CC BY
100
---------------------------- © С.В. Квашук, О.В. Зотеев,
П.А. Колтун, В.А. Шабалин, 2009
УДК 624.131.1
С.В. Квашук, О.В. Зотеев, П.А. Колтун,
В.А. Шабалин
ОСОБЕННОСТИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ АЛБАЗИНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ И ПРОГНОЗ АКТИВИЗАЦИИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ЭКЗОГЕННЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Условия разработки карьера на Албазинском месторождения могут быть охарактеризованы как благоприятные, что подтверждается следующими факторами: небольшая мощность рыхлых отложений, скальные породы высокой прочности, низкая сейсмическая активность территории (7 баллов). Наиболее отрицательными факторами являются пересеченный рельеф местности и климатическая характеристика района строительства.
В структурном плане Албазинское месторождение расположено в Ульбанской структурно-формационной зоне Сихотэ-Алинской складчатой области. В районе выделяются три структурных этажа: нижний, средний и верхний.
В геологическом строении района принимает участие комплексы осадочных и изверженных пород. Наибольшее распространение имеют осадочные терригенные отложения юрского возраста. На них с угловым несогласием залегают позднемеловые вулканогенные образования. Некоторая часть территории района занята интрузивными породами.
Территория Албазинского карьерного поля разделена на два инженерно-геологических района (по генетико-морфологический принципам В.Т. Трофимова): (таксона).
I район - пойменные и надпойменные террасы ручьёв, сложенные четвертичными осадочными породами;
II район - низкие горы, сложенные осадочными и интрузивными скальными породами мезозойского возраста.
Выделение инженерно-геологических элементов (ИГЭ) проведено на основе статистической обработки и оценки характера пространственной изменчивости характеристик горных пород и их коэффициента вариации, а так же сравнительного коэффициента вариации.
В результате анализа геологического строения территории и пространственной изменчивости физико-механических свойств горных пород в сфере взаимодействия сооружений Албазинского ГОКа с геологической средой выделено пять инженерногеологических элементов:
ИГЭ-1 представлены четвертичными аллювиально-пролювиальными, делювиально-элювиальными отложениями, которые перекрывают отложения нижнего - среднего отделов юры периода у1-2) (песчаники, алевролиты). Небольшое распространение имеют интрузивные образования нижнего мела (дациты).
Аллювиально-пролювиальные отложения состоят из галечни-ковых грунтов с глинистым заполнителем с прослоями галечнико-вых суглинков, вскрытая мощность составляет от 4,0 до 7,60 м.
Собственно элювиальные образования вскрыты под аллюви-ально-пролювиальными отложениями их мощность 0,60 м. Склоны составлены элювиально-делювиальными отложениями (щебенистыми и дресвяными грунтами с суглинистым заполнителем), чёткой границы между которыми не наблюдается. Мощность их колеблется от 1,20-1,80 до 4,0-4,80 м.
Скальные породы Анфисинской рудной зоны Албазинского месторождения сложены песчаниками, дацитами, алевролитами, гранит-порфирами, гранитами.
ИГЭ-2 - комплекс песчаников и дацитов. Песчаники темно и светло-серые, с мелкозернистой структурой, плотной текстурой наиболее широко распространены в разрезе исследуемого района. Приурочены к долине ручья Анфисинского и склонам сопок. По результатам лабораторных испытаний определены следующие показатели физических свойств: влажность 0,422%; водопоглащение
0,416%; плотность 2,68 г/см3, коэффициент пористости 0,589; степень влажности 0,019, а также механических: прочность на сжатие 209,2 МПа; прочность на растяжение 15,7 МПа; модуль упругости 4,03*104 МПа; коэффициент Пуассона 0,24; сцепление 28,5 МПа; угол внутреннего трения 59,4°, коэффициент крепости 20 (по М.М. Протодьяконову)
Дациты светлые, желтовато-серые породы, тонкозернистой структуры, плотной текстуры, широко распространены в разрезе исследуемого района. Приурочены к долине ручья Анфисинского и склонам сопок. Показатели физических свойств дацитов: влажность
0,714%; водопоглащение 0,762%; плотность 2,67 г/см3, коэффициент пористости 0,030; степень влажности 0,655; а также механических: прочность на сжатие 145,0 МПа; прочность на растяжение 20,2 МПа; модуль упругости 2,48*104 МПа; коэффициент Пуассона 0,20; сцепление 27,0 МПа; угол внутреннего трения 48,8°, коэффициент крепости 15.
