ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ»

ГОЛИК Владимир Иванович

УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА

Конспект лекций

ВЛАДИКАВКАЗ 2005

Рецензент ы: проф., д-р т. и. Габараев О. 3., проф., д-р т. н. Шестаков В. А.

Голик В. И. Управление состоянием массива. Кон­спект лекций. Владикавказ: Издательство СКГМИ (1ТУ) «Терек». 2004.

Конспект подготовлен в соответствии с программой дисциплины «Управление состоянием массива» для технических вузов, разработанной на основании государственного стандарта. В него включены материалы по ключевым проблемам взаимодействия горного производства с окружающей средой из курсов; «Горное дело и окружающая среда», «Технологии разработки месторождений», «Специальные способы разработки месторождений», «Охрана окружающей среды», «Физика горных пород», «Безопасность жизнедеятельности», «Основы научных исследований» и др. '

Основное место уделяется состоянию рудных и породных массивов при техногенном воздействии горными работами на литосферу и горным технологиям природоохранного направления.

Учитывая ограниченные возможности использования студентами учебной литературы, особое внимание уделяется методическому построению материала, представленного литературными публикациями о научном и производственном опыте, нормативами, стандартами и отче­тами о научно - исследовательских работах.

Лекции предназначены для повышения квалификации студентов и преподавателей горных специальностей.

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция I, Массивы месторождении 4

Лекция 2. Строение литосферы

Лекция 3. Горные породы

Лекция 4. Свойства массива '

Лекция 5. Напряженность массивов

Лекция 6. Рудные месторождения

Лекция 7. Концепция управления массивом 21

Лекция 8. Управление напряжениями пород ²³

Лекция 9. Рудные целики

Лекция 10. Пролеты обнажений - "

Лекция 11 Зона влияния выработок 34

Лекция 12. История технологий управления массивом 37

Лекция 13, Способы управления массивом ⁴⁰

Лекция 14. Управление массивами на рудниках Кавказа 45

Литература

ЛЕКЦИЯ 1. Массивы месторождений

Термины. Массив горных пород - участок развития физико-механических явлений и процессов в результате воздействия естественных или техногенных факторов разработки, особенностью которого является его неоднородность и общность условий образования и инженерно-геологических характеристик.

Горные породы - природные минеральные агрегаты, слагающие литосферу Земли в виде самостоятельных геологических тел и обладающие комплексом морфологических особенностей. Свойства пород, формирующих массив, во многом определяют его состояние при техногенном вмешательстве.

Горное давление - напряжение, возникающее в массиве горных пород, вблизи стенок выработок, целиков, контакте порода - крепь в результате совместного действия гравитационных, тектонических сил и температуры верхних слоев земной коры и сопровождающееся деформациями, определяющими поведение массива горных пород при разработке.

Строение месторождений. Подавляющее большинство месторождений цветных, редких и благородных металлов, локализованных в прочных и средней прочности скальных и полускальных породах, располагается в крупных геологических блоках, объединяемых в геологические провинции. Блоки между собой контактируют по региональным глубинным разломам и представлены вулканогенными, вулканоосадочиыми и осадочными образованиями, смятыми в антиклинальные и синклинальные региональные структуры Блоки разбиты тектоническими нарушениями на структуры более мелких порядков с большим количеством относительно выдержанных по простиранию и закономерно расположенных в литосфере разрывных нарушений, сериями оперяющих разломов и трещин низких порядков, вплоть до микротрещин и кливажа.

Для месторождений характерны выходы вулканогенных пород в виде интрузий и даек от кислого до основного составов. К зонам тектонических нарушений приурочены малые интрузии и дайки различных форм - от правильных штокообразных до бесформенных образований Дайки различают по простиранию и мощности, углу падения - от вертикальных до горизонтальных, составу. В большинстве случаев дайки связаны с какой-либо системой тектонических нарушений.

Вмещающими породами двух рудных формаций, различающихся по возрасту и совокупности полезных компонентов, являются как метаморфические, так и осадочные и осадочно-вулканогенные породы. Метаморфическими породами являются, как правило, сланцы (от гнейсов до амфиболитов). Осадочные породы чаще всего представлены песчаниками, алевролитами, аргиллитами, известняками и туфогенными образованиями. Вулканогенные образования представлены гранитами, гранодиоритами, диоритами, сиенитами, габбро и габбро-базальтами. Дайки представлены микродиоритами, спессаритами, кузелитами и другими породами.

Сложноструктурность. В зонах тектонических нарушений отмечаются брекчии, мелкообломочные структуры, рассланцевания пород, мощность которых достигает десятков и сотен метров как в осадочных, так и в вулканогенных породах. Коэффициент крепости вмещающих пород изменяется от 3 до 17 по шкале М. М. Протодьяконова. Гидротермально измененные породы уменьшают свою крепость на 10-30 %.

Месторождения осложняются разрывными, сдвиго-надвиговыми и сбросовыми нарушениями. Встречаются, отложения подводно-оползневой структуры и с зонами мелкоплиточного рассланцевания. Такие месторождения выделены в группу сложноструктурных.

Концентрация металлов. Концентрации полезного компонента от незначительных рудопроявлений до крупного промышленного месторождения встречаются как в осадочных, так и в вулканогенных породах. Отложениям каждой рудной формации предшествовали гидротермальные изменения, по своему химическому составу соответствующие своей рудной формации. Изменения вмещающих пород по ореолу в 5-10 раз превышают зоны концентрации полезных компонентов, в основном приуроченных к зонам глубинных тектонических нарушений и оперяющих их нарушений.

