Оценка устойчивости вмещающих горных пород месторождения Купол на основе анализа их основных физико-механических свойств (Чукотский автономным округ, Анадырский район)

Введение

В настоящее время ключевой сектор экономики Российской Федерации – освоение минерально-сырьевой базы (МСБ), в частности, золоторудные месторождения. Россия занимает третье место после Австралии и Китая по объёму добычи благородного металла и постепенно наращивает свой потенциал. В последние годы в связи с истощением запасов на месторождениях с относительно благоприятными условиями разработки и содержанием полезного компонента горнодобывающие компании переходят в Арктическую зону. Чукотский автономный округ (ЧАО- крайняя северо-восточная и наиболее золотоносная часть Арктической зоны России). Основу минерально-сырьевой базы золота составляют 9 коренных золоторудных и 408 россыпных месторождений. В разработку вовлечены коренные месторождения (Купол, Двойное, Каральвеемское, Валунистое, Майское месторождения), заключающие 34,6% запасов золота категории А, В, С1+С2 Чукотского АО, которые обеспечивают 94% его добычи, и россыпные месторождения (2% запасов и 1,5 % добычи). Золото как стратегический драгоценный металл играет важную роль в экономике страны и мира, поэтому данный регион представляет огромный интерес для разработки новых коренных месторождений, в группу которых входит и месторождение Купол (к одноименному руднику относится участок Морошка), сопоставимое по запасам со всеми россыпными месторождениями ЧАО ^[3].

Месторождение "Купол" было открыто в 1995 г. Имревеемским геохимическим отрядом под руководством В. В. Загоскина, а в 2007 г. началось его промышленное освоение (рис.1).

Рис 1. Положение месторождение в переделах Охотско-Чукотского вулканогенного пояса ^[8]

1 - Охотско-Чукотский вулканогенный пояс; 2 - Скальные, полускальные грунты (магматические, метаморфические и осадочные;) 3 - Девонская система (средний - верхний отделы; 4 - Меловая система (Кампанский ярус); 5 - Неогеновая система (Плиоцен); 6 - Каменоугольная система, верхний отдел - пермская система; 7 - Архей (древнее 2500+50 млн. лет); 8 - Триасовая система (нижний - средний отделы); 9 - Кембрийская система (нерасчлененные отложения)

Среднее содержание золота в рудных телах месторождения составляет 10-25, серебра - 80-270 г/т. Запасы и ресурсы месторождения, классифицированные в соответствии с международными стандартами, составляют 188 т Au и 2377 т Ag (данные компании Kinross Gold по состоянию на 01.10.2007 г.) ^[4,5] Месторождение "Купол", отрабатываемое подземным способом, было разделено по особенностям горно-геологических условий на 6 участков: Северный-бис, Северный, Цетральный, Флексурный, Южный и Южный-бис, ведётся сезонная отработка карьера Южный (рис. 2). На 2019 г. отработаны участки Флексурный и Центральный, дорабатываются Северный и Южный, ведётся добыча на Северном-бис и Южном-бис.

Рис. 2 Продольный разрез (С-Ю) месторождения Купол ^[1]

Как известно, подземные выработки относятся к объектам чрезвычайно высокому и высокому уровню опасности, что объясняется тем, что горные работы ведутся в подземном пространстве, которое необходимо анализировать как многокомпонентную среду – горные породы, вмещающие подземные воды, газы, микробиоту и несущие конструкции (крепи) в условиях нестабильного напряженно-деформированного состояния (НДС).

Рис. 3 Схематическое геоло-стрктурное строение месторождения ^[1]

Месторождение Купол приурочено к вулканотектонической депрессии Охотско-Чукотского вулканогенного пояса верхнемелового возраста, осложненной более молодой вулканогенной тектонической деятельностью, и находится в зоне Средне-Кайемравеемского и Имравеемского разломов, наложение которых определило значительную дезинтеграцию пород. Рудное тело по глубине прослеживается до 570 м., по протяженности – 2700 м., ширина зоны оруденения в вертикальном разрезе варьируется от 0,6 до 20,7 м. (рис.4) Структура, вмещающее рудное тело, приурочена к зоне долгоживущего разлома, где имели место вулканические извержения и постоянно происходили тектонические подвижки. Об этом свидетельствуют взбросы и сдвиги, которые определяют размещение фрагментов рудных тел и их блокоподобное строение.

