SepxHuu отдщп |
Иатни.0. |
Среднт отдм о/гг^м |
Ш'
Рис. IV-1. Схематический геологический разрез вкрест простирания Криворожского железорудного бассейна (по Я. Н. Белевцеву).
/ — Криворожская (основлая) |
синклиналь; |
II — Торопано-Лихмановская |
антиклиналь; |
||||||
III |
— |
Саксаганскаа |
антиклиналь; |
/V — Саксаганская |
синклиналь. |
фориацин; |
|||
/ — аркозы; |
i ~ |
фнллнты; |
3 — тальковые сланцы; •/ — сланцы железорудной |
||||||
5 — железистые |
гордэонты; |
# — ротовикого-песчакистый |
горизонт; |
7 — квари-серицйтоаые |
|||||
сланцы; 8 — углисто-графитовые слани>[; |
9 — слюдисто-биотитовые сланцы; |
/О — г р а - |
|||||||
ниты |
и мигматиты; |
I / — |
анфиболнты; |
/г — линии |
тектонических |
нарушений. |
|||
Все основные разности горных пород, развитые в пределах серии свит Украинского щита, повсеместно относятся к группе твердых (скальных), характеризующихся нормальной для них
или |
повышенной плотностью, |
прочностью и |
|
малой |
дефор- |
||||
мируемостью. В пределах отдельных участков |
и зон |
в силу |
|||||||
повышенной |
трещиноватости |
и |
измененности |
или выветрело- |
|||||
сти, |
твердые |
(скальные) |
породы |
переходят |
в |
относительно |
|||
твердые (полускальные). |
Все |
это, |
естественно, |
создает |
опреде- |
||||
ленную неоднородность состояния и свойств горных пород по площади и на глубину как в пределах железорудного бассейна в целом, так и в пределах отдельных шахтных полей.
На рис. IV-1 видно, что территория Криворожского бассейна расчленена на крупные блоки тектоническими разрывами, в пределах каждого из которых монолитность и сплошность пород нарушены трещинами и системами трещин, а с поверхности они часто на значительную глубину неравномерно разрушены процессами выветривания. Кроме того, для пород Криворожского бассейна характерен кливаж, развитый во многих свитах весьма интенсивно. Поэтому при оценке
81
прочности, деформационных свойств, водопроницаемости и устойчивости горных пород в условиях естественного залегания необходимо учитывать влияние трещиноватости, особенно развитой по сланцеватости в кристаллических сланцах и железистых кварцитах (джеспилитах). Важно устанавливать коэффициент снижения прочности пород или изменения других их свойств. Этот показатель у пород монолитных, слаботрещиноватых, а также по направлениям, не совпадающим с направлением поверхностей и зон ослабления, измеряется десятыми долями единицы, а у пород с повышенной трещиноватостью, либо по направлениям трещин — сотыми и тысячными долями единицы.
Анализ данных, характеризующих физико-механические свойства горных пород, вмещающих рудные залежи Криворожского бассейна, полностью подтверждает их принадлежность к группе твердых — скальных. При этом важно заметить^ что для пород Криворожья сравнительно четко проявляется влияние их разнообразных петрографических особенностей на физико-механические свойства. Так, например, плотность всех разностей горных пород повышается с увеличением содержания в их составе хлорита, биотита, амфибола, граната и особенно мартита, гематита и магнетита. Можно сделать вполне
определенное |
заключение |
о том, |
что плотность |
пород |
здесь |
||
контролируется |
главным |
образом |
содержанием |
в их составе |
|||
железистых силикатов |
и |
рудных |
минералов, |
несмотря |
на то |
||
что метаморфические, |
поздне- и |
послемагматические |
про^ |
||||
цессы — метасоматические, |
гидротермальные и |
гипергенные — |
|||||
обусловили повышенную их пористость. Средняя общая пористость пород здесь достигает 7—10 и даже 13—14%,
Влияние минерального состава пород существенно сказывается на их прочности, которая, как правило, повышается с общим их оквардеванием, увеличением содержания кварца, амфибола, граната и снижается с увеличением содержания плагиоклазов, карбонатов, хлорита, биотита, эпидота и рудных.