Алевролиты (ИГЭ-3) черные, темно-серые породы, тонкозернистой структуры, плотной текстуры, имеют подчиненное значение в разрезе исследуемого района. Физические свойства алевролитов: влажность 0,869%; водопоглащение 0,1,383%; плотность 2,677 г/см3, коэффициент пористости 0,040; степень влажности 0,652, а также механических: прочность на сжатие 111,1 МПа; прочность на растяжение 15,7 МПа; модуль упругости 2,00*104 МПа; коэффициент Пуассона 0,19; сцепление 20,4 МПа; угол внутреннего трения 49,9, коэффициент крепости 11. Нормативные характеристики физико-механических свойств песчаников, дацитов, алевролитов представлены в табличных приложениях 2 и 4 отчета [1].
Граниты, микродиориты, андезиты, их туфы имеют весьма подчиненное распространение в разрезе и объединены в один инженерно-геологический элемент (ИГЭ-4). Они в виде жил незначительной мощности прорезают массив песчаников с углами падения около 40%. Определение механических свойств для них не производилось.
Граниты по результатам лабораторных испытаний имеют следующие показатели физических свойств: влажность 0,893%; во-допоглащение 1,061%; плотность 2,650 г/см3, коэффициент пористости 0,040; степень влажности 0,608.
Гранит-порфиры имеют влажность 1,083%; водопоглащение 1,529%; плотность 2,612 г/см3, коэффициент пористости 0,054; степень влажности 0,589.
Влажность диоритов составляет 0,432%; водопоглащение
0,383%; плотность 2,726 г/см3, коэффициент пористости 0,022; степень влажности 0,554.
о
Рис. 1. Диаграмма трещиноватости песчаников в обнажении, верхняя полусфера
Песчаники и дациты характеризуются высокими показателями физических и механических свойств. После статистической обработки эти породы были объединены в единый инженерногеологический элемент (ИГЭ-2).
Изучение трещиноватости произведено по обнажениям. В песчаниках отчетливо выявляются три системы трещин (рис. 1.):
1. Система крутопадающих трещин с азимутами падения от 20 до 700. Средняя величина азимута падения составляет около 500. Углы падения меняются в интервале 60 до 900. Средняя величина угла падения составляет 75 .
2. Система крутопадающих трещин с азимутами падения от 160 до 200°. Средняя величина азимута падения составляет 1800. Углы падения меняются в интервале 62 до 900. Средняя величина угла падения составляет 80-820.
3. Система субвертикальных трещин с азимутами простирания от 300 до 3400. Средняя величина азимута падения составляет 3200.
Углы падения меняются в интервале 60 до 900. Средняя величина угла падения составляет 800.
4. Система наклонных трещин с азимутами падения от 10 до 2800 (гуляющая) и углами падения от 30 - 600 (средний угол падения 400).
Анализ буровых колонок скважин и обнажений, говорит о том, что открытые трещины распространяются на глубину 5 - 6 м.
При строительстве и эксплуатации ГОКа предполагается создание следующих объектов: карьер, промплощадка золотоизвлека-тельной фабрики; объекты вспомогательного назначения; вахтовый поселок; хвостохранилище; склад ВМ; базисный склад химреагентов. Изменение рельефа местности, режима поверхностных и подземных вод, а также микроклимата района (следствие создания хвостохранилища) предполагает возможность активизации некоторых экзогенных геологических процессов.