Рис. 4 Структурно-металлогеническая схема Купольского рудного узла ^[6]

1-Лавы и туфы андезитов и андезибазальтов средней толщи верхнего мела; 2 – игнимбриты, туфы и лавы риолитов верхней толщ верхнего мела; 3 – интрузивные и субвулканические тела различного состава; 4 – границы палеокальдер (Кв – Коваленковской, Оз – Озернинской, Км – Кайемравеемской); 5 – контур Купольского рудного узла (К); 6 – осевые зоны региональных разломов (К- Средне-Кайемравеемского, И – Имравеемского); 7 – осевая зона Крестовско-Саламихинского трансрегионального глубинного разлома (КС); 8 – прочие наружения; 9 – месторождения (а), рудопроявления (б) и пункты минерализации (в) золота и серебра.

В разрезе рассматриваемого района прослеживается комплекс осадочных, вулканогенно-осадочных, вулканогенных и эффузивных пород нижнего и верхнего отделов меловой системы. Породы месторождения Купол, приуроченные к Каймравеемскому рудному узлу, отнесены к средней и верхней части разреза верхнего мела (К₂²- К₂³). Они представлены лавами флюидальных афировых риолитов желтовато-серой окраски и их туфами, с явным преобладанием последних, которые залегают согласно на подстилающей средней толще верхнего мела. В составе толщи преобладают туфы, кластолавы и лавы риолитов и трахириолитов, реже – игнимбриты риолитового состава, андезиты, дациты и их туфы. Мощность толщи 280-350 м. Положение рудного тела и вмещающие его породы показаны на примере Северного участка (рис. 5) ^[5].

Рис. 5 Разрез по профилю 92352N Северного участка месторождения Купол [по данным разведочного бурения, проводимого на месторождении]

Верхенемеловые породы перекрыты базальтами палеогена, возраст которых установлен условно на основании аналогичных вулканитов Центрально-Чукотского сектора Охотско-Чукотского вулканогенного пояса.

Следует отметить, что при оценке устойчивости пород в подземных выработках исследуемого месторождения основное внимание должно быть обращено на комплекс пород толщи верхнего мела, в разрезе верхней и средней частей которой вскрываются рудоносные тела.

Технология ведения горных работ

Месторождение Купол приурочено к зоне многолетнемерзлых пород, которая в пределах данного участка имеет сплошное распространение. По термодинамическим условиям разработки на месторождении прослеживаются две зоны по глубине: многолетнемерзлая толща с температурой пород менее 0 ⁰C – 250-300 м., ниже - залегают талые породы, к которым приурочен подмерзлотный водоносный горизонт.

На месторождении применяется камерная система разработки с отбойкой рудного массива их подэтажных штреков (ортов) и полной закладкой выработанного пространства (рис. 6).

Рис. 6 Камерная система разработки с отбойкой рудного массива их подэтажных штреков (ортов) и полной закладкой выработанного пространства ^[10]

Крепления горных выработок производится при помощи металлических анкеров в паре с металлической сеткой. В местах наиболее дезинтегрированных пород используется торкрет-бетон и трос-анкера. Трос-анкера рекомендованы при креплении сопряжений и при превышении паспортных значений параметров выработок – их ширины и высоты.

Анализ физико-механических свойств вмещающих горных пород

При оценке устойчивости горных пород в подземных выработках важное значение приобретает изучение их напряженно-деформированного состояния и уровень достоверности оценки физико-механических свойств горных пород в массиве. Принимая во внимание, что месторождение Купол располагается в зонах активной вулканической деятельности альпийской складчатости, неотектонических и современных движений, необходимо учитывать избыточные тектонические напряжения, превосходящие гравитационную составляющую по А.Н. Диннику. Выполненные замеры таких напряжений в горных выработках показали, что горизонтальная составляющая напряжений превосходит вертикальную в 1,8 – 2,2 раза; градиент вертикальных напряжений составляет 0,027 МПа/м, соответственно величина горизонтальных напряжений будет превышать 21,6-26,4 МПа на глубине более 500 м.

В настоящее время на руднике при достигнутых глубинах 500 м., выработки проходят ниже подошвы многолетнемёрзлых пород в условиях снижения устойчивости горных выработок, поскольку лёд как цементирующий компонент отсутствует и толща должна анализироваться как массив, состоящий из блоков различных размеров. Устойчивость таких массивов будет определяться высоким качеством крепления, в том числе использованием анкеров различных типов, металлической сетки в условиях динамики изменения напряженно-деформированного состояния.

