, Московская обл.. Ногинский район, пос. Зеленый. ВСЕГИНГЕО.

Просим Вас принять участие в работе спецсовета или прислать Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные подписями и печатью, по указанному адресу на имя ученого секретаря.

О диссертацией можно о-знаком-иться в библиотеке ВСНГИНГНО.

Автореферат разослан "ЯНВАРЯ \99fi.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-мннералогических наук

ИМЦьшина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. С возрастанием в последние годы глубин разработки рудных месторождений в горно-складчатых областях все чаще приходится встречаться с проявлением неблагоприятных инженерно-геологических процессов и явлений, связанных с зонами ослабления природного и техногенного типа, при обнажении их в подземных горных выработках и бортах, карьеров.

С техногенным типом зон ослабления связан процесс техногенного выветривания, возникающий и развивающийся в процессе горных работ на сульфидных месторождениях, где увеличение аэрированности массивов пород приводит к интенсификации процесса окисления и, как следствие, к агрессивности подземных вод к горным породам и горно-техническому оборудованию.

В этих условиях возникает необходимость разработки и совершенствования методик и методов изучения этих процессов, своевременного их прогнозирования на стадии геологоразведочных работ, а также обоснования планирования эффективных защитных мероприятий в целях снижения негативного влияния указанных процессов на условия эксплуатации.

Цель и задачи работы, объекты исследований. Главная цель настоящей работы состояла в разработке основных научных методологических положений, являющихся основой дальнейшей разработки теории инженерно-геологического прогнозирования условий эксплуатации рудных месторождений, включающих выявление влияния факторов природного и техногенного характера в различных гелого-структурных условиях (в том числе установление механизма и физической природы процесса техногенного выветривания), используемых для его прогноза при вскрытии горных массивов.

В соответствии с целью исследований в задачи работы входило:

1. Выявление влияния зон и поверхностей ослабления природного и техногенного характера в массивах пород на условия эксплуатации рудных месторождений различных горно-складчатых регионов с помощью современных методов исследований, установление закономерностей формирования инженерно-геологических условий, где определяющим фактором является разрывная тектоника.

2. Исследование процесса техногенного выветривания как в массиве, так и в лабораторных условиях, установление механизма и физической природы процесса с позиций механики скальных пород различного генезиса.

3. Усовершенствование методики количественной оценки инженерно-геологических показателей, используемых при прогнозе устойчивости и инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений.

Объектами исследований явились 21 разведуемое месторождение, расположенное в различных горно-складчатых областях (Южный Урал, Заилийский Ала-Тоо, Рудный Алтай, Енисейский кряж, Могочинский ан-тиклинорий, Малый Хинган). Использование в проводимых исследованиях, наряду с разведуемыми объектами, результатов по более чем 50 эксплуатируемым месторождениям-аналогам способствовало повышению эффективности работ на стадии проектирования.

Научная новизна и основные защищаемые положения.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

♦ установлены закономерности формирования инженерно-геологических условий массивов пород рудных месторождений различных горноскладчатых областей в зависимости от состояния, строения и свойств, где определяющим фактором являются зоны ослабления, представлен-

иые разрыптюн тектоникой, обуславливающей блочность массива и ее региональные особенности;

«■ разработана специальная методика прогнозного пнясенерно-гсологического районирования массивов порол рудных месторождении. Предложена инженерно-геологическая типизация зон и'поверхностен ослабления. где сложность услоинн определяется их генетическим iiin:>.\! и орпснпцюпкоп относительно вырабап.таемого пространства;

<- разработана методика шгкснсрио-геологического изучения, опенки состоя! и 1я и споисти пород зон ослабления с комплексным использованием геофизических меголол (телефозокл ротах;, акустические) как и пределах техногенного влияния подземных горных выработок, та;; и ¡síse этого влияния;

* разработана методика лабораторного вещественного моделирования процесса техногенного выветривания па сульфидных месторождениях, основанная па анализе условии его возникновения и развития, позволившая обосновать критерии геологического подобия и условия соответствия при моделировании указанного процесса;

* установлен механизм л физическая природа процесса техногенного выветривания с позиции механики скальных пород, основанный на сравнительном анализе прочностных свойств различных типов пород до и после взаимодействия с растворами разного состава и кислотности, при различных режимах;

* исследована достоверность результатов изучения свойств пород в процессе техногенного выветривания, обеспечиваемая использованием комплекса методов (геомеханических, геофизических, растровой электронной микроскопии, рентгеноскопии, специальных петрографических), позволивших оценить изменения минерального состава, структуры, трещинной' и поровой пустотности пород, обусловившие эффект снижения прочности;

• разработана оригинальная методика эксперимента, предусматривающая исследование природных образцов пород в естественном состоянии н с предварительным созданном искусственной трещиновато стп различной интенсивности: эта методика позволила моделировать дне техногенные зоны, возникающие и о круг горных пыработок после п.ч проходки. а также напряженное состояние породи этих зонах, используя n3niiMo.'KÍic!;;:ie раегкороп с породой непосредственно мод нагрузкой;

< показан:1, правомерность пепольчоиаппи метода лабораторного моделирования ¡WA оценки и прогноза процесса техногенного ныпетршкшпя гор:и.!х пород, как при разработке сульфидных месторождении. так н для оценки устопчпкосш различных горных выработок;

+ разработана методика количественно» оценки пнжеиерпо-геолопI4CCKI ix показателен, используемых при прогнозе устойчивости н инженер!ю-гсологическпх условии эксплуатации месторождении. Установлены показатели, позволяющие прогнозировать интенсивность процесса техногенного выветривания.

Основными защищаемыми положениями, подтвержденными практикой, являются следующие:

• пространственно-временные закономерности формирования инженерно-геологических. условий рудных месторождений п горно-складчатых областях обуславливаются влиянием региональных факторов (сейсмичность, напряженное состояние массива, состав и свойства пород и руд, особенности техногенеза), где определяющей является разрывная тектоника, формирующая блочность массива;

• методика комплексного изучения, оценки и прогноза инженерно-геологических условий рудных месторождений в .горно-складчатых областях, включающая полевые и лабораторные методы, в том числе вещественное моделирование процесса техногенного выветривания, установление его механизма и физико-химической природа;

• установленные количественные оценки снижения прочности пород в процессе техногенного выветривания основных генетических типов пород в условиях их взаимодействия с рудничными водами различного состава и рН при моделировании.

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. Результаты исследований (по 21 разведуемому объекту) непосредственно использовались при оценке запасов и явились составной частью отчетов с подсчетом запасов для ГКЗ в геологических организациях (Оренбургское ТГУ, Фрунзенское ПГО, Восточно-Казахстанское ТГУ, Дальневосточное ГГУ, ПГО Красноярскгеология, ПГО Читагеология); результаты исследований на эксплуатируемых объектах использовались горнодобывающими предприятиями (Гайский ГОК, Зыряновский ГОК, Ак-Тюзский ГОК, Учалинский ГОК, Горевский ГОК). В целом, полученные результаты использовались при проектировании разработки рудных месторождений указанных ранее регионов (Унипромедь, Востказгипроцвет-мет, Красноярскгипроцветмет).

Результаты вскрытия массива пород месторождений горнодобывающими предприятиями показали высокую сходимость прогнозных и фактических показателей, что способствует активному использованию методов и методик, разработанных автором.

Установление механизма и физической природы процесса техногенного выветривания с количественной оценкой прочности, являющегося основным расчетным показателем, позволило уже в настоящий момент использовать результаты исследований на медноколчеданных месторождениях Южного Урала (Учалинский ГОК), что создает возможность снизить эффект негативного влияния указанного процесса на устойчивость.

Научно-методические и технические разработки постоянно используются и могут внедряться в практику в дальнейшем при изучении инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений, а также в процессе горног о, гражданского и промышленного строительства.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены: на Международном симпозиуме по подземным водам (Испания, Гренада, 1985 г.), на Всесоюзном симпозиуме по влиянию геологических факторов на свойства и состояние массивов скальных пород (КФ АН СССР, Апатиты, 1974 г.), на V Всесоюзном симпозиуме по кинетике и динамике геохимических процессов (АН СССР, Черноголовка, 1989 г.), на конференции по применению геофизических методов для изучения скальных оснований (АН СССР, Солнечногорск, 1985 г.), на X Всесоюзном семинаре по использованию новых геофизических методов для решения инженерно-геологических и геокриологических задач (НТО АН СССР, ВСЕ-ГИНГЕО, 1989 г.), на Международном симпозиуме по гидрогеологии и экологии (Санкт-Петербург, 1993 г.), на конференции по проблемам охраны окружающей среды районов Урала (Свердловск, 1988 г.), на конференции по методам оценки напряженного состояния массивов горных пород при разработке месторождений Урала (Свердловск, 1987 г.), на Российском совещании по гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии месторождений полезных ископаемых (Екатеринбург, 1994 г.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГРИ (1975 - 1993 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы.

