Оценка геомеханических условий разработки месторождений Накынского рудного поля

технические науки

Горное дело

УДК 599.735.3 М.М. Иудин

оценка геомеханических условий разработки месторождений

накынского рудного поля

Приведен анализ тектонических условий кимберлитовых месторождений. Предложены две модели развития геомеханической ситуации в породном массиве. Выполнены оценки напряженного состояния и показаны параметры коэффициента бокового распора в массиве.

Ключевые слова: кимберлитовые трубки, тектонические напряжения, массив горных пород, напряженное состояние, коэффициент бокового распора, коэффициент Пуассона.

Накынское кимберлитовое поле расположено в пределах Среднемархинского геологического района Республики Саха (Якутия). Кимберлитовые трубки «Ботуо-бинская» и «Нюрбинская» в настоящее время составляют основу Накынского рудного поля, в которую также включаются и алмазоносные россыпные месторождения [1, 2]. Кроме того, в этом районе выявлены 20 аномалий, перспективных на выявление кимберлитовых тел, что подтверждает реальность открытия новых трубок, возможно более крупных, чем «Ботуобинская» и «Нюрбин-ская» [3]. Поэтому геомеханическое описание условий отработки трубок «Ботуобинская» и «Нюрбинская» позволит корректно оценить горно-технические условия открытой и подземной разработки месторождений На-кынского рудного поля.

Кимберлитовая трубка «Ботуобинская» представляет собой крутопадающее, неправильной формы тело, овальное в северо-восточной и дайкообразное в юго-западной части и прорывает терригенно-карбонатные, карбонатные породы кембрия, ордовика, перекрыта толщей рыхлых и слабосцементированных мезозойских отложений, сложенных песчано-алевритисто-глинистыми породами, а у дневной поверхности - современными элювиальноделювиальными образованиями. Мощность перекрывающих горных пород составляет до 110 м. Трубка «Нюр-бинская» вытянута по длинной оси в северо-восточном направлении. Мощность рыхлых мезозойских образований над трубкой составляет 56-71 метров [1].

ИУДИН Михаил Михайлович - к.т.н., профессор ГРФ ЯГУ E-mail: iudin@igds.ysn.ru

В геологическом отношении вмещающие породы кимберлитовых трубок представлены мархинской и мор-кокинской свитами кембрийской системы и олдондин-ской свитой ордовика. Мархинская свита состоит из пе-строокрашенных алевролитов, мергелей, аргиллитов, известняков, доломитов и песчаников с редкими прослоями известняковых конгломератов. Породы моркокинской свиты представляются алевролитами и мергелями, часто загипсованными с прослоями известняков, доломитов, реже брекчий и конгломератов. Олдондинская свита слагается из сероцветных известняков и доломитов с подчиненным развитием алевролитов, мергелей, аргиллитов и конгломератами.

По результатам интерпретации геофизических исследований установлено, что Накынское кимберлитовое поле локализуется в области флексурного перегиба кристаллического фундамента юго-восточного склона Ана-барской антеклизы, сопряженного с узлом пересечения Среднемархинской и Вилюйско-Мархинской зон разломов [4, 5]. Среднемархинская зона сформирована тремя линейными перегибами северо-западного простирания значительной амплитуды, которые сопровождаются разломами. В строении платформенного чехла Средне-мархинского района принимают участие терригенно-карбонатные породы венда, кембрия и ордовика, а также мезозойские образования. Вилюйско-Мархинская зона разломов в Среднемархинском районе имеет северовосточное простирание и проходит по северо-западному борту Палеовилюйского авлакогена. В осевой части Вилюйско-Мархинской зоны расположено Накынское кимберлитовое поле. На рассматриваемой территории Вилюйско-Мархинская зона имеет ширину порядка 60

км. В магнитном поле разрывным нарушениям зоны соответствуют чёткие положительные линейные аномалии протяжённостью в десятки километров. Отдельные разрывы имеют гораздо меньшую длину, иное направление и другую выраженность в магнитном поле - это аномалии в виде ступени. Линеаментный анализ азимутов простираний линейных магнитных аномалий, связанных с дайками долеритов, показал, что существует три преобладающих направления: 320°-350°, 60°-75°, 25°-55°.

Разломы Среднемархинской зоны имеют азимуты простирания 325°-350°, направление 60°-75°, что соответствует параметрам Моркока-Линденской зоне, а Вилюйско-Мархинской зоне разломов присущи азимуты 25°-60° В Среднемархинском районе аномальное поле силы тяжести сформировано породами кристаллической коры. Влияние Палеовилюйского авлакогена выражается в виде аномалий отрицательного знака, расположенных в восточной и юго-восточной частях рассматриваемой территории. Другая линейная область отрицательных аномалий проходит северо-западнее кимберлитового поля. Кимберлито-вые тела Накынского поля расположены в области полей силы тяжести с градиентом положительной аномалии и отрицательной аномалии магнитного поля [4, 5].

