Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, постановка задач и базовый объект исследований 9
1.1. Основные черты геологического строения и промышленное значение карбонатитовых месторождений 9
1.2. Состояние изученности геологических условий проявления деформаций уступов карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения 12
1.3. Анализ существующих методов прогнозирования устойчивости уступов карьеров в массивах неслоистых скальных пород и актуальные вопросы методики геолого-структурной оценки таких массивов 22
1.4. Постановка задач исследований 31
1.5 Выбор и горно-геологическая характеристика базового объекта исследований 33
Глава 2. Особенности разрывной структуры карбонатитовых месторождений 41
2.1. Схема формирования и общая характеристика разрывной структуры карбонатитовых месторождений 41
2.2. Особенности геометрии решетки трещиноватости пород 50
2.3. Изменение с глубиной геометрии решетки трещиноватости пород 57
2.4. Изменение с глубиной интенсивности трещиноватости пород 63
Глава 3. Типы, масштабы и геологические условия проявления деформаций нерабочих уступов карьеров при эксплуатации карбонатитовых месторождений 71
3.1. Типы и масштабы деформаций, особенности их размещения в прибортовой зоне карьера 71
3.2. Геолого-структурная приуроченность обрушений 78
3.3. Геологические условия проявления оползней-обрушений 106
3.4. Физико-механические свойства пород и сдвиговые характеристики по трещинам 111
Глава 4. Методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов карьеров при эксплуатации карбонатитовых месторождений 121
4.1. Стадия проектирования карьера 121
4.2. Стадия первой очереди карьера 125
4.3. Стадия развитого карьера 143
Заключение 157
Список использованной литературы 159
- Состояние изученности геологических условий проявления деформаций уступов карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения
- Анализ существующих методов прогнозирования устойчивости уступов карьеров в массивах неслоистых скальных пород и актуальные вопросы методики геолого-структурной оценки таких массивов
- Особенности геометрии решетки трещиноватости пород
- Физико-механические свойства пород и сдвиговые характеристики по трещинам
Введение к работе
Актуальность работы. Карбонатитовые месторождения являются источником ценных, в том числе стратегических (ниобия, тантала и редких земель), видов минерального сырья. Они характеризуются столбообразной формой и субвертикальным залеганием рудных залежей, уходящих на большую (до 1-2км) глубину с сохранением промышленных параметров оруденения. Ценность минерального сырья и большая глубина распространения промышленного оруденения определяют стремление недропользователей к увеличению глубины карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения, а экономическое требование минимизации коэффициента вскрыши заставляет идти по пути укручения бортов карьеров с использованием субвертикальных откосов уступов, поставленных на предельный контур. В этих условиях особую остроту приобретает проблема обеспечения безопасности горных работ.
Только прогнозирование деформаций уступов, планируемых к постановке на предельный контур (предсказание позиции, типа и масштабов потенциальных призм обрушения), позволяет заранее оценить степень угрозы безопасности горных работ и своевременно предпринять адекватные меры по ее устранению. Эффективность прогнозирования определяется уровнем знаний геологических условий возникновения деформаций уступов и прежде всего особенностей разрывной структуры прибортового массива пород. Поэтому геолого-структурная оценка карбонатитовых месторождений для прогнозирования деформаций нерабочих уступов эксплуатирующих их карьеров является актуальной научной проблемой.
Целью работы является установление особенностей разрывной структуры карбонатитовых месторождений и совершенствование методики геолого-структурного обеспечения в процессе их эксплуатации прогнозирования нерабочих уступов карьеров.
Идея работы заключается в использовании для прогноза деформаций уступов карьеров в массивах скальных пород связи между устойчивостью уступов и геолого-структурными особенностями разрабатываемых массивов.
Научные положения, разработанные лично соискателем: 1. Посткарбонатитовая разрывная структура карбонатитовых месторождений наследует основные черты геометрии предкарбонатитовой решетки трещиноватости и характеризуется многократными подвижками по трещинам при явном доминировании сдвиговой составляющей, изменчивостью в плане и по глубине угла падения наиболее опасной кольцевой центриклинальной системы трещин, закономерным уменьшением интенсивности трещиноватости от кровли скальных пород до глубины 300-350 м.