Исходные материалы, методика выполнения работ и личный вклад.

В основу диссертационной работы вошли исследования, выполненные автором в течение 30 лет во Всероссийском научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии, в основном в рамках хоздоговорной тематики в шести регионах страны, и госбюджетной - по эксплуатируемым объектам в горно-добывающих районах этих регионов (всего более 50 месторождений).

Работы велись в трех направлениях:

1) региональное изучение (особенности регионального формирования) инженерно-геологических условий рудных месторождений в различ-

пых горно-складчатых областях (Южный Урал, Рудный Алтай, Малый Хинган, Заилииский Ала-Тоо, Енисейский кряж, Могочинский антиклино-рий);

2)изучение процесса техногенного выветривания как в массиве, так и с использованием вещественного лабораторного моделирования;

3)методические и теоретические разработки по типологическому прогнозированию инженерно-геологических условий рудных месторождений, в том числе и процесса техногенного выветривания.

Степень достоверности научных положений, выводов и методических рекомендаций обоснована обширным фактическим материалом, полученным лично автором при изучении, оценке и прогнозу инженерно-геологических условий эксплуатации 21 рудного месторождения по данным разведки, с использованием показателей по эксплуатации свыше пяти десятков месторождений в горнопромышленных районах Южного Урала, Рудного Алтая, Ак-Тюзского рудного поля, Малого Хингана, Енисейского кряжа, Могочинского антиклинория.

Повышению достоверности научных положений и полученных автором результатов способствовали обширные многолетние комплексные исследования как в массиве, так и в лабораторных условиях, с проведением и обобщением натурных исследований как на разведуемых, так и эксплуатируемых месторождениях, в том числе и по проблеме вещественного моделирования процесса техногенного выветривания.

Достоверность методических и теоретических разработок автора подтверждается проверкой инженерно-геологических прогнозов, проведенных на стадии разведки по результатам вскрытия этих участков массива пород в процессе эксплуатации.

Кроме фактических материалов, полученных лично и при непосредственном участии автора, при работе над диссертацией были использованы многочисленные публикации по вопросам инженерной геологии, гид-

рогеологни, механики скальных пород, грунтоведения, методам и методикам инженерно-геологического прогнозирования.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, сгруппированных в три части, и заключения.

В первой части (главы 1 - 3) излагаются методика, методы и результаты полевых и лабораторных инженерно-геологических исследований, используемых при изучении, оценке и прогнозировании инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений и техногенного воздействия на них. Рассматриваются закономерности формирования инженерно-геологических условий рудных месторождений в горноскладчатых областях. Детально по каждому объекту анализируется ведущий фактор формирования условий - разрывная тектоника.

Во второй части (главы 4 - 7) излагаются методика и результаты лабораторного моделирования процесса техногенного выветривания пород на сульфидных месторождениях, выполненного в целях изучения механизма и физической природы процесса техногенного выветривания с позиций механики скальных пород.

В третьей части (глава 8) изложены положения по совершенствованию методики изучения природных и техногенных факторов (в том числе процесса техногенного выветривания), используемых при прогнозе устойчивости и сложности инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений (решение прямой задачи). Приведены результаты проверки инженерно-геологических прогнозов (решение обратной задачи).

Диссертацию завершают выводы и список литературы, включающий 200 наименований. Работа изложена на 324 страницах машинописного текста, который иллюстрируется 67 схемами, каргами, разрезами, трафиками, фотографиями и 13 таблицами.

Работа выполнена в лаборатории инженерной геологии месторождений полезных ископаемых ВСЕГИНГЕО и закончена в лаборатории гидрогеохимии.

При проведении экспериментальных полевых и лабораторных исследований в течение ряда лет автору помогали: Г.А. Волков. В.Н. Криканов,

A.B. Павлов, В.З. Рубешдан, М.В. Кочетков, A.B. Трушин, Г.Н. Кашковский, Н.В. Колодина, В.А. Парамонов, Д.В. Сироткин, а также Л.А. Ярг, М.А. Макеичева (MITA), Б.Д. Львов (Красноярское ГУ),

B.И. Белянин (Восточно-Казахстанское ГУ), в оформлении работы -К.С. Галочкина, С.Г1. Левицкая, В.И. Лившиц, которым автор приносит глубокую благодарность.

На различных этапах исследований автор неоднократно обсуждал дискуссионные положения и пользовался советами профессоров:

C.Р. Крайнева, С.Е. Гречищева, В.В. Фромма, Е.М. Пашкина, Г.К. Бонда-рика, В.В. Пендина, которым автор выражает искреннюю признательность.

Особые чувства признательности автор выражает профессору, доктору геолого-минералогических наук Г.Г. Скворцову и кандидату геолого-минералогических наук C.B. Николаеву - основателям проблемы инженерной геологии рудных месторождений во ВСЕГИНГЕО, оказавшим большое влияние на формирование взглядов автора по рассматриваемым в диссертации вопросам.

ЧАСТЬ 1

ФОРМИРОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В ГОРНОСКЛАДЧАТЫХ ОБЛАСТЯХ

Глава 1. Состояние проблемы, постановка задачи и объект исследований

В течение последних 25 - 30 лет в нашей стране были созданы основы инженерно-геологического прогнозирования условий строительства подземных и открытых горных выработок. Этот период отмечен развитием методологии инженерно-геологического прогнозирования, условий эксплуатации месторождений как подземным, так и открытым способом, что отражено в работах Г.А. Голодковской (1976 г.), В.Т. Глушко (1974 г.), В.Д. Ломтадзе (1986 г.), П.М. Панюкова (1969 г.), Г.Г. Скворцова (1975 г.), Е.М. Сергеева (1975 г.), Б.В. Смирнова (1976 г.), В.В. Фромма (1977 г.), Л.В. Шаумян (1972 г.), Л.А. Ярг (1986 г.).

Немаловажное значение для развития проблемы инженерно-геологического прогнозирования имеют работы многих исследователей по использованию методов прогнозирования для конкретных инженерно-геологических условий строительства (В.Т. Глушко, В.Д. Ломтадзе, 1986 г.; Е.М. Пашкина, 1981 г.; Г.Г. Скворцова, 1975 г.; Б.В. Смирнова, 1986 г.; Г.Л. Фисенко, 1976 г.; Н.С. Булычева, 1982 г.; Л. Мюллера, 3. Бенявски, 1973 г.; Н. Бартона, 1974 г.).

В становлении и развитии методологии оценки и прогноза инженерно-теологических условий разработки месторождений немаловажную роль сыграли работы Г.Л. Фисенко (1967 г.), М.Б. Сыроватко (1960 г.), C.B. Николаева (1975 г.), Ю.М. Малюшицкого (1957 г.). Разработке методики инженерно-геологических прогнозов на месторождениях, расположенных в

зоне многолетней мерзлоты, посвящены работы П.Ф. Швецова (1972 г.), В.П. Бакакина (1958 г.). Н.Г. Бобова (1986 г.).

За последние годы рядом организаций накоплен значительный опыт инженерно-геологического изучения месторождений полезных ископаемых, находящихся в сложных природных условиях и залегающих на больших глубинах. Составлен ряд методических разработок по инженерно-геологическому изучению твердых полезных ископаемых при их разведке (МГУ, 1979 г.; ВСЕГИНГЕО, 1969, 1970, 1977, 1986 гг.; ВНИМИ, 1965 г.).

Вместе с тем нельзя признать, что методика инженерно-геологических исследований при разведке месторождений полезных ископаемых разработана в достаточной мере. Особенно много нерешенных проблем возникает при инженерно-геологическом изучении, оценке и прогнозе условий отработки рудных месторождений в горно-складчатых областях, и. в частности, глубоких горизонтов этих месторождений, осложненных интенсивной разрывной и пликативной тектоникой.

Наиболее актуально в последние годы прозвучала проблема оценки локальных и региональных техногенных изменений природной среды и прогноза этих изменений (В.М. Гальперин, В.Г. Зотеев, И.П. Иванов, Г.Г. Скворцов, H.A. Турчанинов, М.А. Иофис, Э.В. Каспарьян, 1976 г.). Весьма важные результаты получены рядом исследователей, указывающих на то, что горнодобывающая деятельность обладает триггерным эффектом, "вовлекая в работу" горные массивы, несоизмеримые по размерам с областью непосредственного техногенного влияния (В.Н. Родионов, 1979 г., A.C. Зайцев, М.Н, Бучкин, 1984 г., Г.Д. Панасенко, 1983 г.). В связи с этим для совершенствования методики инженерно-геологических исследований имеет значение использование опыта проведения таких работ на ряде рудных месторождений в крупных горнодобывающих районах, имеющих сложные инженерно-геологические условия эксплуатации.

