Научно-методические основы изучения, оценки и прогноза инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых в скальных массивах

Актуальность работы. Острая необходимость развития и освоения на современном уровне минерально-сырьевой базы РФ требует введения в строй новых месторождений, эффективность и безопасность разработки которых определяется в первую очередь, степенью изученности и оценки инженерно-геологических условий (ИГУ). При этом требуется сократить время и затраты на разведку за счет использования накопленной базы данных и информации по ранее изученным месторождениям-аналогам. Особенностью МПИ Урала и Сибири являются различное геолого-тектоническое строение, состав, генезис, возраст пород, различная степень выветрелости, закарстованности, обводненности, наличие сезонной, а на севере — многолетней мерзлоты. Проектирование шахт и карьеров при разной степени сложности ИГУ является задачей более ответственной, чем любых других сооружений, поэтому изучение ИГУ месторождений полезных ископаемых (МПИ) имеет свои особенности. Главными из них являются: 1) значительные объемы горного массива, в котором закладываются выработки- 2) горные породы, с одной стороны, вмещают рудные тела месторождения, с другой — являются неотъемлемой частью горнодобывающего сооружения- 3) карьеры и шахты существенно изменяют ИГУ, и зона этого влияния распространяется на площади, превышающие размеры месторождений- 4) изменение ИГУ приводит к развитию горно-геологических процессов. Названные особенности переводят задачи изучения, оценки и прогноза ИГУ МПИ на ответственный научно-технологический уровень системного применения методов и аналитических подходов из арсенала ряда наук о твердой земле и, в первую очередь, механики горных пород и механики подземного строительства.

Различные аспекты данной проблемы освещены в работах А. Ф. Алексеева, Э. И. Афанасиади, Г. К. Бондарика, К.-А.К. Вайтекунаса, Г. А. Голодковской,.

B.Т. Глушко, О. Н. Грязнова, О. М. Гуман, С. Г. Дубейковского, И. П. Иванова, Г. Н. Кашковского, В. И. Кузькина, В. Д. Ломтадзе, И. В. Попова, П. Н. Панюкова, М. Е. Певзнера, В. В. Пендина, Е. М. Сергеева, Г. Г. Скворцова, Б. В. Смирнова,.

C.Н. Тагильцева, В. Т. Трофимова, Г. Л. Фисенко, В. В. Фромма, Н. С. Шабалиной, Л. В. Шаумян, Л. А. Ярг и многих других ученых. При этом большая часть работ датирована прошлым веком. В современных условиях использование новых методов и технологий ведения геолого-разведочных и горных работ обусловливает и новые требования к изучению, оценке и прогнозу ИГУ МПИ.

Объектом исследований являются природно-технические системы (ПТС) МПИ, инженерно-геологические модели МПИ в скальных массивах.

Предмет исследований — компоненты ПТС МПИ. Прогноз изменения ИГУ МПИ на разных стадиях геологоразведочных работ, строительства и эксплуатации горнодобывающего сооружения.

Идея работы. Разработка стратегии оценки и прогноза изменения ИГУ МПИ, согласованных со стадиями геологоразведочных работ и этапами проектирования горнодобывающих сооружений.

Цель работы. Разработка научно-методических основ изучения, оценки и прогноза ИГУ МПИ в скальных массивах на разных этапах разведочных работ и освоения месторождений.

Основные задачи исследований:

1) разработка структуры ПТС МПИ в скальных массивах и на ее основе обоснование типизации МПИ по сложности ИГУ их разработки;

2) анализ условий функционирования области взаимодействия ПТС при разработке МПИ;

3) обоснование компонентов и параметров состояния и функционирования ПТС;

4) разработка состава и схем изучения ИГУ МПИ с учетом стадийности проведения разведочных работ;

5) обобщение и анализ ИГУ МПИ ряда месторождений Урала и Сибири, их типизация по сложности ИГУ их разработки, установление закономерностей изменения ИГУ в пространстве;

6) обоснование методов прогноза изменения ИГУ МПИ с целью обеспечения устойчивости горнодобывающих сооружений на стадиях разведки, строительства и эксплуатации ПТС МПИ;

7) разработка корректных методик оценки и прогноза ИГУ МПИ.

