CC BY
25
© А.В. Яковлев, В.А. Синицын, Н.И. Ермаков, 2005
УДК 622.83:622.02.3
А.В. Яковлев, В.А. Синицын, Н.И. Ермаков
ОЦЕНКА ЗОН ТРЕЩИНОВАТОСТИ В ПРИБОРТОВОМ МАССИВЕ ПО КОМПЛЕКСУ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ *
Семинар № 3
ТГ ак показывает опыт буровзрыв-
XV ных работ на ряде рудных карьеров, эффективность взрывания зависит не только от удельного расхода ВВ, сетки буровых скважин и схемы взрывания, но и от строения массива, то есть от наличия трещин и их интенсивности. Следует добавить, что на качество взорванной породной и рудной массы влияет ориентировка трещин по отношению к буровзрывным скважинам и к поверхности обнажения массива. В ряде ситуаций на размер куска породы после взрыва влияет и материал заполнителя швов трещин, поскольку негабариты почти всегда содержат нераскрытые трещины. Можно также добавить, что эффективность взрывания, то есть удельный выход взорванной массы, непосредственно связана и с величиной статических напряжений в краевой части прибортового массива, так как статические (тектонические) напряжения значительно увеличивают прочность пород в массиве.
Все дополнительные параметры, кроме прочностных характеристик пород, всегда могут быть ранжированы по степени их значимости на результат взрывания блока, хотя для этого требуются специальные исследования в натурных условиях. В настоящее время можно только констатировать, что все они связаны между собой геологическими условиями образования рудной залежи и вмещающих пород. В
данной работе будет рассмотрен один из главных факторов строения массива - это наличие трещиноватости и степень ее раскрытия до проведения буровзрывных работ. Задача по оценке трещиноватости прибортового массива осложняется тем, что по протяженности трещины являются сравнительно небольшим элементом массива, то есть они не достигают длины 10 м. По своему генезису трещины объединяются в системы, имеющие одинаковую направленность и
заполнитель. Система трещин объединяет ряд трещин, между которыми обязательно имеются породные перемычки. Например, в прибортовом массиве карьеров Качканарского ГОКа тектонические дислокации, как правило, развивались по двум-трем системам, одна из которых (наиболее протяженная) стала главной, а две другие - дополнительными. Преимущественно все три системы трещин, сосредоточенные в пределах условно выделенного породного участка, имеют разный возраст образования и залечены различными минералами. Однако направление главных и вспомогательных дислокаций не является одинаковым для всех прибортовых массивов четырех карьеров.
В процессе генетического развития рудной залежи трещины неоднократно возобновляют свое развитие, соединяются с другими сонаправленными трещинами и по окончании тектонического акта воздей-
*Исследования проведены при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант НШ - 1258. 2003. 5.
ствия на массив залечиваются соответствующим породным минералом, который дренировал через массив в процессе его деформации на данной стадии процесса. В результате нескольких тектонических процессов на ряде трещин рудных месторождений обнаруживается несколько заполнителей разной прочности и состава. Наиболее ранние заполнители являются более прочными, так как они почти всегда проходят стадию высоко- или среднетемпературного метаморфизма вместе с основными породами массива. Последние по времени отложения заполнители трещин почти всегда являются слабыми. Это ми-лонит, серицит, глинка трения и т. д. Среди низкотемпературных заполнителей только кальцит является довольно прочным заполнителем трещин.
Отдельные участки массива с различными по ориентировке и заполнителю системами трещин ограничиваются крупными нарушениями, которые имеют различную ориентацию в пространстве месторождения. По отношению к углу падения сместителей они подразделяются на четыре крупных типа: сдвиги, сбросы, надвиги и шарьяжи. Почти всегда тип крупных тектонических структур определяет тектоническую структурную блокировку на соответствующем участке массива и в сое геологическое время был вызван соответствующим распределением тектонических напряжений в массиве. Структуры мелкого масштаба (трещины), сгруппированные в соответствующие зоны, отражают процессы дезинтеграции массива в период формирования крупных нарушений или являются вторичными после выделения крупных дизъюнктивов. Определение типа задающей тектонической структуры в прибортовом массиве помогает решать вопросы с систематизацией трещин участка массива, подлежащего взрыву.
