Опасные горно-геологические явления

1.

Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых яв­ляется самостоятельной наукой геологического цикла. Как и всякая другая наука, она имеет свой предмет (месторождения и проявления полезных ископаемых), цель (обеспечение народ­ного хозяйства промышленными запасами минерального сырья) и методы исследования (создание систем разрезов, опробова­ние и геолого-экономическая оценка). В соответствии с главной целью рассматриваемой науки ее основной задачей считается геолого-промышленная оценка недр.

Геологическое изучение недр в России производится последо­вательно и планомерно с тем, чтобы не только получить необ­ходимую геологическую информацию о недрах, но и своевре­менно выявить промышленные и отбраковать непромышленные скопления полезных ископаемых. В общей системе геологиче­ского изучения недр можно выделить четыре основных крупных этапа: геологическая съемка территории, поиски месторождений полезных ископаемых, их разведка и эксплуатация (разра­ботка). Этапы геологического изучения включают несколько по­следовательных стадий:

1) региональное геологическое изучение территории
России, которое, в свою очередь, разбивается на две подстадии:

а) региональные геолого-геофизические исследования мас­штаба 1: 1 000000—1: 500 000;

б) региональные геофизические, геологосъемочные, гидро-­геологические и инженерно-геологические работы масштаба 1: 200 000 (1: 100 000);

2) геологосъемочные работы масштаба 1:50 000 (1:25 000) с общими поисками;

3) поисковые работы;

4) поисково-оценочные работы;

5) предварительная разведка;

6) детальная разведка;

7) доразведка месторождения: а — не освоенного промыш­ленностью, б— разрабатываемого;

8) эксплуатационная разведка.

На каждой стадии геологического изучения недр осуществляется их геолого-промышленная оценка, заключающаяся в определении действительной или возможной значимости изу­чаемого участка земной коры, в котором содержатся или могут содержаться скопления полезной минерализации или же пред­полагается горное строительство. С этой целью исследуются состав и строение горных пород и полезного ископаемого, усло­вия залегания, степень и характер тектонической нарушенности, гидрогеологические и инженерно-геологические характерис­тики месторождения, географо-экономические условия района и т. п.

Геолого-промышленная оценка, так же как и геологическое изучение — процесс непрерывный. Это означает, что каждое но­вое описание обнажения, скважины, результат исследования пробы должны учитываться и по этим данным должны, если необходимо, вноситься коррективы в оценку на всех этапах про­мышленного освоения.

На предпроектных этапах промышленного освоения недр геолого-промышленная оценка заключается в предварительном изучении геологических условий и определении прогнозных ре­сурсов, а в случае, если промышленное значение месторождения не вызывает сомнений, то и в подсчете запасов.

На этапе проектирования горнодобывающего предприятия или объекта горного строительства результатом геолого-про­мышленной оценки должно быть выявление с необходимой сте­пенью достоверности всех пространственно-морфологических, объемно-качественных, гидрогеологических и инженерно-геоло­гических факторов и показателей осваиваемого природного объекта.

На дальнейших этапах промышленного освоения геолого-промышленная оценка осуществляется в процессе получения новых знаний о геологических особенностях объекта и с учетом изменения технико-экономических показателей и условий его освоения.

Таким образом, необходимую геологическую информацию для геолого-промышленной оценки недр на предпроектных эта­пах их освоения получают в результате проведения комплекс­ной геологической съемки, поисков и разведки разной степени детальности, а на последующих этапах — по данным доразведки (разведки в пределах горного отвода), эксплуатационной разведки и геологического обеспечения горно-эксплуатацион­ных работ.

Понятие о кондициях.

Кондиции представляют собой комплекс требований про­мышленности к минеральному сырью. На их основании опреде­ляется экономическая целесообразность разработки месторож­дения или его частей. Иначе говоря, кондиции — это граничные параметры, ниже которых разработка полезного ископаемого становится невыгодной. Кондиции рассчитываются для каж­дого месторождения исходя из современного состояния техники, технологии и' экономики, а также географо-экономических и горно-геологических условий месторождения; при изменении какого-либо из перечисленных факторов они пересматриваются. Состав кондиций, т. е. перечень показателей, по которым уста­навливаются граничные условия, зависит от вида минерального сырья, но в любом случае выделяются три группы требований: к качеству, количеству и горнотехническим условиям.,

Для месторождений металлических полезных ископаемых и горно-химического сырья кондиции включают минимальное про­мышленное содержание полезного компонента, бортовое содер­жание полезного компонента, максимально допустимое содер­жание вредных примесей, минимальную выемочную мощность полезного ископаемого, максимальную мощность прослоев пу­стых пород или предельный коэффициент рудоносности, пре­дельные технические и гидрогеологические условия.

