Введение к работе
Актуальность работы. Дальнейшее развитие минерально-сырьевой базы Урала и Приуралья в условиях современной рыночной экономики требует своевременного ввода в эксплуатацию новых месторождений полезных ископаемых, пригодных к разработке Особое значение приобретают инженерно-геологические исследования для северной половины региона, где запланировано строительство железной дороги вдоль восточного склона Урала и осваиваются новые месторождения твердых полезных ископаемых При этом требуется сокращать затраты на детальные изыскания и разведку за счет использования наработанной базы данных и информации по ранее изученным месторождениям-аналогам
Особенностью месторождений твердых полезных ископаемых Урала и Приуралья является различное геотектоническое строение, состав, возраст пород, степень их литификации, различная степень обводненности, наличие сезонной, а на севере и многолетней мерзлоты, а для эвгеосипклинальной области Урала — широкое развитие палеовулканизма и интрузий различного типа
Неравномерная изученность региона в геологическом и инженерно-геологическом отношении обусловила наличие широкого круга проблем и вопросов, которые требуют дальнейшего развития К важнейшим из них относится оценка инженерно-геологических условий (ИГУ) месторождений твердых полезных ископаемых платформенного и постгеосинклиналыюго типов Изучение месторождений мы рассматриваем в качестве инструмента познания особенностей формирования ИГУ региона, что требует изучения экзогенных геологических процессов (ЭГП), регионального и контактово-термального метаморфизма, обводненности, сезонной и многолетней мерзлоты, накопления и уплотнения осадков Большое значение так же приобретают исследования трансформации состава и физико-механических свойств горных пород и природы их прочности в различных горно-геологических условиях Комплексное решение этих вопросов на месторождениях твердых полезных ископаемых имеет большое теоретическое и прикладное значение для познания ИГУ региона и определяет актуальность работы
Цель работы заключается в изучении закономерностей формирования, строения, состава и свойств горных пород месторождений твердых полезных ископаемых для прогнозирования инженерно-геологических условий их разработки, несущей способности пород на
строительных объектах и их устойчивости в стенках горных вырабоюк на
основе познания региональных инженерно-геологических
закономерностей Урала и Приуралья В работе решаются следующие задачи
Изучить особенности формирования инженерно-геологических и физико-механических свойств горных пород месторождений твердых полезных ископаемых, находящихся в различных структурно-геологических и ландшафтно-климатических условиях
Разработать схему инженерно-геологического районирования региона на основе теоретических представлений о закономерных изменениях его инженерно-геологических условий под влиянием структурно-геологической неоднородности строения, ландшафтно-климатической изменчивости, сейсмической активности и развития ЭГП
Оценить методологические подходы и проанализировать современное состояние проблемы формирования инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых
Разработать основы теории трансформации состава и свойств горных пород при литогенезе и техногенезе с учетом новых представлений о механизме образования элювия, показать его влияние на формирование состава и физико-механических свойств горных пород
Выполнить инженерно-геологическую типизацию месторождений твердых полезных ископаемых применительно к условиям их разработки и дать новые подходы к прогнозу устойчивости горных выработок
6 Исследовать влияние ЭГП и регионального и контактово-
термального метаморфизма па формирование физико-механических
свойств горных пород
Исходные материалы п методы исследовании Решение перечисленных задач основывается на значительном объеме исследований выполненных автором по данному направлению с 1958 г в полевых и лабораторных условиях на месторождениях Урала и Приуралья В работе наряду с результатами собственных исследований использованы фондовые материалы ПГО «Уралгеология», а так же публикации и научные труды отечественных и зарубежных ученых Методы исследований месторождений твердых полезных ископаемых и горных пород, изученных под руководством и непосредственном участии автора, основывались на теоретических положениях и рекомендациях, разработанных в отечественной инженерной геологии, геокриологии, грунтоведении и механике грунтов Для решения поставленных задач выполнялись экспериментальные исследования по специальным
методикам и программам Литолого-иетрографический состав пород изучен под микроскопом по 460 шлифам Физико-механические свойства горных пород для разведанных месторождений определены по 320 скважинам и 1372 монолигам за период с 1972 по 2005 гг Экспериментальные исследования включали изучение физико-механических и прочностных свойств выветрелых и не выветрелых горных пород, а также их свойств при оірицательньїх температурах от -2 С до -18 С
Основные защищаемые положения
1 Инженерно-геологические условия разведки и разработки месторождений твердых полезных ископаемых н физико-механнческпе свойства массивов горных пород формируются и закономерно изменяются в зависимости от особенностей их генезиса н приуроченности к определённым структурно-тектоническим, фаннальным п лапдшафтно-климатнческпм зонам.