Фактический материал и методы исследований. В основу диссертационной работы положены результаты производственной и научной деятельности кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральского государственного горного университета, ООО Научно-производственного центра «Гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии» в период с 1983 по 2011 гг., дополненные в период прохождения докторантуры в 2004;2007 гг.

За этот период на кафедре с участием автора защищена одна кандидатская диссертация и готовятся к защите две кандидатские работы. Написано более 50 научно-производственных отчетов. Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг. (Госконтракт № 02.740.11.0679 от 29.03.2010 г.), совместно с профессором, доктором геолого-минералогических наук О. Н. Грязновым.

Основной фактический материал получен при проведении инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических исследований на месторождениях: золоторудных (Светлинское, Воронцовское, Верхне-Алиинское, Петропавловское, Новогоднее-Монто) — хромитовых (Центральное, Западное, Енгайское) — уранового (Элькон) — фосфоритового (Софроновское) — строительного камня (Новогоднее-2), запасы которых утверждены в ГКЗ и ТКЗ, а ряд месторождений введены в эксплуатацию.

В настоящее время работы продолжаются на ряде золоторудных, хромитовых месторождений и объектах строительного камня.

Кроме того, были использованы фактические материалы научно-производственных и производственных организаций, а также публикации по профилю проблемы. В работе использованы данные инженерно-геологической документации более 50 ООО п.м. керна скважин, порядка 25 000 км инженерно-геологической съемки, более 500 результатов лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород, порядка 100 данных режимных термометрических наблюдений.

В комплексе проведенных работ использовался широкий спектр инженерно-геологических методов, а также методов из смежных наук, включающий изучение геолого-структурных условий, компонент напряженно-деформированного состояния (НДС), физико-механических свойств, геотермических и геодинамических условий. Кроме общих геологических методов были использованы аппараты математической статистики, численного моделирования и средства информационных систем. Лабораторные исследования выполнялись в аккредитованных лабораториях по юстированным методикам.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) впервые представлена ПТС МПИ, учитывающая проектные схемы разработки месторождений, и определено формирование структурированной информационной основы, необходимой и достаточной для оценки параметров устойчивости горного массива;

2) впервые обоснован оптимальный набор компонентов и параметров оценки ИГУ МПИ скальных массивов, и на этой основе разработана типизация ИГУ МПИ по сложности условий их разработки;

3) предложены состав и оптимизированные схемы поэтапного изучения ИГУ МПИ, согласованных со стадиями геологоразведочных работ, строительства и эксплуатации горнодобывающего сооружения;

4) выполнены обобщение, оценка и прогноз ИГУ МПИ различных категорий сложности, расположенных в регионах Урала, Западной и Восточной Сибири;

5) разработаны алгоритмы расчета интегральных инженерно-геологических параметров горного массива, обеспечивающих формализованный подход к прогнозу ИГУ с учетом типа проектируемого горнодобывающего сооружения;

6) обоснована возможность использования метода аналогий для прогноза условий разработки МПИ на ранних стадиях изучения;

7) сформулированы основные принципы, и обоснован комплекс методов прогноза устойчивости горнодобывающих сооружений в зависимости от стадии изучения с учетом достоверности, информативности и задач реализации системного подхода к выбору схем прогнозирования.

Личный вклад. Диссертант лично участвовала в проведении полевых исследований, сборе, анализе, интерпретации, обобщении представленных в диссертации инженерно-геологических материалов, что явилось основой разработки научно-методических основ изучения, оценки и прогноза ИГУ МПИ в скальных массивах.

Практическая значимость и реализация работы. Практическая значимость работы заключается в непосредственной направленности на оптимизацию схем изучения, эффективность оценки и достоверность прогноза ИГУ МПИ. Обоснованные автором теоретические и методологические результаты работ явились основой изучения, оценки и прогноза ИГУ месторождений Светлинское, Воронцовское, Верхне-Алиинское, Петропавловское, Новогоднее-Монто, Центральное, Центральное-2, Полойшорское, Войшорское, Западное, Енгайское, Элькон, Софроновское,.

Новогоднее-2, Пунгью, Кабан-1, Ново-Михайловское. Полученные данные использованы при разработке проектов и строительстве горнодобывающих сооружений на Светлинском, Воронцовском, Центральном месторождениях.