Анализ климатических, орографических, гидрогеологических и инженерно-геологических условий территории Албазинского месторождения позволил исключить из перечня возможных экзогенных геологических процессов следующие группы явлений [1, 2]:
1. Эоловые процессы, проявляющиеся в развевании и переносе песчаных и пылеватых масс, с образованием западин, дюн, останцев и т. п. Подобные процессы в принципе не являются характерными для условий Дальнего Востока. Малая же мощность покровных отложений и относительно высокая прочность скальных пород не позволят им активизироваться при вырубке растительности, уничтожении почвенного покрова и других техногенных воздействиях.
2. Гипергенный литогенез, проявляющийся в уплотнении песчаных, глинистых и других пород под воздействием технической мелиорации, давлением от веса инженерных сооружений, при вибрации и других нагрузках, также может не учитываться по причине малой мощности покровных отложений.
Таким образом, при прогнозировании активизации экзогенных геологических процессов на территории Албазинского месторождения необходимо рассматривать только явления климатического характера, склоновые процессы и процессы водного характера, явления, связанные с разгрузкой естественных напряжений при образовании карьерных выемок, а также группу процессов криогенного и посткриогенного характера.
Прогноз активизации экзогенных геологических процессов в пределах карьерного поля
Развитие масштабных криогенных и посткриогенных процессов в пределах карьерного поля нереально, поскольку скальные породы практически не изменяют своих инженерногеологических свойств в условиях многолетней мерзлоты, а мощность покровных отложений способных накапливать воду и подвергаться морозному пучению, как уже отмечалось выше, пренебрежимо мала. Исключение составляют аллювиально-пролювиальные отложения мощностью до 8 м, связанные с водоносным горизонтом. Однако эти грунты будут удалены при вскрышных работах, и поэтому их влияние на развитие криогенных процессов может не рассматриваться.
Основными экзогенными геологическими процессами, активизирующимися при создании карьерных полей являются:
1. Образование осыпей и оползней на уступах бортов (склоновые процессы).
2. Интенсификация различных видов выветривания в скальных массивах.
3. Понижение уровня подземных вод с образованием депрес-сионной воронки.
4. Сдвижение вмещающих пород в сторону выемки.
Формирование осыпей и оползней на уступах и бортах карьеров - это процесс, охватывающий все без исключения открытые выработки. В принципе, для большинства прочных скальных массивов устойчивость уступов можно считать гарантированной при условии, что угол заоткоски уступов меньше угла падения согласно падающих трещин, параллельных верхней бровке, если их угол наклона превышает величину угла сопротивления сдвигу по контактам. Поскольку угол борта карьера всегда меньше угла заоткоски уступов, то и условие устойчивости бортов автоматически выполняется.
Активизация образования осыпей на уступах карьера обусловлена следующими причинами:
- дроблением верхней части уступа зарядом перебура технологических скважин;
- сейсмическим действием взрыва;
- физическим выветриванием;
- трещинным давлением воды.
Для снижения негативных эффектов от воздействия буровзрывных работ над транспортными съездами для защиты их от камнепадов в обязательном порядке должны предусматриваться бермы очистки. Бермы предусматриваются в тех случаях, когда высота участка борта над ними, не имеющая камнеулавливающих устройств, превышает 60 м. Ширина берм очистки должна обеспечивать задержание крупных породных обломков, скатывающихся с вышележащих горизонтов. При определении ширины берм очистки необходимо учитывать ее сужение за счет осыпания при длительном сроке службы. Необходимую величину уширения берм в этом случае следует определять расчетом.
Также эффективной мерой снижения опасности формирования осыпей является уменьшение срока службы уступов, что является предпосылкой для снижения влияния физического выветривания. Предлагаемое решение возможно за счет создания временных целиков с консервацией вскрышных уступов на отдельных участках контура.
