Влияние трещиноватости на изменение физико-механических свойств горных пород

2. Сведение об объекте  изучения

Рис. 3.1 Обзорная карта района работ.

Масштаб 1:500 000

- контур месторождения  Нойон-Тологой

Нойон-Тологойское месторождение полиметаллических руд расположено на территории Александрово-Заводского района Забайкальского края Российской Федерации.

В орографическом отношении район месторождения охватывает северо-западные отроги Кличкинского хребта, а также область межгорья между ними и юго-восточными отрогами Нерчинского хребта. Рельеф низко среднегорный с абсолютными высотными отметками от 650 до 1050 м. Крутизна склонов до 25-30º. Климат района сухой, резко континентальный с большими колебаниями годовых и суточных температур. Наиболее холодными месяцами являются декабрь-январь (-40º-45º), в летний период температура колеблется от +20º до +35º, иногда достигает +44º. Среднегодовая температура -3º. Осадков в районе выпадает не более 400 мм, основное их количество приходится на июль-август месяцы. Устойчивый снежный покров образуется в ноябре, его высота не превышает 25 см, снег окончательно сходит в апреле. Многолетняя мерзлота в районе отсутствует, сезонная, мощностью до первых метров держится до мая-июня месяца. В весенне-осеннее время характерны сильные (до 18 м/сек) ветры, преимущественно северных румбов.Открытие полиметаллического месторождения Нойон-Тологой относится к 1964 году, когда при проведении геолого-съемочных работ масштаба 1:50000 (И.К. Абрамов, 1964 г.), в осевой части выявленной геохимической аномалии двумя канавами была вскрыта зона дробления с лимонитовыми охрами, с повышенным содержанием свинца (до 5%), цинка (0,3 0,5%) и сопутствующих элементов.

2.1 Инженерно-геологические  условия месторождения

Предварительная характеристика инженерно-геологических условий Нойон-Тологойского месторождения выполнена на основе анализа материалов, полученных по данным документации геологоразведочных и гидрогеологических скважин, результатов определений физико-механических свойств вмещающих пород и руд с привлечением данных по месторождениям-аналогам.По гидрогеологической и инженерно-геологической типизации месторождений твердых полезных ископаемых Нойон-Тологойское месторождение классифицируется как месторождение IV типа – месторождения в массивах вулканогенно-осадочных, метаморфических и литифицированных осадочных (скальных и полускальных) пород с трещинными, трещинно-пластовыми и трещинно-жильными водами. По сложности изучения оно может быть отнесено к месторождениям средней сложности. К факторам, осложняющим условия освоения и эксплуатации данного месторождения, наряду с интенсивной тектонической нарушенно-стью пород, необходимо отнести достаточно сложные гидрогеологические условия.Пространственно месторождение приурочено к зоне сопряжения разно ориентированных долгоживущих зон разломов северо-восточного замыкания крупной Западно-Урулюнгуевской депрессионной структуры. В геологическом строении его принимают участие юрские эффузивные и осадочные образования, а также комплексы субвулканических пород. Восточная часть месторождения сложена осадочными образованиями верхнегазимурской свиты (J2vg), смятыми в складки северо-восточной ориентировки. В существенно конгломератовой толще встречаются прослои песчаников мощностью от 1-2 до 15-20 м. В центральной части месторождения на осадочные отложения с местным несогласием залегают базальтоиды покровных фаций залгатуйской свиты (J2zl), выполняющие северо-восточное крыло Мулинской мульды. Эта сложно построенная толща представлена чередованием базальтов, андезито-базальтов от стекловатых до крупнопорфировых разностей, массивной, флюидальной и миндалекаменной текстур, перемежающихся с горизонтами лавобрекчий, туфов, песчаников, конгломератов. Залегание вулканитов с падением от бортов к оси мульды под углами 15-30 и общем погружении на юго-запад.Стратифицированные отложения прорываются дайками и мелкими телами сиенит-порфиров, андезито-базальтов, базальтов, разнообразных по структурной приуроченности и составу, но обычно незначительных по размерам. Наиболее крупным субвулканическим телом является лакколит сиенит-порфиров, внедрившийся в толщу базальтов на Центральном участке и выходящий на дневную поверхность. В плане он имеет субизометричные очертания, а в разрезе форму согласной линзы мощностью до 200 м и протяженностью до 1200 м.Вулканогенные и терригенные породы на площади месторождения перекрыты чехлом четвертичных делювиальных, аллювиально-пролювиальных и аллювиальных отложений, представленных суглинками и глинами с примесью обломочного материала, а также разнозернистыми песками и гравийно-галечными образованиями. Мощность четвертичных отложений в нижних частях склонов и пойменной части пади Залгатуй составляет 25-38 метров.

