Месторождение железных руд «Кимканское» расположено на юге Хабаровского края Российской Федерации. В ходе комплексных работ произведена оценка сложности инженерно-геологических условий эксплуатации месторождения, в ходе доизучения инженерно-геологических и горно-технических условий разработкия.
Цель исследования
Составление инженерно-геологической карты территории Кимканского месторождения, районирование территории месторождения по сложности инженерно-геологических условий, выделение и описание инженерно-геологических групп горных пород на основе отбора и изучения полного комплекса физико-механических свойств образцов скальных горных пород; выявление и картирование экзогенных геологических процессов.
Материалы и методы исследования
Материалы получены на основе инженерно-геологических рекогносцировочных маршрутов, инженерно-геологической съемки, изучения трещиноватости горных пород в обнажениях, инженерно-геологической документации керна скважин и горно-разведочных выработок; оценки зон и поверхностей ослабления на обнажениях и по керну скважин а также с использованием геофизических данных и георадарных исследований.
Результаты исследования и их обсуждение
Структура месторождения отличается исключительной сложностью, что обусловлено интенсивно проявленной складчатостью в породах, сопровождавшейся разрывными нарушениями типа надвигов. До глубины 150 м железные руды могут отрабатываться открытым способом.
В геологическом разрезе стратифицируемых отложений выделяются протерозойско-нижнекембрийские игинчинская, лондоковская и рудоносная свиты, а также меловые вулканогенные и вулканогенно-осадочные образования и слаболитифицированные кайнозойские отложения чехла впадин.
По инженерно-геологическим признакам территория Кимканского ГОКа разделена на два района по геоморфологическим границам, с разделением на подрайоны [1].
I район представляет собой повышенную часть территории с расчлененным, но сглаженным рельефом. По геоморфологическому строению представляет собой поверхность водораздельного пространства между реками Кимкан и Сутара, а также склон долины реки Сутара. Поверхность характеризуется среднегорным рельефом, среди которого выделяется несколько высот, представляющих собой сопки с максимальными высотными отметками около 500 м. Ввиду того, что на этой территории местами имеются значительные уклоны поверхности, при освоении строительством на некоторых участках потребуется планировка откосов и регулирование поверхностного стока.
По геологическому строению района этот представляет собой гряды размытых складок, осложненных вторичными тектоническими процессами. Наименее устойчивыми местами для строительства будут те, где проходят зоны разломов и надвигов, по линии которых по плоскостям скольжения залегают породы, перетертые и превращенные в тектонические брекчии.
При дальнейшем инженерно-геологическом районировании территории, подлежащей промышленному освоению, в I районе выделены несколько подрайонов.
Iа – подрайон характеризуется распространением скальных грунтов, представленных кристаллическими глубинными породами – гранитами, гранодиоритами и др. Покров делювиальных отложений здесь невелик, колеблется в пределах от 0 до 2,0 м. При заложении фундаментов на глубине 2.0 м и ниже – основаниями для них будут скальные грунты. Прочность на сжатие до 130 МПа.
Iб – подрайон характеризуется мощностью делювиальных отложений от 0 до 2.0 м. Под делювиальными отложениями залегают известняки и доломиты. Этот подрайон занимает северо-западную и центральную часть всей исследуемой территории. Прочность на сжатие карбонатных пород 42–84 МПа.
Iв – подрайон аналогичный подрайону Iб, с залеганием под делювиальными отложениями карбонатных пород, отличающийся тем, что в них были зафиксированы признаки карстовых процессов: карры, воронки, ребристая поверхность и т.д.
Iг – подрайон характеризуется распространением под делювиальным покровом мощностью от 0 до 2,0 м разного рода сланцев: углистых, углисто-глинистых, серицитовых и т.д. При строительстве в этом подрайоне следует считаться с частой изменчивостью состава пород, в зависимости от разного литологического состава отдельных прослоек в толще сланцев, которые варьируют от глинистых связных углистых до обломочных сцементированных пород. В зависимости от этого возможны неравномерные осадки сооружений. Прочность на сжатие до 16–54 МПа. У некоторых разностей (гранат-амфиболовых с прослоями доломита, тремолит-флогопит-кварцевых) она выше – 89,5–96,5 МПа.
II район. Ко второму району отнесены наиболее пониженные части рельефа, представляющие собой поверхность аллювиальных террас рек и ручьев. Район характеризуется спокойным, почти ровным рельефом, аллювиальные отложения представлены преимущественно песчаными и песчано-галечниковыми породами, местами заторфованными и водоносными. Уровень грунтовых вод колеблется в зависимости от уровня воды в реке, с которыми имеет непосредственную гидравлическую связь. Район ежегодно в той или иной степени заливается паводками реки.