Минимальное промышленное содержание — это среднее со­держание полезного компонента в блоке или отдельном теле полезного ископаемого, ниже которого разработка нецелесо­образна. Оно зависит от многих факторов: степени извлечения полезного компонента из руды; производительности предприя­тия; трудоемкости технологического процесса; себестоимости добычи руды; объема капитальных вложений; объема затрат на сохранение окружающей среды; количества разведанных за­пасов; отпускной цены на готовую продукцию предприятия; числа извлекаемых компонентов и др.

Для месторождений, содержащих несколько полезных компо­нентов, минимальное промышленное и бортовое содержание устанавливаются либо для каждого компонента, либо по услов­ному металлу. В качестве этого условного металла обычно при­нимается основной полезный компонент, а содержание сопут­ствующих учитывается с помощью переводных коэффициентов. В кондициях приводится перечень попутно извлекаемых компо­нентов и указывается величина переводных коэффициентов. Например, на месторождении, содержащем в промышленных концентрациях медь, молибден, свинец и цинк, основным ком­понентом является медь. Следовательно, ее коэффициент равен единице, а остальным компонентам приданы следующие значе­ния коэффициентов: молибдену — 20, цинку — 0,3, свинцу —1,1.

Допустим, что минимальное промышленное содержание по условной меди составляет 1,0%. Тогда если в блоке (участке) определено содержание меди 0,4%, свинца 0,5%, цинка 1,0% и молибдена 0,01 %, то содержание условного металла соста­вит: 0,4-1+0,5-1,1 + 1-0,3 + 0,01-20=1,45 %, т. е. значительно выше минимального промышленного, несмотря на невысокие содержания каждого отдельного компонента.

Следует заметить, что для каждого месторождения и для каждого компонента переводные коэффициенты рассчитыва­ются отдельно в зависимости от ценности компонентов, возмож­ности и полноты их извлечения и т. п.

Бортовое содержание как показатель кондиций может вво­диться при отсутствии четких геологических границ рудного тела или при неравномерном и весьма неравномерном распре­делении полезных компонентов. Значение бортового содержа­ния всегда ниже минимального промышленного и обычно при­равнивается к содержанию полезного компонента в хвостах обогатительной фабрики, т. е. при бортовом содержании еще возможно извлечение полезного компонента из горной массы. Бортовое содержание применяют при оконтуривании рудных тел и ограничении непромышленных участков внутри их. В об­щем случае — это содержание полезного компонента в крайней пробе, по которой может быть проведен контур тела полезного ископаемого. Данный контур закрепляется (утверждается), если среднее содержание во всем рудном теле окажется не ниже минимального промышленного. В противном случае" в качестве крайней (контурной) пробы должна быть принята другая — с более высоким содержанием.

На каждом месторождении величина бортового содержания рассчитывается подбором вариантов, которых должно быть не менее трех (рекомендуемое значение, выше и ниже его).

Для месторождений ценных полезных ископаемых, в кото­рых рудные тела либо имеют малую мощность, либо характе­ризуются сложным или весьма постепенным выклиниванием, в качестве кондиционного показателя вводится линейный запас (метропроцент). Например, минимальная выемочная мощность равна 2 м, минимальное промышленное содержание полезного компонента — 0,5%, тогда минимальный промышленный линей­ный запас составит 1,0 м % (2-0,5=1). В таком случае отра­ботка полезного ископаемого мощностью 0,2 м экономически целесообразна при содержании полезного компонента не ме­нее 5 % (0,2-5=1,0 м %).

На месторождениях с прерывистым и крайне неравномер­ным распределением оруденения (жильные зоны, гнездовые и штокверковые тела и залежи цветных, редких и благородных металлов) в качестве показателя кондиций рассматривается также коэффициент рудоносности, представляющий собой отношение длины, площади или объема полезного ископаемого (руды) к соответствующему размеру продуктивной зоны. Ко­эффициент рудоносности выражается в долях единицы и мо­жет быть линейным, площадным или объемным. Величина ми­нимального коэффициента рудоносности зависит главным обра­зом от ценности руды.