В карьерах, эксплуатирующих карбонатитовые месторождения, плоские обрушения нерабочих уступов обусловлены продольными трещинами центриклинальной и линейных систем (угол между азимутами простирания этих трещин и уступов 0-10), а более многочисленные клиновые обрушения формируются двумя падающими навстречу друг другу преимущественно под углом 40-75 трещинами различных, исключая субгоризонтальную, систем, которые в плане образуют с простиранием уступов угол 20-65, а между собой - 85-110. Трещины карбонатитовых месторождений обладают низким сцеплением (0,003-0,027 МПа), что обусловлено многократным проявлением посткарбонатитовой разрывной тектоники.
Методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов карьеров при эксплуатации карбонатитовых месторождений, предусматривающая на стадии первой очереди карьера геолого-структурное картирование, создание базы данных трещин и инженерно-геологическое районирование всего карьерного поля, выявление наиболее вероятных плоских и клиновых призм обрушения уступов в инженерно-геологических блоках на основе моделирования геометрии их решетки трещиноватости, а на стадии развитого карьера - картирование только приконтурной зоны карьера и прослеживание на глубину и по фронту бортов карьера трещин, способных вызвать плоские обрушения уступов,
путем бурения скважин с выполнением в них видеометрических исследований.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
представительным объемом данных, характеризующих разрывную структуру карбонатитовых месторождений и использованных для их геолого-структурной оценки;
корректностью применения методов анализа разрывной структуры массивов неслоистых скальных пород при геолого-структурной оценке условий возникновения деформаций нерабочих уступов карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения;
- удовлетворительной сходимостью прогнозных, основанных на
геолого-структурной оценке разрабатываемого массива пород, и
фактических данных об элементах залегания трещин, ограничивающих
призмы обрушения нерабочих бортов на различных участках карьера,
эксплуатирующего Ковдорское карбонатитовое месторождение;
положительной апробацией результатов диссертации при проектировании и производстве открытых горных работ в процессе промышленного освоения Ковдорского карбонатитового месторождения.
Методы исследований. Использованы следующие методы исследований, позволившие реализовать идею работы:
- методы геолого-структурного картирования карьерных полей и
натурного изучения деформаций уступов карьеров;
метод компьютерного моделирования геометрии решетки трещиноватости в массивах скальных пород;
методы математической статистики;
метод обратных расчетов для определения сдвиговых характеристик по трещинам;
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлено, что разрывная структура карбонатитовых месторождений характеризуется сочетанием радиально-кольцевых и
линейных систем трещин, а также многократными разноориентированными подвижками по трещинам (при явном преобладании сдвиговой составляющей) в посткарбонатитовый этап ее развития;
- выявлена изменчивость в плане и на глубину угла падения наиболее
опасной для устойчивости уступов карьеров кольцевой центриклинальной
системы трещин;
- доказано закономерное уменьшение интенсивности трещиноватости
карбонатитовых месторождений от кровли скальных пород до глубины 300-
350м;
Научное значение работы состоит в установлении характера разрывной структуры, закономерностей изменения с глубиной геометрии решетки и интенсивности трещиноватости карбонатитовых месторождений, связи позиции, типа и масштаба деформаций уступов при открытой разработке этих месторождений с особенностями их разрывной структуры на том или ином участке прибортовой зоны карьера.
Практическое значение работы заключается в разработке методики геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов при эксплуатации карбонатитовых месторождений и определении способом обратных расчетов сцепления по трещинам в породах этих месторождений.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика геолого-структурного обеспечения прогнозирования деформаций нерабочих уступов при эксплуатации карбонатитовых месторождений внедрена на руднике «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» для использования службой мониторинга устойчивости уступов карьера.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на международных научных симпозиумах «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях (Белгород, ФГУП ВИОГЕМ, 2007г.) и «Неделе горняка» (Москва, МГГУ, 2008г.), международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (Тула, ТГУ, 2009г.)
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 научных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 11 таблиц, 58 рисунков и список литературы из 105 наименований.
