Влияние слоисто-складчатой и разрывной структуры месторождений железистых кварцитов на устойчивость уступов разрабатывающих их карьеров Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 622.354.6:553.546

В.А. Дунаев, [email protected],

И.М. Игнатенко, асп., ignat86 [email protected] (Россия, Белгород, ФГУП ВИОГЕМ)

ВЛИЯНИЕ СЛОИСТО-СКЛАДЧАТОЙ И РАЗРЫВНОЙ СТРУКТУРЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ УСТУПОВ РАЗРАБАТЫВАЮЩИХ ИХ КАРЬЕРОВ

Дана характеристика особенностей слоисто-складчатого строения и разрывной структуры месторождений железистых кварцитов. С учетом указанных особенностей выделены семь типов геолого-структурных обстановок, обусловливающих деформации уступов карьеров, разрабатывающих такие месторождения.

Ключевые слова: месторождения железистых кварцитов, слоистость, складчатость, разрывные нарушения, уступы карьеров, деформации.

Месторождения железистых кварцитов разрабатываются, главным образом, открытым способом. Тех из них, которые расположены на щитах платформ (например, на Балтийском - месторождения северо-западного региона нашей страны или на Украинском - месторождения Кривбасса), имеют небольшую мощность покровных отложений (до 20...40 м), отработка которых при вскрытии рудных залежей не осложняется проблемой устойчивости уступов. На КМА вследствие значительной мощ-ности рыхлых обводненных пород осадочного платформенного чехла (60.180 м) подобные осложнения на этапе вскрытия месторождений встречались довольно часто. В настоящее время глубина карьеров ГОКов КМА (Михайловского, Лебединского, Стойленского) достигла 200.300 м от поверхности докембрийского массива железистых кварцитов и вмещающих их метаморфических пород. Соответственно с точки зрения безопасности горных работ актуальной стала проблема устойчивости уступов в прикон-

турном массиве докембрийских пород. В данной работе рассмотрены гео-лого-структурные факторы устойчивости нерабочих уступов карьеров именно в таких массивах.

Они сложены крепкими скальными, а в верхней части в той или иной степени выветрелыми полускальными породами. В массивах указанных пород основным фактором, влияющим на устойчивость уступов на предельном контуре карьеров является их структурная анизотропия, обусловленная наличием разноориентированных поверхностей ослабления [1]. На месторождениях железистых кварцитов тип и ориентация поверхностей ослабления определяются особенностями их слоисто-складчатой и разрывной структуры.

Слоистость (стратификация) толщи железистых кварцитов и вмещающих их пород (главным образом гнейсов, кристаллических и зеленых сланцев) обусловлена чередованием в ее разрезе слоев пород различной мощности (от сантиметров до нескольких метров, редко десятков метров) с четкой границей раздела между ними. В первичном виде она была сформирована в процессе осадконакопления в водной среде, а затем при метаморфизме осадочных и вулканогенно-осадочных пород унаследована и усилена проявлением сланцеватости.

Слоистость определяет наличие поверхностей ослабления по границам раздела слоев и в виде так называемых слабых прослоев, сложенных породами пониженной прочности и сопротивлению сдвигу (хлоритовых, хлорит-серицитовых, серицит-тальковых сланцев). Естественная отдельность в массиве пород образуется преимущественно тремя почти взаимноортогональными системами трещин. Одна из них М, наиболее проявленная, следует по границам раздела слоев пород, другая N - поперечная к простиранию пород, а третья К - продольная к нему и падающая навстречу слоистости пород [2].

Размер отдельности зависит от степени однородности строения (текстуры) породы и мощности ее слоев. Чем более однородна порода и мощнее образованный его слой, тем крупнее отдельность. Например, на Горишне-Плавнинском месторождении средний размер отдельности тонко-, средне- и глубополосчатых железистых кварцитов составляет соответственно 0,2; 0,3 и 0,36 м. На Кировогорском месторождении средний размер отдельности гнейсов массивной текстуры в толщах, представленных слоями мощностью 0,1.0,3; 1,5.2,5; 2,5.5,0 и более, 5,0 м равен соответственно 0,32; 0,5; 0,65 и 1,05 м.

Складчатость (изгиб слоистой толщи пород с образованием складок) определяет ориентацию поверхностей раздела слоев, слабых прослоев пород, а также трещин системы М, а значит и в целом геометрию решетки трещин отдельности. Месторождения железистых кварцитов по особенностям складчатой структуры представлены двумя основными типами: моноклинальным и синклинальным. При разработке месторождений, представ-

ленных простыми формами складок с выдержанным залеганием пород, элементы которого надежно устанавливаются в процессе детальной разведки, борт карьера в лежачем боку залежи отстраивается по слоистости пород, а со стороны висячего бока породы падают в массив, т.е. слоистость не участвует в формировании потенциальных призм обрушения.

