Введение к работе
Актуальность проблемы. С терригенным комплексом пород пространственно и генетически связаны все угольные бассейны и до 25% мировых запасов цветных металлов, а также множество месторождений неметаллического сырья. Терригенные породы характеризуются весьма широкой вариацией неоднородности и изменчивости состава, строения и свойств. Для отдельных участков одного и того же месторождения свойства слагающих его терригенных пород обычно изменяются в широких пределах, что обусловливает изменчивость условий производства горных работ. На Джезказганском месторождении и Карагандинском каменноугольном бассейне, где сосредоточены крупнейшие горно-добывающие предприятия страны, производство горных работ сопровождается различными опасными геологическими явлениями. Эти неблагоприятные геологические явления вызывают огромные материальные у нередко человеческие жертвы.
Разработано множество инженерных методов прогноза и управления геологическими явлениями в ослабленных горными выработками толщах. Однако из-за отсутствия надэжных исходных геологических данных потенциальные возможности этих методов остается не реализованными, а сами методы - зачастую практически малоэффективными. В связи с этим возникла актуальная проблема создания надежной геологической базы для решения задач горного производства, что требует прежде всего изучения и оценки инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых..
Исходные материалы. В основу диссертационной работы положены личные результаты 20-летних научных исследований автора на угольных и рудных месторождениях Центрального Казахстана, пред-ст '.эляющих собой уникальные и крупные по запасам сырьевые базы страны. В работе обобщены результаты полевых инженерно-геологиче^ ких работ, лабораторных экспериментов и натурных исследований в горных выработках строящихся, действующих и погашенных шахт с использованием данных испытаний более 20 тыс. образцов пород и документации 50 тыс. пог.м керна.
Цель работы-.Разработка теоретических и методических положений анализа закономерностей формирования инженерно-геологических условий рудных и угольных месторождений в террнгенных толщах
для оценки и прогноза возникновения и развития геологических явлений в горных выработках, повышения безопасности их проходки и надежности эксплуатации.
Идея и задачи исследований. Идея работы заключается в изучении зависимостей состава, свойств и состояния терригенных пород от геологических условий формирования и использовании их для прогноза возникновения и развития геологических явлений, влияющих на рациональное освоение недр, устойчивости горных выработок и безопасности горных работ.
В диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:
-
выявить значение существенных элементов инкенерно-гес,-логических условий месторождений в терригенных толщах и создать основы их формирования;
-
разработать методолгию изучения и оценки состава и свойств терригенных пород в комплексе геолого-разведочных работ;
-
анализ природных и техногенных закономерностей проявления различных по форме и масштабам геологических явлений в горных выработках и подработанной толще застроенных территорий;
-
составить инженерно-геологическое обоснование и разработать классификацию пород по устойчивости в горных выработках;
-
разработать рекомендации по учету влияния изменчивости инженерно-геологических условий месторождений в прогнозах развития геологических явлений в горных выработках и обоснования мероприятий, обеспечивающих рациональное освоение и охраны геологической среды.
Методы исследований. Достижение поставленной цели основано на применении комплекса методов фундаментальных наук - геологии, физики, математики и химии, в том числе: методов систематизации данных о формах и условиях проявления геологических явлений в горных выработках; лабораторных и натурных исследований горных пород, геолого-исторического анализа условий их формирования и залегания; вероятностно-статистические методы обработки и анализа результатов исследований на ЭВМ.
Основные защищаемые положения:
I. Теоретическая разработка закономерностей формирования инженерно-геологических условий рудных и угольных месторождений Центрального Казахстана базируется на концепции приуроченности
этих месторождений к комплексу терригенных пород, сформировавшихся в аналогичных тектонических структурах и фациальных обстановках, определивших специфику их современных свойств, состояния и условий залегания.
2. Инженерно-геологические условия рационального освоения
Джезказганского рудного месторождения и Карагандинского каменно
угольного бассейна представляют собой целостную систему, создан
ную историческим ходом их развития, наиболее существенными эле
ментами которой являются: геологическое строение, .литологический
состав, физико-механические свойства и естественное напряженное
состояние пород терригенных толц, обусловливающие их поведение
в горных выработках.