Оценить параметры трещиноватости в прибортовом массиве легче всего на поверхности обнажения сразу же после экскавации отбитой горной массы до момента
разрушения поверхности уступа под действием гравитационных сил. Породная осыпь сильно препятствует такому способу изучения массива. Для выделения возраста генерации трещин или периода возобновления их роста требуется непосредственный доступ к трещине. При детальном изучении каждой из трещин можно выделить от 10 до 15 характеризующих ее параметров. В этом случае идентификация трещин будет полная. После этого можно говорить о характеристике систем трещин на соответствующем участке массива.
Без визуального распознания трещин или их фрагментов суждение об интенсивности трещиноватости окажется субъективным, то есть речь может идти только об интегральной характеристике трещиноватости в массиве на качественном уровне при отнесении массива к слабо-, средне-или сильно трещиноватому. На основе этой характеристики уже можно провести дифференциацию массива по степени взрываемости, то есть относить массив к мелкоблочному, среднеблочному или крупноблочному. Здесь планка между отдельными участками может быть весьма размытой или условной. Избежать неоднозначности в оценке трещиноватости массива можно только при определении направленности трещин в прибортовом массиве, идентификации их в систему, после чего производится оценка интенсивности трещиноватости. Это может быть весьма кропотливой работой, которую под силу выполнить только квалифицированному специалисту. Методы оценки интегральной трещиноватости могут базироваться на изменении скоростных характеристик среды, электропроводности пород в массиве, изменении фильтрационных характеристик среды, недоступной для непосредственного наблюдения. Однако каждый из методов в отдельности не может решить задачи в той степени качества какая требуется для выполнения паспорта буровзрывных работ.
Методических проработок для детальной оценки трещиноватости в мас-
сиве на недоступных для глаза участках, то есть за пределами небольшой области массива, прилегающей к поверхности уступа, пока не существует. Цель методических разработок, которую ставят перед собой авторы статьи, заключается в обнаружении минимума трех систем трещин в массиве накануне проведения буровзрывных работ, оценке интенсивности распространения каждой из систем трещин и определении прочностных характеристик массива на основе блока информации о трещиноватости, прочностных показателях пород и прочностных показателях заполнителей швов трещин. Для этой цели в особо сложных случаях может быть привлечена информация о напряженном состоянии массива в пределах взрывного блока.
Достижению этой цели способствует накопленный опыт по картированию трещиноватости в карьерном пространстве различных месторождений, а также использование информации о кинематических поверхностях трещин для оценки поля напряжений. Для нас также доступен материал, касающийся взаимосвязи между интенсивностью трещиноватости, прочностными характеристиками пород и заполнителей швов трещин, напряженным состоянием массива и его прочностью в естественном залегании.
Разработанная нами методика включает анализ визуального ряда, выполненного с помощью цифровой фотокамеры на нескольких горизонтах карьера, смежных с горизонтом расположения взрывного блока, рассмотрение крупных тектонических структур вблизи этого блока и определение кажущегося электрического сопротивления на нескольких глубинах прибортового массива на планируемом к взрыву участке по ряду профилей. В случае, когда взрывной блок уже обурен, детализируются условия фильтрации бурового раствора или поверхностной и глубинной воды в каждой из скважин и определяется ориентировка трещиноватости с помощью теле-
визионной аппаратуры для исследования скважин.
