Геоинформационные исследования структурной организации элементов тектонической деструкции горного массива как основы прогноза его геомеканического состояния

Краткое описание

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр. ВВЕДЕНИЕ... 5

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ... 12

1.1. Обзор и анализ изученности золоторудных месторождений

как объектов геологической среды с высокой плотностной контрастностью вещества... 12

1.2. Обзор и анализ изученности геомеханического состояния

горных массивов... 19

2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ... 31

2.1. Некоторые общие положения теории развития сложных

материальных систем с позиций неравновесной

термодинамики... 31

2.2. Фундаментальные свойства структурной организации

областей гравитационного сжатия (уплотнения) в

геологических системах... 37

2.3. Теоретическая модель гравитационного растяжения

(разуплотнения) массива горных пород... 41

2.4. Методологические принципы и методики исследований 50

2.4.1. Методологические принципы... 50

2.4.2. Методика фрактального анализа... 52

2.4.3. Методика пространственно-статистического анализа... 54

3. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

БАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ... 58

3.1. Краткая геологическая характеристика и сведения о разработке

месторождений... 57

3.2. Обзор геомеханических условий массивов горных пород... 73

3.2.1. Физико-механические свойства горных пород... 73

3

Стр.

3.2.2. Характер первоначальных напряжений массивов

горных пород... 79

3.2.3. Проявления горного давления в динамических

формах на Дарасунском и Березовском рудниках... 88

4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПОЛЕЙ ГРАВИТАЦИОННОГО СЖАТИЯ И РАСТЯЖЕНИЯ ГОРНОГО МАССИВА И ПРОГНОЗ ЕГО ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ)... 91

4.1. Оптимизация границ структурных элементов на основе

фрактального анализа... 91

4.2. Закономерности структурной организации поля распределения

деструктивных элементов как механически разуплотненных

сред... 97

4.3. Закономерности структурной организации поля распределения золоторудной минерализации как наиболее плотного

вещества в массиве горных пород... 111

4.4. Сопоставительный анализ закономерностей структурной организации полей уплотнения и разуплотнения горного массива... 128

4.5. Прогноз геомеханического состояния горного массива 132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 141

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК... 144

ПРИЛОЖЕНИЯ... 154

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Ведомости распределения концентраций

дизъюнктивов и рудных тел Дарасунского и

Березовского месторождений... 155

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Зарисовки срезов монолита из кварцевой жилы... 166

у/

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Ведомости динамических проявлений горного

4

Стр.

давления на Дарасунском и Березовском

месторождениях... 169

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акт реализации законченной научно-исследовательской работы по теме № 933 ИрГТУ «Исследование удароопасности и обоснование безопасных технологий разработки Дарасунского золоторудного месторождения», выполняемой в рамках головной тематики института Иргиредмет (тема№968/ПКО/ПР)... 183
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важных проблем в горно-геологической отрасли является проблема обеспечения эффективного прогноза конкретных свойств осваиваемого объекта. Прогноз должен быть многоуровневым, основываться на достаточном количестве фактов и корректной их обработке. В настоящее время для решения этой проблемы традиционных подходов недостаточно. Требуется привлечение новых идей и новых методологий. В настоящей работе мы используем геоинформационный подход при локальном прогнозировании одного из важных свойств отрабатываемого месторождения - геомеханического состояния горного массива (геологической среды в процессе проведения горных работ). Его своевременное прогнозирование необходимо для обеспечения устойчивой и безопасной работы предприятия.

В качестве концептуальной основы исследований использована следующая идеология. Геологические объекты - результат процессов самоорганизации геологической среды, чрезвычайно неоднородной по плотности и состояниям ее вещества. Рудное месторождение - наиболее контрастная по плотности пространства область геологической среды. В ней сосредоточены, и наиболее плотная рудная составляющая, и наименее плотная часть среды в виде пустот, связанных с деструкцией среды (трещинообразование, порообразование и др.). Золоторудные месторождения, в отличие от месторождений других полезных ископаемых, наиболее контрастны по плотности слагающего их вещества.

Геологическая среда, как и весь материальный мир, обладает фундаментальным свойством - фрактальностью каждой отдельно взятой ее составляющей. Это свойство маркирует неравновесные условия формирования среды и синергетический режим ее развития. Ключевым аспектом проведенных исследований является изучение именно фрактальных монопризнаковых подсистем геологической среды (как свойства, обладающего высокой информативностью для создания нетрадиционных моделей прогноза).