Одной из важнейших задач оценки инженерно-геологических условий при разведке месторождений является прогнозирование возможности,

времени, места возникновения инженерно-геологических процессов и явлений, влияющих на работу добывающих предприятий и оказывающих негативное воздействие как непосредственно на окружающую среду, так и эко-геологические условия горнодобывающего района в целом. При этом, объектами прогнозов являются разнообразные процессы и явления, возникающие в процессе эксплуатации месторождений.

Инженерно-геологические прогнозы выполняются (в том числе диссертантом) различными методами: сравнительно-геологическими, расчетными, моделирования (A.A. Махорин, 1985 г.).

Рассмотрение существующих методов изучения и прогноза инженерно-геологических процессов показывает, что каждый из них имеет определенные ограничения или допущения, что связано с большой сложностью и многофакторностью развития изучаемых процессов.

Основным методологическим принципом инженерно-геологического прогноза должно являться использование системного подхода, позволяющего прежде всего определить соотношение и последовательность использования методов прогноза. Так, на первом этапе прогнозирования необходимо определить типы и направленность развития процессов сравнительно-геологическими методами. Затем, привлекая методы физического моделирования (в нашем случае - физико-химического моделирования) и расчетные, выполняют приближенно количественные прогнозы, которые уточняются при вскрытии массива пород месторождений подземными горными выработками или карьерами (Е.М.Пашкин, 1981 г.).

По Г.Г. Скворцову, научную основу инженерно-геологического прогнозирования составляют учет и оценка факторов, использование закономерных связей между этими факторами, самими процессами и явлениями, подлежащими предвидению. При этом само прогнозирование включает в учет природных и техногенных факторов, выявленных на конкретных объектах инженерно-геологического изучения и оценки, получение, переработку и обновление информации об этих факторах, выделение ведущих из

них для конкретных геосистем изучаемого массива. Таким образом, процесс прогнозирования подразделяется на два этапа (Е.М. Пашкин, 1981 г.). На первом этапе обобщаются наблюдения, разрабатывается методика сбора и обработки информации по устойчивости пород в эксплуатационных горных выработках. На втором этапе разрабатывается сама методика прогнозирования.

Предложенный подход связан не столько с большим разнообразием природных (геологических) и техногенных факторов, влияющих на устойчивость пород, сколько с тем, чтобы показать , что в процессе взаимодействия массив горных пород - горная выработка, возрастает роль самого прогнозирования и количественной оценки параметров этого взаимодействия.

Анализ литературы по проблеме показывает, что несмотря на достижения в совершенствовании методики прогноза ипжснсрно-i «»логических условий эксплуатации месторождений, отмечается отставание уровня экспериментальных и методических разработок по количественной оценке отдельных природных и техногенных факторов на предпроектной стадии. Это тормозит прогнозирование неблагоприятных инженерно-геологических процессов и явлений во времени и пространстве, особенно для рудных месторождений горно-складчатых областей.

Перечисленные вопросы определили характер, задачи и объемы исследований. Методологической основой указанных исследований явился комплексный подход к решению проблемы путем изучения природных и техногенных факторов как непосредственно в массиве с использованием современных геофизических методов, так и путем экспериментальных лабораторных исследований процесса техногенного выветривания на базе сульфидных месторождений из различных горно-складчатых областей.

Уровень современного состояния рассматриваемой проблемы определяет необходимость решения следующих задач:

Г) Обобщение и анализ фактического материала, отражающего влияние геолого-структурных, тектонических особенностей скальных массивов на формирование инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений горно-складчатых областей, с учетом техногенного воздействия.

2) Выявление закономерностей формирования инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений в горноскладчатых областях, установление ведущего фактора.

3) Совершенствование методики изучения природных и техногенных факторов на базе современных методов исследований как в пределах зон техногенного влияния, так и вне их.

4) Разработка методики экспериментального изучения, оценки и прогноза техногенного выветривания.

5)Установление механизма и физической природы процесса техногенного выветривания с позиций механики скальных пород на основе экспериментальных исследований прочности пород до и после взаимодействия с растворами.

6) Разработка основных положений методологии прогноза инженерно-геологических условий рудных месторождений горно-складчатых областей с учетом природных геологических особенностей, техногенного воздействия и количественной оценки показателей, определяющих сложность условий и устойчивость пород при эксплуатации.

Глава 2. Особенности инженерно-геологических условий рудных месторождений в горно-складчатых областях

Освоение рудных месторождений горно-складчатых областей, в том числе и тех, где автором проводились инженерно-геологические исследования (Южный Урал, Заилийский-Ала-Тоо, Малый Хинган, Рудный Ал-

тай, Енисейский кряж, Могочпнский антиклинорий), связано со сложными г еологическими условиями, предопределяющими решение сложных горнотехнических вопросов, которые обусловлены формированием как природных, так и техногенных факторов.

Теоретическими основами инженерно-геологических исследований являются представления о том, что современные инженерно-геологические условия формируются на протяжении всей геологической истории развития района и контролируются этой историей. Из этого положения следует, что все основные инженерно-геологические показатели тесно связаны с геолого-етруктурными, историко-генетическими. палеогеографическими, современными климатическими особенностями той или иной территории (Г.А. Голодковская, 1975 г.). Указанная взаимосвязь и функциональная зависимость определяют методическую основу инженерно-геологических исследований вообще, и территорий указанных месторождений, в частости.

Именно геолого-структурный анализ с акцентом на разрывную тектонику, обуславливающую блочное строение массива, положено в основу прогнозного инженерно-геологического районирования рудных месторождений горно-складчатых областей. Это положение позволяет выделить инженерно-геологические массивы горных пород, характеризующиеся общностью строения, вещественного состава, трещиноватостью, физико-механическими свойствами, неоднородностью, обводненностью и состоянием пород. Тесная связь формаций с тектоническими структурами, контролирующими их образование, позволяет установить особенности геологического строения, характер тектонической нарушенности слагающих пород и наиболее обоснованно подойти к инженерно-геологическому районированию массива пород месторождения, в том числе и по устойчивости.

Все изложенные теоретические и методические положения составляют основу закономерностей формирования инженерно-геологических условий рудных месторождений горно-складчатых областей.

Неблагоприятные инженерно-геологические процессы и явления связаны, в абсолютном большинстве случаев, с имеющимися в массиве горных пород зонами и поверхностями ослабления различного генезиса, и особенно с разрывной тектоникой различного порядка - ведущим фактором, определяющим сложность инженерно-геологических условий эксплуатации и устойчивость пород в открытых или подземных выработках.

Приведенные материалы по ряду рудных месторождений из различных регионов, приуроченных к горно-складчатым областям (Енисейский кряж, Могочинский антиклинорий, Южный Урал, Рудный Алтай, Малый Хинган, Заилийский Ала-Тоо), показали, что сложность инженерно-геологических условий таких месторождений в первую очередь определяется наличием зон и поверхностей ослабления, в частности, разрывной тектоникой различного порядка. Степень сложности этих условий или устойчивости пород в массиве обуславливается видом и характером распространения зон и поверхностей ослабления в массиве пород месторождения как по площади, так и по глубине.

По мнению автора, это положение представляет собой основную закономерность формирования инженерно-геологических условий рудных месторождений указанных горно-складчатых областей.

Все охарактеризованные в данной главе массивы рудных месторождений различных горно-складчатых областей имеют разрывную тектонику различного порядка. Приведенные особенности формирования инженерно-геологических условий рудных месторождений различных горноскладчатых областей показали, что хотя на каждом из них выделено 4 - 5 классов по инженерно-геологической сложности участков массива, они совершенно не идентичны между собой, что обуславливается сочетанием и весом каждой категории сложности и сложностью инженерно-геологических условий месторождения в целом. Эта особенность и определяет отнесение того или иного рудного месторождения к соответствующей

категории сложности инженерно-геологических условий согласно существующей типизации месторождений твердых полезных ископаемых.

Сочетание и вес категории инженерно-геологической сложности отдельных участков массива пород месторождения, как показали приведенные ранее примеры, определяются видом и характером распространения зон и поверхностей ослабления, представленных в большинстве своем разрывной тектоникой различного порядка как по площади, так п на глубине массива пород. Указанные зоны н поверхности ослабления, с увеличением глубины разработки рудных месторождений в горно-складчатых областях, приводят к существенному перераспределению поля напряжений, что, в свою очередь, при эксплуатации подземным или открытым способом обуславливает обрушения, оползания, вывалы в массиве пород и возникновение новых процессов (таких как техногенное выветривание), снижающих свойства пород, а следовательно, и их устойчивость в массиве.