Согласно этой методике, изучение структурного строения прибортового участка массива применительно к взрывной выемке следует начинать с рассмотрения местоположения участка относительно рудной залежи и ориентировки максимальной компоненты напряжений в борту, также его расположения относительно крупных тектонических нарушений, включая пологопадающие швы дизъюнктивов. Если планируемый к взрыву участок расположен в вытянутой части борта вблизи тектонического шва вкрест действия главного максимального напряжения, то этот массив обладает не только высокой интенсивностью трещиноватости. В таких горно-геологичес-ких условиях основная система трещин может быть раскрытой с хорошей фильтрацией поверхностных и подземных вод. Если участок расположен на удалении от крупного тектонического нарушения, то интенсивность трещин основной системы уже не высока, и все трещины остаются залеченными и водонепроводящими. К тому же они могут находиться в зажатом состоянии, то есть прочность породного массива здесь превысит прочность самой породы или руды в образце.
Информация по деформационному поведению массива на планируемом к взрыву участке массива так же позволяет судить о его дезинтеграции, то есть о развитии междублочных подвижек по плоскостям трещин.Кроме непосредственных наблюдений за деформациями прибортового массива с помощью маркшейдерских методов измерения можно использовать и визуальные методы, отражающие качественный характер деформаций. Например, условиям разуплотнения массива по трещинам соответствует разнонаправленность перемещения отдельных маркшейдерских пунктов на соответствующем участке. Высокие
фильтрационные способности массива от-
ражают те же процессы дезинтеграции массива за счет сдвиговых перемещений по системам ранее залеченных трещин.
Непосредственная оценка интенсивности трещиноватости массива осуществляется посредством электрометрических измерений по методу вертикального электрического зондирования, хотя все геофизические методы дают лишь качественную интегральную оценку или структуры или состояния породного массива. Для интерпретации результатов электрического зондирования относительно развитости и ориентировки систем трещин дают опытные наработки, сделанные в условиях массива с известным строением. Для этого способа не является помехой наличие готовых буровых скважин, однако вблизи измерительной линии нежелательно наличие работающего бурового станка и железнодорожного полотна. Еще одним условием ограничения в применении электрометрического способа измерения кажущегося сопротивления для оценки трещиноватости массива до глубины 15 м от дневной поверхности является необходимая ширина бермы менее 15-20 м для выполнения самих измерений.
При указанной ширине бермы могут быть выполнены измерения удельного электрического сопротивления по двум профилям, параллельным бровке уступа. Расстояние между пунктами установки приемных электродов должно быть не более 50 м. При высокой изменчивости среды расстояние между отдельными точками должно быть около 25 м. На практике расстояние между установочными пунктами выбирается в зависимости от характера блочности массива (мелкоблочный, среднеблочный или крупноблочный). К какому типу массива следует отнести массив, определяется визуально или по ряду фотографий обнажений соответствующего или смежного уступа или породного развала на смежном участке перед планируемым взрывом.
В каждой точке установки приемных электродов измерение осуществляется по трем направлениям:
• по главной профильной линии с установкой питающих электродов на удалении от центра 1,5; 2,5; 5; 9; 15; 25; 40;70 м;
• по вспомогательным профильным линиям с установкой питающих электродов на расстоянии от центра 1,5; 2,5; 5; 9; 15 м.
Вспомогательные приемные линии располагаются по азимуту 45° от главной профильной линии.
Измерения проводятся геофизической электроизмерительной аппаратурой «Березка». При каждой установке приемных электродов контролируется ток питания на генераторе и потенциал на приемных электродах ММ. Ток, подаваемый в массив, должен быть достаточно большим, как и показания индикатора на приемнике. При слабом токе в массиве применяется увлажнение питающих и приемных электродов. Расчетные коэффициенты при расчетах кажущегося удельного электрического сопротивления для соответствующей глубины измерений определяются в зависимости от разноса питающих и приемных электродов.
Переход от интегральной кривой, связывающей интегральное электрическое сопротивление массива до заданных глубин, к поинтервальному значению удельных электрических сопротивлений осуществляется несколькими способами. Самый простой способ оценки электрических свойств пород на соответствующей глубине заключается в применении палеток А.М.Пылаева. По виду кривой вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) выбирается соответствующий тип палетки, а уже затем находится глубина залегания слоя, его удельное электрическое сопротивление.