Автор выражает благодарность научному руководителю проф. д.т.н. В.А. Ермолову за постоянное внимание и помощь в работе над диссертацией, заведующему кафедрой геологии МГГУ проф. д.т.н. A.M. Гальперину за ценные советы и консультации, а также всем сотрудникам этой кафедры за помощь и поддержку при подготовке диссертации, заместителю директора ФГУП ВИОГЕМ к.т.н. С.С. Серому за консультации по методике выполнения обратных расчетов с применением компьютерных технологий.
Состояние изученности геологических условий проявления деформаций уступов карьеров, разрабатывающих карбонатитовые месторождения
В соответствии с определением понятия "деформация откосов на карьерах», данного в «Горной энциклопедии» [19, т.2, стр.217] под деформацией уступов карьеров следует понимать изменение формы откосов уступов под воздействием естественных и горнотехнических факторов. По М.Е. Певзнеру [65, стр.5] деформация горных пород на карьерах — процесс перемещения некоторой части массива горных пород под влиянием природных и горнотехнических факторов, приводящий к изменению формы инженерного сооружения; в частности уступа карьера.
Применительно к скальным массивам, синтезируя приведенные выше определения и уточняя относительно какого состояния уступов фиксируется «изменение формы откосов», понятие «деформации стационарных уступов карьеров» можно сформулировать следующим образом - это возникающие под воздействием естественных и горно-технологических факторов, как в процессе постановки уступов на предельный контур, так и спустя какое-то время после этой процедуры, изменения предусмотренной проектом формы откосов уступов за счет перемещения некоторой части слагающих их горных пород.
На развитие деформаций уступов карьеров в массивах скальных пород влияют ряд природных и горнотехнических факторов, анализ и систематизация которых даны в монографиях Г.Л. Фисенко [88], В.Н. Попова и Б.Н. Байкова [61], В.Н.Попова, П.С.Шпакова и Ю.Л.Юнакова [62], А.М.Гальперина [11], В.Н. Попова, Б.В. Несмеянова и О.В. Поповой [63], М.Е.Певзнера [64,65], И.И. Попова и Р.П. Окатова [60], Э.Л.Галустьяна [12,14], А.И. Ильина, A.M., Гальперина и В.И. Стрельцова [35], М.Е. Певзнера, М.А. Иофиса, В.Н. Попова [66].
К основным природным факторам относятся геологические в широком понимании этого слова, т.е. с включением в их ряд также инженерно-геологического и гидрогеологического факторов. Дополнительными и не столь существенными факторами являются рельеф местности и климатические условия района нахождения карьера.
Наиболее значимые горнотехнические факторы: ориентировка откосов карьера относительно поверхностей ослабления в массиве пород, наличие на бортах карьера и бермах уступов дополнительных нагрузок (отвалов пород, инженерных сооружений и т.п.), способы производства буровзрывных работ в приконтурной зоне и способы заоткоски стационарных уступов, эффективность дренажных работ. Отрицательное влияние этих факторов на устойчивость уступов карьера проявляется тогда, когда горные работы осуществляются согласно проектным конструктивным и технологическим решениям, не адекватным природным факторам для данного объекта открытой разработки.
Геологическими являются следующие факторы: структурно тектонический, гипергенный, инженерно-геологический и гидрогеологический [21]. Главную роль в формировании деформаций уступов карьеров в массивах скальных пород играют структурно тектонический и инженерно-геологический факторы [7,56]. Влияние основных форм проявления гидрогеологического фактора (гидродинамического давления и взвешивания) в таких массивах незначительно [88]. Структурно-тектонический фактор определяет характер залегания тел горных пород, слагающих разрабатываемый скальный массив, позицию в нем поверхностей ослабления, их ориентировку и пространственные взаимоотношения.
Поскольку традиционно первым этапом оценки устойчивости откосов считается анализ напряженно-деформированного состояния массива пород и установление в нем наиболее напряженной поверхности, являющейся потенциальной поверхностью скольжения [83,88], следует особо подчеркнуть, что применительно к скальным массивам нет необходимости прибегать к сложному и неоднозначному по своим результатам анализу их напряженно-деформированного состояния, так как задача выявления в таких массивах потенциальных поверхностей скольжения успешно решается на основе изучения их структуры [12]. Для расчета устойчивости откосов в скальных неслоистых массивах определяющим фактором является структура массива, а наиболее важными параметрами - ориентировка плоскостей ослабления (трещин) в массиве и прочность на сдвиг по ним [2,7,12, 42,69,83,87,89,101,103,104].