Инженерно-геологические условия месторождения в значительной мере определяютсятектоническими условиями и широким развитием процессов метасоматического изменения эффузивных и интенсивно литифицированных осадочных горных пород, вмещающих рудные тела. Многолетнемерзлые породы на площади месторождения не встречены.

В литологическом отношении основное оруденение развивается в породах базальтового ряда, в меньшей мере оно связано с терригенными осадками и сиенит-порфирами. В зависимости от морфологии вмещающих тектонических элементов, рудоносные зоны и залежи имеют пластообразную, штокверковую или жильную форму.Наиболее крупными тектоническими нарушениями на площади Нойон-Тологойского месторождения являются крутопадающие разломы северо-восточного (20-40) и северо-западного простирания, являющимися основными рудоконтролирующими структурами. По характеру смещений данные нарушения относятся к сбросам или сбросо-сдвигам и нередко выполнены дайками различного состава. Кроме того, по стратиграфическим границам пород достаточно широкое распространение получили пологозалегающие зоны межпластовых срывов сбросового, иногда надвигового типов и являющимися одними из основных рудовмещающих элементов.На Юго-Восточном участке зона пологого срыва между терригенными породами и перекрывающими их базальтами является основной рудовмещающей структурой. Она выходит на поверхность по северо-западному контуру участка и имеет северо-восточное простирание (40-60) при юго-восточном падении под углами 20-25. Протяженность зоны составляет 1100 м. По падению минерализованная зона прослеживается на 280-400 м от дневной поверхности до глубины 250-270 м. Рудное тело представлено выдержанным пластом мощностью от 0,5 до 10,7 м. Оруденение развито неравномерно, наряду с рядовыми прожилково-вкрапленниковыми рудами отмечаются сливные сульфидные жилы, чаще встречаемые во внутренних участках рудной залежи. Смешанные руды зоны окисления распространены вдоль выхода основного пласта под наносы в виде полосы длиной 650 м и шириной 30-80 м.