После выделения слоев с различными электрическими свойствами следует переходить к оценке трещиноватости мас-
сива в каждом отдельном породном слое. Для того каждый раз сопротивление слоя сравнивается с эталоном, которым, в одном случае, служит нетрещиноватый массив, в другом случае, - сла-бодислоцированный массив с минеральным заполнением трещин, в третьем случае, - сильнодислоцированный массив с открытыми трещинами, частично заполненными минеральным раствором. Когда все три перечисленных варианта состояния массива имеют различающиеся своим пороговым уровнем удельные электрические сопротивления, то несложно определить и состояние массива: сплошной без трещин массив, слаботрещиноватый массив и сильнотрещиноватый массив с раскрытием трещин.
В реальных условиях обязательно встречаются и другие варианты состояния массива: слабодислоцированный
массив с замкнутой системой трещин, сильнотрещиноватый массив с замкнутой системой трещин или тектонически расслоенный массив с прочным заполнителем трещин. Для пироксенитового массива Гусевогорского месторождения все три указанные пороговые уровни электрического сопротивления пород различаются между собой. Так, слаботрещиноватые породы с минерализованным заполнителем трещин имеют диапазон удельных электрических сопротивлений от 500 до 1000 Ом/м в зависимости от степени трещиноватости и процентного содержания магнетита в виде прожилков соответствующей направленности. Сильнотрещиноватые породы с раскрытием трещин имеют удельное электрическое сопротивление в пределах 2000-4000 Ом/м, а нетрещиноватый (крупноблочный) пироксенитовый массив обладает удельным сопротивлением свыше 4000 Ом/м.
Переход от удельных значений электрического сопротивления соответствующей области массива к ее неэлектрическим параметрам (интенсивность и ориентировка трещин, а также их со-
стояние в плане раскрываемости и заполнения минерализованными водами) -довольно щепетильная операция. Она требует анализа и сопоставления между собой всех возможных вариантов строения массива. При этом следует учесть значение удельных электрических сопротивлений породных слоев по глубине в точке измерения и по латерали в соседних точках измерения. При недостатке информации может возникнуть многовариантность при переходе от значения электрического сопротивления (р) к интенсивности трещиноватости. Особенно этот момент характерен при альтернативных по состоянию массивах -крупноблочный массив или мелкоблочный массив с раскрытыми трещинами.
Сделать правильный выбор в оценке степени трещиноватости массива помогают фотографии данного участка массива и результаты измерений на вспомогательных профилях. Если при измерениях обнаруживается, что значения тока в массиве и кажущиеся электрические сопротивления одинаковы во всех трех направлениях профилирования в соответствующей точке измерения, то измеряемый массив крупноблочный. Если текущие токи различаются между собой, как различаются и кажущиеся сопротивления р, то массив является мелкоблочным с раскрытием соответствующей системы трещин. Ориентировка системы трещин соответствует направлению минимального кажущегося сопротивления.
Методически сложным процессом является выявление субгоризонтальных систем трещин и оценка их интенсивности. Обычно это трещины тектонического расслоения, и они находятся в состоянии хорошей проводимости из-за повышенной увлажненности. Чаще всего это границы отдельных проводящих и непроводящих слоев. Определить интенсивность слабонаклонных или шарьяж-ных трещин в проводящем слое можно тремя способами. Во-первых, это можно сделать с помощью телевизионной аппа-
ратуры для исследования скважин, во-вторых, интенсивность горизонтальных трещин легко оценивается по кусковато-сти взорванной массы на соседнем участке, так как легко распознать эту систему по качеству и количеству заполнителей швов. В-третьих оценить интенсивность таких трещин можно по значению удельного электрического сопротивления в этом интервале по отношению к среднему удельному сопротивлению слоя вблизи поверхности обнажения, то есть вблизи устья скважины.
