Инженерно-геологическая типизация месторождений твердых полезных ископаемых

Любое разделение изучаемых объектов на группы (классы преследует определенную цель. Для оценки условий разработки месторождении полезных ископаемых и прогноза изменения уcловий под влиянием горных работ необходима такая логическая операция, которая базировалась бы на учете основных призна­ков, определяющих эти условия. О важности типизации можно судить хотя бы по тому, что в последнее время она рассматри­вается как самостоятельный класс методов прогнозирования уcловий разработки месторождений. В. Д. Ломтадзе относит инженерно-геологическую типизацию месторождений твер­дых полезных ископаемых к наиболее важным и сложным вопро­сам инженерной геологии месторождений и считает ее итогом обобщения всего опыта их изучения и разработки, дающим воз­можность предварительно оценивать условия вскрытия и отработки месторождений подземным или открытым способом. Поскольку деление любого множества объектов может быть выполнено в зависимости от преследуемой цели по разным его признакам, к настоящему времени предложено довольно боль­шое число группировок (типизации, классификаций) месторож­дений. Многие из них сделаны по одному признаку (но устой­чивости кровли или почвы подземных выработок), другие — с учетом некоторых геологических, гидрогеологических или инже­нерно-геологических особенностей (Д. И. Щеголев, С. В Троянский). И только в последнее де­сятилетие были предложены более совершенные, учитывающие большой комплекс природных условий классификации, которые уже используются для решения конкретных задач горного про­изводства.

Для целей инженерно-геологического прогнозирования наибо­лее удачными являются причинно-следственные диагностические классификации, которые дают возможность не только оценивать статические системы, но и вскрывать закономерности изменения элементов этих систем под влиянием горных работ. Примером подобных построений могут служить классификации кровель для некоторых шахтных полей в Донбассе, выполненные Смирновым, типизация кровель подготовительных вы­работок на Ленинградском месторождении горючих сланцев. Здесь в качестве геологических признаков выступают процессы доломитизации и выветривания карбонатной толщи пород а в качестве непосредственных признаков — состояние и свойства горных пород, являющихся средой для выработок такая типизация позволяет провести районирование по инженерно-геологическим условиям и дать прогноз устойчивости пород кровли в различных зонах с учетом техногенных факторов.

При освоении месторождений полезных ископаемых большой интерес представляют такие природные процессы, как тектонические дви­жения (древние и современные), сейсмические явления, карст, суф­фозия, плывуны, оползни, обвалы, эрозия, абразия, сели, мерзлот­ные проявления, выветривание, которые в совокупности опреде­ляют геодинамическую обстановку территории месторождения и являются основными элементами его инженерно-геологических ус­ловий. Оценить влияние геологических процессов и явлений на ин­женерно-геологические условия геологической среды невозможно без знания двух других ее элементов — горных пород и содержа­щихся в них подземных вод.

При оценке процессов и явлений исследования на месторожде­ниях проводятся по четырем направлениям: а) изучение природных геологических процессов и явлений, б) исследование вызванных деятельностью человека искусственных процессов или активизации природных процессов, в) прогноз условий возникновения новых.

При изучении устойчивости откоса на открытых разработках применяется специальная классификация комплексов горных по­род; при прогнозе условий подземной разработки угольных месторождений строятся классификации кровли и почвы подзем­ных выработок по степени их устойчивости. Многие классификации выполняются по гидрогеологическим условиям. Все эти группи­ровки являются относительными следственно-причинными клас­сификациями, поскольку классы выделяются эмпирически по не­посредственному критерию (устойчивость, обводненность и т. д.), тем не менее они имеют большое практическое значение. Наряду с этим предложены и генетические классификации (Г. А. Голодоковская, В. Г. Зотеев, В. Н. Морозов, С. Г. Дубейковский и др.), которые используются при оценке и прогнозах инженерно-геологи­ческих условий рудных месторождений.

