Зайцев Д.А., Кирилов А.Н.
Яковлевское месторождение расположено в 30 км к северо-западу от г. Белгорода, у пос. Яковлево. Железорудные залежи месторождения прослежены буровыми скважинами на протяжении 42 км, практически вдоль шоссе Москва - Симферополь. Месторождение состоит из двух рудных полос - Яковлевской и Покровской и расчленяется на семь участков: Верхопенско-Ивнянский, Гремучинский, Центральный, Смородинский, Висловский, Непхаевский, Хохлово-Дальнеигуменский [1,2].
В орогидрографическом отношении месторождение расположено в области водораздела рек Псёл, Ворскла, Липовый Донец, рассеченного сетью оврагов и балок.
Железные руды месторождения представлены двумя типами:
богатыми железными рудами - рудами, пригодными для металлургического передела без предварительного обогащения;
железистыми кварцитами - остаточными (бедными) рудами, из которых производится высококачественное металлургическое сырье - магнетитовый концентрат.
Остаточные руды составляют основные запасы месторождения. По инженерно-геологическим признакам остаточные руды Яковлевского месторождения подразделяются на две основные группы - крепкие (плотные), с сопротивлением одноосному сжатию более 400 кг/см и руды малой крепости, с сопротивлением одноосному сжатию менее 400 кг/см .
На основании изучения структурно-текстурных особенностей и инженерно-геологических свойств была разработана более подробная классификация остаточных руд, по которым они подразделяются на:
крепкие;
средней крепости;
руды малой крепости, которые в свою очередь делятся на мягкие и легкоразрыхляемые.
Крепкие и средней крепости руды развиты главным образом в верхней части разреза, однако местами здесь встречаются и легкоразрыхляемые руды.
На долю крепких и средней крепости руд приходится 55 % от общей мощности, а остальные 45% представлены мягкими и легкоразрыхляемыми рудами.
К рудовмещающим породам на месторождении относятся железистые кварциты и сланцы.
Железистые кварциты слагают лежачий бок рудной залежи и являются крепкими рудами с сопротивлением сжатию порядка 2000-3000 кг/см , однако их трещиноватые и выветрелые разновидности обладают значительно меньшей прочностью.
Сланцы - филлитовые и углистые, метаморфизованные - залегают в висячем боку рудной залежи, образуя непосредственную кровлю для северовосточной ее части. Это довольно крепкие породы с временным сопротивлением сжатию 400-800 кг/см . Однако в верхней, выветрелой зоне сланцы обладают значительно меньшей прочностью и местами представляют собой глиноподобные, почти пластичные породы.
Из пород осадочной толщи наибольшее значение при разработке месторождения имеют их нижние горизонты, непосредственно залегающие в кровле железистых руд или вблизи от нее. В кровле богатых железных руд залегают сланцы висячего бока, переотложенные руды, а также бокситоподобные породы и известняки с прослоями глин каменноугольной системы. Мощность каменноугольных известняков равна 15-55 м. Известняки каменноугольной системы обладают большой прочностью: значение их временного сопротивления сжатию - 400-900 кг/см . Однако в пределах рудной полосы, известняки трещиноваты, закарстованы и переслаиваются с глинами, что значительно ослабевает их прочность.
Инженерно-геологические и гидрогеологические условия Яковлевского месторождения являются сложными, что обусловлено большой глубиной залегания полезного ископаемого, степенью устойчивости руд и вмещающих пород в горных выработках, состоянием осадочной толщи, перекрывающей руднокристаллический комплекс горных пород и имеющей мощность более 500 м. Значительная часть богатых железных руд месторождения (до 50%) представлена слабыми рыхлыми и глиноподобными разностями, которые в обводненном состоянии обладают низкими прочностными свойствами. Слабую устойчивость в зоне выветривания (30-50 м) имеют также сланцы лежачего и висячего боков месторождения.
Надрудная толща, включающая шесть водоносных горизонтов, большая часть из которых обладает высокими гидростатическими напорами, представлена комплексом осадочных отложений, состоящих как из крепких устойчивых горных пород, так и пород с проявлением плывунных свойств.
Физико-механические свойства горных пород осадочной толщи приведены в таблице 1 [3].
Таблица 1.