6

Структурной организации золоторудных месторождений с этих позиций посвящены работы профессора В.А. Филонюка, который отмечает, что существенное значение в условиях рудообразования имеет гравитационная (плотно-стная) неустойчивость геологической среды, в пределах которой развивается золотая минерализация. Именно эта неустойчивость определяет, закономерности размещения месторождений, размеры и особенности рудных тел и распределения плотного (рудного) вещества в них.

Знание закономерностей структурной организации полей деструктивных и рудных элементов как ключевых маркеров плотностной дифференциации геологической среды, позволит уточнить методы прогноза геомеханических условий горного массива, что повысит безопасность ведения горных работ. Поэтому вопросы исследования структурной организации элементов тектонической деструкции горного массива именно с данных позиций являются актуальными.

Целью настоящей работы является выявление закономерностей распределения элементов тектонической деструкции для прогнозирования геомеханических условий на золоторудных месторождениях.

Идея работы - выявление и последующее использование структурной организации элементов тектонической деструкции как основы для создания эффективных методов прогноза геомеханических условий горного массива на стадии освоения месторождений.

Вышеуказанная цель обусловила следующие задачи исследований:

1. Обзор и анализ геологических и геомеханических условий золоторудных месторождений.

2. Выбор методологической основы и методики исследований структурной организации геологической среды.

3. Геоинформационное исследование закономерностей структурной организации полей развития рудных и безрудных тектонических элементов Дарасун-ского и Березовского золоторудных месторождений.

7

4. Прогноз геомеханического состояния горного массива и обоснование рекомендаций по использованию его результатов. Методы исследований

1. Составление количественных полей распределения элементов геологической среды и составление топоповерхностей их структур.

2. Фрактальный анализ полей концентрации деструктивной тектоники.

3. Графоаналитическое моделирование пространственного распределения иерархически дифференцированных элементов геологической среды.

4. Анализ натурных измерений напряжений горного массива и фактических вредных проявлений горного давления, сопоставление их с установленными закономерностями.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Структуры безрудных и рудных тектонических элементов, как маркеров наиболее контрастных по плотности вещества участков геологической среды, обладают всеми признаками самоорганизации, тесно сопряжены между собой в пространстве и обладают одинаковыми фрактальными свойствами. Это может расцениваться как признак синхронного и взаимообусловленного их формирования.

2. Методика фрактального анализа, применяемая при исследовании структурной организации монопризнаковых подсистем геологической среды должна учитывать специфику компонента (признака). Количественная характеристика коэффициента подобия между элементами разномасштабных уровней структурной организации в подсистемах геологической среды должна оцениваться как критерий их устойчивости.

3. Закономерности размещения областей сближенной локализации скоплений деструктивных элементов и концентраций рудного вещества могут быть основой для прогноза геомеханических условий горного массива, в т.ч. и в виде опасных проявлений горного давления.

Научная новизна работы

8

Установлено, что подсистемы локализации рудных тел и безрудных тектонических элементов (тектонических нарушений, трещин) на золоторудных месторождениях сформированы в режиме самоорганизации. Структуры этих подсистем, как сопряженных в пространстве областей гравитационного сжатия и растяжения, иерархичны и обладают свойствами дискретности, упорядоченности, фрактальности (самоподобия), структурной автономности, нелинейности. В подсистеме безрудных тектонических элементов выделяется 17 иерархических уровней, метрические параметры которых последовательно возрастают от 3 см до 2040 м, с масштабным коэффициентом, изменяющимся в пределах 1,43-4,04. В подсистеме рудных тел выявляется 21 уровень в диапазоне размеров от 3 см до 3600 м с масштабным коэффициентом, изменяющимся в пределах 1,45-2,6.

Впервые установлено, что структурные организации полей дизъюнктивов и рудных тел обладают одинаковыми фрактальными свойствами, что возможно лишь при их взаимообусловленном синхронном формировании. Одномас-штабные аномальные концентрации дизъюнктивов и рудной минерализации локализованы близко друг от друга, но не совпадают, что является следствием кооперативного поведения этих двух подсистем в условиях неустойчивого состояния геологической среды.