Анализ существующих методов прогнозирования устойчивости уступов карьеров в массивах неслоистых скальных пород и актуальные вопросы методики геолого-структурной оценки таких массивов
Для начала дадим определение понятию «прогнозирование деформаций уступов карьеров», так как сколько-нибудь четкая его формулировка отсутствует. Наиболее близким и более общим по отношению к нему является понятие «инженерно-геологическое прогнозирование» [40] или «прогнозирование инженерно-геологических условий открытой разработки месторождений полезных ископаемых» [65]. По П.Н. Панюкову [57], М.Е. Певзнеру [65], А.А. Кагану [40] под этим понимается научно-обоснованное предсказание инженерно-геологических факторов (показателей свойств горных пород, особенностей структуры сложенного ими массива и т.п.) и процессов (в том числе деформаций уступов карьеров). Анализ опубликованных научных работ [13,33,34,35,37] и инструктивно-методических документов . [9,38,39,50,51,71,78] показал, что прогноз деформаций уступов карьеров в массивах скальных пород носит преимущественно или исключительно пространственный характер. Только в случае, когда на потенциально опасном участке борта карьера в течение длительного времени проводятся инструментальные наблюдения за деформационным полем породного массива, по данным таких измерений можно прогнозировать развитие геомеханических процессов [38,47,55].
Таким образом, прогнозирование деформаций уступов карьеров в неслоистых массивах скальных пород, какими представлены карбонатитовые месторождения - это научно обоснованное предсказание позиции в массиве и элементов залегания плоскостей ослабления (трещин), типов и мест проявления обусловленных ими будущих деформаций на предельном контуре карьера при заданных (проектных) параметрах конструктивных элементов его бортов. A.M. Гайдин, М.Е. Певзнер и Б.В. Смирнов [10] сформулировали теоретические и методологические основы прогнозирования инженерно-геологических условий разработки месторождений твердых полезных ископаемых. Н.П. Панюков [57] и М.Е Певзнер. [64,65] выделили основные принципы и методы , прогнозирования деформационных процессов на карьерах. К основным принципам они отнесли: 1) непрерывность во времени изучения факторов, обусловливающих деформации карьерных откосов, и происшедшие деформаций (от стадии разведки месторождения до конечной стадии его разработки); 2) избирательно-информационный, предусматривающий отбор для изучения только тех показателей, которые значимо влияют на деформационные процессы; 3) генетический, учитывающий эволюцию во времени состояния массива пород и характер его взаимодействия с карьерной выработкой; 4) геолого-структурный, предполагающий приоритет особенностей геологической структуры разрабатываемого массива пород в оценке устойчивости карьерных откосов; 5) технологический (обратных связей), ориентирующий на изучение влияния на инженерно-геологические условия разработки месторождения применяемых для этого технологий и технических средств. Главные методы прогнозирования деформаций карьерных откосов: 1) аналогии (сравнительно-геологический); 2) аналитические (расчетные); 3) оценки действующих факторов; 4) моделирования. Метод аналогии (сравнительно-геологический) применяется для прогнозной оценки , деформаций уступов карьера на стадии проектирования, когда , единственным источником исходной информации являются данные детальной разведки месторождения, которые, по общему мнению специалистов [12,13,31,35,75], недостаточно полны и надежны для оценки устойчивых параметров элементов конструкции бортов карьеров и прогноза деформаций уступов.