Вокруг кимберлитовых трубок во вмещающих породах, вдоль оси тектонических разломов, выявляются зоны повышенной трещиноватости (до 20-30 трещин на 1 п.м.), возникших в условиях сжатия без значительных вертикальных перемещений. До глубины 130-140 м как в рудном теле, так и во вмещающих породах часто встречаются открытые трещины, заполненные льдом, ниже преобладают закрытые трещины, залеченные кальцитом, реже - пиритом, гипсом и кварцем с раздувами и пережимами. На стенках трещин часто наблюдаются зеркала скольжения. Наличие тектонических зон, инъецированных дайками порфировых кимберлитов, трещиноватость пород и проявления древнего карста говорят о значительном накоплении тектонических напряжений в массиве и могут оказать существенное влияние на устойчивость горных пород при подземной отработке.

Недостаточная информативная база по тектонике Накынского рудного поля, полученная в ходе геологоразведочных работ, особенно по параметрам измерений тектонических напряжений и деформаций в районе ким-берлитовых трубок, не позволяет достоверно оценить влияние тектоники на характер ведения подземных горных работ при отработке кимберлитовых трубок на глубину балансовых запасов. Предварительную оценку тектонической напряженности и возможности ее влияния выполним на основе анализа опыта эксплуатации месторождений Мало-Ботуобинского и Далдыно-Алакитского районов, горно-геологические условия которых можно с некоторой вероятностью считать аналогичными для На-кынского рудного поля.

При рассмотрении естественного поля напряжений в верхней части земной коры на территории Якутии

С.А. Батугин [6] предлагает учитывать тектонические напряжения исходя из геологических условий формирования массива пород, несмотря на отсутствие их прямых измерений. Обобщая разрозненные факты, он приходит к следующим выводам. Древние поля тектонических напряжений в значительной степени наследуются современными структурами. В большинстве рудоносных областей наблюдаются максимальные сжимающие напряжения почти горизонтального направления. Здесь действует среднее или минимальное сжимающее напряжение, близкое к вертикальному направлению. Два главных напряжения, действующие в горизонтальной плоскости, как правило, не равны между собой.

Натурные измерения напряжений в породных массивах, как правило, сложных по тектоническому строению, обнаруживают значительные по величине начальные напряжения горизонтального направления, которые нельзя объяснить существующими представлениями о коэффициентах бокового распора. Они превосходят начальные напряжения вертикального направления в несколько раз и даже в десятки раз. Так, в Хибинском массиве горных пород на глубине 50-100 м были измерены начальные напряжения с отношением 20:10:1, явно указывающие на тектоническое происхождение начальных напряжений [7]. При этом было установлено, что с увеличением глубины относительный уровень тектонических напряжений уменьшается: уже на глубине 600 м начальные напряжения составили 4:2:1. Качественную картину распределения тектонических напряжений можно построить по результатам анализа существующих тектонических нарушений в породном массиве, не прибегая к инструментальным измерениям. Например, тектонические нарушения в виде надвигов свидетельствуют об относительно высоком уровне горизонтальных тектонических напряжений.

При оценке естественного поля напряженного состояния массива горных пород вокруг кимберлитовых трубок Накынского рудного поля необходимо учитывать опыт строительства и эксплуатации подземных рудников на месторождениях «Интернациональная» и «Мир». Основной силой, формирующей напряженное состояние породного массива Накынского рудного поля, по аналогии будем считать силу тяжести горных пород. Тектонические особенности месторождений района могут осложнить ведение подземных горных работ, но опыт эксплуатации рудника «Интернациональный» пока не подтверждает существенного влияния тектонической структуры региона на состояние устойчивости породного массива при производстве подземных горных работ. В то же время нет убедительных доказательств и фактов, что при дальнейшей эксплуатации подземного рудника на нижних горизонтах месторождения исключается возможность проявления тектонических сил. Проявление тектонических сил может случиться в процессе подземных горных работ в виде значительных деформаций кровли породного обнажения или в виде внезапных вы-

бросов и ударов горных пород. Поэтому необходимо осуществлять мониторинг по оценке проявлений тектонических напряжений (естественных и техногенных) в породном массиве при отработке кимберлитовой трубки, используя все современные методы науки.

Таким образом, обобщая анализ силовых факторов и закономерностей формирования начального напряженного состояния породного массива кимберлитовых месторождений, следует выделить две наиболее возможные схемы развития геомеханических ситуаций при ведении подземных горных работ.