Понижение уровня грунтовых и подземных вод с образованием депрессионной воронки также не должно вызвать серьезных осложнений при ведении горных работ: поскольку статические запасы воды в скальных породах незначительны, а мощность рыхлых покровных отложений мала. Поэтому водопритоки в карьеры будут определяться, в основном, количеством атмосферных осадков, выпадающих на водосборную площадь, а в зимний период водопритоки будут стремиться к минимальным значениям (зимняя межень). Некоторое увеличение водопритоков будет иметь место лишь при зарезке новых горизонтов, а также по мере расширения границ карьера в плане и вскрытии еще не осушенных породных пачек. При этом необходимо учесть, что фильтрационное давление воды в скальных породах пренебрежимо мало из-за малой трещинной пустотности, т.е. влияния водопони-жения на устойчивость бортов карьера не ожидается.
Сдвижение вмещающих пород в сторону выемки при отработке месторождений со скальными вмещающими породами обычно практически незаметно. Однако в строении Албазинского месторождения есть особенность, могущая привести к развитию нетипичных деформаций бортов: в песчаниковой толще по результатам испытаний на глубине более 50 м (скважина 170-3) выделяется разность пачек пород, имеющих пониженные прочностные свойства. Эти породы представлены алевролитами и брекчиями.
Как правило, менее прочные скальные породы имеют и пониженные деформационные характеристики. Поскольку создание карьерной выемки сопровождается разгрузкой естественных напряжений, то величина деформаций верхней, более прочной толщи, будет меньше, чем у подстилающих мягких пород. Такая ситуация может привести к образованию трещин отрыва.
Прогноз активизации экзогенных процессов на территории месторождения
Активизация экзогенных процессов на территории месторождения, за исключением карьерных полей, будет обуславливаться отсыпкой отвалов пустых пород, а также созданием хвостохранилища. Строительство же обогатительной фабрики и вахтового поселка в условиях невозможности проявления процессов гипергенного литогенеза и явлений мерзлотного характера не может сказаться на протекании экзогенных процессов.
Отсыпка отвалов может активизировать только один экзогенный процесс - образование осыпей и оползней. Поскольку мощность рыхлых отложений мала, можно утверждать, что создание отвалов не вызовет заметной активизации образования оползней, так как при автомобильной или бульдозерной отсыпке горной массы формирование откосов происходит под углом трения качения материала, а устойчивость отвала определяется углом внутреннего трения отсыпанной массы. Для скальных пород угол внутреннего трения превышает угол трения качения как минимум на 100, что исключает возможность образования классического оползня в теле отвала.
Поскольку в пределах карьерного поля нет большого количества несвязных грунтов мелких фракций (моренные отложения и т.п.), ожидать больших деформаций уплотнения в теле отвала, затрагивающих подъездные пути и разгрузочные площадки, также нет оснований. Размещение отвала на слабовсхолмленной местности при малой мощности покровных отложений исключает возможность скольжения по поверхности складируемой горной массы, а также образование оползней, связанных с выдавливанием слабого слоя в основании.
При создании хвостохранилищ [3] могут активизироваться следующие экзогенные процессы: размыв пород, оврагообразование и переработка берегов водохранилищ, размыв русел и берегов рек при аварийных пропусках воды и разрушении плотин, образование селевых потоков разных объемов при прорыве ограждающих плотин и дамб, а также локальные проявления криогенных процессов. Рассмот-
рим возможность активизации этих процессов применительно к условиям отработки Албазинского месторождения.
