Автор: Зевахин А.И.
Источник:ООО Научная электронная библиотека
, г. Санкт-Петербург, ОГРН 1127847428774
Актуальность работы. В современных условиях рыночной экономики первым и определяющим фактором целесообразности отработки месторождений карбонатного сырья является экономическая эффективность. Закарстованность часто является основной позицией, которая определяет рентабельность разработки данного вида нерудных полезных ископаемых. Карст в составе продуктивной толщи существенно снижает количество запасов сырья, негативно влияет на его технологические свойства, вызывает значительные потери и разубоживание при добыче, осложняет горнотехнические условия эксплуатации. На некоторых месторождениях карбонатных пород Урала, Сибири и Казахстана в связи с закарстованностью полезной толщи ежегодно теряется 20-30% сырья. Это ведет к повышению его себестоимости и снижает обеспеченность действующих предприятий разведанными запасами.
Геологоразведочные работы, проведенные на месторождениях, даже в период их полноценного финансирования в 60-е-80-е годы, как правило, не давали полной и исчерпывающей информации о карсте, что в дальнейшем стало причиной неподтверэкдения запасов и нерационального планирования горных работ. Это связано с отсутствием системы карстологических исследований, базирующихся на научных знаниях о карсте, опыте его изучения при отработке месторождений, сопоставлении данных разведки и эксплуатации, систематизации опыта применения имеющихся методических разработок.
Огромное фундаментальное, основополагающее значение имеют работы Д.С. Соколова, Г.А. Максимовича, Н.А. Гвоздецкого. В них детально исследуются геологические и физико-химические условия формирования карста, его морфология, приводится описание большого количества природных объектов с интенсивным карстообразованием. Однако, эти объекты исследовались, в основном, с поверхности, поэтому можно отнести их к географическим и геоморфологическим.
Большое научное и практическое значение имеют географические исследования карста, проведенные О.Н. Варфоломеевой, Т.П. Вологодским, К.А. Горбуновой, Л.П. Задорожной, А.В. Ступининым, Д.В.Рыжиковым.
Карсговедение как наука значительно продвинулась вперед, но решает она, в основном, инженерно-геологические задачи и изучает, как правило, приповерхностную зону карбонатных и сульфатных пород. Существуют и успешно применяются методические рекомендации по изучению карста при строительстве и наблюдению за устойчивостью существующих инженерных сооружений. Результаты инженерно-геологического изучения карстующихся пород нашли отражение в работах В.Д. Ломтадзе, B.C. Лукина, Б.Н. Иванова, А.Г. Чикишева, А.Г. Лыкомина.
Имеются значительные наработки по геофизическим методам карстологических исследований, сделанные A.A. Огильви, A.A. Абрамовым, П.В. Вишневским, Л.В. Пинягиной. Гидрогеология карста также хорошо изучена на примерах разведки месторождений подземных вод, связанных с карбонатными и сульфатными породами, организации водоотлива при разработке месторождений полезных ископаемых. На Урале такие исследования выполнены Н.Д. Будановым, В.Ф. Прейсом, Н.С. Шабалиной, И.И. Плотниковым, В.П. Новиковым, Палкиным C.B.
Все вышеперечисленные достижения карстоведения в настоящее время успешно применяются при разведке месторождений нерудного сырья, однако четко отработанной системы типизации карста, основанной на опыте эксплуатации закарстованных месторождений, изучения и обобщения влияния карста на горнотехнические условия разработки месторождений, качество сырья и выработанной на этой основе методики карстологических исследований закарстованных месторождений до настоящего времени не существует. Этот пробел в значительной мере восполнен в работах М.С. Газизова, изучившего влияние карста на горные работы в условиях Прибалтийского сланцевого бассейна, и Ф.С. Хабибуллиной, предложившей методические рекомендации по изучению карста при поисках и разведке месторождений карбонатных пород, которые являются результатом многолетних научно-иследовательских работ в Казанском ВНИИгеолнеруде. Методика, предложенная Ф.С. Хабибуллиной, может быть принята за основу, однако требует значительной доработки и конкретизации на основании типизации карста, оценки его влияния на горные работы и технологические свойства сырья. Необходима детальная проработка вопросов документации, опробования, применения геофизических методов, оценки количества и качества запасов, геологического обслуживания горных работ, проектирования горно-эксплуатационных объектов с учетом фактора закарстованности.
