Введение к работе
Актуальность. Уникальные свойства хризотил-асбеста используются на протяжении веков. Высокая прочность на разрыв, прядильные свойства, высокие огнеупорность, щелочестойкость, сорбционные, тепло -, звуко - и электроизоляционные характеристики делают его незаменимым и в наше время при изготовлении множества асботехнических изделий для строительной, авиационной, автомобильной, химической и электротехнической промышленностей.
По разведанным запасам Баженовское месторождение - крупнейшее в мире, а Джетыгаринское - второе по величине, разведанное на территории бывшего СССР. Глубина действующих карьеров достигает 300 м. Перспективная глубина отработки предусматривается до 600-800 м при длине карьера свыше 10 км.
Уникальные по масштабам горные работы требуют решения обширного перечня задач. В целях повышения экономичности горного производства, рационального выбора технологий и горного оборудования возрастает роль изученности пространственной изменчивости свойств горных пород и точности определения параметров, характеризующих их устойчивость и разрабатываемость. Рациональное использование геологической среды, наряду с требованиями по рациональной добыче полезного ископаемого и с определением оптимальных размеров карьеров, требует комплексного применения большого объёма вскрышных пород и отходов обогатительных фабрик в качестве строительного камня. При решении данных задач большое значение придаётся инженерно-геологическим исследованиям, в том числе изучению природы свойств, закономерностей пространственной изменчивости состава и физико-механических свойств горных пород, что, в свою очередь, неразрывно связано с геологической историей формирования асбестоносных гипербазитовых массивов.
Генетическому подходу к инженерно-геологическому изучению строения, состояния и свойств горных пород в нашей стране и за рубежом уделяется большое внимание. Существенный вклад в разработку данного направления внесли: Е.М. Сергеев, Н.В. Коломенский, А.Н. Панюков, В.Д. Ломтадзе, Г.А. Голодковская, И.А. Турчанинов, Р.В. Медведев, Г.С. Золотарёв, Г.К. Бондарик, Г.А. Сулакшина, В.Е. Ольховатенко, В.В. Фромм, Ю.А. Розанов, М.П. Воларович, Е.И. Баюк, СИ. Малинин, Г.С. Сенатская, М.И. Аксененко, М.С. Звягинцев и многие другие исследователи. Однако более широкое распространение получили исследования в области формирования физико-механических свойств осадочных пород в процессе их литификаци и исследования изменений свойств пород в связи с гипергенезом. Многие вопросы, связанные с формированием свойств магматических и метаморфических пород, остаются мало изученными.
Все крупные месторождения хризотил-асбеста приурочены к гипербазитам дунит-гарцбургитовой формации и относятся к классу гидротермальных месторождений, образовавшихся при средних температурах, на умеренных глубинах. Главенствующую роль в формировании месторождений играла
серпентинизация, во многом предопределяя структурообразование массивов, изменение вещественного состава и свойств пород. В большинстве работ, затрагивающих влияние серпентинизации на свойства пород, рассматриваются лишь физические показатели и базируются на малом количестве определений. Не всегда указывается состав эдуктов серпентинизации и её минеральный тип (хризотилизация, лизардитизация или антигоритизация). Отсутствие единой классификации гипербазитов по степени серпентинизации, разночтения в наименованиях серпентиновых минералов, делает приводимые в литературе данные трудносопоставимыми. Не изучалось влияние прожилков хризотил-асбеста на прочность пород.
Актуальность исследований определяется изучением инженерной петрологии асбестоносных гипербазитов и повышением качества прогноза изменчивости их физико-механических свойств на основе совершенствования методов оценки этих свойств и учёта генетических особенностей пород.
Цель работы - изучение природы физико-механических свойств гипербазитов дунит-гарцбургитовой формации и разработка основ прогноза пространственного изменения этих свойств для месторождений асбеста.
В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Выделение и характеристика основных этапов изменения состава, структуры
и свойств пород, исходя из современных представлений о происхождении и
эволюционном развитии гипербазитов дунит-гарцбургитовой формации и
процесса асбестообразования.