Наряду с отмеченными основными пологими зонами на месторождении проявлены и более мелкие срывы, приуроченные к крутопадающим разломам. При этом на сопряжении систем субвертикальных разрывов в условиях гетерогенного разреза происходит возникновение объемных штокверкоподобных зон трещиноватости. Наиболее крупная из них трещинная зона, вмещающая полиметаллическое оруденение, сформирована на Центральном участке. Высота штокверка интенсивно нарушенных пород составляет 280 м при ширине по падению до 700 м, по простиранию он прослеживается на 1000 м. В строении штокверковой зоны преобладают многочисленные послойные срывы различного порядка и она является главной рудоносной структурой Центрального участка и месторождения в целом.Тектонические нарушения выражены зонами дробления, трещиноватости и катаклаза шириной до первых десятков метров (обычно от 0,5 до 10-15 м), нередко с центральными глинистыми швами, жилами или брекчиями кварц-карбонатного состава мощностью в первые метры. Обломки брекчированных пород сцементированы перетертым материалом исходных пород и кварц-карбонатным материалом. Мелкие зоны дробления отмечаются и в керне скважин, где они не нарушают общих структурных особенностей, и отражают влияние напряжений, возникающих при вертикальных смещениях блоков фундамента.Трещиноватость в массиве горных пород развита достаточно неравномерно от слаботрещиноватых (4-7 трещин/метр - в пределах зоны неизмененных пород) до интенсивно трещиноватых (более 15 трещин/метр – в пределах зон тектонических нарушений). Как правило, породы в таких интервалах представлены обломками керна, щебнем различного размера и дресвой. Иногда породы подвержены довольно интенсивному выщелачиванию до сыпучего состояния или довольно легко разламывающихся руками.По данным геологической документации керна горные породы на большей площади месторождения классифицируются как средне- и сильнотрещиноватые (модуль трещиноватости 5-10 трещин на 1 м). Показатель нарушенности керна (RQD) изменяется от 30% до 60%. Преобладающая часть трещин закрытого типа мощностью 1-5 мм и менее. Полости трещин обычно заполнены кварц-карбонатным материалом, по сомкнутым трещинам неред-ко развиваются налеты хлорита. В пределах рудных интервалов полости трещин выполнены сульфидами. Основное направление трещиноватости совпадает с напластованием пород. Вертикальные трещины (0-20 – 80-90 к оси керна) играют подчиненную роль.В зоне экзогенного выветривания породы подвержены интенсивному выщелачиванию. По плоскостям трещин здесь отмечается интенсивное развитие гидроокислов железа и марганца.Гидротермальные метасоматические изменения на площади месторождения наиболее интенсивное развитие получили в вулканогенных породах покровной фации и субвулканических породах. В осадочных породах интенсивность метасоматоза существенно уменьшается, а распространение ограничивается проявлением его в пределах тектонически ослабленных зон. Мощность зон гидротермального изменения пород базальтового ряда в значительной мере зависит от степени их трещиноватости и изменяется от нескольких метров до 15-40 метров. Гидротермальные изменения представлены пропилитизацией, аргиллизацией, окварцеванием, карбонатизацией, хлоритизацией, сульфидизацией.

3. Влияние трещиноватости на изменение физико-механических свойств горных пород

Определяющим фактором изменчивости физико-механических свойств пород являются структурно-тектонические условия, обуславливающие в свою очередь развитие вторичных процессов. Гидротермальные метасоматические изменения приводят к существенному снижению величин прочностных показателей, а, следовательно, и снижению потенциальной устойчивости пород в горных выработках. Существенное влияние на физико-механические свойства горных пород оказывают также такие факторы как интенсивность трещиноватости, рассланцевание, брекчирование пород и руд.Характеристика физико-механических свойств дается по основным петрографическим разностям пород месторождения, характеризующимся различной степенью вторичных преобразований и приуроченным к участкам с различной степенью трещиноватости пород.Из водно-физических параметров определялись удельный вес (кг/см2), объемная масса (кг/см2), водопоглощение (%) и открытая пористость (%), морозостойкость, а из прочностных свойств – прочность на сжатие (МПа). Определение прочностных характеристик горных пород осуществлялось как в воздушно-сухом, так и в водонасыщенном состоянии, что позволило оценить снижение прочностных свойств горных пород при взаимодействии с водой. Расчетное значение σсж. по каждой керновой пробе определялось как среднеарифметическое по 6 предварительно подготовленным образцам.Необходимо отметить, что сочетание такого многообразия факторов, как вторичные преобразования и различная степень трещиноватости пород предопределили изменчивость физико-механических свойств пород даже в пределах одной пробы.

По данным лабораторных исследований, объемная масса основных горных пород, распространенных на площади месторождения, составила

- базальты – 2,53-2,74 г/см3 (в среднем 2,63 г/см3), конгломераты  – 2,53-2,66 г/см3,

песчаники – 2,59-2,7 г/см3, сиенит-порфиры – 2,29-2,57 г/см3.