Большое влияние на прочность пород оказывает их строение. Так, породы однородной гранобластовой и лепидогранобластовой структуры имеют прочность на сжатие до 200—300 и даже 400—500 МПа. У неоднородных по строению пород
прочность снижается |
до 150—200 МПа, |
а |
у пород, |
имеющих |
гранобластовую гранулированную структуру |
(замещение в про- |
|||
цессе метаморфизма |
крупных зерен |
мелкими), |
снижается |
|
в среднем до 120 МПа. |
|
|
|
|
Характерно влияние на прочность пород их текстуры. При прочих равных условиях, токкополосчатые железистые породы обладают более высокой прочностью (джеспилиты в среднем — 230 МПа), чем среднеполосчатые (мартитовые роговики — 170—180 МПа). Очень заметно снижается прочность пород, содержащих мартитовые и красковые прослойки (из тонкодисперсного гётита, гематита, гидрогётита и глинистого веще-
ства). Прослойки, поверхности сланцеватости, плоскости скрытых и открытых трещин — это явные или неявные поверхности ослабления пород. Кроме влияния на снижение прочности они обусловливают большую анизотропность их лрочности и деформируемости. У многих разностей пород прочность вдоль их сланцеватости выше, чем нормально к ней, поэтому коффициент анизотропии имеет значение больше единицы. Для мартитовых руд этот коэффициент меньше единицы. Это свидетельствует о том, что прочность их вдоль сланцеватости меньше, чем нормально к ней. Заметное влияние на прочность пород оказывают кливаж и вторичное окварцеваиие пород. Кливаж
снижает прочность |
пород примерно |
в 1,5—2,5 раза, а вторич- |
ное оквардевание |
восстанавливает |
ее, хотя и не полностью. |
Очень Существенное влияние на свойства пород оказывают процессы выветривания. Они обусловливают повышение трещиноватости и раздробленности пород, выщелачивание кварца, карбонатов, разрушение силикатов, увеличение в связи со всем этим скважности, пористости и окраскования пород. Последнее развивается в разных породах с различной интенсивностью, но всегда ведет к снижению их прочности. Наиболее развиты процессы окраскования в железистых и алюмосиликатных. сланцах [4]. Алюмосиликаты при этом разрушаются и превращаются в каолинит. Железистые силикаты и карбонаты разлагаются с образованием окислов и гидроокислов железа, с заметным или резким изменением облика и окраски пород.
По степени окраскования в Криворожье выделяют следующие разности сланцев: неизмененные, частично окраскованные; красковые сланцы и красковые руды. Среднее значение временного сопротивления сжатию у неизмененных сланцев равно 104 МПа, у частично окраскованных — 74 МПа, у красковых — 43 МПа и у красковых руд— 18 МПа.
В связи с выветрелостью железистых пород пористость их изменяется от 1—2 до 35%, причем более высокая пористость характерна для руд, содержащих более 46 % железа [71. Установлена большая зависимость изменения прочности пород от их пористости.
Породы Криворожья отличаются высокой крепостью. Коэффициент крепости их в целом изменяется от 6—9 до 14—18,
упятого горизонта мартитовых роговиков н джеспилитов
железорудной свиты он достигает 14—18, у шестого—13—15, у четвертого—10—14. Коэффициент крепости сланцевых гори-
зонтов этой свиты |
ниже: |
пятого — 9—13, |
шестого — 6—11, |
четвертого — 6—10. |
При этом |
наблюдается |
следующая общая |
закономерность изменения коэффициента крепости пород. Наиболее высокие значения имеют мартитовые роговики и джеспилиты, несколько ниже они у магнетитовых, гематит-магнети- товых н силикатно-магнетитовых роговиков, ниже — у пироксенитов, перидотитов, диабазов и амфиболитов, еще ниже у аркозовых песчаников, мигматитов, амфиболовых гнейсов,
S3
слюдистых, хлорито-слюдистых и других сланцев и, наконец, наиболее низкие значения имеют карбонатные породы, карбо- натно-хлорито-тальковые сланцы и выветрелые породы. Сниже-
ние |
крепости пород (на |
2—4 |
единицы) |
наблюдается также |
и по |
их простиранию, |
т. е, |
с севера на |
юг, что связывают |
с условиями их образования и последующими вторичными изменениями.