В результате анализа геологического строения территории и пространственной изменчивости физико-механических свойств горных пород в сфере взаимодействия сооружений Кимканского ГОКа с геологической средой составлена геологическая модель, включающая семь инженерно-геологических элементов [2–4]:
Современные делювиальные отложения залегающие в верхней части разреза, представленные суглинками и супесями, имеющими мощность 3–5 м. Обычно они имеют бурый или желтовато-бурый цвет. По данным гранулометрических анализов среднее содержание глинистых фракций и пылеватых фракций 59,6–92,3 %. Плотность их меняется в интервале 1,95–2,32 г/см3, среднее 1,88 г/см3; плотность минеральной части 2,55–2,85 г/см3, среднее 2,7 г/см3; влажность – 11,27–29,77 %, среднее 18,3 %; пористость 19,6–35,8 % среднее 30,3 %, коэффициент пористости 0,24–0,91 %, среднее 0,45 %. В нижних частях этой толщи наблюдаются щебенистый обломочный материал подстилающих скальных пород.
Кварцевые порфиры светло-серые, а также граниты светло-серые, с мелкозернистой структурой, плотной текстурой и андезито-базальты, имеющие подчиненное значение в разрезе исследуемого района. Приурочены к долинам ручьев Рудничный и Талый, а также наблюдаются в нижних частях разреза, вскрытого выемкой федеральной автомобильной дороги к юго-востоку от Центрального карьера. По результатам лабораторных испытаний определены следующие показатели: плотность 2,5 г/см2; прочность на сжатие до 130 МПа.
Доломиты серого и светло-серого цвета мурандавской свиты. Структура тонкозернистая, текстура толстоплитчатая. Часто они подвержены вторичному окремнению. Встречаются также карбонитизированные разности, мраморизованные, брекчированные, сланцеватые, углистые, с гранитными и мраморизованными прослоями. Окремненные разности очень прочны, с трудом разбиваются молотком. У них повышенная плотность – 2,8–2,97 г/см3, средняя – 2,88 г/см3, пористость 0,29–1,17 %, средняя 0,954 %. Реагируют с нагретой соляной кислотой, издавая резкий запах сероводорода. У доломитов: предел прочности на сжатие, Rсж = 30–65 МПа; предел прочности при растяжении, Rp = 3,7–4,3 МПа; коэффициент крепости 5–7; модуль деформации – 41–76 МПа; коэффициент Пуассона 0,26–0,31.
Известняки имеют широкое распространение в районе центрального и западного карьеров Кимканского месторождения. Их цвет колеблется от светло-серого до темно-серого. Известняки в выемке федеральной автомобильной дороги имеют белый цвет, сахаристый облик, искрящийся блеск, структура крупнозернистая, текстура плотная. В известковом карьере известняки темно-серого цвета, плотные, тонкозернистые. Известняки при ударе молотком издают запах сероводорода. Водопоглощение известняков в пределах 0,15–0,6 %; плотность 2,67–2,7 г/см3; пористость 0,94–2,47 %. У известняков и мраморов предел прочности на сжатие, Rсж = 50–117 МПа; предел прочности при растяжении, Rp = 3,9–7,8 МПа; статический модуль деформации – 32–66 МПА. Коэффициент Пуассона 0,24–0,27.
Железистые кварциты слагают рудное тело. Характеризуются следующими свойствами: водопоглощение 0,23–1,35 %; плотность 2,83–3,61 г/см3 пористость 0,67–2,22 %. Рудные тела приурочены к определенному стратиграфическому горизонту, залегают согласно с вмещающими породами, и вместе с последними собраны в складки. Прочность на растяжение 3,3–3,4 МПа, прочность на сжатие 37,5–77,8 МПа, прочность по Протодъяконову 5–11, модуль деформации 30,1 МПа, коэффициент Пуассона 0,24–0,30.
Тектонические брекчии (ИГЭ–6) представлены сильно раздробленными горными породами. Прочность по Протодъяконову 8–20, коэффициент Пуассона 0,29–0,32.
Кремнисто-серицитовые и амфиболо-гранатовые сланцы имеют текстуру от тонко- до толстоплитчатой. Цвет зеленовато-серый, зеленый. В этих породах развит кливаж, в некоторых местах искажающий первоначальную слоистость. Пространственно они слагают юго-восточную часть горного отвода и являются основанием сооружений промышленной площадки. Водопоглощение образцов составляет 0,64–1,51 %; плотность 2,56–2,71 г/см3, пористость 2,44–5,53 %. Показатели предела прочности на сжатие: Rс = 17–47 ПМа; предел прочности при растяжении, Rp = 3,6–8,4 МПа; коэффициент крепости 3–6, статический модуль деформации – 15,5–39,4 МПа. Сланцы с прослоями доломита, кремнистые сланцы имеют более высокие показатели: прочности на сжатие 95–98,6 МПа, прочности при растяжении 9,1–14,8 МПа, модуль деформации – 15,5–19,1 МПа, коэффициент крепости 13–14. Коэффициент Пуассона 0,28–0,37.