Цель исследований. Изучение морфологии и генезиса карста, литологии карстующихся карбонатных пород, влияния трещиноватости на пространственное расположение карстовых форм. Детальная оценка влияния фактора закарстованности на качественные и технологические показатели карбонатного сырья. Разработка мероприятий по охране недр и рациональному использованию полезных ископаемых. Совершенствование технологии ведения горных работ и методики изучения карста.
Методика исследований и фактический материал. Основой работы является крупномасштабное геологическое картирование Галкинского и Коноваловского карьеров, которое проводилось автором с 1983 по 1996 год. В результате проведенного картирования были составлены погоризонтные планы закарстованности полезного ископаемого и разрезы. Первичным материалом является детальное описание и опробование шлама буровзрывных скважин и добычных забоев. Также использованы материалы геологосъемочных и геологоразведочных работ, проведенных в изучаемом районе.
Авторский фактический материал, использованный в работе, включает в себя документацию 18 ООО буровзрывных скважин, 15 км добычных забоев, 400 замеров элементов залегания трещиноватости, 2500 точек наблюдения геофизических полей, 9500 химических анализов карбонатных пород и карстового заполнителя, 250 определений физических свойств пород.
Основная идея работы заключается в том, что карстологические исследования должны базироваться на типизации карстовых систем, модифицированной и уточненной для конкретных геолого-структурных особенностей изучаемого района. В конечном итоге проведенная оценка карстовых явлений должна позволить достоверно подсчитать запасы полезного ископаемого, дать характеристику технологическим и качественным показателям карбонатного сырья, позволить проводить горные работы наиболее эффективно, с меньшими затратами, с минимальными потерями полезного ископаемого и соблюдением требований безопасности.
Научная новизна работы определяется следующими основными результатами:
- Для изучаемого района установлена взаимосвязь между литологией карстующихся карбонатных пород, возрастом, генезисом и морфологией карстовых форм, минералогией и химическим составом карстового заполнителя.
- С учетом установленной взаимосвязи факторов карстообразования составлена типизация карста, которая может быть принята за основу при систематизации карстовых форм в аналогичных районах.
- Описаны своеобразные карстовые формы, такие как коррозионный карст, карстово-глыбовые образования, остаточные формы выщелачивания в мергелистых карбонатных породах.
- Установлена зависимость между пространственным размещением трещин и карстовых форм в карбонатных породах.
Основные защищаемые положения:
Практическое значение работы:
- Материалы исследований использованы при ведении геологической документации на стадиях доразведки и эксплуатации Билимбаевского месторождения известняков и Сухореченского месторождения доломитов, при составлении рабочих проектов отработки и ежегодных планов горных работ по этим объектам.
- Для месторождений Билимбаевского района при участии автора разработаны специальные технологии ведения горных работ в условиях закарстованных карбонатных пород, мероприятия по охране недр и обеспечению качества сырья, которые могут быть рекомендованы к применению на месторождениях - аналогах.
- Составленные автором для изучаемого района типизация карста и методические предложения по проведению карстологических исследований на стадиях разведки и эксплуатации месторождений могут быть использованы в аналогичных районах при выполнении геологоразведочных работ.
В рамках данной работы нет возможности охватить весь широкий спектр методических вопросов, касающихся карстологических исследований, поэтому подробно рассмотрены те из них, которые имеют наибольшую актуальность при проведении разведочных и эксплуатационных работ на карбонатных месторождениях Билимбаевского района. Как уже отмечалось ранее, карстологические исследования должны проводиться постоянно, начиная с поисковой геологоразведочной стадии до стадии эксплуатации месторождения. Очень большое научно-практическое, методическое значение могло бы иметь проведение анализа и обобщения карстологических данных, полученных на стадии эксплуатации карбонатных месторождений, так как именно эта информация является наиболее полной и достоверной. Несмотря на то, что такие данные практически отсутствуют ориентировочно на 40-60 % отрабатываемых месторождениях карбонатного сырья, те, которые имеются, представляют огромную ценность.
