CC BY
45
УДК 622.271 А.В. Яковлев
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕФОРМИРОВАНИЯ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО БОРТА ГЛАВНОГО КАРЬЕРА ОАО «ВАНАДИЙ»
Дано описание структуры массива Гусевогорского месторождения, приведены результаты исследования процесса деформирования северо-западного борта карьера ОАО «Ванадий».
Ключевые слова: карьер, деформирование борта карьера, поверхность скольжения.
Семинар № 3
A. V. Yakovlev
THE STUDY ON DEFORMATION OF NORTH-WEST BANK OF MAIN OPEN-PIT OWNED BY JOINT STOCK COMPANY “VA-NADIY”
The description of the rock mass structure of Gusevogorskoe deposit is given, the study results on deformation of the North-West bank owned by joint stock company “Vanadiy " is given.
Key words: open-pit, open-pit bank deformation, glide surface.
Гусевогорское месторождение является восточной окраиной Качканарского массива и с востока ограничено крупным крутопадающим на восток тектоническим нарушением. С запада месторождение от смежного массива также отсекается тектонической зоной субмеридионального простирания. По месту залегания Качканарского массива, его соседству с обозначенными выше протяженными тектоническими структурами и составу пород этот массив является частью обширной палео-тектонической зоны Урала, носящей название Главный уральский надвиг. Массив Гусевогорского месторождения представлен различными типами пирок-сенитов, оливином, содержащим верлит (одну из разновидностей роговой обманки), и несколькими разновидно-
стями габбро. В качестве жильного материала выделяются плагиоклазиты. Месторождение вытянуто в меридиональном направлении на 8,5 км при средней ширине с запада на восток около 4 км.
Главный уральский надвиг неоднократно испытывал деформации различного направления и характера. К настоящему времени он представляет собой тектоническую зону, в которой в различном соотношении находятся неразрушенные, слаборазрушенные и сильнодислоцированные породы, включающие рудные тела с разной степенью дробления. Месторождение сложено преимущественно среднеблочными породами. Залегание мелкоблочных массивов приурочено к тектоническим зонам, которые вытянуты в субме-ридиональном и субширотном направлениях. Основной минерал сдвиговых швов - серпентинит. Другие заполнители трещин - это хлорит, кальцит, сири-цит, гематит, аргиллит, глинка.
Особая роль в структуре массива отводится плагиоклазитам. Преимущественно этим минералом заполнены деструктивные (отрывные) нарушения и трещины с различным раскрытием шва. Плагиоклазовые жилы в основном име-
ют крутое (70-90°) падение на запад и восток, мощность жил иногда достигает нескольких метров, хотя большинство из них имеют мощность до 0,2 м. В современном состоянии массива плагиок-лазитовые жилы в присутствии тектонического поля напряжений стали играть двойственную роль. С одной стороны, они укрепляют массив, так как прочность плагиоклазита превосходит прочность пироксенитов любой разновидности. С другой стороны, так как это более жесткие включения, плагиоклазитовые жилы являются концентратом напряжений, когда максимальная компонента поля напряжений ориентирована под некоторым углом к жиле. Второе явление при соответствующих условиях в прибортовом массиве начинает преобладать над первым. В результате тектонических деформаций плагиоклазито-вые жилы разрушаются, и каркас массива распадается на части.
В структурном плане наиболее сильно нарушенный участок находится в массиве северо-западного борта Главного карьера. Первые разрушающие деформации здесь были зафиксированы в середине семидесятых годов прошлого века вскоре после начала ведения горных работ. Повторное развитие деструктивных деформаций на склоне горы Острая, где расположен северозападный борт Главного карьера, обнаружено в начале восьмидесятых годов, когда в прибортовом массиве начали развиваться отрывные трещины, при этом их ориентировка не везде совпадала с контуром карьера. В 1986 году на этом же участке наблюдалась крупная оползневая деформация с объемом пород более 160 000 м3.
Следует заметить, что все деформации имеют общую природу - тектоническое поле напряжений в прибортовом массиве. Оползневая зона северо-
западного борта развивается по мере углубления карьера и ее современные размеры, определенные по внешним признакам, составляют около 400 м по простиранию и около 400 м по оси зоны. Эта ось располагается по азимуту 150° и не совпадает с направлением образующей борта. Оползневая призма представлена дезинтегрированными породами, которые напоминают крупноглыбовую отвальную массу.