Особенно это касается данных о разрывной структуре скального породного массива - главного фактора устойчивости в нем уступов карьера. Как правило, проектные технологические решения по отстройке бортов новых карьеров базируются на аналогии с карьерами, давно разрабатывающими месторождения данного генетического, структурного и промышленного типа. Аналитический (расчетный") метод прогноза деформаций уступов в массивах скальных и полускальных пород основывается на геомеханических расчетах с применением решения силовых задач, поскольку, как правило, в таких массивах «жесткая» призма обрушения скользит по предварительно подготовленной поверхности, созданной трещинами. Суть этих методов заключается в следующем. Если массу потенциальной призмы обрушения выразить через геометрические ее параметры, то при коэффициенте устойчивости (Ку) равном 1, из уравнения предельного равновесия можно получить аналитическое выражение для определения одного из параметров откоса (высоты или угла наклона). В случае, когда параметры откоса известны, то, зная сцепление и угол внутреннего трения по поверхности трещин можно определить коэффициент запаса устойчивости (Кзу) и по его величине сделать вывод об устойчивости откоса. В настоящее время разработаны расчетные схемы практически для всех возможных геолого-структурных обстановок, провоцирующих деформации скальных уступов, а для многих схем созданы специальные программы, позволяющие автоматизировать процедуру расчетов. Для инженерных расчетов обычно применяются схемы, разработанные Г.Л. Фисенко, И.И. Поповым, Р.П. Окатовым, Н.В. Поповым, Б.В. Несмеяновым, Э.Л. Галустьяном, П.С. Шлаковым. Наиболее распространенные в массивах скальных пород обрушения уступов обусловлены следующими структурными обстановками: 1) сочетание двух диагональных согласнопадающих трещин, образующих призму обрушения в форме клина, сдвигающегося по желобчатой поверхности скольжения; 2) наличие продольной согласнопадающей трещины, при подрезании которой откосом уступа происходит обрушение по плоской
Особенности геометрии решетки трещиноватости пород
Все исследователи карбонатитовых месторождений обращают внимание на сложный характер геометрии решетки трещиноватости, развитой в массиве слагающих их пород [54,91,92]. На месторождении Палабора (ЮАР), детально изученному в процессе его многолетней эксплуатации, установлено 8 более или менее проявленных систем трещин [ 102]. Натурные исследования в карьере рудника «Железный» показали, что Ковдорское месторождение не является в этом плане исключением. Обычно на любом участке карьера в уступе достаточно четко фиксируются 3-4 основные системы трещин, но при этом проявлены еще несколько менее выраженных систем и большое число бессистемно расположенных трещин.
В данной работе для изучения особенностей геометрии решетки трещин Ковдорского месторождения автор применил разработанную ФГУП ВИОГЕМ в составе ГИС ГЕОМИКС [73] компьютерную технологию моделирования решетки трещин путем автоматизированного построения круговых ориентирных диаграмм (с выделением систем трещин и определением их элементов залегания). Эта технология позволяет быстро оценить геометрию решетки трещин любого участка месторождения по запросу к базе данных трещин, содержащей информацию о координатной привязке и элементах залегания трещин. Объем использованной автором такой базы данных по Ковдорскому месторождению составил 10500 трещин.
Оценка пространственной изменчивости геометрии решетки трещин Ковдорского месторождения и вклада в нее радиально-кольцевой и линейно-блоковой составляющей выполнена на основе сравнительного анализа круговых ориентирных диаграмм по 10 инженерно-геологическим блокам прибортовой зоны карьера (рис.2.5), следующими друг за другом по часовой стрелке от блока №1 на юго-востоке до блока №10 на востоке (рис.2.6). Длина блоков 450-600м, ширина 300-400м. За редким исключением блоки представлены одним типом пород.
На плане карьера (см.рис.2.6) указанные выше блоки прибортовой зоны охарактеризованы векторными диаграммами, построенными на основе круговых диаграмм. На векторных диаграммах направление вектора соответствует азимуту падения системы трещин, а цифрой указывается угол падения этой системы. Такие диаграммы более наглядны, чем круговые, и удобны для сравнительного анализа по всему карьерному полю.
Радиально-кольцевая модель решетки трещиноватости
предусматривает наличие радиальной, центриклинальной, переклинальной и субгоризонтальной систем трещин. Напомним, что трещины радиальной системы крутопадающие до субвертикальных и развиваются по радиусам от геометрического центра радиально-кольцевой структуры (в данном случае, геометрического центра карбонатного ядра Ковдорского месторождения). Центриклинальная и периклинальная системы трещин простираются субперпендикулярно радиальной, но первая из них падает к центру структуры, а вторая, наоборот, от этого центра. Субгоризонтальная система включает очень пологие трещины. Какого-либо общепринятого критериального значения угла их падения нет. По наблюдениям в карьере, разрабатывающем Ковдорское месторождение, ассоциация таких трещин имеет разброс по углу падения от 0 до 30. Исходя из этого, к субгоризонтальной отнесены те из выделенных на круговых диаграммах системы трещин, угол падения которых колеблется в диапазоне 0-25.