Характеристику разрывной тектоники различного порядка на каждом участке месторождения следует рассматривать в тесной увязке с пли-кативной тектоникой того же порядка. Местоположение отдельных участков тектонического нарушения в элементах складчатой структуры будет, как показывает опыт изучения, определять мощность, степень дробления и свойства пород как самого разлома, так и участков, непосредственно к нему примыкающих.

Именно характер тектонической раздробленности массива пород рудного месторождения, обуславливающей блочное строение массива пород, определяет степень сложности инженерно-геологических условий и основную закономерность их формирования и является основным принципом разработанной типизации рудных месторождений горно-складчатых областей по степени сложности инженерно-геологических условии при эксплуатации, в том числе и региональных типизации.

В процессе инженерно-геологических исследований автором проводилась и крупномасштабная инженерно-геологическая типизация на от^

дельных рудных месторождениях с выделением инженерно-геологических участков, в пределах которых выявлялись инженерно-геологические элементы.

Хотя принципы районирования массива пород рудных месторождений определяются разрывной тектоникой, в каждом регионе есть фактор, являющийся одним из основных, (и весьма существенным) для данного региона.

Так. например, большинство рудных месторождений горноскладчатых областей приурочены к сейсмически активным районам согласно карты сейсмического районирования, где вероятность проявления землетрясений характеризуется геологическим возрастом. Именно в регионе Заилийского Ала-Тоо, расположенного в наиболее молодой горноскладчатой области, установлена сейсмическая активность тектонических нарушений различного порядка (ИФЗ АН Киргизии), приводящая к перераспределению составляющих напряженного состояния. Этот фактор обусловил повышенную мощность зон дробления и оперяющей трещинова-тости, степень и характер дробления пород и строение самих дизъюнкти-вов. Таким образом, фактор сейсмичности, обуславливающий структуру и состав тектонических нарушений, для месторождений Ак-Тюзского рудного поля является одним из основных, определяющих сложность инженерно-геологических условий.

Месторождения региона Южного Урала сложены в основном прочными изверженными породами. Но, по существу, одним из ведущих факторов является напряженное состояние массива пород, обусловленное относительно низкими значениями компонентов поля напряжений. Недостаточно широкое развитие глинистого заполнителя в зонах тектонических нарушений в хрупких и прочных породах способствует повышенным во-допритокам в горные выработки, увеличивающимся с глубиной.

Состав пород и руд месторождений Енисейского кряжа и Малого Хингана, представленных карбонатной толщей, обуславливает повышен-

пую мощность линейных кпр выветривания, достигающую вблизи тектонических нарушений и участков их пересечения 270 м. т.к. дробление карбонатной толщи предопределяет повышенную степень ее выветривания в климатических условиях указанных регионов.

Из техногенных факторов, формирующихся в процессе отработки сульфидных месторождений, особенно на глубинах 400 - 800 м и более, существенно повышается влияние на условия эксплуатации процесса техногенного выветривания. Наиболее активно данный процесс протекает гга участках массива прочных пород и медноколчеданных руд Южного Урала, на участках массива полиметаллического оруденения Рудного Алтая, представленных пирит-халько-пиритовыми рудами. Техногенная трещи-новагость, возникающая прн ведении буровзрывных работ, особенно на участках тектонических нарушений, при взаимодействии с кислыми водами резко снижает прочность пород - основной расчетный показатель устойчивости.

Достоверность установленных закономерностей формирования инженерно-геологических условий обеспечивается объемным фактическим материалом по количественной и качественной оценке природных и техногенных факторов.

В пределах горнодобывающих районов по инженерно-геологическим показателям выделялись рудные ноля, где рудные месторождения характеризовались близкими структурно-тектоническими условиями. В пределах горно-складчатой области, например Рудного Алтая, выделялись геоструктурные блоки с инженерно-геологической оценкой геолого-структурных условий отдельных горнодобывающих районов. В пределах горно-складчатого региона, например Юго-Западного Алтая, по геолого-структурному признаку с оценкой основных инженерно-геологических факторов проводилась типизация по каждому геоструктурному блоку всего горно-складчатого региона. Именно на таких принципах районирования разрабатывалась региональная типизация рудных месторождений

Юго-Западного Алтая по степени сложности инженерно-т еологических условий их разработки.

Накопленный автором опыт составления инженерно-геологических типизации, где в качестве самостоятельных таксономических единиц выделялись регионы, области, районы, подрайоны, а при крупномасштабном районировании самого месторождения - его участки и элементы, учтен при составлении общей типизации рудных месторождений горно-складчатых областей по степени сложности инженерно-геологических условий при их разработке. Все вышеизложенное позволяет считать, что автором в достаточной мере учтены принципы инженерно-геологического районирования, разработанные И.В. Поповым (1961 г.), а в дальнейшем конкретизированные Г.Г. Скворцовым (1973 г.), Г.А. Голодковской и Л.В. Шаумян (1975 г.). При этом следует заметить, что Л.В. Шаумян (1988 г.) наиболее близко подошла к вопросу типизации массивов с разрывной тектоникой, где в инженерно-геологической классификации массивов ею в самостоятельную группу выделены "массивы горных пород в зонах тектонических нарушений". Это положение активно разрабатывается диссертантом при оценке закономерностей формирования инженерно-геологических условий с целью их прогноза.

Глава 3. Усовершенствование методики изучения компонентов инженерно-геологических условий с учетом техногенных воздействий на основе геофизических методов

Автором предложена методика использования телефогокаротажа (по Н.П. Баталову и др.) при инженерно-геологическом изучении и оценке зон ослабления, представленных участками тектонических нарушений и повышенной трещиноватости. Применение этого метода, позволяющего оценить ориентировку поверхностей ослабления различного генезиса, их количество и раздробленность массива пород в пределах зон тектонических

нарушений, делает его наиболее эффективным при инженерно-геологическом изучении раздробленности массива пород в целом.

Использование данного метода на полиметаллических месторождениях Рудного Алтая и Енисейского кряжа, для которых общим в структз'р-но-тектоническом плане является наличие крутопадающих тектонических нарушении, определяющих ориентировку основных систем трещин, позволило провести оценку трещиноватости пород, полученную по результатам документации подземных горных выработок, карьеров, инженерно-геологической и фотодокументации керна скважин. При сравнительном анализе результатов количественной оценки трещиноватости по площади и с глубиной в пределах участков, представленных определенным типом пород, установлено, что степень трещиноватости пород, по данным ТФК, документации подземных и открытых выработок, весьма близка. Отличие обусловлено техногенным фактором, т.е. наличием искусственных трещин, возникших при ведении буровзрывных работ.

Особенно эффективно использование ТФК при выделении зон дробления. Совместный анализ ТФК, акустического каротажа и кавернометрии позволяет не только идентифицировать зоны дробления и повышенной трещиноватости, но и классифицировать их по значениям упругих показателей.

С увеличением сложности инженерно-геологических условии участка или месторождения в целом снижается сходимость результатов сравнительной оценки трещиноватости, что обусловлено геолого-структурными особенностями массива пород, степенью его раздробленности.

Применение предложенной методики, в конечном итоге, способствовало усовершенствованию общей методики прогнозирования инженерно-геологических условий на рудных месторождениях.

Автором предложена методика оценки напряженно-деформированного состояния массива пород по данным акустического каротажа и прозвучивания как в пределах техногенного влияния подземных

горных выработок, так и вне его. Применение данной методики стало возможным благодаря комплексному использованию методов В.Т. Глушко (1978 г.) и И.А. Турчанинова и др. (1977 г.), позволяющих проводить расчленение массива пород по степени нарушенное™.

В связи с тем, что особенности формирования техногенной зональности вокруг горных выработок, пройденных в массивах пород рудных месторождений (осложненных пликативнон и разрывной тектоникой, со сложным распределением составляющих напряженного состояния), слабо разработаны, автором детализированы и предложены результаты таких исследований. Они показывают, что в зависимости от технологического назначения выработки, ее ориентировки относительно элементов плика-тивной и разрывной тектоники определенного порядка, каждая из техногенных зон будет характеризоваться определенной мощностью, с установленной величиной акустического показателя. При этом установлено, что в структуре тектонического нарушения, в зависимости от состояния и мощности пород в зоне дробления, в техногенных зонах происходит увеличение мощности зоны как повышенных, так и пониженных напряжений в 3 - 5 раз.