Приведем пример выявления интенсивности трещиноватости и ориентировки систем трещин в массиве южного борта Южной залежи. Уровень верхней отметки взрывного блока составляет 265 м. Массив этого борта тектонически расслоен. Интенсивность расслоения массива довольно высокая, хотя отдельные протяженные слои (в пределах нескольких метров) расчленены очень слабо, интенсивность трещин здесь не выше
0,5-1 шт./м Вблизи участка при геологоразведочных работах не обнаружено ни одного крупного тектонического нарушения, хотя дислоцированность массива свидетельствует о наличии тектонических зон на небольшом удалении от этой области массива.
Измерения кажущегося электрического сопротивления были сделаны в трех точках взрывного блока, расположенных на удалении 45-50 м друг от друга. Дополнительные профили были выполнены на всех указанных точках. Измерения р выявили, что в структурном плане все области массива имеют одинаковое строение. До глубины 2,5-4 м интенсивность трещиноватости невысокая, то есть массив является по своей структуре среднеблочным. Интенсивность субвертикальных трещин лежит в пределах от 1 до 3 тр/м. Трещины разуплотнены, основное их направление суб-меридиональное. Субгоризонтальных трещин на указанном интервале глубин находится незначительное количество.
Ниже этого среднеблочного массива залегает совсем другой массив с повышенной интенсивностью трещин всех трех направлений. Максимальная интенсивность трещин каждого из направлений (субмеридиональных и субгоризонтальных) достигает 4-5 шт./м. Все эти трещины находятся в сомкнутом состоянии и минерализованы раствором с низким удельным сопротивлением.
Другим примером районирования массива относительно трещиноватости является уже отбуренный взрывной блок на Главном карьере. Районирование было выполнено с использованием уровня воды в буровых скважинах. Благодаря такой информации об уровне воды в буровых скважинах оценка трещиноватости массива является более объективной, хотя массив взрывного блока является более сложно устроенным, чем рассмотренный ранее взрывной блок.
Этот блок расположен в потенциально оползневой зоне прибортового массива и отличается очень сложным строением. В строении массива преобладают тектонические зоны сдвигового и шарь-яжного характера с включением надви-говых зон. Зоны сдвига представлены субмеридиональными и субширотными трещинами, шарьяжные зоны - субгори-зонтальными трещинами. В указанном прибортовом массиве установлен современный тектонический режим, следствием которого является раскрытие одних трещин и закрытие других, то есть этот массив состоит из участков уплотнений и разуплотнений.
Электрометрические наблюдения в блоке выполнены по 10 профилям. Удаленность центров установки приемных электродов друг от друга составляет около 25 м. Такая удаленность является оптимальной и позволяет рассматривать области независимо друг от друга. Длинные электрометрические профили выполнялись почти параллельно бровке уступа, короткие профили - под углом 40-45° к длинным. В месте расположе-
ния скважины 114 электрометрические наблюдения выявили следующее:
1. До глубины 5 м общее сопротивление слоев электрическому току по трем профилям составило 8,47 кОм, 7,5 кОм и 4,21 кОм. Соотношение между максимальным сопротивлением и минимальным сопротивлением за счет раскрытия трещин на этом интервале составило 2.
2. Сопротивление току в массиве в интервале глуби 5 - 10 м по разным профилям (соответственно с теми же направлениями зондирования) было 7,47 кОм, 4,75 кОм и 3,05 кОм. То есть за счет раскрытия трещиноватости субши-ротной ориентации электрическое сопротивление изменилось в 2,45 раза.
В области массива, включающей одну из скважин, было получено, что до глубины 5 м за счет раскрытия субши-ротных трещин сопротивление электрическому току в субмеридиональном направлении профиля было в 1,6 раза больше, чем при субширотной ориентировке ВЭЗа. Измерение электрического сопротивления на участке с центром вблизи другой скважины показало альтернативный результат. Так, коэффициент изменения электропроводности пород в зависимости от ориентировки профиля дал значение близкое к единице, то есть здесь породы находятся в условиях всестороннего сжатия при высокой трещиноватости массива (2-3 шт/м). То есть по результатам измерений в пределах этого блока на всех трех участках массив по глубине является мелкоблочным с включениями среднеблочного. Далее, на северо-восток и восток массив за счет снижения интенсивности трещин до 1-2 шт/м становится среднеблочным, и раскрытия трещин за счет горного давления почти не происходит.