Теоретической основой для инженерно-геологического районирования и типизации месторождений твердых полезных ископаемых региона служат закономерные изменения ннженерпо-геологическнх условий под влиянием структурно-геологической неоднородности строения территории, ландшафтно-клнматнческой обстановки, проявления сейсмических событий и развития экзогенных геологических процессов.
Формирование элювиальных грунтов и их свойств определяется характером изменений напряженно-деформированного состояния массивов и сохранностью «реликтовой структуры» исходных пород, что позволяет выделить не более двух инженерно-геологических элементов для случая мощной дисперсной зоны (до 10 м и более). Минеральный состав зоны тонкого дробления элювия в регионе определяется составом материнских пород, а в верхней части зоны доминирует каолинпт В условиях техногенного воздействия на геологическую среду (ГС) такие процессы, как метасоматоз, трещиноватость, выветривание, карст, обводненность определяют свойства пород и их прочность на месторождениях в зависимости от степени их гипергенной переработки, особенно при наличии напорных подземных вод в подстилающих известняках
4 Инженерно-геологическая ишизацпя месторождений твердых полезных ископаемых является инструментом познания механизма трансформации инженерно-геологических условий региона в зависимости от их генезиса, строения и вещественного состава массивов горных пород, их напряженного состояния,
дислоцированное, трещнноватостп, гидрогеологических условий, глубины залегания, способа разработки полезного ископаемого и особенностей развития инженерно-геологических процессов. На
месторождениях, сложенных метаморфогенными и магматическими породами, имеют место осыпи, обрушения, сползание слоистых и сланцеватых пород Па МПИ с мощными корами выветривания и делювиальными дисперсными грунтами преобладают оползни
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Получены новые естественно-научные представления об игокенерио-геологических условиях региона, имеющего ірзтяженность в 2,5 тыс км с севера на юг и до 1000 км с запада на восток Показано, что эти условия закономерно изменяются в пределах различных структурно-геологических обстановок, ландшафтно-климатических и геодинамических зон
Разработанные в отечественных школах теоретические представления о формировании ИГУ регионов раскрыты для Урала и Приуралья на основе изучения месторождений твердых полезных ископаемых Эти представления использованы для инженерно-геологического районирования региона, с учетом истории его развития, геотектонических, геологических, ландшафтно-климатических, гидрогеологических и геокриологических особенностей
Обоснованы критерии и разработана типизация месторождений твердых полезных ископаемых с учетом выявленных закономерностей формирования и изменения ИГУ в различных структурно-геологических, ландшафтно-климатических и геодинамических зонах
Впервые выявлена взаимосвязь между эндогенными процессами, выраженными в существенном различии горизонтальных и вертикальных напряжений в массивах горных пород, их сейсмической активности и характером размещения и формирования линейных и площадных кор выветривания, ослабляющих и затушевывающих их сейсмоактивность
По инженерно-геологическим и горно-техническим условиям все месторождения отнесены к трем категориям сложности I - простые (метаморфогенные и магматические месторождения, отличающиеся высокой прочностью массивов пород и залегающие на глубинах не более 300 м), II - средней сложности (магматические, гидротермальные и скарновые месторождения с трещиноватыми, но достаточно прочными массивами пород, разрабатываемые на глубинах от 300 до 400 м), III -сложные (осадочные и скарновые месторождения с резко меняющимися в массиве прочностными свойствами пород, разрабатываемые на глубинах
более 400 м)