Установлено, что существенное изменение мощности техногенных зон вокруг выработок в структуре тектонических нарушений обусловлено также высокой изменчивостью величины напряжений на отдельных участках массива. Это связано с тем, что пликативная и разрывная тектоника в массиве пород проявлена крайне неравномерно, т.е. величины главных и касательных напряжений в элементах складок различного порядка весьма существенно отличаются. Изменение этого фактора приводит к тому, что мощность зон дробления тектонических нарушений по их простиранию и падению существенно изменяется. Постепенное, после проходки выработок, формирование "свода естественного равновесия" (М.М. Протодьяконов, 1962 г.) в зонах тектонических нарушений будет приводить на различных участках складчатого массива к различному по мощности фор-

мнрованию техногенных зон вокруг выработок и увеличению веса "отслаивающейся" породы на крепь, которая при превышении ее несущей способности будет разрушаться. Активно "отслаивание" пород в горных выработках происходит в пределах техногенных зон сульфидных месторождений, особенно медиоколчеданных месторождений, где образуются наиболее агрессивные воды. В дальнейшем эти результаты позволили оценить мощность техногенных зон, формирующихся в различных типах пород, характер и порядок проявления тектоники, что нашло применение в обосновании механизма и природы прочности процесса техногенного выветривания.

Использование акустических методов позволило автору получить ряд уравнений регрессии с высокой теснотой связи между прочностными и акустическими показателями для различных типов пород, определенных участков складчатого массива, что дало возможность с достаточной достоверностью и надежностью прогнозировать прочностные свойства в необходимом объеме при оценке инженерно-геологических условий конкретного месторождения.

ЧАСТЬ II

ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЙ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С УЧЕТОМ ТЕХНОГЕННОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ

Глава 4. Техногенное выветривание горных пород и процесс формирования агрессивных рудничных вод

В настоящее время на ряде сульфидных месторождений (Южный Урал, Рудный Алтай, Восточная Сибирь, Дальний Восток) при техногенном воздействии на массив горных пород и природные воды, т.е. проходки горных выработок и водопонижающих мероприятий, нами дополнительно

к ранее проведенным наблюдениям установлено существенное увеличение аэрированности горного массива, особенно в районе рудных тел, за счет искусственного доступа кислорода и изменения температурно-влажностного режима, что привело к интенсификации процессов окисления.

В этих условиях особо важное значение приобретают изучение, оценка и прогноз процесса техногенного выветривания на сульфидных месторождениях с целью предупреждения отрицательных последствий его влияния на условия эксплуатации и воздействия на окружающую среду.

Термин "техногенное выветривание" используется многими исследователями (В.М. Кутепов, В.Н. Кожевников, 1989 г.; И.А. Печеркин,

A.И. Печеркин, 1992 г.; Б.Н. Иванов, 1980 г.; A.M. Пашкин, 1981 г.;

B.М. Пантелеев, Н.И. Плотников, А.А. Карцев, А.И. Германов, В.М. Швец, 1975 г.), но как единое понятие на сегодняшний день не определен. К этому выводу пришли В.Н. Андрейчук, Г.Н. Дублянская, В.Н. Дублянский, обобщившие термины и понятия по проблеме влияния деятельности человека.

Анализ проведенных нами исследований и исследований других авторов позволил заключить, что процесс "техногенного выветривания - это процесс, обусловленный техногенным нарушением существующих в природе условий, что приводит к активизации влияния агентов выветривания (воды, углекислого газа, кислорода и др.), ускорению взаимодействия раствора с твердыми минеральными веществами" / 37 /.

Для достижения поставленной цели по оценке и прогнозу таких процессов необходимо решить следующие задачи: 4 определить влияние химического состава и рН вод на состояние и свойства пород, изменения физической природы прочности с позиций механики скальных и полускальных пород.

♦ установить влияние режима взаимодействия, природной и искусственной трешиноватосш на прочность пород как непосредственно под нагрузкой, так и без нее, с учетом органики и без нее.

Исследование достоверности результатов, полученных автором при изучении свойств пород в процессе техногенного выветривания, подтверждается и обеспечивается использованием комплекса методов (геомеханических, геофизических, растровой электронной микроскопии, рентгеноскопии, специальных петрографических), позволяющих оценить в процессе эксперимента данные об изменениях минерального состава, структуры и трещиноватости пород на макро- и микроуровне.

Необходимо отметить, что в абсолютном большинстве исследований (90 %), посвященных в той или иной степени проблеме техногенного выветривания, отражены результаты изучения жидкой фазы, и всего 10 % исследований посвящено изучению твердой фазы, т.е. пород отдельных разновидностей. Отмеченная диспропорция в изучении процесса техногенного выветривания нацелила автора к более детальному изучению твердой фазы - породы, а т.к. целью является изучение процесса именно на сульфидных месторождениях, - то и руды.

Глава 5. Оценка влияния на свойства горных пород химического состава и рН рудничных вод по результатам моделирования техногенного выветривания в статическом режиме

Активность проявления техногенного влияния, в том числе и техногенного выветривания, при разработке сульфидных месторождений, особенно подземным способом, определяется в первую очередь природными геолого-структурными условиями (пликативная и дизъюнктивная тектоника, разнообразие сульфидных минералов, типов подземных вод и пород), которые существенно изменяют под действием подземных вод минеральный состав пород, а следовательно, и их свойства.

По мнению таких исследователей, как В.А. Мироненко, С.Е, Гречи-щев, В.М. Шестаков. Б.В. Смирнов 0988 г.), для прогнозирования инженерно-геологических процессов в указанных условиях могут быть использованы результаты лабораторного моделирования, позволяющие воспроизводить на моделях из естественных материалов техногенные изменения массивов горных пород, их физико-механических свойств при различных сочетаниях природных и техногенных факторов.

Режим замедленной фильтрации (статический режим), по мнению автора, характеризует процесс техногенеза на малых глубинах / 30 /. Автором разработана методика лабораторного вещественного моделирования процесса техногенного выветривания на сульфидных месторождениях, основанная на детальном анализе условий его возникновения и развития, позволившем обосновать критерии геологического подобия и условия взаимодействия между вещественными составляющими процесса в целом, чтобы достичь поставленной цели - количественно и качественно установить степень влияния различных факторов на процесс.

Результаты определения свойств пород в процессе моделирования техногенного выветривания в режиме замедленной фильтрации показывают, что прочностные показатели пород снижаются неравномерно, независимо от их генезиса, при этом определяющее значение имеет степень нарушенное™ пород природными и техногенными трещинами.

Снижение прочности пород как на сжатие, так и на разрыв, происходит в несколько этапов (3 - 4), в зависимости от состава и нарушенности пород, а также состава и рН растворов.

I этап - прочность пород, особенно в сильнокислых растворах, снижается на 50 - 60 %. что связано с резким уменьшением величины сцепления, т.е. с ослаблением структурных связей по поверхностям ослабления различного генезиса. Величина снижения сцепления на этом этапе определяется количеством трещин, их генезисом, составом и мощностью заполнителя.

II этап - прочность снижается на 5-10 %, причем наиболее активно в породах с карбонатной основой. Влияние степени трещиноватости не так активно, т.к. на этом этапе происходит в основном вынос вещества по трещинам и из кристаллической решетки минералов без нарушения ее структуры.

III этап - прочность пород снижается на 3 - 5 %. причем увеличения трещинной и поровой пустотности практически не происходит, если отсутствуют трещины и легкорастворимые минералы. На этом этапе во вновь образованных пустотах часто происходит образование новых минеральных соединений.

IV этап - прочность снижается на 10 - 15 "и. происходит разрушение всех ее структурных связей, а если в трещине нет новообразований, процесс разрушения наиболее заметен.

Анализ результатов позволяет заключить, что на снижение прочности пород максимальное влияние оказывают кислые растворы (рН = 2.7 ч- 3.4). при этом основную роль играет природная и техногенная трещино-ватость пород. Именно при взаимодействии с указанными растворами у пород максимально увеличивается трещинная и межагрегатная пористость, что приводит к увеличению числа дефектов в кристаллической структуре и ослаблению структурных связей по поверхностям ослабления.

Глава 6. Изменение физико-механических свойств пород в процессе взаимодействия с подземными водами различного химического состава и рН по результатам моделирования процесса в динамическом режиме

Рассмотрение механизма и физической природа процесса техногенного выветривания скальных и полускальных пород дало основание выделить гидродинамический, гидрогеохимический и температурный критерии

подобия, которые и были учтены при моделировании процесса в указанном режиме.

Наиболее трудной задачей при моделировании процесса является получение надежных оценок с установлением временных аспектов (скорости периодов), отвечающих естественным стадиям данного процесса. Такие оценки позволяют подсчитать временной масштаб, который был положен в основу прогноза процесса во времени. Для установления временного масштаба сопоставлено количество инфильгрующейся воды через образцы в установке с натурными данными о количестве водопритоков в горные выработки, где протекает процесс техногенного выветривания.