В результате сопоставления данных разведки и эксплуатации по фактору закарстованности, проведенному на Билимбаевском месторождении известняков и Сухореченском месторождении доломитов, установлено неподтверждение 15-25 % запасов карбонатного сырья именно по причине более высокой закарстованности по сравнению с разведочными данными. Такие грубые ошибки в оценке количества запасов в конечном итоге привели к значительному увеличению коэффициента вскрыши и снижению рентабельности работы предприятия. Так, на Коноваловском доломитовом карьере коэффициент вскрыши с начала эксплуатации составил 0,81 м3/т при проектном значении 0,29 м3/т. Основная причина - высокая закарстованнось доломитов в зонах разрывных тектонических нарушений, причем самый большой рост затрат связан с отработкой меридиональной контактово-тектонической зоны и поверхностного коррозионного карста.
Ситуация с неподтверждением запасов по фактору закарстованности в целом характерна и для других карбонатных месторождений России [42]. Фактическая интенсивность закарстованности полезной толщи и морфология карста очень часто оказываются неожиданными для исследователей вследствие неудовлетворительной изученности месторождений при разведке.
Методические предложения и рекомендации, позволяющие повысить надежность оценки закарстованности карбонатных месторождений, тезисно можно сформулировать следующим образом:
- При выборе методики карстологических исследований следует использовать методический опыт, информацию по морфологии, генезису, возрасту карстообразования, роли структурно-тектонического фактора по месторождениям-аналогам. Для Билимбаевского и аналогичных геосинклинальных районов предлагается использовать разработанную автором типизацию карста и установленные закономерности взаимосвязи его с трещиноватостью пород.
- Первоочередное внимание на всех стадиях изучения карста необходимо уделять геофизическим методам, которые в случае правильного применения и интерпретации позволяют получить площадную информацию о карстообразовании при минимальных затратах. На стадиях поисков и разведки геофизические карстологические исследования должны проводиться в комплексе с решением общегеологических задач.
- В качестве основных геофизических методов рекомендуются к применению гравиразведка и электроразведка. В условиях Билимбаевского района - это комплекс гравиразведки (в том числе высокоточной), ВЭЗ, МСГ, ЗМПП.
- Для повышения эффективности геофизических исследований необходимо при эксплуатации месторождений уточнять петрофизические свойства пород и проводить переинтерпретацию первичных геофизических полей.
- Особое внимание следует обращать на методику получения первичной информации при описании, документации и опробовании керна, шлама скважин.
Документация должна производиться тщательно с постоянным анализом и контролем технологии бурения. Рекомендуется пользоваться специальными классификациями, в которых карбонатные породы подразделяются по степени выветрелости, вторичных изменений. В частности такая классификация разработана автором для массивных, грубослоистых известняков Билимбаевского месторождения.
При проведении опробования необходимо обращать внимание на отдельное опробование глинистого карстового материала, исключение его из проб полезного ископаемого.
• При проведении детальной разведки следует за счет сокращения объемов бурения по стандартной сети проводить заверку разведочными выработками наиболее интенсивно закарстованных участков, выявленных по данным геофизики.
• Рекомендуется при разведке рифогенных и массивных разновидностей карбонатных пород отказаться от бурения наклонных скважин и использовать разведочную сеть квадратной конфигурации.
• При проведении детальной разведки выше уровня подземных вод вполне возможна замена колонкового бурения бескерновым, которое является более информативным и дешевым.
• Подсчет запасов должен производиться по выемочным единицам в проектном контуре карьера с учетом всей имеющейся информации по закарстованности, при этом должно быть выполнено площадное оконтуривание закарстованных участков. Расчет коэффициента закарстованности должен также производиться по выемочным единицам, при этом должны учитываться не только данные по описанию керна скважин, но и результаты геофизических исследований, фактические данные по эксплуатации месторождений-аналогов.
• Данные по фактической закарстованности месторождений, полученные на стадии эксплуатации, должны отражаться на сводных погоризонтных планах закарстованности и геологических разрезах. Эти материалы должны составляться на основании первичной документации забоев и шлама буровзрывных скважин, с учетом оперативных данных по добыче и вскрыше. При окончательном, чистовом составлении планов и разрезов должны приниматься во внимание потери и засорение полезного ископаемого, результаты годовых контрольных подсчетов погашенных запасов.