6 Построена схематическая карта региона, отражающая через модуль подземной химической денудации в т/км2 в [од интенсивность ЭГП, включая суффозионно-карстовые Они классифицируются как 1 - очень слабо интенсивные при значениях модуля химического стока 1- до 10, 2 — малой (10-20), 3 - средней, участками малой (10-30), 4 - средней (20-50), 5 - повышенной, (51-100) и б— высокой (более 100) Коренные породы, гидродинамические зоны и ландшафтная обстановка определяют специфику профиля выветривания для различных инженерно-геологических районов и их вертикальную зональность и вещественный состав зон Максимальная интенсивность гипергенных процессов установлена в гидродинамической зоне сезонных и многолетних колебаний уровня грунтовых вод, к которой в массивах карстующихся пород приурочена основная часть карстовых пещерных систем Гидрогеологическая раскрытость структур горно-складчатого Урала, широкое развитие устойчивых к выветриванию палеозойско-протерозойских образований и интенсивный водообмен, связанный с особенностями развития геодинамической обстановки в массивах горных пород, определяют своеобразие процессов образования и сохранения элювия
Практическое значение работы:
Решена крупная научная проблема по изучению закономерностей формирования и изменения инженерно-геологических условий в различных структурно-геологических, ландшафтно-климатических и і еодинамических зонах, имеющая большое социально-культурное и народно-хозяйственное значение для дальнейшего освоения региона и его минерально-сырьевых ресурсов Особенно значительны ее результаты для освоения северной половины региона, где в пределах Ямало-Ненецкого национального округа по восточному склону Урала намечено строительство железной дороги и освоение большого количества крупных месторождений полезных ископаемых
Результаты исследований положены в основу разделов «Горнотехнические условия» при утверждении запасов крупных месторождений бокситов Северного Урала (СУБРа), крупнейшего в мире Баженовского месторождения хризотил-асбеста, месторождения кварца «Гора хрустальная» и железорудных месторождений Высокогорского и Гороблагодатского Материалы исследований в виде 8 научно-производственных отчетов были переданы в геологические фонды ПГО «Уралгеология», Уралгисиза и в другие организации и нашли применение
при подсчете запасов МПИ, при характеристике горно-геологических условий разработки ряда месторождений, прошли защиту в ТКЗ и ГКЗ и были переданы разработчикам соответствующих проектов
3 Выявленные закономерности формирования инженерно-
геологических условий региона позволили усовершенствовать методику
инженерно-геологического изучения кор выветривания и оптимизировать
выполнение инженерно-геологических работ, благодаря использованию
«корректирующих» коэффициентов Полученные результаты
исследований свойств элювия, зависящих от степени сохранности
«реликтовой структуры» исходных пород, открывают возможности
прогноза ожидаемых изменений инженерно-геологических условий под
влиянием разведочных и горных работ, проводимых открытым,
подземным, геотехнологическим и комбинированным способами Это
требует увеличения объема и большего разнообразия инженерно-
геологических работ, но при переходе к новым условиям разведки МПИ
этот подход не имеет альтернативы
4 Раскрытые для региона закономерности развития карстовых
процессов под влиянием разнообразных климатических, и
палеогеографических факторов позволяют обосновать мероприятия по
предотвращению природно-техногенных катастроф и рисков при
строительстве и освоении месторождений полезных ископаемых В
Североуральске, например, морские и континентальные условия
сменялись четыре раза, что и привело к возникновению сложной сети
карстовых систем различных генераций с резкой фильтрационной
неоднородностью вмещающих пород Прогнозная оценка водопритоков в
горные выработки осуществлена автором путем построения
геологической модели водоносных горизонтов с использованием
вероятностно-статистических методов При этом исключено применение
глинистых растворов при бурении, и использованы водопроводы с
расходом более 100-150 м3/час