Выделенные по указанным выше критериям радиальная, центриклинальная, периклинальная и субгоризонтальная системы трещин показаны на векторных диаграммах (см.рис.2.6), а их элементы залегания по каждому блоку прибортовой зоны карьера приведены в табл.2.1. прослеживается центриклинальная система трещин, но при этом наблюдается изменение угла ее падения. В юго-восточной, южной и юго-западной частях карьерного поля (блоки №№1-5) этот угол составляет 36-43. На западе, северо-западе и севере карьерного поля он увеличивается до 64-70, а на северо-востоке и востоке до 70-74. Иногда (например, в блоке №10) наблюдаются две подсистемы центриклинальных трещин: крутопадающей под углом 74 и гораздо более пологой с углом падения 41.
Периклинальная система там, где она хорошо проявлена, также изменчива по углу падения от 61-85 на юге (блоки №№1-4) до 40-48 на севере (блок №8) и востоке (блок №10) карьера. В блоке №3 она образует две подсистемы, одна из которых крутопадающая (аз.пад.200 Z.800), а другая пологая (аз.пад.220 /.35).
Субгоризонтальная система трещин развита практически по всему карьерному полю. По азимуту падения она часто соответствует периклинальной системе, т.е. входящие в нее пологие трещины обычно наклонены в сторону массива. Особенно ярко субгоризонтальная система трещин проявлена в западном, северо-западном, северном и северовосточном бортах карьера, где отдельные крупные разрывы этой системы прослеживаются в откосах уступов карьера с некоторыми перерывами на 300-500м. В табл. 2.1 особо выделены основные линейные системы трещин, соответствующие установленным на сводных диаграммах ориентировки даек карбонатитов и разрывов Ковдорского месторождения (северо-западная крутая, северо-западная-пологая и северо-восточная), которые образовались под воздействием региональных тектонических напряжений (см.рис.2.1). На различных участках месторождения трещины указанных систем входят в радиальную, центриклинальную, иногда периклинальную системы или развиваются независимо от радиально-кольцевой решетки трещиноватости, как и другие линейные системы трещин.
Среди этих других только одна встречается в нескольких (4-х) блоках (№№3,4,6,7), которые расположены в юго-западном и западном бортах карьера. Она имеет субмеридианальное простирание по аз.344-10 и падает на восток под углом 36-48 (см. табл.2.1). Все остальные системы имеют спорадическое распространение в каком-либо одном из блоков. Наличие таких систем трещин еще более усложняет решетку трещиноватости массива пород Ковдорского месторождения.
Наиболее опасная центриклинальная система трещин, падающая в сторону выемки, изменчива по углу падения (см.табл.2.1). В юго-восточном, южном и юго-западном бортах карьера (блоки №№1-5) угол ее падения составляет 36-43, причем в блоках №№3-5 она совпадает с северо-западной (пологой) линейной системой (аз.пад.40 Z.400). В западном, северозападном и северном бортах карьера (блоки №6-8) угол падения центриклинальнои системы увеличивается до 64-69. Здесь эта кольцевая система вписывается в линейную северо-восточную систему (аз.пад.150 /.68). В северо-восточном и восточном бортах карьера (блоки №9 и №10) угол падения центриклинальнои системы трещин составляет 70-74, причем в блоке №10 ей соответствует линейная северо-западная (крутая) система (аз.пад.244/.73). Кроме того, в этом же блоке (восточном борту карьера) наряду с крутопадающей центриклинальнои системой отчетливо проявлена более пологая система (аз.пад.238 Z.41). На сводной диаграмме ориентировки трещин Ковдорского месторождения ось кольцевой области полюсов, трещин центриклинальнои системы проходит через полюсы всех указанных выше линейных систем (рис.2.7).
Физико-механические свойства пород и сдвиговые характеристики по трещинам
Магматические и метаморфические породы, которыми представлены карбонатитовые месторождения в незатронутом выветриванием виде, относятся к прочным. Гипогенные изменения первичных пород, обычно выраженные в карбонатизации и ослюденении, заметно снижают их прочностные характеристики, но в целом существенно не влияют на устойчивость карьерных откосов, сложенных этими породами. Выветрелые породы, превращенные в дресвяно-песчано-глинистый материал с реликтами пород слабо затронутых выветриванием, относятся к рыхлым и полускальным с низкими прочностными показателями.