Одно из главных требований к типизации (классификации) состоит в том, что она должна давать максимум информации об условиях освоения месторождения, поэтому типизацию необхо­димо сделать на базе тех основных признаков, которые опреде­ляют инженерно-геологические условия месторождений. С другой стороны, каждая классификация должна проводиться с соблюде­нием определенного набора логических правил. Б. В. Смирнов от­мечает следующие требования к делению понятий: 1) каж­дое деление должно производиться только по одному признаку; 2) члены деления должны взаимно исключать друг друга, т. е. в разных классах не должно быть одинаковых элементов дели­мого множества; 3) суммарный объем членов деления должен равняться объему делимого множества; 4) члены деления дол­жны быть ближайшими видами делимого множества; 5) не дол­жно быть пустых подмножеств, т. е. таких классов, в которых не было бы элементов делимого множества.

Ознакомившись с основными элементами, определяющими ин­женерно-геологические условия месторождений полезных ископа­емых, можно сделать по крайней мере два основных вывода.

1. Геологическая обстановка, определяющая особенности раз­работки месторождений твердых полезных ископаемых, является весьма сложной многофакторной природной системой, взаимодей­ствие которой с различными горными сооружениями приводит к изменениям, представляющим большую трудность для своевре­менного и надежного прогнозирования. В этой связи можно по­нять обилие классификаций и типизации, разработанных раз­личными авторами с учетом только отдельных элементов инже­нерно-геологических условий (геологическое строение, подземные воды, прочность пород, устойчивость выработок и т. д.).

2 Основным (главным) элементом, определяющим условия разработка месторождений твердых полезных ископаемых, являются горные породы, вмещающие и перекрывающие полезное ис­копаемое. Эти породы являются средой для горных выработок (подземных и открытых) и определяют характер и интенсивность напряжений вокруг них, а также их устойчивость. Горные породы служат вместилищем для подземных вод и газов, в них проходят различные природные и искусственные геологические процессы а следовательно, они определяют характер изменений природной обстановки под влиянием горных работ. Поэтому главным кри­терием инженерно-геологической типизации месторождений должны являться горние породы. Это положение служит основным принципом группировки месторождений, хотя в существующих типизациях и классификациях ему уделяется не одинаковая роль. Наиболее удачно этот принцип использован для разработки общих типизации Г. Г. Скворцовым и В. Д Ломтадзе (табл. 3.11).

Для месторождений I типа, по мнению В. Д. Ломтадзе, с глубиной происходит постепенное изменение геологической об­становки, определяющее условия ведения горных работ. Так, для малых глубин (до 40—50 м) в результате разгрузки, разуплот­нения и выветривания растет раздробленность и трещенноватость пород, что приводит к деформациям, характерным для квазисыпучей среды, а также к повышению водообильности, имеющему временный характер. На больших глубинах условия определяются тектонической обстановкой. Примером месторождений первого типа является Криворожский железорудный бассейн, приурочен­ный к железистым кварцитам, переслаивающимся с хлоритовыми, серицитовыми и тальк-карбонатными сланцами.

Ко II типу относятся большинство месторождений в осадоч­ных юродах. В их геологическом строении принимают участие аргиллиты, алевролиты, песчаники, мергели, уплотненные глины, а также слабые и закарстованные карбонатные породы. Эти породы имеют различное залегание — от весьма простого горизонтального до сложного мульдообразного с четко выраженными зо­нами с контактами ослабления. Эти особенности обусловливают большую неоднородность и анизотропность свойств пород вокруг горных выработок, что создает неблагоприятные условия для их устойчивости; в свою очередь это затрудняет надежное прогно­зирование поведения пород при разработке месторождений.

В подземных выработках здесь характерны такие явления как вывалы из кровли, пучение почвы, отжимы пород и полез­ного ископаемого, а на больших глубинах, горные удары, выбросы. На бортах карьеров, сложенных осадочными по­родами, происходят оползневые деформации разного масштаба — от обрушений на отдельных уступах до оползней, захватывающих несколько уступов или весь борт. Здесь характерны оползни (их называют унаследованными), морфология которых определяется условиями залегания пород и наличием зон и поверхностей ослаб­ления. Обводненность месторождений II типа значительная, ко­эффициент водообильности свыше 25 м³/т. Примерами месторож­дений II типа являются Кузнецкий и Канксо-Ачинский угольные бассейны, Ленинградское сланцевое месторождение, бокситовые месторождения СУБР.