5 При постановке систем мониторинга и прогнозной экологической
оценке территории использован метод картографического моделирования
учитывающий ведущие факторы ИГУ, включая техногенные Так,
предприятия медной промышленности загрязняют токсичными
металлами ОС и угрожают здоровью людей в течение десятков лет даже
после отработки месторождения Использование количественного
параметра Мпдв обеспечивает оценку загрязнения ОС и обоснованную
разработку мероприятий по уменьшению степени воздействия горных
предприятий на ОС
При комплексном изучении ИГУ и техногенной трансформации ОС для проектов і орнодобывающих предприятий и их инженерно-геологического обслуживания использован комплекс геофизических методов (ВЭЗ, электро- и сейсмопрофилирование) Эти методы позволяют зафиксировать существенные изменения структуры естественных полей в связи с деформациями массивов горных пород, перераспределением естественных напряжений, частичным разуплотнением массивов, изменением уровня грунтовых вод, влажности пород и их температуры Так, изменение влажности пород в бортах карьеров и высокие напоры подземных вод обусловливают оползневые процессы
Для оценки трещиповатости, интенсивности выветривания и прочности пород использована программа «Трещиноватость» Учитывая, что трещиноватость массивов скальных пород определяет их устойчивость, сжимаемость, водопроницаемость, напряженное состояние, то есть имеет исключительную важность для проектирования, проходки и крепления шахтных стволов, нами разработана методика исследований с расчленением пород разреза на петрографические группы по генезису, минеральному составу и динамике выветривания
Апробация работы. Приведенные в диссертации научные разработки и материалы автора в виде 8 научно-производственных отчетов переданы в геологические фонды ПГО «Уралгеология», Уралтисиза и в другие организации Они использованы при подсчете и защите запасов в ТКЗ и ГКЗ на крупных месторождениях бокситов Северного Урала (СуБРа), на крупнейшем в мире Баженовском месторождении хризотил-асбеста, месторождении кварца «Гора Хрустальная» и на железорудных месторождениях Высокогорском и Гороблагодатском Они использованы при разработке разделов «Горнотехнические условия», а в дальнейшем — при разработке соответсівующих проектов
Результаты исследований использованы так же в лекционных курсах дисциплин «Региональная инженерная геология», «Грунтоведение», «Методы инженерно-геологических исследований» и «Инженерная геология МПИ» которые в течение 35 лет читались автором в Уральском государственном горном университете (Свердловском Горном институте)
Результаты исследований и основные положения работы докладывались и обсуждались на 52 международных, всероссийских и региональных научных конференциях, семинарах, конгрессах в Екатеринбурге (1970-2006), Москве (1990-2004), С-Петербурге (1976-2004), в частности, на Всесоюзных и Всероссийских конференциях 1)
«Инженерно-геологическое районирование МПИ» (Москва, 1988), 2) «Прогноз и контроль геологической среды в районах освоения месторождений твердых полезных ископаемых» (Москва - Ростов-на-Дону, 1989), 3) «Гидрогеология, инженерная геология, геоэкология месторождений полезных ископаемых» (Екатеринбург, 1994 г), 4) на научно-методической конференции, посвященной 85-летшо В Д Ломтадзе «Проблемы инженерной геологии» (СПб, 1997), на годичной сессии Научного совета РАН «Сергеевские чтения» (М , 2001, 2002) и др
Публикации Основные результаты исследований по этому направлению освещены в 104 публикациях, важнейшие из которых приведены ниже
Структура и объем работ Диссертационная работа состоит из введения 5 глав, заключения Работа содержит 295 страниц текста, 52 таблицы и 48 рисунков Список литературы включает 458 наименований
Автор выражает глубокую благодарность и признательность директору научно-изыскательского Центра ООО «СгройГеоСреда» В П Семакшгу и своему научному консультанту проф А Я Гаеву, а также коллегам по работе за постоянную поддержку и помощь при подготовке диссертации