Для исследования влияния различных факторов на процесс техногенного выветривания была применена методика дробною факторного эксперимента, а при его планировании - метод Бокса-Уилсона.

Специальная методика подготовки образцов пород, выбор методов определения их свойств позволили автору учесть влияние отрывных поверхностей, образующихся при буровзрывных работах на стадии эксплуатации месторождений. При моделировании это дало возможность оценить степень взаимодействия активных растворов с породой, глубину их проникновения в образец и влияние на изменение физико-механических свойств пород по образцам, изготовленным по различным технологиям.

Необходимо отметить, что моделирование процесса в динамическом режиме проводилось как на естественных, так и на искусственно созданных растворах, в которых отсутствовала микрофлора, что позволило оценить ее влияние на изменение свойств пород.

Как и при анализе прочности в статическом режиме, автором установлено, что снижение прочности при моделировании процесса в динамическом режиме происходит также в 3 - 4 этапа. При этом активность снижения прочности в зависимости от скорости фильтрации, состава и рН растворов на каждом этапе заметно больше, чем в статическом режиме. В природных агрессивных растворах снижение показателя прочности выше,

чем в искусственно создаваемых. Так, например, на I этапе, где в обоих режимах происходит максимальное снижение прочности пород, в динамическом режиме для тех же типов пород и растворов прочность снижается на 10 - 20 % более активно. Причем в природных растворах снижение показателя прочности на 5 - 10 % выше, чем в искусственно создаваемых.

Таким образом, анализ изменения прочности при моделировании процесса в динамическом режиме позволяет сделать вывод, что основное влияние на снижение прочности пород оказывает трещиноватость пород различного генезиса. При этом превалирующее влияние на снижение показателя на всех этапах взаимодействия оказывают незаполненные трещины, особенно при взаимодействии с природными растворами, имеющими в своем составе гетеротрофную микрофлору.

Разрушение пород и, как следствие, изменение их свойств и состояния самого массива - многофакторный процесс, важным звеном которою выступают физико-химические взаимодействия в системе вода-порода, в основе этого взаимодействия находятся окислительно-восстановительные реакции. В связи с тем, что реакции окисления сульфидов происходят с выделением энергии, в зоне окисления сульфидных месторождений, а следовательно в условиях развития процесса техногенного выветривания, должно наблюдаться увеличение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) твердой фазы и взаимодействующей с ней жидкой фазы одновременно.

Автор использует результаты первых начальных экспериментальных исследований по определению ОВП (автор В.А. Щека, 1990 г.) на объекте, где проведено моделирование процесса техногенного выветривания. Комплексное использование двух методов моделирования, прогнозируемых различные показатели процесса, повышает достоверность прогноза процесса в целом.

Глава 7. Изменение прочности пород различных теистических.

типов в процессе взаимодействия с подземными водами при различных режимах нарушения

По наблюдениям автора, проведенным в подземных горных выработках, установлено, что процесс техногенного выветривания наиболее активно протекает в техногенных зонах, формирующихся после ведения буровзрывных работ. В результате проходки, например, подземных горных выработок, образуются зона разгрузки и зона опорного давления, характеризующиеся повышенной искусственной трещиноватостыо. С целью создания искусственных трещин различной интенсивности: моделирующих техногенные зоны в образцах пород, автором использовалось предварительное нагружение образцов в два этапа. При моделировании интенсивности в зоне повышенной трещиноватости (зоне разгрузки) образцы подвергались до взаимодействия нагружешпо, соответствующему 50 % от разрушающей нагрузки, а в зоне пониженной трещиноватости (зоне опорного давления) - 25 % от разрушающей. Моделирование процесса с предварительно нагруженными образцами проводилось как в динамическом, гак и в статическом режиме.

Анализ результатов взаимодействия образцов пород с предварительным шируженнем в двух режимах показал, что интенсивность снижения на первом, основном, этапе взаимодействия увеличивается на 15 - 20 % по сравнению с результатами без предварительного нагружения, в зависимости от генетического типа пород. При этом, у наиболее прочных, изверженных типов пород, где величина предварительного нагружения достигала 60 %, с целью превышения предела их упругости интенсивность снижения прочности выше, чем у более слабопрочных осадочных пород.

Полученные результаты изучения изменения прочности при взаимодействии с подземными водами позволяют заключить, что наиболее характерными кривыми взаимодействия в системе "вода-порода", полученными

в процессе моделирования процесса, являются кривые взаимодействия образцов пород с предварительным нагружением образцов, т.к. эти породы имеют повышенную трещшювагость как природного, так и техногенного характера, что свойственно техногенным зонам.

Таким образом, использование лабораторного моделирования позволило доказать, что процесс возникает и активно протекает в техногенных зонах вокруг выработок. Но ддя того чтобы автору решить задачу, в какой из техногенных зон процесс техногенного выветривания идет наиболее активно (в зоне опорного давления или зоне разгрузки), был проведен эксперимент взаимодействия раствора с породой непосредственно под нагрузкой как с предварительным нагружением образцов, так и без на о.

Полученные автором результаты исследований напряженно-деформированного состояния на рудных месторождениях явились предпосылкой к тому, что в техногенной зоне (зоне опорного давления по М.М. Протодьяконову), формирующейся после проходки выработки, будут присутствовать напряжения, являющиеся перераспределенными относительно естественного поля напряжений.

Результаты анализа работ по растворимости материалов в агрессивных средах непосредственно при нагружении показали, что наиболее разработаны положения, связанные с эффектом А.Ф. Иоффе для металлов. Исследования, проведенные В. Ярошевским (1981 г.) с материалами и породами. погруженными в воду или соляную кислоту, подтвердили принципы Рикке, согласно которым упругий материал, подверженный воздействию какого-либо растворителя в поле сжимающего напряжения, растворяется активнее в местах максимального напряжения, а продукты растворения мигрируют в места с минимальным напряжением. Такое растворение под давлением может происходить лишь при наличии условий для накопления растворов, т.е. в трещиноватых и пористых породах, учитывая даже мельчайшие, микроскопически незамечаемые, трещины. Проведенные

автором исследования по взаимодействию агрессивных вод с породами подтвердили выдвинутые принципы.

Резупыаш изучения механизма изменения прочности различных генетических типов пород при взаимодействии с растворами непосредственно под нагрузкой позволили заключить:

1) Интенсивность снижения прочности пород при взаимодействии непосредственно под нагрузкой без предварительного нагружения у осадочных пород увеличивается в 20 - 25 раз, у изверженных - в 12 - 15 раз.

2) Предварительное ступенчатое нахружение образцов (25, 50, 60 %) увеличивает интенсивность снижения прочности пород в 2 - 6 раз в зависимости от ступени этого нагружения.

3) Изменение величины непосредственного нагружения (10, 20, 30 % от разрушающей), обуславливающей изменение величины нагрузки в зоне опорного давления в зависимости от интенсивности проявления плика-тивной и разрывной тектоники на участках проходки выработок в горноскладчатых областях, увеличивает интенсивность снижения прочности в 5 - 10 раз.

4) Использование растровой электронной микроскопии, рентгеновских, акустических и специальных петрографических методов исследования пород после взаимодействия их с агрессивными растворами позволяет заключить, что основным фактором интенсивности снижения прочности разных генетических типов пород является природная и искусственная трещиноватость, ее интенсивность и ориентировка относительно направления постоянно действующей нагрузки. Установлено, что при рН растворов 1.7 2.5 прочность пород при взаимодействии с растворами под нагрузкой снижается на 20 - 30 %, а при рН растворов 2.5 -г 3.5 - на 10 - 20 %.

ЧАСТЬ III

ПРОГНОЗ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРНО-СКЛАДЧАТЫХ ОБЛАСТЕЙ

Глава 8. Прогнозирование инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений с учетом техногенных воздействий

В связи с тем, что тенденция разведки месторождений в настоящее время во все более сложных условиях эксплуатации повышается, назрела потребность в переходе к количественному и унифицированному представлению прогнозируемых величин, т.к. действующие инструктивные и методические документы, особенно в вопросах, касающихся прогнозирования инженерно-геологических условий, не в полной мере отвечают уровню требований проектирования и горного дела.

Исходя из этого для нужд проектирования наиболее ценной является инженерно-гео.401 пческая информация, синтезирующая все параметры горного массива в виде количественной оценки устойчивое™ и обеспечивающая принятие обоснованных технических решений.

