Введение к работе
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 аэрированное 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:
-
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.
-
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.
-
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 разрывной тектоннкоГі, обуславливающей блочпость массива и ее региональные особенности;
разработана специальная методика прогнозного пнясенерпо-геологического районирования массивов пород рудних месторождении. Предложена инженерно-геологическая типизация зон и'поверхно-степ ослаблення, где сложность условии определяется их генетическим іппі'і! и орпс!іі:цнчч:оп относительно вырабатываемого пространства;
разработана методика пііжснсрио-геологпческого изучения, опопіси состоянии и спопст» пород зон ослабления с комплексным использованием геофизических методон (телефотокл ротах;, акустические) как и пределах техногенного влияния подземных горных выработок, та;; н в'пе 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 и физическая природа процесса техногенного выветривания с позиций механшеп 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, предусматри
вающая исследование природных образцов пород в естественном со
стоянии п с предварительным созданием искусственной трещинова
то сті і различной интенсивности: эта методика позволила моделировать
дне техногенные зоны, возникающие вокруг горных пыработок после
пх проходки, а также напряженное состояние породи этих зонах, ис
пользуя пзапмодеііс.іі'.іе pacntopon с породой непосредственно под на
грузкой;
показана правомерность использовании метода лабораторного моделирования для опенки и прогноза процесса техногенного пыпетрппанпи горных пород, как при разработке сульфидных месторождении, так и для оценки устойчивости различных горных выработок;
разработана методика количественном оценки ннженерпо-геологпчссіспх показателей, используемых при прогнозе устойчивости п инженерно-геологических условии эксплуатации месторождении. Установлены показатели, позволяющие прогнозировать интенсивность процесса техногенного выветривания.
Основными защищаемыми положениями, подтвержденными практикой, являются следующие:
пространственно-временные закономерности формирования инженер
но-геологических, условий рудных, месторождении в горно-складчатых
областях обуславливаются влиянием региональных факторов
(сейсмичность, напряженное состояние массива, состав и свойства по
род и руд, особенности техногенеза), где определяющей является раз
рывная тектоника, формирующая блочность массива;
методика комплексного изучения, оценки и прогноза инженерно-
геологических условий рудных месторождений в торно-складчатых об
ластях, включающая полевые и лабораторные методы, в том числе ве
щественное моделирование процесса техногенного выветривания, уста
новление его механизма и фіпико-химической природы;
7 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 ТГУ, 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 вьгоетривания 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 горного, гражданского и промышленного строительства.
8 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 (НТС 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-
9 ных горно-складчатых областях (Южный Урал, Рудный Алтай, Малый
Хинган, Заилийский 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 антнклинория.
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-
10 рогеолопш, 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.