Оценка интенсивности трещиноватости электрометрическим пособом хорошо согласуется с уровнем воды в скважинах. Так, при закрытых швах субме-ридиональных трещин и открытых суб-широтных трещинах уровень воды от
дневной поверхности резко увеличивается в направлении откоса и остается примерно одинаковым вдоль откоса уступа. На восточном фланге взрывного блока небольшое раскрытие субширот-ных трещин привело к обезвоживанию буровзрывных скважин.
Массив, отнесенный к взрывному блоку 1418, является более простым по структурному строению, чем описанный выше блок 2812. Этот блок расположен в северо-восточной части Северного карьера на гор. 265 м. Он также является тектонически структурирован, однако он включен в надвиговую зону месторождения, поэтому ориентировка систем трещин здесь совсем не повторяет ситуации в блоке 2812. Ослабляющие массив трещины преимущественно ориентированы субширотно, но имеют не крутое, а наклонное падение на юг. Интенсивных тектонических подвижек пока массив северного борта Северного карьера не претерпел, поэтому швы трещин находятся в залеченном состоянии.
Основное рудное пространство занимают пироксенитовые породы со средней интенсивностью трещиноватости (23 шт/м). И только в периферийной части взрывного блока трещиноватость пород более высокая, а швы трещин являются раскрытыми от сейсмического воздействия предыдущих взрывов на горизонте. Трещины других направлений в этом блоке развиты очень слабо, на эмбриональном уровне. За счет сомкнутости берегов трещин вода в скважинах находится на довольно высоком уровне. Увлажненность массива при соответствующей трещиноватости с содержании полезного компонента дает невысокие значения кажущегося электрического сопротивления во всех направлениях электрозондирования.
Обширный по площади взрывной блок в пределах гор. 235 м на северном борту Северного карьера изучался до буровых работ в блоке. Визуально и с помощью фотоснимков было отмечено,
что в пределах взрывного блока залегает мелкоблочный массив с включениями среднеблочного и крупноблочного. Интенсивность трещин в пределах мелкоблочного массива составляет 4 - 5 шт/м, интенсивность трещин в среднеблочном массиве - 2-3 шт/м и интенсивность трещин в крупноблочном массиве - 0,51 шт/м. На участке было выполнено 13 основных профилей и 26 вспомогательных профилей. Электрометрические наблюдения показали, что среднеблочный массив залегает на ряде участков (преимущественно на юго востоке взрывного блока) только до глубины 4-5 м, ниже преимущественно располагается мелкоблочный массив. Современные тектонические процессы еще не значительно затронули структуру массива, поэтому трещины находятся в сомкнутом состоя-
нии. Ориентировка трещин преимущественно субширотная и субмеридиональ-ная, а также пологопадающая.
Таким образом, представленная вниманию читателей методика дифференциальной оценки трещиноватости в при-бортовом массиве для последующего составления паспорта буровзрывных работ позволяет дифференцировать массивы не только по их структуре но и состоянию на момент выполнения запланированной технологической операции. Трех профильное зондирование в каждой из точек массива с привлечением информации по тектонике массива и гидрогеологическим данным позволяет оценить интенсивность трещиноватости в каждой из выделенных систем и состояние трещин в каждой системе.
— Коротко об авторах -------------------------------
Яковлев А.В., Синицын В.А., Ермаков Н.И. - ИГД УрО РАН.
© А. С. Федянин, 2005
УДК 622.271.333 (622.831.1)
А.С. Федянин
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВ ГЛУБОКОГО КАРЬЕРА НА ОСНОВЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Семинар № 3
Т) азвитие открытых горных работ в -К Республике Узбекистан связано с освоением месторождений со сложными горно-геологическими условиями, значи-
тельным увеличением глубины карьеров, в перспективе достигающей 700 м и более. В этой связи строительство глубоких карьеров влечет за собой необходимость