Однако нередко слоистость пород характеризуется изменчивым залеганием, обусловленным осложнениями крыльев складок флексурными изгибами и поперечной складчатостью, а также ундуляцией (изменением угла наклона шарнира складок). Указанные осложнения, как правило, не обнаруживаются детальной разведкой, на основе материалов которой проектируются карьеры, что приводит к локальным подрезаниям слоистости пород откосами уступов и их деформациям.

Разрывная структура месторождений железистых кварцитов характеризуется преимущественным развитием крутопадающих продольных, поперечных и диагональных относительно простирания складок разрывных нарушений. Наиболее сильно проявлены продольные нарушения. Иногда они представлены региональными разломами мощностью десятки метров и вертикальной амплитудой перемещения по ним тектонических блоков пород в сотни метров (например, Западно-Лебединский разлом на Лебединском месторождении КМА и Западно-Кременчугский на Горишне-Плавнинском и Лавриковском месторождениях Кременчугской зоны на Украине).

В целом сами по себе крутопадающие продольные и поперечные разрывные нарушения не оказывают сколько-нибудь существенного влияния на устойчивость уступов карьеров за исключением случаев, когда отдельные участки приконтурного массива представлены зоной влияния крупных разломов, в которой средний размер отдельности пород составляет всего 0,1.0,3 м, а связь между отдельностями существенно ослаблена. Например, зоне Западно-Кременчугского разлома средний размер отдельности сланцев, железистых кварцитов, амфиболитов и гранитов составляет соответственно 0,1; 0,16; 0,11 и 0,21 м. На таких участках возможны обрушения уступов карьера. Реже встречаются диагональные разрывные нарушения с углом падения 50.80° и продольные пологие (угол падения 10.35°) надвиги. С первыми из них могут быть связаны клиновые, а со вторыми плоские обрушения уступов.

Дадим характеристику основных типов структурных обстановок, обусловливающих возникновение деформаций уступов на предельном контуре карьеров, разрабатывающих месторождения железистых кварцитов.

Первый тип - поверхность ослабления в виде границы раздела слоев (трещин системы М), плоскости сланцеватости или слабого прослоя падает в сторону выемки под углом 25.60° и в плане ориентирована вдоль уступа (угол между азимутами простирания этой поверхности и уступа

0.30°), а сверху выходит на берму уступа. При подрезании поверхности ослабления карьерным откосом возможно обрушение (сползание) по ней породного блока (рисунок а). По фронту уступа обрушения обычно ограничивается трещинами системы N.

А-А

'Л

і

т

*

ч

ттт-

,«-А

Основные типы структурных обстановок, обусловливающих деформацииуступов карьеров приразработкеместорождений

железистых кварцитов:

1 - слоистый массив пород (параллельными линиями показана ориентировка слоистости в поперечном разрезе уступа карьера);

2 - квазиоднородный массив; 3 - слабый контакт или прослой породы; 4 - разрывное нарушение; 5 - круглоцилиндрическая поверхность скольжения. Стрелками показано направление движения призмы

обрушения

Второй тип - в слоистой толще пород крутого падения в сторону выемки имеется пологопадающее в ту же сторону разрывное нарушение (обычно надвиг). При подрезании нарушения откосом уступа породный блок может оторваться от массива по границе раздела слоев (слабому прослою) и сползти по плоскости нарушения (рисунок б).

Третий тип - массив представлен толщей переслаивающихся пород субвертикального залегания (угол падения 90+5.10°) с мощностью слоев от сантиметров до нескольких дециметров. Разрушение уступа обусловлено «изгибом» слоев по ломаной линии (расчленением на плитчатые отдельности) в сторону выемки, межслоевыми подвижками и опрокидыванием (рисунок в).

Следующие три типа структурных обстановок характерны тем, что слоистая толща пород ориентирована поперек откоса или падает в массив. Таким образом, поверхности слоистости (сланцеватости) не участвуют в формировании потенциальных призм обрушения, которые обусловлены исключительно разрывными нарушениями.

Четвертый тип - откос уступа подрезает разрывное нарушение, падающее в сторону выемки, и в плане, ориентировано под углом 0.30° к

простиранию откоса (рисунок г). По виду потенциальной призмы обрушения является аналогом первого типа (см. рисунок а).