|
Заканчивая |
характеристику |
горных |
пород |
Криворожья, |
||
следует отметить, |
что; 1) основная |
их |
масса |
принадлежит |
|||
к |
группе твердых — скальных, |
хотя |
на |
отдельных участках |
|||
и |
в некоторых |
зонах они сменяются |
относительно |
твердыми — |
|||
полускальными; |
2) |
большое разнообразие петрографических |
|||||
типов горных пород в пределах бассейна и неодинаковая степень их измененности под влиянием различных геологических процессов обусловили большую неоднородность их физикомеханических свойств; 3) из всех закономерностей изменения их физико-механических свойств важно подчеркнуть, что с глубиной повышаются их плотность, прочность и крепость, а пористость и водопроницаемость уменьшаются.
1V-3. Физико-механические свойства горных пород Курской магнитной аномалии
Курская магнитная аномалия (КМА) приурочена к Воронежскому выступу кристаллических пород докембрийского возраста, среди которых выделяются: 1) нижний отдел, представ-
ленный главным |
образом |
биотитовыми |
гнейсами, слюдяными |
и хлоритовыми |
сланцами; |
2) средний |
отдел (мощностью до |
200 м и более), состоящий из железистых кварцитов, перемежающихся с амфиболитовыми, хлоритовыми и биотитовыми сланцами; 3) верхний отдел, сложенный биотитовыми и известковыми сланцами, переслаивающимися с известняками и доломитами.
Кристаллические породы докембрия сильно дислоцированы, образуют Курскую складчатую систему, состоящую из ряда
сннклинорных |
и антиклинорных зон. Из синклинорных зон |
||
наиболее |
изученными |
являются юго-западная — Курско-Бел- |
|
городская |
(рис. |
1V-2) |
и северо-восточная — Оскольская, раз- |
деленные Центральной антиклинорной зоной. В пределах каждой зоны выделяются крупные синклинальные и антиклинальные структуры второго порядка.
В результате длительного периода континентального выветривания железистых кварцитов в пределах КМА образовались пластообразные и линзообразные залежи богатых железных руд, которые с глубиной постепенно переходят в неизмененные железистые кварциты. Таким образом, по содержанию
полезных |
компонентов различают |
богатые |
железные руды |
|
(с содержанием железа 48— |
69%) |
и бедные, |
или железистые |
|
кварциты |
(содержание железа |
26—46 %). |
|
|
8 4
' Орловский район I
Староосмльстй район
Рис. IV-2, |
Схема |
расположения |
железорудных месторождений |
КМА. |
|||||||
/ — примерное |
расположение |
выходов железистых кварцитов среднего |
отдела |
докем- |
|||||||
брия; г — месторождейия |
железных |
руд; |
3 —гравицы |
железорудных |
районов. |
Место- |
|||||
рождения (цифры |
на карте): |
/ — Лубянкннское, 2 — Новоялтинское, |
3 — Курбаккнское, |
||||||||
4 — Мнхайловское, |
5 — Коробковское, |
6 — Лебединское, |
7 — Стойленское, |
S |
— |
Чернян- |
|||||
ское. |
р —Погромецкое, |
10 — Гостищевское, |
/ / — Яковлевское. |
|
|
||||||
По генетическим признакам богатые руды делятся на остаточные и осадочные, т. е. разрушенные и переотложенные остаточные. Предполагают, что часть осадочных руд образовалась хемогенным путем при выпадении в осадок железа из растворов. В соответствии с условиями образования осадочные руды могут подстилаться остаточными, а последние переходить в железистые кварциты. На тех участках, где богатые руды частично или полностью размыты, мощность их уменьшается или непосредственно по поверхности кристаллических пород выходят железистые кварциты.