Комплекс рудовмещающих пород характеризуется довольно интенсивной трещиноватостью (рис. 7). Модуль трещиноватости по результатам бурения, достигает 6-10 трещин на 1 м., расстояния между трещинами составляют 0,1 – 0,65 м. Лабораторные определения плотности основных петрографических типов пород приведены ниже: наименьшее значение характерно для наиболее пористых туфов андезитов и андезибазальтов - 2,39 г/см³; максимальное 2,57 г/см³- для андезибазальтов , в андезитах - средняя плотность не превышает 2,46 г/см^{3 [10]}.

Рис. 7 Забой горной выработки с характерной трещиноватостью пород (северный участок месторождения "Купол")

При высокой сохранности керна пористость имеет низкие значения 2,1 – 2,7%, а прочность на одноосное сжатие образца (Rсж) может возрастать до 110 Мпа. Однако, породы в зонах тектонических узлов характеризуются высокой степенью не только макро-, но и микротрещиноватости, что не даёт возможности изготовить образцы для исследования их реальной прочности в лабораторных условиях. Единичные определения прочности практически монолитных образцов не показывают достоверной картины влияния микродефектов на изменение величины прочности на одноосное сжатие (Rсж). На настоящий момент в силу слабой изученности показателей физико-механических свойств пород в полевых условиях на месторождении "Купол" можно использовать метод аналогий, а также влияние масштабного эффекта на прочность образцов (Rсж). Известно, что масштабный эффект в отношении оценки прочности и деформационной способности трещиноватых пород проявляется при переходе от образца горной породы к массиву, соизмеримому с размерами зоны деформации – в нашем случае, высота свода предельного равновесия, формирующегося над выработкой ^[7].

Для перехода к оценке прочности горных пород в массиве можно использовать коэффициент структурного ослабления, который был предложен проф. Г.Л. Фисенко ^[11] :

(1)

где а – эмпирический коэффициент, зависящий от петрографического состава, прочности и характера трещиноватости горной породы, который варьируется от 1 до 7, для наших условий принимается 6;

l – средний размер блока, по данным бурения изменяется от 0,1 до 0,65 м. - как уже указывалось ранее;

H – высота свода предельного равновесия, которая может быть определена по формуле проф. П.М. Цимбаревича, приняв, что наиболее опасная ситуация возникает в зоне наибольшей дезинтеграции пород, не обладающей сцеплением, а лишь параметром трения с учётом обводнённости пород ниже подошвы многолетнемёрзлых пород :

(2)

b – полуширина выработки, составляющая 2,5 м; h – высота выработки до пяты свода – 3,3 м.; φ – угол внутреннего трения дезинтегрированной толщи, принятый равным 160 с использованием метода аналогии и обратных расчётов.

Высота свода обрушения по результатам расчётов составила 17,9 м.

Величина коэффициента структурного ослабления (λ) в зависимости от размера блоков изменяется от 0,03 (l=0,1 м) до 0,05 (l=0,65м.)

Используя величину структурного ослабления можно определить сцепление породы в трещиноватом массиве: Стр= λСм, где См и Стр – соответственно сцепление в образце и трещиноватом массиве, что позволяет оценить величину одноосного сжатия с учётом трещиноватости пород:

(3)

Результаты расчётов сведены в таблицу 1:

Таблица 1 Расчёт основных показателей физико-механических свойств

* - усредненные данные по результатам исследований, выполненных в лаборатории физико-механических свойств и разрушения горных пород на базе Санкт-Петербургского горного университета.

Учёт трещиноватости при определении величины одноосного сжатия показал, что коэффициент крепости по проф. М.М. Протодъяконову составляет менее 1,0 и такая толща пород должна рассматриваться как неустойчивая.

Как известно, проявление горного давления и соответственно развитие опасных горно-геологических процессов тесно связано с глубиной разработки. Ранее критическая глубина, ниже которой обычно наблюдались динамические явления вокруг одиночных выработок и вблизи забоев очистных выработок определялся путём сравнения отношения веса столба пород над выработкой γH с их прочностью на одноосное сжатие (Rсж). Величина Rсж может быть принята для расчётов по результатам лабораторных исследований (прочность образцов), либо пересчитанная с учётом трещиноватости пород – прочность в массиве (см. таблицу 1). Вполне понятно, что величины относительной глубины ведения горных работ, при этом, будут существенно различаться. Если рассчитать величину ( при самых низких значениях Rсж = 10,8 МПа, полученных в лабораторных условиях, частное от деления составляет приблизительно 1, а с учетом трещиноватости массива – несколько превышает 20 Расчёты выполнены при H = 500 м и γ=2,2 т/м3 (γ=22 kH/м3) с учётом их трещиноватости. Следовательно, что при наличии интенсивно трещиноватых пород, должна существовать только версия глубоких горизонтов, на которых в предельное состояние переходят достаточно большие объёмы пород в зоне влияния выработок и обеспечение нормальных условий эксплуатации возможно только при использовании комбинированного типа крепления, такого как трубчатые фрикционные анкера в паре с металлической сеткой, а также установка трос-анкеров, нанесение торкрет-бетонов и полимерных смесей.