С 1991 года за деформациями при-бортового массива в районе оползня маркшейдерской службой рудоуправления были установлены регулярные наблюдения. Наблюдательная линия состояла из девяти маркшейдерских пунктов, расположенных на семи горизонтах карьера. Азимут заложения наблюдательной линии составил 155°, то есть вкрест развивавшихся ранее деструктивных трещин глубокого заложения. По мере углубления горных работ были оборудованы маркшейдерские наблюдательные пункты еще на трех горизонтах. Всего с середины девяностых годов прошлого века в наблюдательной линии задействовано 12 реперов, два из которых находятся за пределами контура карьера. Измерение местоположения наблюдательных реперов осуществлялось с южного и юго-восточного бортов карьера методом прямых засечек. Общая амплитуда перемещений отдельных реперов за период с сентября 1997 года по июнь 2001 года достигла 1,6—1,7 м. Изменение высотных отметок реперов за этот период при общем проседании прибортового массива составило 0,5—0,7 м. Все репера с мая 1992 года по май 2003 года перемещались несинхронно. Их перемещение фиксировалось в различных направлениях, что не может быть объяснено простым сползанием массива в карьерное пространство в юго-восточном направлении. В отдель-
ные периоды времени были зафиксированы поднятия реперов, что не позволяет интерпретировать перемещения реперов в целом как воздействие гравитационной компоненты поля напряжений или веса пород. Несинхронность движения отдельных точек может быть объяснена только современным тектоническим расслоением приборто-вого массива в поле действия разноориентированных максимальных компонент поля напряжений.
Определенная синхронность в деформировании отдельных участков массива проявилась в период с мая 1991 года по май 1992 года, когда результирующие горизонтальные смещения отдельных реперов находились в диапазоне 1,1-1,5 м при широком разбросе значений проседания реперов. Второй период активизации деформационных процессов в борту наблюдался с мая по сентябрь 2003 года. Амплитуда горизонтальных перемещений в этот период достигла 0,84 м, в то же время амплитуда перемещений наблюдательного пункта, расположенного за пределами контура карьера на горе Острая, сопоставима с ошибкой измерения.
Проведенные в 2000-2002 годах сотрудниками ИГД УрО РАН наблюдения за перемещениями выделенного маркшейдерской службой рудника опасного участка прибортового массива с помощью комплекса спутниковой геодезии GPS подтвердили результаты наблюдений маркшейдерской службы рудоуправления. Рассчитанная по геодезическим данным полная амплитуда перемещений некоторых точек прибортового массива в опасной зоне за весь период деформирования борта достигает 6,6 м при явно выраженном горизонтальном векторе подвижки юго-восточной ориентации. В верхней части оползневой зоны на горе Острая располагается про-
тяженная эшелонированная деструктивная зона, которая постоянно расширяется и углубляется.
С мая 2ОО4 года по настоящее время нами проводятся систематические (четыре серии наблюдений в год) инструментальные маркшейдерские наблюдения за процессом деформирования северо-западного борта по вновь организованной наблюдательной станции. Для установления объемной картины деформирования борта реперы были заложены на пяти горизонтах оползневой зоны, причем крайние реперы на каждом из горизонтов были вынесены за пределы оползня. Всего наблюдательная станция в различные периоды времени включала от 37 до 44 реперов. Наблюдения проводились с использованием электронного тахеометра TS 3303 DR фирмы Trimble (США) двумя способами:
- прямыми засечками рабочих реперов непосредственно на горизонте карьера с привязкой опорных реперов методом обратных засечек к пунктам маркшейдерской сети карьера;
- прямыми засечками реперов наблюдательной станции с двух базовых пунктов опорной сети карьера, расположенных на противоположном борту карьера и оборудованных столиками для установки тахеометра.
По результатам измерений для каждой серии наблюдений были установлены величины перемещений реперов в плане, по высоте и в трехмерном пространстве, что позволило выявить следующие основные особенности деформирования массива:
- по данным многолетних инструментальных наблюдений генеральное смещение оползневой призмы происходит в направлении выработанного пространства карьера со среднесуточной
скоростью 1-3 мм, которую можно считать фоновой;
- в отдельные периоды времени (чаще в мае-июне) наблюдается активизация деформационного процесса с возрастанием скоростей смещения массива до 20-35 мм/сут. и даже до 60 мм/сут., как это произошло в мае 2006 года, с последующим постепенным уменьшением скорости смещения реперов до фонового значения;
- существенное возрастание скоростей деформации массива не сопровождается обрушением борта или его участка;
- в прибортовом массиве различаются периоды гравитационного и тектонического деформирования;
- в периоды тектонического деформирования наблюдаются разнонаправленные перемещения отдельных участков массива, в том числе по простиранию борта, часто со сменой направления перемещения реперов на противоположное в смежных сериях наблюдений.