Впервые установлено, что критерием скорости фрактального роста структурно организованных полей естественной деструкции и оруденения на золоторудных месторождениях является коэффициент масштабного подобия между элементами смежных уровней структур. При коэффициенте 1,6-1,9 выделяются относительно устойчивые области горного массива, при 2,2-2,5 и более - неустойчивые области ускоренного фрактального роста деструктивной подсистемы и ускоренного уплотнения рудной подсистемы. В пределах шахтных полей изученных месторождений выделяются две самые неустойчивые области. Для деструктивных элементов первая область имеет размеры 0,14...0,6 м, вторая 6,2...88 м. Для рудных элементов соответственно: первая - 0,03...0,6 м, вторая - 20...233 м (рудные агрегаты, гнезда и столбы).

9

Практическая значимость работы

1. Установлены принципы и разработаны методические рекомендации для проведения регионального и локального прогноза участков высокого напряженного состояния горных пород по пространственному положению аномальных концентраций дизъюнктивов и рудных тел.

2. Разработан методический принцип локального прогноза участков высокого напряженного состояния горных пород на основе использования параметров структурной организации поля деструктивных элементов и характеристик динамики его фрактального роста.

3. Выявленные характеристики использованы в «Проекте реконструкции горно-обогатительных и металлургических производств по добыче золота из запасов руд месторождений Дарасунское, Теремки и Талатуй», разрабатываемом ОАО «Институт Иргиредмет», о чем свидетельствует прилагаемый акт внедрения. Полученные результаты были использованы институтом Иргиредмет для обоснования и выбора оптимальных и безопасных вариантов технологии разработки Дарасунского месторождения. Основные выводы диссертации рекомендуются к использованию при исследованиях структурной организации золоторудных, полиметаллических, железорудных и других месторождений, с целью прогноза геомеханических условий горного массива, для повышения безопасности ведения горных работ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обуславливается представительным объемом эксклюзивной геологической информации, представленной зарисовками, картами и схемами поверхностей образцов золо-токварцевых жил размерами от 10x28 до 18x32 см; зарисовками детализацион-ных площадок размерами 0,70x0,8 м и более; зарисовками площадок непрерывного бороздового опробования (площадки размерами 4x1,5 м); геолого-структурными разрезами масштаба 1:25; картами распределения золота масштаба 1:100; блочными карточками масштабов 1:200; проекциями рудных тел на вертикальную плоскость масштаба 1:1000; структурными моделями полей концентрации золота; структурно-геологическими картами масштабов 1:10000;

10

использованием современных методов исследований при обработке исходных данных; соответствием используемых математических и физических моделей реальному состоянию горного массива на Дарасунском и Березовском месторождениях.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях на факультете геологии, геоинформатики и геоэкологии ИрГТУ (г. Иркутск, 2000-2003 гг.), на горном факультете (г. Иркутск, 2000-2003 гг.), на технических совещаниях в ОАО «Институт Иргиредмет» (г. Иркутск - 2002 г.), в ОАО «Дарасунский рудник» (п. Вершино-Дарасунский -2002 г.)

Публикации.

Основные научные результаты работы опубликованы в 6 печатных работах в технических журналах, сборниках научных трудов и тезисах докладов конференций.

Личный вклад автора.

Автором проанализирован значительный объемом эксклюзивной геологической информации ряда золоторудных месторождений, по которому составлены математические модели пространственного распределения иерархически дифференцированных элементов геологической среды - дизъюнктивов и рудных тел. На основе этих моделей были составлены прогнозные карты ударо-опасности Дарасунского и Березовского месторождений.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, изложена на 185 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 30 таблиц, библиографический список из 94 наименований, и приложения.

Автор бесконечно признателен своему научному руководителю д.г.-м.н., проф. В.А. Филонюку за предоставленные эксклюзивные материалы геологической документации, полезные и своевременные советы, Автор выражает благодарность проф., д.т.н. Д.Е. Махно за консультации. Автор глубоко благодарен

11

руководству института «Иргиредмет» за представление материалов исследований геомеханических процессов на золотодобывающих предприятиях.

12

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Обзор и анализ изученности золоторудных месторождений как объектов геологической среды с высокой плотностной контрастностью вещества

Золоторудные месторождения, в отличие от месторождений других полезных ископаемых обладают, наверное, самой высокой плотностной контрастностью слагающего их вещества (условная пустота с плотностью около «О» и золото с плотностью около 20 г/см3. Поэтому изучение закономерностей их внутреннего строения с позиции плотностной неоднородности может составить более объективную основу для решения поставленной проблемы, тем более, что в обозначенном ракурсе она практически не ставилась и не решалась.