На размытой и неровной поверхности кристаллических пород КМА в северных районах почти горизонтально залегают карбонатные породы среднедевонского возраста (староосколь-
ские, щнгровскне и другие более молодые слои), в нижних горизонтах которых появляются глины и пески, а в южных
районах — известняки |
с прослоями глин и песков раннекамен- |
|
ноугольного возраста. |
Породы кристаллического |
фундамента, |
а также девонские и |
каменноугольные там, где |
они распро- |
странены, непосредственно перекрываются горизонтально залегающими толщами пород юрского и мелового возраста. Мезозойские отложения местами перекрыты песчано-глини- -стыми породами палеоген-неогенового возраста и повсеместно четвертичными, преимущественно глинистыми. Мощность комплекса осадочных отложений КМА изменяется от 35 до 180 м в центральной части и достигает 350—600 м в южных районах.
На рис. 1V-3 показан стратиграфический разрез Яковлевского месторождения КМА, характеризующий в общем разрез л5езозойско-кайнозойских отложений всего бассейна.
Железорудный |
бассейн КМА занимает |
обширную площадь |
|
и в соответствии с тектоническим |
строением кристаллических |
||
пород фундамента |
простирается |
полосой |
шириной до 100 км |
с северо-запада на юго-восток на протяжении до 850 км. По территориальному признаку месторождения богатых руд размещаются здесь в пяти железорудных районах: Орловском, Михайловском, Старооскольском, Новооскольском и Белгородском (рис. 1V-2).
Изучение физико-механических свойств горных пород и руд месторождений КМА производилось многими организациями и отдельными специалистами. Более полное региональное изучение инженерно-геологических условий бассейна при подготовке его к освоению было выполнено большими коллективами специалистов и результаты опубликованы в монографиях (1959, I960 гг-). Специальное изучение многих вопросов инженерной геологии месторождений КМА, и в том числе физикомеханических свойств горных пород и руд, выполнено ИГД АН
СССР (1961, 1963 гг.).
Петрографический состав, строение и свойства железистых кварцитов, как и многих докембрийских кристаллических пород КМА, имеют большое сходство с аналогичными характеристиками пород Криворожского железорудного бассейна. Среди железистых кварцитов преобладают гематкт-магнетито- вые и магнетит-гематитовые разности. Реже встречаются только магнетитовые кварциты или только гематитовые кварциты. Во всех разностях кварцитов магнетит и гематит представлены в виде железной слюдки и мартита, в выветрелых разностях присутствуют гидрогематит, реже —гётит и гидрогётит, а из нерудных минералов—кварц, различные силикаты, реже карбонаты. В толще железистых кварцитов нередко прослеживаются прослои кристаллических сланцев мощностью от сантиметров до нескольких метров. Для железистых кварцитов характерна полосчатая текстура, обусловленная чередованием рудных и кварцевых прослойков, ширина которых изменяется
т
Яруо |
|
Породы |
Геопагтееый |
Водоносные |
|
|
|
разрез |
горизонты |
|
г-го |
Сугпи,мпи, |
|
sJL |
|
|
|
|
Пети-
мелко- и momo-iepfiti-
стые
Маастрихт- трещатвсшый
кампанский
Ca-U'VOHCwi Мергель плотный,
Кс»1}якски.й плотный
Т^ронский
Семо/камский |
|
Пески, |
||
|
|
разкозернистые |
||
Литскш! |
i5-20 Пачки глин,(1ле6р<1/ги- |
|||
|
|
-moS и рескод- |
||
Волжски,'! |
|
Песчаички. |
||
|
трещи новат ые |
|||
|
|
|||
Камеридж |
- |
Слана |
плотная |
|
окарордскай |
|
|||
|
|
|
||
Келловёаскай |
Песка |
мелко- а |
||
токмяернастые |
||||
|
|
|||
бат-вайоссяий |
Глина с проелаАМН |
|||
|
|
песков |
||
Вавейстй, |
известняки, с про- |
|||
слрями. глин и |
||||
|
|
песчанилов |
||
Гнейсы, сланцы, •кварциты
Vi
Рис, 1V-3. Стратиграфический разрез Яковлевского месторождения КМА.
87
от миллиметров (тонкополосчатые) до 1—2 см (толстополосчатые).