Кроме того, оценка степени устойчивости горных выработок, на горизонтах ниже +250 м. вне зоны мерзлоты, можно оценить по показателю S, который был предложен проф. Н. С. Булычевым ^[2,7]:

(6)

где f – крепость пород в образце: (андезибазальты 8,22; андезибазальты/ дезинтегрированные лавы андезитов 5,81; дезинтегрированные лавы андезитов 1,08);

Км – учитывающий степень нарушенности массива пород трещинами, определяется в зависимости от пролета выработки b по модулю относительной трещиноватости n (в соответствии с классификацией СибЦНИИСа скальных пород по трещиноватости).

, (7)

где l - среднее расстояние между трещинами (0,37 м.); a - пролёт выработки (5 м.); n=27 в нашем случае принимаем Км равным 5

К_N – число систем трещин для раздробленных пород КN=20;

К_R – влияние шероховатости стенок трещин, для прерывистых стенок КR=4;

K_w-увлажнение пород, при условии капежа - Kw=0,8-0,4;

K_t- влияние раскрытия незаполненных трещин, при величине раскрытия ˃15мм Kt =4;

К_А-заполнение трещин раздробленной породой или вторичным материалом, при глинистом заполнителе КА=3;

- принимается в зависимости от ориентации трещин относительно оси выработки, если трещины ориентированы относительно оси выработки под углом α = 70-90⁰ -=1

Результаты расчётов сведены в таблицу 2

Таблица 2Устойчивость пород по проф. Н. С. Булычеву

Анализируя выполненные расчёты по устойчивости пород, можно сказать, что трещиноватый обводнённый массив, представленный основными вмещающими породами, относится к IV категории – неустойчивые (таблица 3).

Таблица 3 Устойчивость пород по проф. Н.С. Булычеву

Полученные данные дают реальное представление о состоянии массива и объясняют выбор крепления, который применяется на руднике. Необходимо отметить, что проведение горных работ ниже зоны развития многолетнемерзлых пород предполагает усложнение горно-геологических условий, вызванное снижением прочности немерзлой толщи и возможным ростом интенсивной трещиноватости, учитывая воздействия тектонических напряжений. Кроме того, необходимо учитывать также и наличие подмерзлотных вод с повышенной минерализацией и агрессивностью по отношению к конструкционным материалам крепления: металлам и бетонам.

Выводы

При оценке устойчивости массива горных пород на месторождении Купол необходимо учитывать следующие факторы:

1. Положение месторождения в зоне активной тектонической и относительно молодой позднемезозойской и кайнозойской вулканической деятельностью, отражением которой служат сложные петрографические комплексы пород, образующие блоки различных размеров.

2. При расчётах НДС толщи горных пород следует принимать во внимание избыточные тектонические напряжения за счёт специфики структурно-тектонических условий Охотско-Чукотского вулканогенного пояса, наличия активных разломов 1-го и 2-го порядка. Замеры напряжений в горных выработках месторождения Купол показали достаточно высокие коэффициенты концентрации горизонтальных напряжений (σ2≠σ3) над вертикальными (σ1), составляющие 1,8-2,2, несмотря на высокую трещиноватость пород, которая обычно снижает проявления тектонических сил.

3. Оценка устойчивости таких толщ должна проводится только на основе комплексного исследования состояния и физико-механических свойств отдельных блоков (лабораторные исследования) в сочетании с полевыми методами, либо при условии невозможности их проведения, прочность массивов горных пород должна анализироваться с использованием коэффициентов структурного ослабления при наличии либо отсутствие связности и трения между блоками.

4. Результаты расчётов для реальных условий - дезинтегрированного и обводнённого массива позволяют оценить степень устойчивости пород с учётом совокупности влияющих основных факторов. Такие расчёты должны проводиться с определённой периодичностью и на всех участках работ, с целью определения состояния массива и корректировки шага установки анкеров, нанесении торкрет-бетонов, а также установки трос-анкеров.