Хвостохранилище предполагается создать в долине ручья Ошибочный перед впадением в него ручья Хвойный. При этом для размещения хвостов выбран способ полусухого складирования. Такой способ складирования исключает возможность развития водоэрозионных процессов и образования селевых потоков из-за малого количества влаги, содержащейся в отходах обогащения. Одновременно с этим исключается способ самотечной доставки хвостов, поскольку при увеличении соотношения твердой и жидкой фаз пульпы наблюдаются процессы обратного фракционирования, когда крупные частицы перемещаются на большее расстояние, чем мелкие. Более высокая по сравнению с селевыми потоками плотность сгущенной пульпы обусловит и более крутой угол откосов вала, формирующегося на некотором удалении от пульповыпусков, т.е. угол верхового откоса составит порядка 300. Предельным случаем является формирование отвалов пород, при котором угол отвала, равный углу естественного откоса, аналогичен углу формирующегося пляжа.
Таким образом, размещение отходов по площади хвостохрани-лища придется вести с помощью погрузочной и бульдозерной техники. Складирование отходов в зимнее время приведет к промерзанию приповерхностного слоя: глубина сезонного промерзания грунтов под оголённой поверхностью района работ в соответствии с данными справочника «Характеристики по строительной климатологии и геофизике Дальнего Востока» составляет 345 см. Даже с учетом влажности складируемых отходов глубина их промерзания в отдельные годы может достигать 1,0 - 1,2 м.
При складировании отходов на промерзшем основании неизбежно образование “мерзляков”, последующая оттайка которых сопровождается просадками грунта. Однако этот процесс нельзя признать особо опасным, поскольку на поверхности хвостохранилища не размещаются охраняемые объекты за исключением сгустителя, расположенного на борту ограждающей дамбы.
Единственным условием нормального функционирования хвосто-хранилища является создание обводного канала на ручье Ошибочный, исключающего возможность попадания вод ручья в чашу хвостохрани-лища. При невозможности создания обводного канала по берегу ручья он может быть проложен его дну. Сечение канала должно обеспечивать пропуск расхода р. Ошибочный.
Применительно к условиям отработки Албазинского месторождения использование скальной наброски для сооружения ограждающей дамбы хвостохранилища позволит не только отказаться от создания карьера по добыче строительного гранита, но и существенно сократить площадь земельного отвода для размещения отвалов вскрышных пород. Кроме того, дамбы, отсыпанные из скальной наброски, в отличие от намывных дамб не пылят, что снижает экологическую нагрузку на территорию.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Доизучение инженерно-геологических и горно-технических условий разработки Албазинского золоторудного месторождения: отчет о НИР / ДВГУПС; Квашук С.В., Федоренко Е.В., Зотеев О.В. - Хабаровск, 2007. - 90 с.
2. Дерюгин Г.К., Наумов О.С. Разрушения плотин в связи с пропуском сбросных расходов // Гидротехнические сооружения. - 1995. - № 7. - С. 30-33.
3. Зотеев В.Г., Зотеев О.В. Нетипичные деформации бортов глубоких рудных карьеров и меры по их предотвращению // Горный журнал. - 2007. - № 1. - С. 40 - 45.
4. Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов ПБ 03-438-02.
5. Ломтадзе, В.Д. Инженерная геология. Специальная инженерная геология [Текст]. - Л.: Недра, 1978. - 496 с.
6. Опыт повышения устойчивости откосов глубоких карьеров за рубежом / С.В. Иванов, В.Г. Зотеев, М.Е. Вихман, В.Д. Пахомов // Обзорная информация “Черметинформация”, сер. Горнорудное производство. - М., 1983. - Вып. 2. - 22 с.
7. СергеевЕ.М. Инженерная геология. - М.: МГУ, 1978. - 384 с.
8. Херхелулидзе И.И. Максимальные расходы селевых потоков // Борьба с горной эрозией почв и селевыми потоками в СССР. - Ташкент, 1962. ЕШ
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Зотеев О.В. - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
Квашук С.В. - доктор геолого-минералогических наук, профессор,
Колтун П.А. - аспирант, преподаватель,
Шабалин В.А. - преподаватель,
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г.
Хабаровск.
E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