Известно, что эндогенные (коренные) золоторудные месторождения представлены многообразными структурными, морфологическими и генетическими типами, о чем свидетельствуют многочисленные их классификации. Однако, с позиций плотностной неоднородности геологического пространства

наиболее близкими являются классификации по минеральному составу руд.

«

Одной из последних и наиболее признанных является классификация ЦНИГРИ (Н.В. Петровская), по которой выделяются четыре основных золоторудных формации.

1. Золото-кварцевая с содержанием сульфидов, не превышающим 5%, и в основном свободным золотом, развитая в условиях древних щитов и миогео-синклиналий. Гидротермально-метасоматические изменения на месторождениях этой формации представлены хлоритизацией, окварцеванием, реже карбона-тизацией, серицитизацией, иногда турмалинизацией. Перечисленные процессы, как правило, проявились слабо.

2. Золото-кварц-сульфидная с содержанием сульфидов от 5 до 25% со свободным и связанным дисперсным золотом. Месторождения этой формации распространены в эвгеосинклинальных складчатых поясах, а также областях тектономагматической активизации завершенной складчатости платформ, реже

13

на щитах и в миогеосинклинальных областях. Для них характерны березитиза-ция, листвинизация, а в некоторых случаях - альбитизация и турмалинизация. Главные типы руд: пирит-арсенопиритовый, пирит-халькопирит-сфалерит-галенитовый, последний иногда с висмутом, буланжеритом и другими сульфидами и сульфосолями.

3. Золото-сульфидная с содержанием кварца, барита, карбоната до 15% и с переменным количеством пирита, сфалерита, галенита и халькопирита (суммарное содержание которых превышает 85%). Золото находится в свободном и связанном дисперсном состояниях. Месторождения этой формации располагаются в эвгеосинклиналиях и возникают на орогенном этапе развития складчатых областей.

4. Золото-халцедон-кварцевая с относительно высоким содержанием серебра и других его рудных минералов - сульфидов, сульфосолей, теллуридов (от 1 до 30%). Золото характеризуется обычно высокой серебристостью и находится в свободном и дисперсном состояниях. Жильные минералы, кроме хал-цедоновидного кварца, представлены адуляром, родонитом, родохрозитом. Месторождения типичны для вулканических поясов. Характерные гидротермальные изменения - окварцевание, пропилитизация, гидрослюдизация.

Кроме перечисленных формаций, авторы классификации выделяют золо-то-скарновую, золото-карбонатную, золото-серпентиновую и другие, которые, по их мнению, имеют подчиненное значение, хотя в отдельных случаях и образуют промышленные месторождения золота.

Существенное значение в условиях рудообразования имеют геотектонические структуры, в пределах которых развивается золотая минерализация. Они определяют характер рудогенерирующих магматических формаций, закономерности размещения месторождений, размеры и особенности рудных полей.

Широко известны классификации рудных месторождений, основанные на структурном (или структурно-генетическом) принципе, т.е. выделение типов рудных полей по типам контролирующих их структурных элементов, определяющих размещение месторождений и рудных тел, а также их морфологию.

14

В.А. Невский и М.И. Осипов [44] выделили вулканоплутонические, тек-тоновулканические и тектоновулканоплутонические структуры и показали их роль в локализации эндогенных рудных полей и месторождений. Г.Ф. Яковлев рассмотрел тектоногенные, плутоногенные, вулканогенные, метаморфогенные, тектоно-экзогенные структуры рудных полей [94]. Еще раньше Н.П. Лаверов и А.Е. Толкунов [40] систематизировали рудовмещающие структурные элементы вулканических сооружений разных геотектонических областей. Ж.В. Се-минским выделены морфогенетические типы рудоносных вулканических сооружений областей активизации как самостоятельные типы рудных полей [58].

При изучении структурных форм обычно рассматриваются тектонические дислокации, создающие эти формы. Хорошо изученными являются плика-тивные и дизъюнктивные дислокации, которые приводят к образованию различных по морфологии и размерам структурных форм. Ю.А. Косыгиным выделена и описана третья группа дислокации горных пород инъективные дислокации, которые он рассматривает как равнозначные двум первым группам [35]. Под этими дислокациями понимаются нарушения связанные с перемещением вещества одного слоя в пространство другого под воздействием магматических или амагматических инъекций.

При установлении рудоконтролирующей роли пликативных, дизъюнктивных и инъективных структурных форм необходимо прежде всего определить иерархию рудных концентраций и контролирующих их структурных или геолого-структурных подразделений, так как в пределах единого рудного поля на разных иерархических уровнях могут проявляться как пликативные, так и дизъюнктивные и инъективные дислокации.