• При ведении документации по закарстованности рекомендуется использовать технологическую поуступную классификацию карбонатных пород. Такие классификации составлены автором для Билимбаевского месторождения известняков и Сухореченского месторождения доломитов, их возможно использовать на аналогичных месторождениях.
• Для расчета потерь и засорения полезного ископаемого рекомендуется применение методики ВИОГЕМ, уточненной и доработанной автором для условий закарстованных карбонатных пород.
• Надежная и достоверная информация по закарстованности при применении всего комплекса вышеперечисленных методов.
На основании детальных многолетних карстологических исследований на эксплуатируемых месторождениях карбонатного сырья Билимбаевского района и анализа материалов геологосъемочных, поисковых и разведочных работ на известняки и доломиты, проведенных в районе, получены следующие основные результаты:
• Доказана необходимость применения специальных карстологических исследований на всех стадиях геологоразведочных работ, проводимых с целью разведки и оценки запасов месторождений. Конечным результатом проведенных исследований должны быть достоверная оценка запасов полезных ископаемых, выбор наиболее эффективных технологий ведения горных работ и переработки сырья, геолого-экономическая оценка месторождений, выполненная с учетом фактора закарстованности.
• Достоверность сведений о развитии карста, получаемых на разведочной и эксплуатационной стадиях изучения месторождений, определяется правильно выбранным комплексом методов исследования, системой опробования сырья, ведения первичной и сводной документации.
• Выбор методики карстологических исследований и системы документации должен опираться на типизацию карста, составленную для условий изучаемого района, при этом должны приниматься во внимание его геолого-структурные особенности.
• В предлагаемой автором типизации карста, получившего развитие в карбонатных породах Билимбаевского района, нашли отражение взаимосвязь между литологией карстующихся карбонатных пород, возрастом, генезисом и морфологией карстовых форм, минералогией и химическим составом карстового заполнителя. Данная типизация может быть принята за основу при проведении исследований в аналогичных областях.
• Установлено, что наиболее подвержены карстообразованию массивные и грубослоистые известняки, однородные, отличающиеся чистотой химического состава и не содержащие прослоев других пород. Карстовые формы, возникающие в этих известняках, характеризуются разнообразием морфологии и широким возрастным диапазоном - от мезозойского до современного; карстообразование носит площадной характер, преобладает мучнисто-песчано-дресвянистый заполнитель. В слаборастворимых породах карстовые формы пространственно и генетически связаны с зонами разрывных нарушений; возраст карста мезозойский и мезо-кайнозойский; преобладает глинистый заполнитель.
• Геолого-структурное положение изучаемого района предопределило пространственное размещение карстовых форм, согласное с рядом систем трещин, образующихся в результате действия разрывной, пликативной тектоники и неотектонических процессов. Наиболее интенсивно карст развивается по трещинам отрыва, имеющим субмеридиональную ориентацию, наибольшее раскрытие и идентичное направление с потоком подземных вод.
• Проанализировано и изучено влияние закарстованности карбонатных пород на качественные и технологические параметры сырья, на горнотехнические условия эксплуатации месторождений Билимбаевского района. При участии автора разработаны и апробированы следующие специальные технологии ведения горных работ в условиях закарстованости карбонатных пород:
- Отработка верхних эксплуатационных уступов с применением различной высоты забоя.
- Проведение буровзрывных работ с применением сгущенной буровой сети, рассредоточением заряда, расположением взрывных блоков вкрест простирания карстовых форм.
- Постановка бортов карьера на конечный контур с учетом низкой устойчивости пород коры выветривания.
- Поэтапное вскрытие новых горизонтов в условиях высокой обводненности.
Данные технологии могут быть рекомендованы к применению на месторождениях -аналогах.
• Для Билимбаевского месторождения известняков и Чернореченского месторождения доломитов даны конкретные рекомендации по рациональному использованию сырья и охране недр.
• Разработаны методические предложения и рекомендации, позволяющие повысить надежность оценки закарстованности карбонатных месторождений, которые, в основном, сводятся к следующему:
- Первоочередное внимание необходимо уделять геофизическим методам, из которых рекомендуются к применению электроразведка и гравиоразведка, большой эффект дает уточнение.