Месторождения III и IV типа, приуроченные к песчано-глинистым породам, представляют особый интерес. Обычно это ме­сторождения со сложными инженерно-геологическими условиями, расположенное на платформенных участках или в предгорных и межгорных впадинах. В их разрезе встречаются осадочные полу­скальные породы. Глинистые породы имеют малую степень литификации, поэтому для них характерны незначительная проч­ность и высокая сжимаемость. В связи с этим в подземных выра­ботках наблюдается значительное горное давление и большие деформации пластического к эр литера. Борта, сложенные целиком или в нижней своей части глинистыми породами, склонны к ополз­невым деформациям и имеют обычно незначительные углы отко­сов— в среднем 10—25°.

Обводненность месторождений этого типа определяется поло­жением, мощностью, распространением и составом песчаных слоев. Как правило, в разрезе этих месторождений имеется не­сколько водоносных горизонтов (грунтовых и напорных). Подзем­ные воды оказывают значительное влияние на устойчивость гор­ных выработок. Они создают гидростатическое и гидродинамиче­ское давление, приводят в движение водосодержащие пески при их вскрытии (плывуны, суффозия), ухудшают прочность глин при их разгрузке и дополнительном увлажнении. Поэтому разработка таких месторождений ведется после осушения или закрепления водоносных песков.

Условия залегания песчаных, глинистых и полускальных по­род вызывают неоднородность и анизотропность перекрывающей и вмещающей толщ, что создает большие трудности при построе­нии инженерно-геологических моделей месторождении и отель­ных участков для прогнозах ми выработками и с их крепью. Как правило, месторождения такого типа являются сложным объектом для изучения в период разведки.

К месторождениям III и IV типа можно отнести Подмосков­ный и Днепропетровский буроугольпые бассейны, железорудные месторождения КМА, Тургайского прогиба, Керченского района, марганцевые Никопольского бассейна, бокситовые Тихвинского и Северовонежского районов, а также месторождения песков и других обломочных строительных материалов, огнеупорных глин и др. Это, как правило, месторождения малых и средних глубин, однако в некоторых случаях к этому типу можно отнести и более глубоко залегающие месторождения, в разрезе которых значи­тельное место занимают полускальные породы, но именно песчано-глинистые отложения определяют условия устойчивости горных выработок и степень их обводненности.

К последнему V типу В. Д. Ломтадзе относит месторождения, распространенные в районах многолетней мерзлоты и приурочен­ные к таким полускальным и песчано-глинистым породам, кото­рые при оттаивании резко изменяют свое физическое состояние, что вызывает большие осложнения при ведении горных работ. К таким месторождениям следует отнести калийные, галитовые, гипсовые залежи, условия эксплуатации которых во многом опре­деляются специфическими свойствами полезного ископаемого и вмещающих пород. И хотя по характеру перекрывающих пород эти месторождения могут быть отнесены ко II, III или IV типу, главным критерием их инженерно-геологических условий необ­ходимо считать соленосную толщу, которая определяет систему разработки, характер крепления, параметры выработок, осуши­тельные мероприятия.

Дальнейшее изучение инженерно-геологических условий место­рождений и проблем устойчивости горных пород в подземных и открытых выработках позволит детализировать рассмотренную ти­пизацию, однако главным критерием ее останется тип горных по­род, определяющий основные особенности месторождения с точки зрения его разведки и эксплуатации.

Разработанная во ВСЕГИНГЕО типизация утверждена Мингео СССР и применяется при разведке месторождений твердых по­лезных ископаемых с целью оценки инженерно-геологических условий, прогноза их изменений под влиянием горных работ и ус­тановления объемов и содержания специальных инженерно-геоло­гических исследований на разных стадиях разведки. Для отнесе­ния изучаемого месторождения (либо его части) к той или иной категории сложности оценивают целый комплекс природных фак­торов: инженерно-геологические группы горных пород, тектони­ческую нарушенность, трещиноватость, выветрелость, закарстованность, гидрогеологические особенности, физико-механические свойства.. Недостатком данной типизации (как и других подоб­ных ей) является отсутствие учета технологических факторов.

В настоящее время в связи с решением задач по рациональ­ному использованию геологической среды и охране природы раз­рабатываются новые типизации месторождений, которые будут использоваться при прогнозе и оценке ущерба, наносимого гор­ным предприятием.