Плотность железистых кварцитов по данным многочисленных исследований на разных месторождениях изменяется от 2,70 до 4,03 г/см®, чаще она находится в пределах от 3,00 до 3,80 г/см^. Плотность их минеральной части изменяется от 2,70 до 4,50 г/см®. Пористость обычно незначительна, не пре-
вышает 1 %. Прочность высокая, но в |
известной |
|
мере зависит |
|||||
от |
минерального |
состава |
и строения. Временное |
сопротивле- |
||||
ние |
сжатию |
железисто-слюдковых |
кварцитов |
достигает |
||||
290 |
МПа, |
магнетитовых |
средне- |
и широкополосчатых — |
||||
300 |
М.Па, |
магнетитовых тонкополосчатых — 360 |
МПа и |
желе- |
||||
зисто-слюдковых |
амфибол-магнетитовых — 400 |
МПа. |
Проч- |
|||||
ность кварцитов |
в зоне выветривания |
снижается. Так, |
напри- |
|||||
мер, временное сопротивление сжатию кварцитов на руднике им. Губкина, залегающих в зоне выветривания, изменяется от 58 до 200 МПа. Крепость кварцитов высокая и даже весьма высокая, коэффициент крепости изменяется от 9—10 до 15—18,
Кристаллические |
сланцы (амфиболитовые, |
хлоритовые |
и биотитовые), переслаивающиеся с железистыми |
кварцитами, |
|
но своим свойствам существенно отличаются от последних. Плотность сланцев изменяется от 2,10 до 3,20 г/см^, чаще она равна 2,60 г/см^. Временное сопротивление сжатию невыветрелых разностей достигает 40—60 МПа. Крепость их довольно изменчива. По данным сравнительного опробования (ударом молотка, растиранием в руках) их подразделяют на очень крепкие, крепкие, ломкие и крошащиеся. Коэффициент крепости их равен 3—5.
Богатые руды в пределах КМА разделяются на несколько типов: мартитовые, сидерит-мартитовые и железисто-слюдко- вые. По своим свойствам они могут быть отнесены к полускальным породам с повышенными плотностью и прочностью, к полускальным ослабленным и рыхлым. Кроме того, как уже отмечалось, они могут быть остаточными, представляющими собой элювий железистых кварцитов, и осадочными.
Средние и предельные значения показателей физических свойств плотных руд по данным многочисленных определений указывают на то, что их плотность по сравнению с обычными уплотненными обломочными и глинистыми породами повышен- •ная, хотя они и имеют значительную пористость. Временное сопротивление сжатию плотных (полускальных) руд осадочного происхождения изменяется от 10 до 120 МПа, но чаще находится в пределах 15—30 МПа, а остаточных соответ- ственно—от 30 до 125 МПа и 35—70 МПа. Коэффициент крепости плотных руд изменяется от 3 до 7, редко достигает 10, т. е. их можно классифицировать как породы средней крепости или крепкие. Рыхлые руды по тем же месторождениям имеют повышенную или высокую плотность, хотя их пористость выше, чем у плотных (полускальных) руд. Такое состоя-
8 8
ние плотных и рыхлых руд полностью определяется их минеральным составом. Прочность н крепость рыхлых руд по^ сравнению с плотными (полускальными) более низкая. Времен-
ное сопротивление сжатию их измеряется десятыми |
долями |
или первыми единицами мегапаскалей, а коэффициент |
крепо- |
сти меньше 2. |
|
Физико-механические свойства девонских и каменноугольных отложений изучены весьма слабо. Из них исследовались главным образом глинистые породы. Так, например, в районах: Михайловского и Лебединского месторождений среди девонских отложений (ста роосколье кие и щигровские слон) глинистые породы представлены глинами, неоднородными по составу: тяжелыми,, алевритовыми, алевритистыми и песчаными. Они характеризуются умеренной влажностью и тугопластичной консистенцией. Средняя плотность их изменяется от 1,87 до 2,13 г/см®, средняя пористость достигает 37%, а в отдельных случаях 43—47 %, Все это указывает на то, что рассматриваемые разности среднедевонских глин имеют весьма умеренную, степень литификации.
Нижнекаменноугольные отложения на территории КМА. представлены в основном известняками, содержащими прослои и слои глин. Известняки здесь неоднородны по составу,, строению и прочности. Наиболее прочные —твердые перекристаллизованные толстослоистые, менее прочные—мягкие: детритусовые и глинистые с землистым изломом. Временное сопротивление сжатию прочных известняков Яковлевского месторождения изменяется от 34 до 110 МПа, наиболее характерны значения в интервале 40—90 МПа.