Вопросы иерархической последовательности рудоносных структур рассматривались многими исследователями. Так, Д.В. Рундквист и др. выделяют металлогенические (от месторождения до планетарного металлогенического пояса), тектонические и соответствующие им временные единицы. Геологической таксономии посвящены работы Ю.А. Косыгина, И.В. Крутя и др.

Семинский Ж.В., Филонюк В.А., Черных А.Л. составили таксонометри-ческий ряд структурных и рудных подразделений (табл. 1.1). При этом, кроме

15

рассмотренных структурных форм, обусловленных дислокациями пород, учитываются элементы первичной слоистой структуры, которые в некоторых случаях контролируют размещение рудного вещества на самых различных иерархических уровнях.

Таблица 1.1. Таксономический ряд структурных и рудных подразделений [60]

Рудные Структурные формы

подраз- Элементы слои- Пликативные Дизъюнк- Инъективные

деления стой структуры тивные

1 2 3 4 5

к Микрослой (сло- Микроскладка Микро- Микрослой,

s 1 ек) трещина микроскладка

Я СО микротрещи-

Рудный ми неральный ны, связанные с внедрением магмы

(о Слой Серия (группа) мик- Трещина; Слой, группа

CTOJ роскладок зона тре- микроскла-

о 3 щин, док; трещи-

гне; ны, связанные

зон с внедрением

магмы

Пласт Часть складки (замок, Участок Поток, пласт,

крыло) разлома жерловина,

О ев К Ч (локаль- дайка, апофи-

ного) за

1 Оруденение каждого иерархического уровня может контролироваться различным сочетанием соответствующих по рангу структурных форм при ведущей роли одного из них.

16

Продолжение таблицы 1.1

1 2 3 4 5

Месторожде- Группа Складка Разлом (локаль- Локальная

ние пластов ный) вулканиче-

ская или плу-

тоническая

постройка

(некк, купол,

покров,

шток); диапи-

ровая складка

Рудное поле Пачка Группа складок, Серия ло- Крупная вул-

составляющих кальных разло- канотектони-

антиклиналь, мов, узел их со- ческая или

синклиналь членения плутониче-

ская структу-

ра (кальдера,

впадина, лак-

колит, слож-

ный купол);

группа диа-

пиров

Рудный узел Толща, Группа анти- Региональный Вулканарий

свита клиналей, синк- разлом, раз- (группа вул-

линалей ломный узел канотектони-

ческих струк-

тур)

17

Процессы дислокации и обусловленные ими микроструктурные формы возникают на атомарном уровне, на уровне кристаллической решетки, но они недоступны еще для практического изучения. Таксономический ряд начинается с уровня минеральных агрегатов, распределение которых контролируется микрослоями, микротрещинами и микроскладками. Далее следует рудное гнездо, рудное тело, месторождение, рудное поле, рудный узел и соответствующие им структурные подразделения.

Предложенный таксономический ряд рудных и структурных подразделений (так же как и приведенный ряд региональных элементов) не является универсальным, а служит лишь общей таксономической схемой, так как в каждом конкретном случае в зависимости от сложности месторождения или рудного поля могут появляться иные подразделения. По этой причине, вероятно, невозможно создать подобный таксономический ряд, учитывающий все особенности строения месторождений, встречающиеся в природе.

Рассмотренные выше классификации, несмотря на все различия, имеют принципиальное сходство между собой — во всех случаях классификационными признаками являются геологические и геолого-генетические факторы. Это обусловило направленность классификаций и области их применения: а) прогноз потенциальной золотоносности отдельных регионов и рудных полей; б) оценка перспектив золотого оруденения отдельных месторождений или их участков.

На основе анализа геотектонических структур разрабатываются модели структурообразования рудных месторождений с позиций неравновесной термодинамики.

И.Г. Савина [56] использовала методы фрактального анализа для оценки сложности контуров рудных тел, распределения концентраций металла на Депутатском оловорудном месторождении. Г.А. Кирьяков [34] продолжил изучение структур оловорудных тел как самоорганизующихся систем с позиций синергетики и уточнил их рудонасыщенность. Д.Г. Егоров [22] доказал, что железистые кварциты Приимандровского района являются фрактальными геологическими средами. Филонюк В.А. и Муса Кхалаф [86] установили, что фрак-

Список литературы