После соответствующей статистической обработки сланцы были объединены в единый ИГЭ.
Значительная трещиноватость пород отмечается в зонах тектонического дробления, на швах сбросовых нарушений. Твердые породы, кварциты, а особенно известняки, доломиты являются сильно раздробленными, с наличием в них макротрещин. Кремнисто-серицитовые и амфиболо-гранатовые сланцы на этих участках раздроблены на мелкую, нередко перетертую в мучнистое состояние массу.
На всех участках изучения трещиноватости обычно выделяются три системы трещин. Чаще это две системы субвертикальных, северо-восточного и северо-западного простирания. В них трещины часто имеют обратное относительно друг друга падение (например С-В – Ю-В). Третья система либо пологопадающая, либо субгоризонтальная.
В результате форма блочности практически во всех типах пород, за исключением интрузивных, имеет форму наклонной призмы [3].
На участке месторождения развиты экзогенные геологические процессы, связанные с выветриванием горных пород, деятельностью подземных и поверхностных вод, а также с пониженными температурами [5]:
– наиболее распространенным процессом является карст. Закарстованные известняки на месторождении имеют значительное распространение, занимая полосу в центральной части района, где они выполняют ядро синклинальной складки. В пониженных частях рельефа наблюдаются карстовые воронки, блюдца, чаще неправильной, преимущественно продолговатой формы углубления, ориентированные параллельно отрицательным формам рельефа;
– атмосферные осадки, выпадающие в большом количестве, не успевают инфильтроваться в глинистые породы слабой проницаемости и частично задерживаются на поверхности склонов, характеризующихся наличием замкнутых депрессий и западин, приводя, таким образом, к образованию болот;
– интенсивность денудации в известняках в искусственных обнажениях составляет 0,65 см/год.
При открытой разработке Кимканского месторождения проявляются экзогенные геологические процессы:
– наиболее опасным является расслоение горных пород в массиве. Основными факторами, ускоряющими этот процесс являются образование глубоких выемок, сейсмическое воздействие взрывов, физическое выветривание и трещинное давление воды;
– каскадное расположение гидротехнических сооружений повышает опасность возникновения гидродинамических аварий, сопровождающихся размывом русел и берегов реки Сутара и руч. Талый. Образование селевых потоков значительного объема невозможно даже в случае прорыва напорного фронта гидротехнических сооружений.
Заключение
В результате инженерно-геологического изучения Кимканского месторождения установлено что горно-технические и гидрогеологические условия месторождения в целом благоприятны. До глубины 150 м железные руды могут отрабатываться открытым способом. Структура месторождения отличается исключительной сложностью, что обусловлено интенсивно проявленной складчатостью в породах верхнепротерозойского и нижнекембрийского возрастов, сопровождавшейся разрывными нарушениями типа надвигов; мощность делювиальных отложений невелика, обычно не превышает 3 м, реже больше; они представлены преимущественно супесями и суглинками с включениями щебневого материала; аллювиальные отложения представлены глинистыми песками и галечниками; мощность аллювия от нескольких сантиметров до 15 м.
Значительная трещиноватость пород отмечается в зонах тектонического дробления, на швах сбросовых нарушений. Твердые породы, кварциты, а особенно известняки, доломиты являются сильно раздробленными, с наличием в них макротрещин. Кремнисто-серицитовые и амфиболо-гранатовые сланцы на этих участках раздроблены на мелкую, нередко перетертую в мучнистое состояние массу. На всех участках изучения трещиноватости обычно выделяются три системы трещин.
На участке месторождения развиты экзогенные геологические процессы, связанные с выветриванием горных пород, деятельностью подземных и поверхностных вод, а также с пониженными температурами:
– наиболее распространенным процессом является карст. Закарстованные известняки на месторождении имеют широкое распространение, занимая полосу в центральной части района, где они выполняют ядро синклинальной складки. В пониженных частях рельефа наблюдаются карстовые воронки, блюдца, чаще неправильной, преимущественно продолговатой формы углубления, ориентированные параллельно отрицательным формам рельефа.
При открытой разработке месторождения наиболее опасным является расслоение горных пород в массиве. Основными факторами, ускоряющими этот процесс, являются образование глубоких выемок, сейсмическое воздействие взрывов, физическое выветривание и трещинное давление воды. Также несут угрозу залповые прорывы воды из карстовых полостей.