Глины, встречающиеся среди известняков, относятся преимущественно к тяжелым разностям и по свойствам весьма неоднородны: наряду с разностями, раскалывающимися на плитки, встречаются мягкие, легко размокающие в воде. ПО' единичным определениям на Яковлевском месторождении естественная влажность глин равна 12%, плотность—1,90 г/см^,. плотность минеральной части 2,76 г/см®, пористость 38 %. Временное сопротивление сжатию измеряется первыми единицами мегапаскалей. Коэффициент крепости меньше 2.
Как видно на рис, IV-3, значительную часть разреза осадочной толщи на территории КМА занимают средне- и верхнеюрские морские и континентальные глинистые и песчано-глнни- стые отложения, распространенные здесь повсеместно. Средняяюра представлена байосским и батским ярусами, а верхняя — келловейским, оксфордским, кимериджским и нижневолжским..
Породы байосского и батского ярусов представлены темносерыми и голубовато-серыми в той или иной степени алевритистыми глинами морского происхождения. Они имеют умеренную влажность, повышенную плотность, среднюю пористость. В условиях естественного залегания находятся в полутвердом состоянии. Временное сопротивление их сжатию изменяется от
89»
долей мегапаскаля до 2 МПа, Сопротивление сдвигу характе-
ризуется |
сцеплением, |
изменяющимся от |
0,07 |
до |
0,2 |
МПа |
и коэффициентом внутреннего трения — от |
0,32 |
до |
0,55. |
Для |
||
этих глин |
характерен |
хрупкопластический |
характер |
разруше- |
||
ния. При увлажнении они сильно размягчаются, набухают, резко и значительно снижают прочность. Байосские и батские глины в целом можно оценивать как породы средней степени литификации.
Верхнебатские глины представлены преимущественно легкими алевритовыми и песчаными разностями, содержащими тонкие прослои и линзы тонкозернистого песка. Они имеют умеренные влажность и плотность, хотя пористость их повышенна, что связано с определенной степенью их вязкости — сцементированности. Как правило, эти глины находятся в полутвердом состоянии и имеют хрупкопластический характер разрушения. Временное сопротивление их сжатию изменяется от долей мегапаскаля до 1—3 МПа. Это породы средней степени литификации.
Верхнебатские пески преимущественно тонко- и мелкозернистые, как правило, водоносные, но водообильность их незначительна. Напор воды в скважинах, вскрывающих этй пески,
.достигает 390 м. Коэффициент фильтрации их мал, измеряется долями метра или первыми метрами в сутки. Они склонны к разжижению, могут переходить в плывунное состояние и подвержены суффозии.
Верхнеюрские отложения келловейского, оксфорд-кимеридж- •ского и волжского ярусов на территории КМА распространены почти повсеместно. Они представлены главным образом разнообразными глинами морского происхождения от глубоководных до прибрежно-морских разностей. Глинистые породы всех ярусов верхней юры в пределах КМА имеют вполне соответствующую их составу, условиям залегания и возрасту <;реднюю степень литификации. Средняя естественная влаж-
ность их |
изменяется от |
21 до |
31 7о. а плотность —от 1,89 до |
2,08 г/см®, |
консистенция |
обычно |
полутвердая, реже — тугопла- |
стичная. Они расчленены скрытыми или закрытыми трещинами, различно ориентированными, но наиболее часто по слоистости. При анализе и оценке физических свойств этих глин важно учитывать их состав, в том числе степень алевритистости и песчанистости, и глубину залегания.
Верхнеюрские глины на отдельных участках вскрыты карьерами и оврагами на глубине до 20—30 м, на других они залегают глубоко. Так, например, на Яковлевском и других месторождениях кимеридж-оксфордские глины залегают на глубине
350—400 |
м и соответственно имеют более низкую влажность |
и более |
высокую плотность, которая в отдельных случаях до- |
стигает |
2,27 г/см®. В результате повышенной плотности они |
приобрели облик аргиллитоподобных. Временное сопротивление сжатию всех разностей верхнеюрских глин измеряется до-
9 0