В осадочных массивах, сложенных залегающими пластичными, релаксирующими горными породами без тектонических нарушений, можно предположить, что начальное напряженное состояние породного массива будет равнокомпонентным или гидростатическим относительно вертикальных и горизонтальных компонентов напряжений. В массивах, сложенных скальными нерелаксирую-щими породами, следует предположить, что начальное напряженное состояние массива горных пород является неравнокомпонентным или негидростатическим.

При воздействии тектонических сил будет существенно увеличена доля горизонтальных составляющих напряжений в обеих геомеханических ситуациях, и по предварительным данным напряженное состояние породного массива будет близко или выше гидростатического распределения. Тектоническая составляющая естественного напряженного поля породного массива может быть учтена через обобщенный коэффициент бокового распора, который способен учесть возможность проявления тектонических сил в процессе ведения подземных горных работ. Эти геомеханические схемы поведения массива горных пород рекомендуется применять при оценке начального напряженного состояния вокруг ким-берлитовых трубок Западной Якутии, в том числе и на Накынском рудном поле.

В качестве основного фактора техногенного воздействия на земную кору выступает перемещение масс горных пород (выемка из карьеров и подземных разработок и складирование вскрышных пород и отходов обогащения на поверхности). Техногенное напряженное состояние массива горных пород в окрестности месторождения формируется за счет образования выемок и пустот в горном массиве вследствие перемещения больших объемов горных пород, особенно при открытых разработках. Разработка кимберлитовых месторождений открытым способом (если глубина карьера превышает мощность водоносных горизонтов) осложняется дополнительными факторами в виде падения уровня подземных вод, образования депрессионных воронок в породном массиве, что приводит к изостатическому нарушению равновесия напряженно-деформированного состояния (НДС) массива. Поэтому, когда добыча кимберлитов переходит к подземному способу, исходное напряженное состояние массива горных пород приходит к активной фазе своего

развития, что необходимо учитывать при оценке напряженного состояния вокруг горных выработок.

При рассмотрении исходного напряженного состояния породного массива считают [8], что основная сила, формирующая распределение напряжений, определяется силой тяжести горных пород, которая направлена перпендикулярно земной поверхности к центру Земли. Тогда по условию связи между напряжениями и деформациями с учетом изотропности упругих свойств горных пород определяется исходное напряженное состояние породного массива (гипотеза А.Н. Динника) в виде:

ст, = УН, ст х = а у = —— уН = ХуН.

1 -V

Гипотеза А.Н. Динника остается справедливой для отдельных регионов платформенного типа, в том числе можно предположить и для кимберлитовых месторождений [8]. С другой стороны, есть и другие гипотезы (выраженные через определение коэффициента бокового отпора): гипотеза гидростатического распределения напряжений, гипотеза, учитывающая тектоническую составляющую горизонтальных напряжений. Считается, что земная кора представляет собой своеобразную динамическую механическую систему, на которую действуют разные силы геологической природы [8]. Многочисленные экспериментальные данные о величине коэффициенте бокового распора на разных рудных месторождениях не дают достоверных оснований прогнозировать естественное напряженное состояние на конкретном месторождении по гипотезе Динника. Необходимо проводить исследования по геомеханическому обоснованию формирования естественного напряженного состояния массива горных пород на месторождении полезных ископаемых, учитывая все взаимосвязи горно-геологических условий региона.

Как отмечает А.И. Мороз [9, 10], основная причина формирования напряженно-деформированного состояния породы при ее образовании заключается в том, что в горной породе образуется напряженное состояние, обусловленное последовательностью возникновения структуры под давлением (одна система напряжений) и омоно-личивания этой структуры цементирующим веществом (другая система напряжений). При этом две совмещенные системы внутренних напряжений взаимодействуют между собой, формируя естественное напряженное состояние массива горных пород.

Взаимодействие внутренних систем напряжений при разгрузке в процессе генезиса осадочной породы препятствует полному освобождению накопленной энергии упругих деформаций. Естественное напряженное состояние породного массива сформировано под влиянием двух факторов: тектонических сил, действовавших при образовании массива, и сил гравитации. Из области механики грунтов известно положение об одновременном действии двух систем напряжений: эффективных, свя-

занных с передачей давления от внешней нагрузки нижележащим слоям породы, и нейтральных, связанных с гидростатическим напряжением или другими внешними силами (например, тектонические силы). Поэтому в системе уравнений «напряжение-деформация» должен быть еще один компонент, учитывающий это взаимодействие двух систем напряжений, сформированный в процессе образования осадочной горной породы. Если преобразовать уравнения (1) через разницу главных напряжений, например, (с -с ) [11], то влияние двух систем напряжений может быть учтено через обобщенный коэффициент бокового отпора, который можно будет интерпретировать следующим образом:

. 1 - ^

Л=т-;

Проанализируем изменение коэффициента бокового отпора в зависимости от коэффициента Пуассона. Выполненные расчеты коэффициента бокового отпора по формулам (1, 2) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения коэффициента бокового отпора

Коэффициент бокового отпора Коэффициент Пуассона V

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

По формуле (1) 0 0,11 0,25 0,43 0,67 1

По формуле (2) 1 0,88 0,75 0,57 0,33 0

пора в пластах каменной соли, что делает прогноз исходного поля напряжений породного массива по гипотезе А.Н. Динника затруднительным. Каменная соль как яркий тип горной породы проявления свойств ползучести позволяет предположить, что горные породы в большей или меньшей степени зависят от длительности нагружения образца. Поэтому коэффициент Пуассона изменяет свое значение от времени стояния породного обнажения.

Таблица 2

Коэффициент бокового распора в пластах каменной соли

Показатель Осевая нагрузка, МПа

13,5 25,8

Коэффициент Пуассона при кратковременном деформировании при длительном деформировании 0.26 0,4 0,4 0,45

Коэффициент бокового отпора при кратковременном нагружении при длительном нагружении 0,35 0,65 0,67 0,82

Особенность формулы (2) заключается в том, что при малых значениях коэффициента Пуассона коэффициент бокового распора имеет значения, близкие к 1 в отличие от формулы (1). Реальные значения коэффициента Пуассона горных пород колеблется в пределах 0,1...0,4, причем даже для одного типа породы этот коэффициент имеет значительные вариации.

Определение коэффициента Пуассона горных пород производится в лабораторных условиях статическим методом путем непосредственного измерения сжимаемых образцов тензометрами различной конфигурации [12], при разных режимах нагружения образца. К сожалению, в литературе не всегда указывается, при каких условиях и методах определялись значения коэффициента Пуассона горных пород. В качестве примера в табл. 2 приведены значения коэффициента Пуассона каменной соли, определенные для кимберлитовых месторождений В.Н. Скуба и др. [13].

В табл. 2 приводится коэффициент бокового отпора каменной соли, рассчитанный по формуле (1). Из данных таблицы видно, как существенно меняется коэффициент Пуассона от условий ее определения. Поэтому и расчет дает значительный разброс коэффициента бокового от-

Результаты А.И. Мороза [9] подтверждают, что в процессе снятия внешней нагрузки взаимодействие систем напряжений, действующих в горной породе, приводит к тому, что коэффициент Пуассона зависит от коэффициента Пуассона слагающих ее фракций. Породный массив в естественном состоянии находится в относительно устойчивом равновесии, постоянно нагружен силой тяжести горных пород. Это формирует величину коэффициента бокового отпора в виде константы на период устойчивого равновесия исходного поля напряжений. При активизации процессов деформирования породного массива происходит динамическое изменение величины интегрального коэффициента Пуассона, что должно учитываться при анализе напряженного состояния.

Однако практически при прогнозе НДС породного массива в естественном залегании находит применение вариант по формуле (1). Каких-либо веских доводов в преимуществе уравнения (1) перед формулой (2) в литературе не встречается [7, 8]. Поэтому определение коэффициента бокового отпора по формулам (1 или 2) нужно связывать и выбирать для оценки исходного напряженного состояния породного массива в соответствии с горно-геологическими условиями месторождения. Следовательно, при коэффициенте бокового отпора вида (2) напряженное состояние породного массива в естественном залегании будет определяться следующим образом:

Характерная особенность выражений (3) в отличие от (1) заключается в том, что для малых значений коэффициента Пуассона горных пород имеем напряженное

состояние, близкое к гидростатическому состоянию нетронутого массива (табл. 1).

Гипотеза о гидростатическом напряженном состоянии нетронутого массива горных пород, как правило, учитывается, когда возможно деформирование горных пород в виде пластичности и ползучести [14]. Для условий многолетнемерзлых пород, которые являются реологическими геоматериалами из-за наличия льда в своем составе, считается необходимым применение гипотезы гидростатического распределения напряжений, что сделано, например, в работе [15] при прогнозе НДС массива при отработке трубки «Ботуобинская» подземным способом в варианте камерно-целиковой системы разработки. В этих условиях с учетом сказанного можно предложить, что в многолетнемерзлом породном массиве для Накын-ского поля (ввиду неоднозначности формирования исходного напряженного поля в процессе генезиса массива) целесообразно использовать формулу (3) в качестве граничных условий при расчете НДС массива вокруг горных выработок для малых значений коэффициента Пуассона, а формулу (1) - для больших значений коэффициента Пуассона. На основании этих положений предлагаются следующие параметры обобщенного коэффициента бокового распора для Накынского рудного поля (табл. 3).