Показатели физико-механических свойств^ горных пород осадочной толщи
| Инженерно- геологический комплекс | Наименован ие пород | Плотнос ть, 103 кг/м3 | Пористос ть, % | Естеств. влажнос ть, % | Водоотда ча, % | Число пластичнос ти, % | Сопро т. сжати ю, МПа |
| Нижнекаменноуголь ный | Известняк | 2,51-3,06 | 0,35-18,70 | - | - | - | 4,36 59,41 |
| Бат-байосский | Глина | 1,96-2,75 | 23,30 37,00 | 13,30 25,30 | - | 20-40 | 0,30 0,90 |
| Келловейский | Песок | 1,28 | 42,00 | - | 10-34 | - | - |
| Кимеридж- оксфордский | Глина | 2,06-2,14 | 30-40 | 16-24 | - | 21-41 | 0,10 2,00 |
| Волжский | Песчаник | 1,98-2,49 | - | - | - | - | 37,70 53,00 |
| Апт-неокомский | Глина | 2,06-2,28 | 28,00 37,50 | 16,70 19,40 | - | 5,80-18,10 | 1,0 |
| Сеноман-альбский | Мел | 1,97 | 40,00 46,00 | 16,90 35,20 | - | - | 4,20 5,00 |
| Сантонский | Мергель | 1,88 | 39,00 60,00 | 19,10 41,60 | - | - | 1,60 11,30 |
| Маастрихтский | Мел | 1,82 | 42,00 52,00 | 30,00 40,00 | - | 11,40-14,90 | 0,50 1,90 |
| Палеоген- неогеновый | Суглинок | 1,90 | 47,10 | - | - | 10,90 | - |
| Палеоген- неогеновый | Супесь | 1,56 | 40,00 | - | - | 5,50 | - |
| Четвертичный | Суглинок | 1,71 | 36,80 | - | - | 13,20 | - |
Обобщенные показатели физико-механических свойств горных пород и руд руднокристаллического комплекса приведены в таблице 2 [3].
Таблица 2.
| Наименование пород и руд | Плотность, 103, кг/м3 | Пористость, % | Угол внутр. трения, град | Удельное сцепление, МПа | Сопрот. сжатию, МПа | Модуль упругости, 1010, Па |
| Руда гидрогематит- мартитовая, крепкая | 4,29-5,12 | 15,80-29,50 | 35-42 | 2,51-7,00 | 7,80 31,94 | 2,20-3,00 |
| Руда мартит- железнослюдковая, рыхлая | 2,98-5,01 | 8,32-29,90 | 27-38 | 0,17-0,40 | 0,62-1,70 | 1,30 |
| Руда железнослюдково- мартитовая, хлоритизированная | 4,38-5,01 | 24,40-26,70 | 36-44 | 1,65-1,67 | 6,35-6,39 | 1,90-4,50 |
| Руда железнослюдково- мартитовая, карбонатизированная плотная | 4,47-4,90 | 25,90-29,40 | 42-43 | 3,51-7,20 | 15,81 23,53 | 3,10-3,92 |
| Сланец хлорит- серицитовый | 3,20-4,21 | 10,00-28,50 | 34-42 | 5,20-11,70 | 19,90 50,20 | 2,80-2,95 |
| Кварцит мартит- железнослюдковый | 3,85-4,02 | 9,00-18,20 | 38-41 | 12,46 27,80 | 55,49 121,30 | 6,00-14,10 |
Отказ от комбинированной системы осушения, которая была запроектирована институтом ВИОГЕМ, определяет дальнейшие особенности ведения горных работ в условиях Яковлевского месторождения. В соответствии с новыми техническими решениями по защите рудника от подземных вод предполагается все дренажные мероприятия осуществлять и развивать только в руднокристаллическом водоносном комплексе, то есть фактически не затрагивая нижнекаменноугольный водоносный комплекс. Наличие высоконапорного (Н=400-450 м) нижнекаменноугольного водоносного комплекса в кровле рудного тела позволяет в данных условиях классифицировать отрабатываемое месторождение, как месторождение, работы на котором осуществляются под водным объектом. Соответственно в данных условиях возможно проявление и развитие опасных инженерногеологических процессов [3,4].
Безопасность ведения горных работ требует осушения нижнекаменноугольного водоносного комплекса, снятия высоких гидростатических напоров на кровлю руднокристаллической толщи, но по экономическим соображениям содержание системы водопонижающих скважин с поверхности земли потребует весьма значительных эксплуатационных затрат на откачку воды. В связи с этим, естественный предохранительный целик обеспечивает некий паритет в решении данного вопроса, позволяет достаточно надежно, при выполнении определенного комплекса мероприятий, обеспечить изоляцию вод карбона от зоны ведения горно-капитальных, подготовительных и очистных работ.
Ведение горных работ на Яковлевском руднике под неосушенным нижнекарбоновым водоносным комплексом следует рассматривать с позиций полного исключения прорывов подземных вод из вышерасположенного водоносного комплекса. Вместе с тем, в НИЦ НТУ «НОВОТЭК» подчеркивается, что экстремальный водоприток из предполагаемой зоны дробления может достигать 1000 м /ч, что не исключает развития плывунных свойств в руде на отдельных участках месторождения, не защищенных защитным целиком.
Комплекс вопросов, связанных с развитием возможных опасных инженерно-геологических процессов и явлений, представляется весьма неоднозначным и сложным. По некоторым негативным проявлениям изменений физико-механических и инженерно-геологических свойств горных пород, развитию явлений, связанных с техногенной нагрузкой на горный массив при ведении горно-капитальных, горно-подготовительных и добычных работ отсутствуют отечественные, зарубежные и мировые аналоги. При завершении строительства и дальнейшей отработке месторождения проявление любых возможных негативных процессов и явлений отрицательно скажется на безопасности работ, объемах добычи полезного ископаемого, экономической эффективности предприятия.