Пятый тип - потенциальная призма обрушения создается сочетанием двух продольных нарушений, падающих в сторону выемки, под разными углами (рисунок д). По виду этой призмы близкий аналог второго типа (см. рисунок б).

Шестой тип - два диагональных относительно простирания уступа карьера разрывных нарушения, падающих в сторону выемки и навстречу друг другу, образуют клиновую призму обрушения (рис., е).

Седьмой тип - массив пород под воздействием тектонических напряжений приобрел мелкоблочное строение (средний размер отдельности меньше 0,3 м) при сохранении геометрии решетки трещиноватости (ориентации систем трещин М, К, К). В этом случае уступ деформируется как квазиоднородный массив [3]. Обрушение происходит по круглоцилиндрической поверхности скольжения, радиус которой зависит от прочности породы в образце и коэффициента структурного ослабления массива. В верхней части уступа эта поверхность может быть вписана в поверхности ослабления, созданные трещинами системы, простирающейся вдоль уступа и падающей в сторону выемки (рисунок ж). Если слоистая толща мелкоблочных пород падает в карьер, то это будут трещины системы М, а если в массив, то трещины системы К.

Выводы

1. При открытой разработке месторождений железистых кварцитов главными факторами устойчивости уступов на предельном контуре карьеров являются характер слоистости толщи железистых кварцитов и вмещающих их пород, особенности складчатой и разрывной структуры месторождений. Эти факторы определяют наличие в разрабатываемом массиве пород поверхностей ослабления (границ раздела слоев, слабых прослоев, поверхностей сланцеватости, разрывных нарушений), их позицию и ориентацию в пространстве, а также геометрию решетки трещин отдельности и средний размер отдельности пород.

2. Основные деформации стационарных уступов карьеров обусловлены подсечением их откосами продольных падающих в сторону выемки поверхностей ослабления массива, пар диагональных клиноформирующих разрывных нарушений, а также участков, характеризующихся субверти-кальным залеганием толщи тонкопереслаивающихся пород или квазиод-нородным строением массива.

Список литературы

1. Теоретические основы инженерной геологии. Механикоматематические основы / под ред. Е.М. Сергеева. М.: Недра, 1986. 254 с.

2. Дунаев В.А., Серый С.С. Трещиноватость метаморфитов курской серии в бассейне КМА // Изв. вузов. Геология и разведка. 2003. №2. С.54-59.

3. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов и отвалов на карьерах и разработка мероприятий по обеспечению их устойчивости / ВНИМИ. Л.:, 1971. 187 с.

V.A. Dunaev, I.M. Ignatenko

GEOLOGO-STRUCTURAL FACTORS OF STABILITY OF BENCHES OF THE OPEN PITS DEVELOPING THE DEPOSITS OF FERRUGINOUS QUARTZITES

The characteristic of features of a layered-folded composition and rupture structure of deposits of ferruginous quartzites is given. Taking into account the specified features it is allocated seven types of the geologo-structural conditions causing deformations of benches of open pits, developing such deposits.

Key words: deposits of ferruginous quartzites, lamination, folding, dislocations with a break in continuity, benches of the open pits, deformations.

Получено 20.04.11

УДК 622.271.332

B.A. Дунаев, ignat86 [email protected],

O.B. Олейник, ignat86 [email protected],

И.М. Игнатенко, acn., ignat86 [email protected],

Е.Б. Яницкий, д-р геол.-минер. наук, проф., [email protected] (Россия, Белгород, ФГУП «ВИОГЕМ»)

ДИСТАНЦИОННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАЛЕГАНИЯ ТРЕЩИН ПРИ НАТУРНОМ ИЗУЧЕНИИИ ДЕФОРМАЦИЙ УСТУПОВ КАРЬЕРОВ

Изложена технология дистанционного определения элементов залегания плоскости (стенки трещины) в уступе карьера, включающая съемку высокоточным тахеометром в безотражателъном режиме не менее трех точек, принадлежащих плоскости, и вычисление по предложенному алгоритму, программно реализованному в маркшейдерском модуле ГИС ГЕОМИКС, азимута иугла падения плоскости.

Ключевые слова: уступ карьера, плоскость, элементы залегания, высокоточный тахеометр, алгоритм, ГИС ГЕОМИКС.

Верхняя часть карьера в массиве скальных пород, поставленная на предельный контур, недоступна для непосредственного геологоструктурного изучения и измерения элементов залегания плоскостей ослабления массива (трещин). Однако чтобы выяснить причины происшедших деформаций уступов карьера и определить сдвиговые характеристики по трещинам путем обратных расчетов, необходимо знать ориентировку