Для месторождений неметаллических полезных ископаемых показатели кондиций весьма многообразны, поскольку они уста­навливаются в соответствии с областями использования сырья. Например, для месторождений асбеста к показателям конди­ций принадлежит минимальное промышленное содержание ас­беста по каждому сорту (сортность определяется длиной и фи­зико-механическими свойствами волокна), для месторождений оптического сырья и электроизоляторов (слюд) — минимальный размер бездефектных участков полезных минералов и мини­мальное промышленное содержание таких участков, для ме­сторождений блочного камня — минимальные размеры блоков, минимальный выход кондиционных блоков, физико-механиче­ские свойства. На месторождениях подсобного металлургиче­ского сырья (флюсы и огнеупоры) кондиции учитывают требо­вания к химическому составу и физико-механическим свойст­вам (истираемость, температура плавления и др.) и т. д.

Основными показателями кондиций угольных месторождений являются минимальная рабочая мощность пласта, максималь­ное содержание золы, а в отдельных случаях — содержание серы, влаги (в рабочем топливе), спекаемость и другие пара­метры, определяющие возможность использования углей в раз­личных отраслях промышленности.

2.

В земной коре непрерывно происходят различные по своей природе геологические процессы, вызванные природными и техногенными факторами, определяющие геодинамическую обстановку осваиваемых территорий и в т.ч. месторождений полезных ископаемых [11]. Все эти процессы происходят в горных породах и подземных водах под влиянием силовых (энергетических) полей. Горные породы в условиях их природного залегания находятся под воздействием естественного напряженного состояния, с оценки которого следует начинать изучение различных геологических процессов, а также изменения его вокруг горных выработок в связи со строительством различных сооружений, при осушении или подтоплении территории, при проведении буро-взрывных работ и т.д. Свидетельством того, что горные породы в настоящее время находятся в напряженном состоянии, являются землетрясения, неотектонические движения, оползни и обвалы на естественных речных и морских склонах.

Проявление напряженного состояния горных пород при их взаимодействии с различными поверхностными и подземными сооружениями наблюдается в разнообразных деформациях этих пород (уплотнение, разуплотнение, сдвиг и др.). Напряженное состояние пород в земной коре определяется действием двух независимых силовых полей — гравитационного и тектонического.

Гравитационное поле обусловлено действием всемирного тяготения и напряжения, возникающих на некоторой глубине Н от поверхности земли, которые можно рассматривать как напряжения от массы вышележащих пород. Вертикальное давление толщи пород ру на горизонтальную единичную площадку (рис. 3.1) можно выразить следующим

образом: о

» -гШ

Ру = 2 > i Y i -h,Y.>

i

где nij — мощность i-ro слоя в толще вышележащих пород с удельным

весом уь

п — число слоев в толще пород, залегающих над точкой М;

h, — высота столба воды над точкой М с плотностью у,.

Если учитывать изменения плотности пород в зависимости от ли-

тологического состава и гидрогеологических условий и выразить ее не-

которым средневзвешенным по мощности значением у^,, то можно запи-

сать: р, = уср Н, где Н — общая мощность вышезалегающих пород.

Задача распределения напряжений в точке упругой изотропной

толщи от веса вышележащих пород была решена швейцарским геологом

А. Геймом (вторая половина XIX в.) и академиком А.Н. Динником (1925

г.) в виде:

°z = Уср Н; о«= Ру= ц а,,

1-д

где az - вертикальная составляющая гравитационного поля;

ох и оу - горизонтальные составляющие;

ц - коэффициент Пуассона горных пород.

Анализ многих аварий сооружений и непосредственные замеры

напряжений в горных породах показали наличие аномальных напряже-

ний, гораздо больших гравитационных. И.А. Турчанинов [3] приводит

данные, измерений напряжений (около 2000 опытов) на Кольском полу-

острове в недрах Хибинского щелочного массива на глубинах от 100 до

600 м в породах высокой прочности (R = 120-220 МПа, ц = 0,26). Горизонтальные напряжения на глубине 100 м оказались в 60 раз больше

гравитационных, а на глубине 600 м — в 12 раз. Имеются данные о на-

личии аномальных напряжений в кристаллических породах Балтийского

щита, метаморфических сланцах в районе Саяно-Шушенской ГЭС на р.

Енисее, а также в шахтах Донбасса, КМ А и др. При этом установлено,

что максимальные напряжения приурочены к зонам тектонических на-

рушений. Природа отмеченных аномалий довольно сложная и слабо

изучена. Предполагается, что дополнительные (к гравитационным) на-

пряжения имеют тектоническую природу и обусловлены наличием тек-

тонического градиента, за счет которого появляются горизонтальные

тектонические силы. М.В. Гзовский в 1972 г. выделил четыре типа рай-

онов на территории СНГ по величине касательных напряжений текто-

нического происхождения:

1) наименее подвижные платформенные районы (максимальные тт

изменяются от 5,0 до 15,0 МПа);

2) более подвижные и сильно деформируемые районы (с тт в пре-

делах 20,0-60,0 МПа);

3) еще более подвижные районы (с тт от 35,0 до 95,0 МПа);

4) наиболее подвижные и интенсивные деформируемые районы (с

кратковременно действующими касательными напряжениями от 50,0

до 150,0 МПа).