Форма рудных тел. Рудные тела, имеющие формы крутопадающих, правильных и неправильных штокверков, столбов, линз, гнезд, жил, бывают межпластовыми и секущими, крутыми, пологими и горизонтальными. В одних месторождениях границами рудных тел являются швы разломов, в других они располагаются по обеим сторонам шва как в зальбандах нарушений, так и за их пределами. У некоторых рудных тел четкие контуры, у других - с разными бесформенными апофизами.

Форма оруденения. Отложения полезного компонента в пределах месторождений состоят из минеральных ассоциаций рудных формаций, которые накладывались одна на другую с предварительной гидротермальной подработкой.

По текстуре руды подразделяются на вкрапленные, прожилково-вкрапленные и прожилковые в осадочных и вулканогенных породах. Оруденение отмечается как в отдалении от вулканогенных пород, так и в непосредственной близости, на контакте и в самих вулканитах.

ЛеКция 2. Строение литосферы.

Оболочки Земли. Земля состоит из ядра, мантии, литосферы, гидросферы, атмосферы, живого вещества и обладает гравитационным, электрическим и магнитным полями. Это определяется ее формой, движениями вокруг Солнца и своей оси, обусловливающими изменение интенсивности поступления солнечной энергии Разнообразие природных условий создается рельефом местности: амплитуда отметок поверхности Земли превышает 19 км - от +8848 м (г, Эверест в Гималаях) до -11022 м (Марианская впадина в Тихом океане). Основное разнообразие поверхности Земли создается живыми организмами Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Гидросфера. Важнейшим и необходимым для обеспечения жизнедеятельности всего живого на Земле является вода, совокупность которой названа гидросферой.

Вода проникает в различные природные образования. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мг/дм³ растворимых веществ. В виде Мирового океана она занимает 70,8% всей земной поверхности. Средняя толщина гидросферы равна около 4 км, а объем составляет 1/800 объема Земли. Хотя значительная часть воды сосредоточена в морях и океанах, 90 % ее находится в горных породах и недрах Земли.

Воды по расположению в литосфере подразделяют на поверхностные, грунтовые и подземные.

Литосфера. Внешняя твердая оболочка Земли состоит из осадочных и магматических пород. Земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Твердая оболочка Земли ограничена сверху атмосферой и гидросферой, а снизу - поверхностью мантии. Средняя мощность литосферы 33 км (под океанами не превышает 4-8 км), а масса - 0,8 % общей массы Земли. Средняя плотность пород литосферы - 2,7-2,9 т/м³ . Верхняя часть литосферы на 95 % состоит из магматических образований, хотя часто представлена осадочными отложениями. На континентах литосфера сложена преимущественно гранитными породами, залегающими сплошным слоем па глубине 15-30 км. Для жизни важна приповерхностная область литосферы, к которой относятся почва, кора выветривания, осадочные породы и илы.

Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Почва — органоминеральное образование, вовлеченное в круговорот атомов при участии растений, животных и микроорганизмов, обладающее плодородием и являющееся областью проявления энергии живого вещества. Это - горные породы, изменившиеся под воздействием живого вещества, воды и газов. В измельчении массивно-кристаллических горных пород принимают участие не только физическое выветривание, но и живые организмы.

Порода. При физическом выветривании образуется порода. Дальнейшее ее измельчение происходит в результате жизнедеятельности растительности и микроорганизмов. Растительность, особенно лишайники, прикрепляясь к породе, отрывают от нее кусочки. Затем эти кусочки обволакиваются и втягиваются в тело лишайника с проникновением в образовавшуюся ямку и продолжением разрушительной работы. Растения при дыхании образуют угольную кислоту, а при отмирании - органические кислоты. Кислоты способствуют измельчению пород - выщелачиванию.

Преобладающие элементы. Химический состав литосферы: О, Si, Ai, Fe, Ca, Mg, Na, К. Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92 % ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. В количественном отношении земная кора - царство кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Плотность воздуха у земной поверхности - всего 0,00129 г/см³, воды - 1, плотность осадочных и кристаллических пород 2,5-2,8, а пород, богатых железом - 2,9-3,0 г/см³. Это объясняется наличием тяжелого металлического ядра радиусом около 3000 км и средней плотностью от 9 до 11 г/см³.

Состав Земли. Ядро представлено двумя элементами - железом и никелем. В мантии число минеральных видов уже превышает 10. Число разновидностей минералов достигает 4000. Половина земной коры состоит из одного элемента - кислорода. Содержание кислорода по массе в литосфере составляет 47 %. в гидросфере - 86 %, однако он находится в химически связанном состоянии. Земная кора - кислородсодержащее вещество. На втором месте стоит кремний, на третьем - алюминий. В сумме они составляют около 85 %. Если к этому значению добавить содержание Fe, Ca, Na, К, Mg и Ti, то получим -99,5 %, т. е. практически почти всю массу земной коры. Остальные 80 элементов занимают менее 1 %. Количество химических элементов - кларк зависит от строения атомных ядер, а распределение или миграция - от наружных электронов. Ведущая роль принадлежит ядерным связям. По направлению к земной поверхности увеличивается число минеральных видов.