2. Изучение геолого-структурных особенностей месторождений хризотил-
асбеста и пространственной изменчивости параметров трещиноватости горных
пород в пределах асбестоносных гипербазитовых массивов.
3. Комплексное изучение вещественного состава, петрографических
особенностей и физико-механических свойств серпентинизированных
гипербазитов и анализ выявленных взаимосвязей.
4. Разработка методики испытаний на сдвиг по прожилкам хризотил-асбеста и
оценка прочности асбестоносных пород в условиях естественного залегания.
Научная новизна. 1. Выделены и охарактеризованы основные геологические этапы изменения состояния, состава, структуры и свойств, альпинотипных гипербазитов Урала, содержащих промышленную хризотил-асбестовую минерализацию. 2. Определены элементы залегания преобладающих систем трещин для пород Баженовского месторождения. Количественно охарактеризованы закономерности пространственного изменения интенсивности трещиноватости. 3. Выявлены закономерности изменения физико-механических свойств гипербазитов в зависимости от степени и минерального типа серпентинизации. 4. Установлены взаимосвязи химического и минерального составов гипербазитов с их физико-механическими характеристиками. 5. Установлены взаимосвязи и взаимоотношения между показателями свойств. 6. Предложен новый метод определения сопротивления сдвигу по поверхностям ослабления. 7. Определены сцепления и углы внутреннего трения для двух структурных разновидностей прожилков асбеста (продольно - и
поперечноволокнистого строения), что позволило оценить прочность асбестоносных пород в условиях естественного залегания. 8. Показано, что пространственная изменчивость физико-механических свойств асбестоносных гипербазитов подчинена блоково-зональному строению массивов, а в пределах структурно-тектонических блоков обусловлена закономерным изменением степени и минерального типа серпентинизации, интенсивности трещиноватости и типа асбестоносности от центральных частей блоков к их периферии. Защищаемые научные положения:
1. В результате проведённого корреляционно-регрессионного анализа
широкого спектра показателей физико-механических свойств определены их
взаимосвязи и взаимоотношения для перидотитов и серпентинитов. Это позволяет
использовать целый ряд регрессионных уравнений в качестве экспресс-
определений трудозатратных показателей.
2. Выявлены закономерности изменения вещественного состава,
петрографических особенностей и физико-механических свойств гипербазитов в
процессе серпентинизации. Установлено, что при формировании свойств пород
существенную роль играет её минеральный тип. Общая тенденция снижения
гототностных и прочностных параметров с увеличением степени серпентинизации
может быть нарушена, так как, более серпентинизированные, но
антигоритизированные разности превосходят по этим параметрам менее
серпентинизированные, но лизардитизированные или хризотилизированные
породы.
3. Предложенный метод испытаний на сдвиг по поверхностям ослабления,
значительно упрощая подготовку образцов, делает испытания более доступными.
На основе его применения получены параметры сопротивления сдвигу и дана
количественную оценка влияния прожилков хризотил-асбеста поперечно - и
продольноволокнистого строений на прочность гипербазитов.
4. Пространственная изменчивость свойств асбестоносных гипербазитов
подчинена блоково-зональному строению массивов и в пределах структурно-
тектонических блоков обусловлена закономерными изменениями степени и
минерального типа серпентинизации, интенсивности трещиноватости и типа
асбестоносности от центральных частей блоков к их периферии.
Практическое значение исследований природы свойств и пространственной изменчивости физико-механических свойств асбестоносных гипербазитов заключается: 1) в повышении качества и надёжности прогноза этих свойств при решении задач, связанных с оценкой устойчивости горных выработок, рациональным ведением буровзрывных работ, обогащением руд и применением серпентинизированных гипербазитов в строительстве; 2) предложенная конструкция срезных матриц, упрощая подготовку образцов к испытаниям, позволяет более широко проводить изучение сопротивления сдвигу по поверхностям ослабления; 3) обобщение результатов исследований по наиболее типичным для данного генетического подтипа месторождениям, повышает их информативность как аналогов; 4) полученные материалы по
изменению свойств гипербазитов при серпентинизации применимы для интерпретации условий структурообразования и локализации месторождений.