Результаты исследований используются на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам: «Инженерная геология МПИ», «Инженерная геодинамика», разработке курсовых и дипломных проектов и работ, магистерских диссертаций.

Степень достоверности научных положений, методических рекомендаций и выводов основана на значительном фактическом материале по результатам изучения инженерно-геологических, геокриологических и гидрогеологических условий месторождений в различных регионах Урала и Сибири. Достоверность методических и теоретических разработок автора подтверждена проверкой и высокой сходимостью авторских инженерно-геологических прогнозов, выполненных на стадии разведки, с результатами, полученными при разработке месторождений.

Апробация работы. Основные материалы, защищаемые научные положения диссертационной работы изложены в докладах на Всеуральском научно-координационном совещании «Подземные воды Урала и методы их изучения и использования» (Свердловск, СГИ, НПО «Горное», 1988 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Ускорение социально-экономического развития Урала» (Свердловск, 1990 г.), Международном симпозиуме «Инженерная геология карста и охрана окружающей среды» (Афины, 1997 г.), Научно-техническом семинаре «Вопросы инженерно-геологических, инженерно-экологических изысканий в Уральском регионе» (Екатеринбург, ЗАО «УралТИСИЗ», 1999, 2000 гг.), Научной конференции Института Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар, 1999, 2000 гг.), Международном симпозиуме «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2001 г.), Международной научно-практической конференции «Техногенная трансформация геологической среды» (Екатеринбург, УГГГА, 2002 г.), Годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2002, 2004, 2006, 2007, 2010 гг.), Полярно-Уральской научно-практической конференции «Полярный Урал — стратегия освоения» (Тюмень-Салехард, 2004 г.), Международной научной конференции «Проблемы инженерной геодинамики и экологической геодинамики» (Москва, МГУ, 2006 г.), Всероссийской конференции «РИСК-2006» «Оценка и управление природными рисками» (Москва, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2006, 2009 гг.), IX межрегиональной научно-практической конференции «Региональные и муниципальные проблемы природопользования» (Киров, 2006 г.), Второй Общероссийской конференции изыскательских организаций «Инженерные изыскания в строительстве» (Москва, ПНИИИС, 2006 г.), Международной научной конференции «Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем» (Москва, МГУ, 2007, 2008 гг.), форуме «Нефть. Газ. Геология 2007» «Проблемы и перспективы развития минерально-сырьевой базы и предприятий ТЭК Сибири» (Томск, 2007 г.), Уральском международном экологическом конгрессе «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Екатеринбург, 2007, 2011 гг.), Окружной научно-практической конференции «Пути реализации нефтегазового и рудного потенциала Ханты-Мансийского автономного округа — Югры» (Ханты-Мансийск, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.), Международной научной конференции «Многообразие современных геологических процессов и их инженерно-геологическая оценка» (Москва, МГУ 2009 г.), Международной научно-практической конференции «ГЕОРИСК-2009» «Проблемы снижения природных опасностей и рисков» (Москва, РУДН, 2009 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Урала и сопредельных территорий» (Екатеринбург, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 73 работы, в том числе семь работ — в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией, монография, учебное пособие. Основные из них представлены в списке опубликованных работ.

Основные защищаемые научные положения:

1. Природно-техническая система МПИ — структурированная область взаимодействия массива месторождения и горного сооружения, которая функционирует в природных условиях территории, характеризуется свойственным ей набором компонентов и их параметров. Характер взаимодействия зависит от способа разработки месторождения, типа сооружения и конструктивных особенностей горных выработок.

2. Изучение и оценка ИГУ МПИ в скальных массивах основываются на анализе базы данных, последовательно формируемой по материалам полевых и лабораторно-камеральных исследований МПИ на разных стадиях геологоразведочных работ и освоения месторождений с учетом способов и схем их разработки.

3. Дифференциация месторождений Урала и Восточной Сибири по сложности инженерно-геологических условий их разработки, базируется на научно обоснованном подходе к выбору набора компонентов, определяющих их ИГУ.

4. Прогноз изменения ИГУ и оценка интегральных параметров устойчивости горного массива на стадиях разведки, строительства и эксплуатации горнодобывающих сооружений с достаточной надежностью могут быть выполнены методами аналогий, аналитическим, численного моделирования и прогнозного инженерно-геологического районирования.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 302 наименования.

5. Выводы.