Наибольшее влияние на деформационное поведение прибортового массива оказывает изменение его напряженного состояния под влиянием геометрии борта, внутренних процессов на глубоких горизонтах и взаимных перемещений по отдельным контактам блоков на верхних горизонтах карьера.
Вектора перемещения наблюдательных пунктов демонстрируют разнонаправленные деформационные процессы блочной среды в прибортовом массиве. Направленность перемещения породных блоков определяется не только их перемещением на поверхности обнажения, но и векторами сдвига по междублоч-ным контактам на удалении от поверхности обнажения. И в такое разнонаправленное перемещение по дизъюнк-тивам вовлечены блоки на достаточной глубине от поверхности обнажения.
Для безопасного ведения работ в районе оползневого участка северозападного борта карьера необходимо не только знать деформационное поведение прибортового массива и его напряженное состояние, но и определить момент, когда условное равновесие в массиве перейдет в стадию неуправляемой деформации борта или его участка. Перемещение горной массы не наступит, пока, по крайней мере, не возникнут три поверхности скольжения: две боковые и нижняя. На примере северо-западного борта Главного карьера можно утверждать, что эти поверхности формируются под влиянием тектонических сил в течение длительного времени.
Так как в природе готовых поверхностей скольжения нет, то возникает вопрос, что же представляют собой формирующиеся плоскости. Можно предположить, что это - интегрированные поверхности имеющихся в массиве дислокаций. Для этой модели самым сложным становится процесс объединения дизъюнктивов, так как при этом необходимо разрушение междутре-щинных перемычек. При этом разрушение перемычек должно идти в направлении ориентировки дизъюнкти-вов. Если это наклонные дизъюнктивы с падением в карьер, что способствует оползневому процессу, то разрушение перемычек должно происходить под действием субгоризонтальной максимальной компоненты поля напряжений. И поскольку максимальная компонента такой ориентации действует в массиве, удаленном от поверхности обнажения, то есть в стесненных условиях, то ее значения в этой области явно не достаточно для разрушения перемычек. Вблизи поверхности обнажения максимальная компонента поля напряжений изменяет ориентацию и вызывает разрушение перемычек по слабонаклон-
Среднегодо-
вая
ным поверхностям. Если такие слабонаклонные или горизонтальные дислокации в прибортовом массиве уже имеются, то происходит сдвиг по контактам поверхностей с образованием свежих трещин сдвига и отрывных трещин.
На участке с анизотропным полем напряжений происходит последовательная дезинтеграция до этого частично консолидированного массива. После дезинтеграции массива в основании оползневой призмы чаще всего оказывается тектоническая зона шириной от одного до нескольких метров. Отдельные трещины этой зоны могут быть объединены между собой в интегрированную поверхность скольжения.
Боковые поверхности сдвига формируются иным образом, чем нижняя поверхность. Главным элементом образования таких поверхностей являются природные дислокации сдвигового или деструктивного типа. Те и другие дислокации имеют крутое падение и уже разуплотнены на ряде участков. При изменении силового поля в прибортовом массиве сдвиговые и отрывные трещины становятся подвижными с переуплотнением области шва дизъюнктива.
Многократное дискретное перераспределение напряжений в прибортовом массиве приводит к разрушению ука-
занных областей, прилегающих к шву дизъюнктивов. По мере разрушения растущей шовной области общий уровень напряженности тектонического поля уменьшается. В заключительный момент формирования оползневой призмы начинает возрастать роль гравитационных напряжений. Кроме того, массив разуплотняется, и постепенно снижаются прочностные свойства по контактам вновь образованной тектонической зоны и отдельных трещин.
Образовавшаяся в массиве на небольшом удалении от поверхности борта деструктивная зона трансформируется в интегрированную поверхность скольжения. Тип поверхности скольжения своим происхождением обязан расположению наиболее ослабленных или разрушенных областей массива. На основе анализа параметров деформационного процесса, происходящего в массиве северо-западного борта Главного карьера, интегрированная поверхность (зона) скольжения представляется прямолинейным контуром с наклоном около 26° в выработанное пространство карьера. Относительно медленное и продолжительное деформирование массива, что нехарактерно для скальных пород, объясняется небольшой разницей в углах наклона борта (около 30°) и относительно пологой поверхности скольжения. ЕШ
г Коротко об авторе --------------------------------------------------------------
Яковлев А.В. - Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург, [email protected]