Объемная масса измененных базальтов составляет 2,3-2,71 г/см3.Для руд месторождения с общими рядовыми содержаниями свинца и цинка (в сумме 4,6%) объемная масса составляет 3,4-3,5 т/м3. Рудам с суммарным содержанием свинца и цинка равным 2,2 % (что составляет 92 % от всех руд месторождения) соответствует объемная масса на уровне 3,05-3,1 т/м3.

Таб. 4. 0 Физико-механические свойства пород Нойон-Тологойского месторождения

Примечание: *-в числителе минимальное и максимальное значения, в знаменателе – среднее.

** - данные характеризуют  породы массивной текстуры.

Расчетная пористость пород изменяется от 0,4 до 9,1 %. Максимальные вариации водных свойств в зонах дробления с наложенными процессами, где влажность может составлять 9-17%.Водопоглощение горных пород изменяется от 0,1 до 4,7 % и составляет в среднем 1,7 %. Наименьшее водопоглощение характерно для плотных и слаботрещиноватых пород, что обусловлено их невысокой пористостью. Влажность руд в среднем колеблется в пределах 0,4-2,5% и лишь единичные пробы увлажнены до 4,4%.Руды и вмещающие породы месторождения относятся к средним и, частично, низким категориям крепости. Коэффициент крепости пород и руд по шкале проф. М. М. Протодьяконова, определенный расчетным способом, колеблется от 6 до 12, категория пород по по буримости VIII-IX. Руды характеризуются коэффициентом крепости от 6 до 10. Колебания коэффициента крепости одних и тех же пород происходят из-за разной степени их гидротермальных изменений, степени дробления и трещиноватости. Высокой прочностью пород и руд обусловлено извлечение керна хорошей сохранности. Так, процент выхода керна в большинстве скважин, пробуренных на площади месторождении, составил не менее 80-90%. Лишь при проходке зон интенсивной нарушенности и глинистых швов целостность керна существенно нарушалась.

Сопротивление одноосному сжатию неизмененных базальтов, в зависимости от степени их трещиноватости, изменяется от 75 до 199 МПа (до 199 МПа) и в среднем равно 105-155 МПа. При этом коэффициент размягчаемости их обычно составляет более 0,75 (неразмягчаемые породы). Более низкими прочностными свойствами характеризуются породы с порфировой структурой. Так, сопротивление одноосному сжатию миндалекаменных базальтов составило: в воздушно-сухом состоянии – 66-122 МПа (в среднем – 87 Мпа); в водонасыщенном состоянии – 27-97 МПа (в среднем 49 МПа). Измененные базальты в большинстве случаев классифицируются как размягчаемые породы средней прочности и малопрочные (σсж. – менее 60МПа).Прочностные свойства пород дайкового комплекса, вследствие структурных особенностей, несколько ниже, чем у базальтов. В зависимости от состояния пород сопротивление одноосному сжатию (σсж.) сиенит-порфиров меняется от 37-92 МПа до 157 МПа (среднее – 90 МПа). Данные породы практически не снижают прочность в водонасыщенном состоянии.Наибольшей способностью к размоканию, набуханию и снижению прочностных свойств во влажном состоянии обладают конгломераты верхнегазимурской свиты. При взаимодействии с водой их прочностные свойства (70-144 МПа) снижаются на 25-35 % (до 40 %). Существенное снижение прочностных свойств в водонасыщенном состоянии характерно и для метасоматически измененных базальтов (коэффициент размягчаемости 0,29-0,65). Интенсивно каолинизированные породы при замачивании размокают и становятся рыхлыми.