Автором дан анализ аналитических и эмнириоаналитических методов при оценке устойчивости пород и системного подхода при оценке сложности инженерно-геологических условий и сделан вывод, что эмпи-риоаналнтический и системный подходы особенно актуальны и наиболее эффективны на стадии разведки месторождений и предварительного проектирования, т.е. иредпроектных проработок (методы Н. Бартона, 1974 г.; II.С. Булычева, 1982 г.; 3. Еенявскп, 1973 г.; ЮАР, 1974 г.; Норвежского института геомеханики; Е.М. Пашкина, 1981 г.; Г.К. Бондарика и В.В. Пен-дина, 1982 г.).

В последние, годы, проводя прогнозную оценку инженерно-геологических условий на ряде рудных месторождений, автор все чаще сталкивался с ситуацией, когда предварительный анализ факторов, используемых при проектировании, практически однозначно определял способ отработки месторождения. Это предопределило проведение анализа ряда геомеханических многопараметрических классификаций, посвященных количественной оценке устойчивости подземных выработок. Анализ этих классификаций показал, что большинство из них в основе своей использует количественную оценку природных факторов (характеристика трещиноватости. состав, строение и свойства пород зон ослабления, свойства и строение структурно-тектонических блоков, обводненность, естественное напряженное состояние). Эта оценка явилась недостаточно надежной применительно к рудным месторождениям горно-складчатых областей.

Анализ собственных разработок по прогнозированию инженерно-геологических условий эксплуатации и показателей в многопараметрнче-ашх геомеханических классификациях, используемых для расчета и апробированных на ряде рудных месторождений, позволил сделать следующие выводы:

♦ использование геомеханических многопараметрических классификаций (3. Бенявски. Н.С. Булычев, Н. Бартон) и метода комплексной оценки инженерно-геологических условий отработки на основе системного анализа (Г.К. Бондарик, В.В. Пендин) в целом достаточно обоснованны в практике предпроектного инженерно-геологического прогноза по данным разведки;

♦ практическое применение указанных методов прогноза на ряде рудных месторождений в различных горно-складчатых областях показало необходимость совершенствования методики количественных показателей, используемых как при прогнозе устойчивости, так и при прогнозе инженерно-геологических условий эксплуатации.

Именно в совершенствовании методики количественной оценки показателей, в выявлении техногенного влияния на них автор видит свою основную задачу в проблеме прогнозирования инженерно-геологических условий.

На основании проведенных исследований как непосредственно в массиве, так и в лабораторных условиях, автор приводит результаты совершенствования оценки фактора нарушенное™, методики прогнозной оценки зон тектонических нарушений, методики оценки напряженно-деформированного состояния массива пород, техногенного фактора (в том числе методики оценки процесса техногенного выветривания), методики формирования техногенных зон на участках тектонических нарушений.

Результаты проверки собственных прогнозов условий эксплуатации, отличающиеся высокой достоверностью (в том числе по данным специалистов проектной орг анизации и горно-обогатительного комбината, осуществляющих эксплуатацию месторождения), подтвердили сделанные выше выводы по совершенствованию исследований проблемы прогнозирования инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений в горно-складчатых областях.

Заключение

Основные результаты исследований, определяющие теоретическую, методическую и практическую значимость диссертационной работы, заключаются в следующем:

1) Установлены закономерности формирования инженерно-геологических условий массивов пород в зависимости от состояния, строения и свойств зон ослабления на рудных месторождениях горноскладчатых областей различных регионов, где определяющим фактором является разрывная тектоника, обуславливающая блочное строение массива и принципы его районирования.

2) Разработана специальная методика прогнозного инженерно-геологического районирования массивов пород рудных месторождений горно-складчатых областей, г де определяющее влияние на сложность условий оказывают зоны и поверхности ослабления различного генезиса. Предложена инженерно-геологическая типизация зон и поверхностей ослабления, где сложность условий определяется их генетическим типом и ориентировкой относительно вырабатываемого пространства.

3) Разработана методика инженерно-геологического изучения, оценки, состояния и свойств пород зон ослабления с помощью геофизических методов (телефотокаротаж, акустические) как в пределах зон техногенного влияния подземных горных выработок, карьеров, скважин, так и вне этого влияния.

4) Разработана методика лабораторного вещественного моделирования процесса техногенного выветривания на сульфидных месторождениях, позволившая обосновать критерии геологическог о подобия и условия соответствия при моделировании указанного процесса.

5)Установлены механизм и физическая природа процесса техно! ен-ного выветривания с позиций механики скальных пород, что основано на сравнительном анализе прочностных свойств изверженных, осадочных и метаморфических пород до и после взаимодействия с.растворами разного состава и кислотности при различных режимах.

6) Исследована достоверность результатов изучения свойств пород в процессе техногенного выветривания, обеспечиваемая использованием комплекса методов (геомеханических, геофизических, растровой электронной микроскопии, рентгеноскопии, специальных петрографических), позволивших оценить данные об изменениях минерального состава, структуры и трещииоватости пород.

7) Разработана оригинальная методика лабораторного эксперимента, предусматривающая исследование природных образцов пород в естественном состоянии с предварительным созданием искусственной трещинова-

тост и различной интенсивности. Эта методика позволяет моделировать техногенную зональность, возникающую вокруг горных выработок после пх проходки, а также напряженное состояние пород в этих зонах, используя взаимодействие растворов с породой непосредственно под нагрузкой.

8) Показана правомерность использования метода лабораторного моделирования для оценки и прогноза процесса техногенного выветривания горных пород как при разработке сульфидных месторождении, так и для оценки устойчивости горных выработок различного назначения при решении эколого-геологических задач.

9) Разработана методика количественной оценки инженерно-геологических показателей, используемых при прогнозе устойчивости и инженерно-геологических условий эксплуатации месторождений. Установлены показатели, позволяющие прогнозировать интенсивность процесса техногенного выветривания.

10) Результаты исследований использованы при оценке запасов рудных месторождений как самостоятельные работы по прогнозу инженерно-геологических условий эксплуатации месторождений: Приорское, Весеннее, 50 оег Октября (Оренбургское ТГУ); Калесай, Куттесай (до проектных контуров) (Киртизское ГУ); Сутарское (Дальневосточное ГУ); глубокие горизонты Зыряновского месторождения, Греховское, Снег нревское, Алск-сандровско-Долинное, Платовское, Малеевское, Родниковское, Иртышское (Восточно-Казахстанское ПГО); Горевское, Татарское (Красноярское ПГО); Уконикское (ПГО Читагеология).

11) Исследования автора на эксплуатируемых месторождениях использованы проектными отделами горно-обогатительных комбинатов, проводящих отработку месторождений в указанных регионах.

На основе научного обобщения автором сформулирована в научно-методическом плане, экспериментально исследована и доведена до практического использования проблема специального прогнозирования инже-иерно-геоло! ических условий эксплуатации рудных месторождений горно-

складчатых областей на основе геолого-структурного анализа, заключающегося в комплексном изучении природных и техногенных факторов, определяющих состояние и свойства массива пород, и их изменение при техногенном воздействии.

В основу решения проблемы положено обобщение результатов исследований автора самых разнообразных геолого-структурных условий рудных месторождений, приуроченных к различным горно-складчатым областям, с результатами проверки этих изменений при техногенном воздействии, т.е. при вскрытии их подземными или открытыми горными выработками.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

{.Исследования ВСЕГИНГЕО по вопросам методики прогнозной оценки инженерно-геологических условий рудных карьеров // Изучение устойчивости откосов на карьерах: Материалы Всееоюз. еовещ. - Белгород, 1971. (Соавтор Г.Г. Скворцов).

2. Влияние зон и поверхностей ослабления на прогнозную инженерно-геологическую оценку отработки рудных месторождений (по данным разведки) // Обмен опытом прогнозирования инж.-геол. усл. мест. иол. иск. - М.: Недра, 1973.

3. Опыт инженерно-геологического изучения ряда развсдуемых рудных месторождений Южного Урала II Гидрогеол. и инж.-геол. работы при разведке и освоении МПИ / ВСЕГИНГЕО. - М„ 1974. (Соавтор Г.Г. Скворцов).

4. Влияние трещиноватости и петрографических особенностей на физико-механические свойства пород месторождения Сутарское // Влияние геологических факторов на свойства и состояние массивов скальных пород: Материалы симпозиума. - Аппатиты: Изд-во КФ АН СССР. - 1974. (Соавтор Б.М. Гамалей).

5. Опыт применения метода аналогии для инженерно-геологической оценки ослабленных зон в массиве при разведке рудных месторождений //

Проблемы теории прогноза инж.-геол. условий МГШ: Материалы Всесо-юз. совет. - Белгород: Изд-во ВИОГЕМ. - 1975.

6. Инженерно-геологические исследования зон и поверхностей ослабления в скважшшых массивах на примере железорудного месторождения Дальнего Востока // Про: позирование инж.-геол. условий эксплуат. месторождений в сложных природных условиях: Сб. науч. тр. // ВСЕГИНГЕО. -М., 1975. - Вып. 91. (Соавтор Б.М. Гамалей).