Г.А. Марков (1977 г.) показал, что при наличии тектонического си-

лового поля величина контурных напряжений вокруг выработок зависит

от их ориентировки, т.е. ак = ЗТН (\у2 cos2a + sin2a) - ViT„ + уН (3^ ~ 1),

где vy, и V|/2 - параметры, зависящие от гравитационного напряженного

состояния;

a - угол между направлениями продольной оси выработки и дей-

ствия тектонических напряжений. Максимальных значений контурные

напряжения достигают при a = 90°, а минимальных при a = 0.

Опасные горно-геологические явления.

В зависимости от характера энергии и места проявления выделяют

эндогенные (глубинные) и экзогенные (поверхностные) процессы, кото-

рые тесно между собой связаны. Первые вызываются внутренними си-

лами Земли (энергией, выделяемой при развитии вещества Земли, дей-

ствием силы тяжести и сил, возникающих при вращении Земли), а вто-

рые — энергией солнечной радиации, гравитационными силами и жиз-

недеятельностью растений и животных. Эндогенные и экзогенные геологические процессы в совокупности определяют геодинамическую об-

становку производства горных работ.

Из числа эндогенных геологических процессов, определяющих в

значительной степени геодинамическую обстановку месторождения,

наибольший интерес представляют сейсмические процессы, неотекто-

нические движения земной коры, явления геотермии. Экзогенные геоло-

гические процессы, возникающие на месторождениях в результате гео-

логической работы поверхностных вод (явления смыва, размыва, овра-

гообразования и т.д.), подземных вод (карст-образование, фильтрацион-

ное разрушение горных пород) и атмосферы (ветровая корразия горных

пород, процессы развевания и навевания - движущиеся пески), позво-

ляют выделить особенности геодинамической обстановки, состояние и

свойства горных пород покровной толщи изучаемой территории.

В инженерной геодинамике, изучающей геологические процессы

и явления, принято выделять инженерно-геологические процессы и яв-

ления, вызванные деятельностью человека, и горно-геологические явле-

ния, возникающие под воздействием горных пород.

Горно-геологическими явлениями П.Н. Панюков назвал совокуп-

ность разнообразных видов деформаций пород в горных выработках.

Такое название имеет важную особенность, так как определяет возник-

новение явлений в связи с проведением горных работ.

Практика показывает, что при освоении месторождений полезных

ископаемых большой интерес представляют такие процессы и явления,

как оползни, плывуны, пучение, горные удары, выбросы пород, угля и газа и т.д. Эти процессы и явления кратко рассмотрены ниже.

Оползни

Экзогенные процессы, связанные с перемещением горных пород

на естественных склонах и искусственных откосах под влиянием силы

тяжести, называют гравитационными движениями. К ним относятся

оползни - скользящее смещение масс горных пород вниз по склону под

влиянием силы тяжести. Они широко распространены на склонах балок

и оврагов, на откосах карьеров, отвалов, терриконов и существенно

влияют на устойчивость территорий и инженерных сооружений. Эти

процессы являются многофакторными, поэтому их изучение (несмотря

на длительную его историю), а также оценка устойчивости склонов и

откосов связаны со значительными трудностями. Для горной практики

гравитационные движения представляют интерес при ведении не только

открытых разработок (борта карьеров, откосы отвалов, дамб и др.), но и

подземных, так как часто горные выработки и наземные сооружения закладываются на склонах, а иногда они подрабатывают естественные

склоны, карьеры, насыпные сооружения и т.д.

Деформирование горных пород на склонах и откосах давно при-

влекает внимание исследователей, поэтому в настоящее время сущест-

вует большое количество классификаций и типизаций, построенных на

разных принципах. Изучение механизма склоновых процессов позволи-

ло различать три их типа:

1) оползни, представляющие собой скольжение горных пород по

поверхностям различной морфологии;

2) обвалы - скатывание, опрокидывание, вываливание блоков

скальных или полускальных пород на крутых склонах;

3) осыпи - перемещение обломочного материала небольшой мощности по склону или откосу.