Реализация исследований. Результаты исследований послужили основой при написании трёх научно-исследовательских отчётов. Автором написаны главы в отчёты по подсчёту запасов хризотил-асбеста Баженовского и Джетыгаринского месторождений, послужившие инженерно-геологическим обоснованием утверждения запасов руд в ГКЗ СССР. Результаты изучения физико-механических свойств и трещиноватости горных пород применены институтом "Уралгипрошахт" при проектировании разработки Баженовского месторождения, а также использованы кафедрой маркшейдерского дела УГТУ для расчёта устойчивости бортов карьеров.
Данная работа является результатом самостоятельных научных исследований в комплексе работ по изучению инженерно-геологических условий месторождений хризотил-асбеста, выполненных на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГТУ. Работы велись на основании хоздоговора между ПГО "Уралгеология" и Свердловским горным институтом (№ гос. регистр.80009073) и в соответствии с постановлением ГКНТ СССР № 659 (научно-техническая проблема 0.85.05, раздел 06, тема Н43 "Изучить изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий Баженовского месторождения хризотил-асбеста и представить в МИНГЕО РСФСР рекомендации по снижению отрицательного воздействия горнодобывающей промышленности на геологическую среду").
Фактический материал собран автором, лично участвовавшим в организации и выполнении полевых, лабораторных и камеральных работ. В диссертации, помимо литературных источников, использованы результаты комплексного определения свойств пород по 500 пробам, петрографических описаний 450 шлифам, химического состава по 95 пробам. Задокументировано более 10000 п.м. керна. На 78 точках наблюдений выполнено более 11000 замеров элементов залегания трещин.
Достоверность сформулированных научных положений и выводов основывается на большом объёме фактического материала и применении стандартизированных методов и средств исследований.
Общая методика исследований строилась из различных видов полевых, лабораторных и камеральных работ, анализа и систематизации фактического материала с привлечением историко-геологического и геолого-структурного методов познания в интерпретации полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях СГИ (1979-1987), на Всесоюзном семинаре (ВДНХ СССР, г Москва, 1979), на Уральских конференциях молодых геологов и геофизиков (г. Свердловск, 1981, 1983), на конференции "Изучение инженерно-геологических условий месторождений Урала различных генетических типов" (г Свердловск, 1983), на 1У годичной конференции Тюменского отделения ВМО АН СССР (г. Тюмень, 1983), на кафедре инженерной геологии ЛГИ (г. Ленинград, 1984), на научно-технических
конференциях' Уральского треста инженерно-строительных изысканий (г.Свердловск, 1984, 1986), на У Всесоюзной конференции по инженерной геологии (г. Свердловск, 1984), на У1 Республиканской научно-технической конференции молодых учёных и специалистов-геологов (КазИМС, г. Алма-Ата, 1986), на Всесоюзной школе передового опыта "Лабораторные и полевые методы изучения инженерно-геологических свойств пород" (ВДНХ СССР, г. Москва, 1989) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 192 страницах машинописного текста, включая 23 таблицы, 37 рисунков и библиографический список из 145 наименований..
Автор благодарен научному руководителю, кандидату геолого-минералогических наук, доценту С.Г. Дубейковскому за помощь в работе над диссертацией и выражает глубокую признательность за советы, замечания и поддержку докторам геолого-минералогических наук В.Д. Ломтадзе, О.Н. Грязнову, И.А. Малахову, В.П. Алексееву, докторам технических наук В.А. Гордееву, С.Н. Тагильцеву, кандидатам геолого-минералогических наук Ю.А. Соколову, Л.И. Кравцовой, А.Н. Мардиросьяну, В.П. Новикову, В.П. Лузину, В.И. Чемякину, В.И. Ефимову, Н.С. Шабалиной, Э.И. Афанасиади, О.М. Гуман, а также А.Д. Морозову и А.А. Арзамасцеву.