7. Некоторые вопросы изучения зон и поверхностей ослабления скважинных массивов рудных месторождений для целей прогноза инженерно-геологических условий // Инж. геология в связи с рациональным использованием среды: Материалы 2-й Всесоюз. конф. / Тр. ЛГУ. - Л., 1976. (Соавторы Б.М. Гамалей, A.B. Трушин).

8. Изучение зон ослабления в массивах скальных пород в целях прогнозной инженерно-геологической оценки условий отработай рудных месторождений (по данным разведки! // Важнейшие итоги исследований в области гидрогеол. и инж. геологии : Сб. науч. тр., вып. 83 / ВСЕГИНГЕО. -М.. 1975.

9. Методическое руководство по изучению инженерно-геологических условии рудных месторождений при их разведке. - М.: Недра. 1977. (Соавторы Б.М. Гамалей, Г.Г. Скворцов, JI.A. Ярг и др).

10. Некоторые вопросы методики прогнозной оценки инженерно-геологических условий подземной разработки месторождений полезных ископаемых II Инженерно-геологическое обоснование условий разработки мест, полезн. пскоп.: Материалы Всесоюз. совещ. - М.: Изд-во НИИТ-ЭХИМ, 1977. (Соавтор Б.М. Гамалей).

11. Роль физико-механических свойств скальных пород при прогнозе их устойчивости в горных выработках (на примере месторождении Рудного Алтая) II Тр. ИФ и МГП АН Киргизской ССР. - Фруизс: ИЛИМ, 1977. (Соавтор Б.М. Гамалей).

12. Исследование сопротивляемости пород разрушению на образцах керна разведочных скважин // Тр. ИГД им. A.A. Скочинского. - М.. 1977. (Соавтор Б.М. Гамалей).

13. Изучение основных природных факторов при прогнозировании инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых //Тр. ИГТМ. - Днепропетровск, 1977. (Соавтор Б.М. Гамалей)

14. Влияние петрографических особенностей и трещиноватости на прочностные свойства скальных и полускальных пород // Тр. Ин-та геологии Таджикистана. - Душанбе: Дониш. - 1978. (Соавтор А.Б. Марков).

15. Изучение основных природных факторов при прогнозировании инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений // Тр. ДонбассНИЛ. - Ростов-на-Дону, 1979. (Соавтор Б.М. Гамалей).

16. Изменчивость прочностных свойств скальных пород некоторых полиметаллических месторождений Рудного Алтая // Тр. ИФ и МГП АН Киргизской ССР. - Фрунзе, 1980. (Соавтор A.B. Трушин;.

17. Влияние структурно-тектонических условий и метаморфизма на устойчивость подземных торных выработок ряда месторождений Рудного Алтая // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1981. - № 9. (Соавтор В.И Истомин).

18. Изучение влияния петрографических особенностей на прочность пород при разрыве // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1982. - № 4.

19. Опыт инженерно-геологической оценки раздробленности рудо-вмещающих пород (на примере месторождений Рудного Алтая) // Гидро-геол. и инж. геол. - М., 1982. - СЭИ ВИЭМС - Вып. 5. (Соавтор В.Н. Кри-канов).

20. К методике составления паспортов свойств пород медноколче-данных месторождений Южного Урала // Инж. геол. месторожд. Южного Урала: Материалы совещ. / Тр. СГИ. - Свердловск, 1983. (Соавтор М.С. Тимоиина).

21. Прогнозирование инженерно-геологических явлений в связи с их приуроченностью к различным типам зон ослабления // Тр. МОИП. - М., 1984.-Т. 59.-Вып. 2.

22. Влияние гпдрогеохимичсскоп обстановки на прочностные свойства горных пород некоторых месторождении Зыряноиского Рудного узла // Гидрогеол. п ннж. геол. - М.; 1983. - ВСЕГИНГЕО и СЭМ ВМЭМС. (Соавторы В.М. Панге.теек. Г.А. Подкоп, ПЛ. Рубепкнн).

23. Опепка уетопчппостп пород рудной зоны в подземных горных выработках // Изучение прогноза гидрогеол. и чиж. геол. условий МП И: Сб. науч. тр. / ВСШ'Н! НТО. - М., 1983. - Хе 150.

24. Использование акустических методой исследований для опенки cijoncni млсспнл горных пород пблмзн iio.tjcuiii.ix горшлх выработок // Тр. ВИОГЕМ. - Белгород, 1985. - № 6. (Соавтор В.Н. Криканов).

25. Результаты определения напряженного состояния пород по образцам и в массиве // Ииж. геол. / Тр. МОИП. - М„ 19S6. (Соавтор В.И. Крпканов).

26. Методические аспекты и результаты проверки прогноза по данным эксплуатации глубоких горизонтов Зыряновского месторождения // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1986. - № 10.

27. Использование акустических методов исследования для оценки состояния и свойств скальных пород в массиве и образце // Инж. геофизика: Материалы Всесогоз. совещ. / Тр. нн-та Гидропроект. - М., 1985. (Соавтор В.Н. Криканов).

28. Устройство для испытаний горных пород при трехосном сжатии / Авт. свидетельство на изобретение. - 3879726/22-03. Опубл. 1985. Бюл. № 7. (Соавторы В.Н. Криканов, Ю.П. Давыдов, С.П. Копылов).

29. Влияние химического состава и кислотности вод на прочностные свойства горных пород К Исслед. влияния горн, разработок на пода, воды и горн, породы: Сб. науч. тр. / ВСЕГИИГЕО. - М., 1985. (Соавтор Г.А. Волков). .

30. Результаты лабораторного моделировании процесса техногенного выветривания иа полиметаллических месторождениях // Из», вузов. Геология и разведка. - 1987. - Na 9. (СоавторыТЛ. Волков, А.В. Павлов).

31. Методическое руководство по изучению гидрогеологических, и ппжсиерпо-гсологических условии месторождении твердых полезных ископаемых. - М.: Педра, (9f?6. (Соавторы Л.А. Ярг, А .К. Ваигскунас, Л .А. Допчук и др.).

32. К вопросу развития техногенного выветривания на сульфидных месторождениях rio результ атам •жеперимепта.'н.иых исследовании II Кинетика и динамика геохимических процессов: Материалы симпозиума / Тр. пн-та'экспериментальной минералогии АН СССР. - Черноголовка, 19SS. (Соавторы Г.А. Волков, В.Л. Щека ).

33. Техногенные кплеипя па сульфидных месторождениях // Гидро-геол. и ппж. геологии: Материал],! !! Псесоюз. съезда. - Киев, 198S. (Соавтор Г.А. Волков).

34. Методические рекомендации по изучению п прогнозу инженерно-геологических и гидрогеологических условий при разведке месторождений Юго-Западного Алтая //Тр. ВСГГИИГГЮ. - 1989. (Соавторы Л.А. Ярг, А.К. Вайтекунас и др.).

35. Комплексное использование ТФК, А К и каверпометрии для оценки нарушенности массива при пижеиерно-геологичеекпх исследованиях II Гсофизичсскнс истоды: Материалы техн. сов. науч. Совета АН СССР по гидрогеол. и инж. геологии. - ВСЕГИНГЕО. - 19S9. (Соавтор В.Н. Крика-нов).

36. Результаты изучения трещиноватостн пород рудных месторождении по данным телефотокаротажа скважин // Изв. вузов. Геология и разведка. -1991. - J& 2. (Соавтор В.Н. Крпкаиов).

37. Техногенное выветривание на рудных месторождениях // Геоэкол. нсслед. и охрана недр. Обзор. - М.: А/о Геонпформмарк, 1993.

38. Изменение прочности пород при взаимодействии с растворами непосредственно под нагрузкой с предварительным ¡шружением и без него // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1996. - № 4.

39. Техногенное влияние на инженерно-геологические показатели, используемые при прогнозе условий отработки рудных месторождений // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1993. - № з.

40. Влияние техногенного выветривания рудных месторождений на изменение экологических условий // Гидрогеол. и геоэкология: Материалы Междунар. симпозиума. - Санкт-Петербург, 1993. (Соавторы JI.A. Ярг, М.В. Кочетков).

41. Техногенное выветривание на рудных месторождениях и его влияние на геоэкологические условия разработки Н Изв. вузов. Геология и разведка. - 1993. - № 4.

42. Биогенез агрессивности шахтных вод сульфидных месторождений и некоторые его геохимические и г орнотехнические последствия // Тезисы и доклад на Междунар. совещ. Mine Water. - Grenada. Испания, 1985, 1986. (Соавторы В.М. Пантелеев, Г'.А. Волков).