Учитывая общность карбонатитовых месторождений по набору основных типов слагающих их пород, приведенные в табл.3.7 данные о физико-механических свойствах пород Ковдорского месторождения можно считать достаточно представительными в целом для класса карбонатитовых месторождений.
Сложнее обстоит дело с определением достоверных значений сдвиговых характеристик по поверхностям ослабления (трещинам) массива пород, слагающих карбонатитовые месторождения. Знание этих характеристик необходимо для прогнозирования обрушений уступов с использованием расчетного метода. По Ковдорскому месторождению имеются выполненные ОАО «ВНИМИ» лабораторные определения сдвиговых характеристик по трещинам в породах юго-восточного борта карьера (табл.3.6). Испытания проводились на срезном приборе на отобранных из керна скважин парных образцах, зацементированных в специальные матрицы.
Поскольку наиболее достоверными считаются значения сдвиговых характеристик, полученные обратными расчетами [14,20,43,66], автором проведены такие расчеты по происшедшим клиновым деформациям на трех участках карьера рудника «Железный»: юго-восточном в фенитах, северовосточном в пироксенитах, запад-северо-западном в ийолитах (см. табл.3.1,3.2,3.3). Методика расчетов заключалась в следующем. Условие предельного равновесия, для случая, когда призма потенциального обрушения представлена «клином», выражается формулой: где ЕЛ/ и Ег, — соответственно сумма сил, удерживающих и сдвигающих; Р — вес породного клина, Н; Sj, %, - площади плоскостей трещин, ограничивающих клин, м ; С — сцепление по трещинам, МПа; ф — угол внутреннего трения по трещинам, град.; а — угол наклона линии скрещения клиноформирующих трещин, град. Из данного условия следует, что С использованием программы, разработанной С.С. Серым [72,73], в геоинформационной системе ГИС ГЕОМИКС (ФГУП ВИОГЕМ) по заданному через 1 значению q (в диапазоне 0-45) для каждой деформации были рассчитаны значения С и построен график условия предельного равновесия призмы обрушения, представляющий собой множество точек с различными значениями С и д , при которых выполняется указанное условие [25]. Под этим графиком расположена область неустойчивого состояния призмы, а над ним - устойчивого (рис.3.24). Совокупности таких графиков для каждого из упомянутых выше участков карьера рудника «Железный» приведены на рис.3.25, 3.26,3.27. (а,б - соответственно области устойчивого и неустойчивого состояния призмы обрушения) Согласно [12,20,43] для определения С необходимо задаться значениями q , установленными по данным лабораторных исследований или натурных испытаний. Если указанные в табл.3.25 значения Си # вынести на полученные графики, то обнаруживается резкое несоответствие этих значений тем, которые отражены на графиках. Другими словами, реальные обрушения произошли при иных сочетаниях С" и р . Причина этого кроется в несоответствии условий лабораторных испытаний образцов условиям возникновения деформаций в уступах карьера. Полученные нами графики интегрально учитывают всю совокупность природных и техногенных факторов, обусловивших деформации уступов (геометрические параметры призмы обрушения, характер заполнителя трещин, степень шероховатости поверхности скольжения, сейсмическое воздействие на массив пород и др.). В данной ситуации автор для определения С задался рекомендованным Г.Л. Фисенко [88] для трещин в прочных скальных породах (магматических и метасоматических) диапазоном (р\ равным 17-28 при среднем его значении 23. В этот диапазон вышли интервалы значений р для упомянутых пород при различном характере поверхности скольжения (от неровной шероховатой до ровной гладкой), так как натурные наблюдения в карьере показали, что поверхности скольжения, по которым произошлди обрушения уступов, неоднородны по указанному признаку. На одной и той же поверхности могут наблюдаться участки с различной степенью неровности и шероховатости. Для заданного диапазона q были рассчитаны средние значения С по всем построенным графикам, а затем по совокупности таких значений для каждого участка проявления деформаций в карьере, представленного одним типом пород, определена средняя величина С (табл.3.9).