Прочностные характеристики руд не определялись в связи с отбором кернового материала для основных видов опробования. Принимая во внимание идентичные условия образования и во многом схожие геолого-структурные особенности полиметаллических месторождений Восточного Забайкалья, о прочностных свойствах полиметаллических руд можно судить по результатам разведочных работ и эксплуатации некоторых из ранее разведанных месторождений. Исследование прочностных характеристик базальтов, включающих прожилки и вкрапления сульфидов (штокверковое оруденение на Центральном участке), свидетельствует об их соответствии неизмененным эффузивным породам (σсж. среднее – 143 МПа).Как видно из краткой характеристики вмещающих пород и руд на площади месторождения распространены скальные породы с прочностью более 50 МПа. Коэффициент размягчения их изменяется от 0,5 до 0,9. Существенное снижение прочных свойств пород возможно лишь в интервалах интенсивно трещиноватых гидротермально измененных пород. Наряду с геологическими факторами, существенную роль в инженерно-геологических процессах играет и тектоническая обстановка на месторождении.Породы подвержены морозному выветриванию, после испытаний на морозостойкость прочностные характеристики их снижались. При проведении цикла испытаний (10-15 испытаний) в насыщенном растворе сернокислого натрия, потеря в весе составила: базальты – 5,4-10,5 % (у интенсивно трещиноватых пород до 24,5 % и более); конгломераты - 12,0-20,3 %.Горные породы и руды месторождения довольно устойчивы, что подтверждается опытом горных работ при проходке наклонных стволов. Проходка производилась с использованием патронированного аммонита при среднем расходе его 16-18 кг на 1 п.м. проходки. Разрушенные взрывом горные породы представляют собой глыбы и куски неправильной формы. При проходке горных выработок больших обрушений и значительных вывалов горных пород не отмечалось. Мелкие вывалы с кровли обусловлены пониженной механической прочностью и связностью гидротермально переработанных пород, а также трещинами напластования. При ведении горных работ отставание крепления от забоя достигало 50 и более метров. Углы естественного откоса вмещающих пород в отвалах изменяются от 40 до 55о.С поверхности и до глубины предполагаемой отработки породы и руды не радиоактивны.

Основное внимание при проведении дальнейших инженерно-геологических исследований следует сосредоточить на характеристике наиболее слабых разновидностей пород, их пространственному распределению, как по площади, так и в разрезе. Особое внимание следует обратить на тектоническое строение, так как сочетание этих факторов может привести к существенному усложнению инженерно-геологической обстановки на месторождении.Из современных геологических процессов, наиболее активно проявленных в данном районе, необходимо выделить плоскостной смыв, струйчатую эрозию, морозное растрескивание. В пределах участков, приуроченных к межсопочным понижениям и характеризующимися худшими условиями дренирования – заболоченность, вторичное засоление и пучение грунтов, а также проявление термокарстовых явлений на участках развития многолетнемерзлых пород. При ведении наземного строительства необходимо учитывать значительную глубину сезонного промерзания грунтов и их просадочные свойства, особенно при замачивании. Учитывая слабую естественную дренированность территории, особое внимание при разработке месторождения необходимо уделить организации водоотлива и объектов водного хозяйства (очистные сооружения, хво-стохранилища, отстойники и т.п.).Для количественной оценки интенсивности трещиноватости массива горных пород применяется площадной коэффициент трещинной пустотности, предложенный Л. И, Нейштадт (1969). Под коэффициентом трещинной пустотности понимается отношение площади трещин (в любой плоскости) St к площади S той площадки, на которой произведено измерение этих трещин, выраженное в процентах:В обнажении трещиноватых горных пород выбирается площадка квадратной формы, величина которой определяется характером, размером и густотой трещин. Площадка зарисовывается или фотографируется, а все встреченные в ее пределах трещины нумеруются и описываются . Все трещины подразделяются по генезису, ширине и характеру выполнения на несколько групп, для каждой из которых указываются количество трещин, их средние ширина и длина. Площади трещин, вычисленные по группам, суммируются, берется отношение (%) общей площади трещин к площади площадки подсчета, что дает площадной коэффициент трещинной пустотности.Площадной коэффициент трещинной пустотности является приближенной количественной характеристикой интенсивности трещиноватости массива пород. Однако этот способ не дает полного представления о трещиноватости горных пород, так как коэффициентом трещинной пустотности не полностью учитываются такие качественные показатели, как их ширина, протяженность, изменчивость с глубиной, пространственное распределение н т. д., существенно влияющие на общую трещиноватость массива.