-
Стадийность формирования физико-механических свойств терригенных пород угленосных и рудоносных толщ граувакково-квар-цево-полевошпатового состава неразрывно связана с характером их литогенеза, ката- и ыетагенетическими преобразованиями в результате активного проявления региональных и локальных геологических процессов.
-
Закономерности возникновения и развития неблагоприятных геологических явлений в горных выработках рудных и угольных месторождений обусловлены природно-техногенным состоянием подработанной терригеннсй толщи, которое определяется особенностями их инженерно-геологических условий и применяемой системы разработки.
-
Устойчивость, нормальные условия эксплуатации и безопасность проходки горных Еыработок в терригенных породах, определяются главным образом развитием техногенных геологических явлений: горного давления, деформации, разрушения, сдвижения и динамических форм.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
впервые дается теоретическая разработка закономерностей сформирования инженерно-геологических условий рудных и угольных месторождений Центрального Казахстана с целью их рационального освоения;
-
проведен анализ результатов изучения состава и физтао-механических свойств пород терригенных толщ, определяющих условия производства горных работ при разработке месторождений;
-
выявлена закономерная связь естественного поля напряжений в терригенных породах с современными тектоническими
структурами изученных месторождений полезных ископаемых;
4) выявлены условия возникновения геологических явлений и закономерности их развития, влияющих на устойчивость горных выработок и безопасность горных работ;
. 5) проведено инженерно-геологическое районирование месторождений полезных ископаемых по условиям производства горных работ, разработаны классификация терригенных пород по устойчивости в горных выработках и комплексный план мероприятий по охране геологической среды.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены: классическими теоретическими положениями геологии, литологии, инженерной геологии и механики горных пород; массовыми лабораторными экспериментами, полевыми исследованиями и натурными наблюдениями за развитием геологических явлений в горных выработках действующих и строящихся горно-добывающих предприятий.
Научное значение работы заключается в создании теоретических основ формирования и прогноза инженерно-геологических условий месторождений в терригенных толщах, раскрытии природы неоднородности и изменчивости состава, свойств и состояния терригенных пород и развития геологических явлений в горных выработках для обоснования безопасности ведения горных работ.
Практическая значимость работы состоит в том, что на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны: инженерно-геологические оценки и прогнозы физико-механических свойств терригенных пород, естественного поля напряжений в терригенных толщах, поведения пород и развития геологических явлений в горных выработках; рекомендации по учету изменчивости инженерно-геологических условий месторождений для расчета устойчивых конструктивных элементов горных выработок и охране геологической среды.
Реализация результатов исследований. Составлены и внедрены: инженерно-геологическое обоснование освоения месторождений Джезказган, Итауз и Жаман-Айбат; карты инженерно-геологического районирования шахтных полей для выявления ослабленных участков подработанной толщи застроенных территорий и повторной разработки оставленных в недрах запасов руд; классификация и карты устойчивости пород кровли рудных залежей и угольных пластов. Гео-
логический метод оценки физико-механических свойств терригекных пород при разведке глубоких горизонтов Джезказганского месторождения обеспечил экономический эффект 79,8 тыс.руб.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований докладывались на Всесоюзных научных конференциях и симпозиумах в гг.Москве (1985,1990), Апатиты (1983), Свердловске (1984), Сарапуле -(1989), Фрунзе (1989), Перми (1939), Новосибирске (1990), республиканских и вузовских конференциях, научно-технических Советах ГИПРОцветмет, НПО Джезказганцветмет, ПГО Центрказгеология, Джезказганской ГРЭ.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 50 научных работах. Выполнены и внедрены научные исследования по 7 темам, разработанным по планам ГКНТ, АН КазССР, МУЛ и МЦМ СССР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения общим объемом 266 страниц машинописного текста, содержит 39 таблиц, 49 рисунков, списка литературы из 230 наименований и 4 приложения.
Автор выражает глубокую благодарность профессорам В.Д.Лом-тадзе, A.M. Гальперину, М.А.Ермекову, Р.Э.Даико, И.П.Иванову за проявленное внимание и ценные консультации, а также всем специалистам научных, производственных и учебных заведений за доброжелательную критику м практическую помощь в проведении научно-исследовательских работ.