Таблица 3

Коэффициент бокового отпора

Коэффициент Пуассона 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45

Коэффициент бокового отнора 0,88 0,82 0,75 0,67 0,57 0,54 0,67 0,82

Таким образом, зависимость коэффициента бокового отпора от коэффициента Пуассона горных пород (табл. 3) аккумулирует разные механизмы формирования исходного напряженного поля в породном массиве, в котором обобщены разные методы определения коэффициента бокового распора горных пород. Это дает основание считать предлагаемую зависимость вполне адекватной реальным геомеханическим условиям многолетнемерзлого породного массива вокруг кимберлитовой трубки в процессе подземной разработки и позволяет оценивать естественное напряженное состояние породного массива после отработки месторождения открытым способом. Кроме того, позволяет в рамках предполагаемых вариантов развития геомеханических ситуаций учитывать тектоническую составляющую начального напряженного состояния породного массива кимберлитовых месторождений.

Л и т е р а т у р а

1. Иванова В.В. Оценка эффективности освоения Накынского кимберлитового поля // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГТУ, 2007. - № 1. - С. 175-182.

2. Ведин Ю.А. Методические подходы к оценке эффективности инвестиций в освоение выявленных прогнозных ресурсов Накынского рудного поля // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2006. - № 12. - С. 219-224.

3. Кириллин А.Д. Алмазодобывающий комплекс России. -М.: МГГУ, 1996. - 287 с.

4. Матросов В.А., Сильчев А.В. Особенности строения Вилюйско-Мархинской зоны разломов в Среднемархинском районе // Проблемы прогнозирования, поисков и изучения месторождений полезных ископаемых на пороге XXI века: материалы региональной научно-практической конференции. - Воронеж: ВГУ, 2003. - С. 318-321.

5. Матросов В.А. Особенности тектонического строения Мирнинского и Накынского кимберлитовых полей по геофизическим данным: автореф. дисс. канд. геол.-минер. наук: 25.00.10. - Иркутск: ИГТУ, 2007. - 25 с.

6. Батугин С.А. Анизотропия массива горных пород. - Новосибирск: Наука, 1988. - 86 с.

7. Турчанинов И.А., Марков Г.А., Иванов В.И., Козырев А.А. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок. - Л.: Наука, 1978. - 256 с.

8. Курленя М.В., Кулаков ГИ. Напряженное состояние породных массивов в верхних слоях земной коры // ФТПРПИ. -1998. - № 3. - С. 3-9.

9. Мороз А.И. К вопросу об определении коэффициента Пуассона осадочной горной породы // ФТПРПИ. - 2006. -№ 4. - С. 59-68.

10. Репников Л.Н., Мороз А.И. Механизм образования двух совмещенных систем напряжений в горной породе различного генезиса // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2005. - № 2. - Т.11. - С. 258-265.

11. Бокий Б.В., Зимина Е.А., Смирняков В.В., Тимофеев О.В. Технология и комплексная механизация проведения горных выработок. - М.: Недра, 1972. - 336 с.

12. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика) / Под ред. Н.В. Дортман. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1984. - 455 с.

13. Скуба В.Н., Авксентьев И.В., Викулов М.А., Киржнер Ф.М., Савин Е.Д., Слепцов А.Е., Чемезов Е.Н., Ушаков Г.С., Шерстов В.А. Условия эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых. - Новосибирск: Наука, 1982. - 144 с.

14. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. - М.: Недра, 1985. - 271 с.

15. Барышников В.Д., Гахова Л.Н., Крамсков Н.П. Геомеха-ническое обоснование параметров камерно-целиковой системы разработки на стадии геолого-разведочных работ // Актуальные проблемы кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения: материалы международной науч.-практ. конференции «Мирный-2001», 1-9 июля 2001. -М.: Руда и металлы, 2002. - С. 185-189.

М.М. 1шИи

Valuation of geological and mechanical production climate of Nakinsky mine field

The author presents an analysis of structural environment of blue ground mine field and proposes two developmental models of geological and mechanical situation in a rock mass. Stress condition evaluation and ratio characteristics of horizontal stress in solid are represented in the article.

Key-words: kimberlitic pipes, tectonical stress, rock mass, stress condition, ratio of horizontal stress, Poisson ratio.

--------------------------------------