2.1. Горно-геологические условия месторождения
2.1.1 Запасы месторождения и кондиции
Запасы Орловского месторождения утверждены ГКЗ СССР в 1967 г.
Промышленные кондиции на руды Орловского месторождения утверждены ГКЗ СССР в 1964 г. Они предусматривают:
минимальное промышленное содержание условной меди для оконтуривания балансовых запасов – 1 %;
переводные коэффициенты в условную медь: для меди – 1; для свинца – 0,4, для цинка (с учетом кадмия) - 0,4;
при пересчете в условную медь не учитывать содержания в пробах менее: для меди – 0,2 %; для свинца - 0,1 %; для цинка – 0,5 %;
минимальная мощность рудных тел, включаемых в подсчет запасов, для крутопадающих (более 300) – 1 м и пологопадающих – 1,6 м; при меньшей мощности, но высоком содержании руководствоваться соответствующим метропроцентом;
максимальная мощность внутрирудных прослоев пород и некондиционных руд, включаемых в контур запасов, для крутопадающих и пологопадающих рудных тел – 2 м;
бортовое содержание условной меди для подсчета запасов забалансовых руд – 0,5 %;
Состояние запасов Орловского месторождения по залежи "Основная" на 1.01.2002 г. приведено в таблице 2.1.
Таблица 2.1 Состояние запасов по залежи "Основная"
| Горизонт | Руда, тыс.т |
| 853,4 | |
| 88,1 | |
| 41,4 | |
| 371,9 | |
| 400,2 | |
| 231,4 | |
| 1700,2 | |
| 1937,7 | |
| 3933,5 | |
| 2850,4 | |
| 1391,1 | |
| 137,9 | |
| Итого | 14200,2 |
К проектированию дипломным проектом приняты запасы 11-14 горизонтов – 8312,9 тыс. тонн руды Основной рудной залежи.
2.1.2 Горно-геологическая характеристика, условия залегания рудных тел и качественная характеристика руд
Орловское месторождение расположено в юго-западной части Золотушинско-Орловского рудного поля в висячем боку Иртышского глубинного разлома.
Месторождение сложено метаморфизованными образованиями верхнего ордовика и вулканогенно-осадочными отложениями среднего и верхнего девона. Преобладающее развитие имеют породы среднего девона, которые подразделяются на лосишинскую и таловскую свиты.
Лосишинская свита сложена алевролитами и алевропилитами с прослоями туфогенных алевролитов, туфов, туффитов, альбит-порфиров и лавобрекчий кислого состава. Мощность свиты меняется от 200-250 до 800 м.
Таловская свита представлена преимущественно эффузивами кислого состава: кварцевыми порфирами, лавобрекчиями кварцевых альбит-порфиров, реже туфами кислого состава. Мощность свиты – 500 м.
Повсеместно распространены кайнозойские отложения, представленные суглинками, песками и глинами. Суммарная мощность рыхлых отложений достигает 120 м.
Интрузивные образования представлены субвулканическими фельзитовидными альбит-порфирами средне-верхнедевонского возраста и плагиогранит-порфирами, гранодиорит-порфирами змеиногорского комплекса. Ряд интрузивных пород завершается комплексом малых интрузий постзмеиногорского возраста – дайками диабазовых, диоритовых порфиритов и микрогранодиорит-порфиров.
Структура месторождения представляет собой тектонический блок горст-антиклинарного типа. Восточной границей месторождения служит крутопадающий субмеридиональный Восточный разлом, с севера месторождение обрамлено массивом гранодиоритов, юго-западной границей является Березовский надвиг.
Рудоконтролирующим на Орловском месторождении является контакт лосишинской и таловской свит. В процессе рудоотложения вмещающие породы подверглись гидротермальному метаморфизму, выразившемуся в образовании хлоритовых, серицитовых, хлорит-карбонатных и кварцевых метасоматитов. Мощность измененных пород колеблется от первых метров до 100-150 м и более. Зона околорудных метасоматитов имеет асимметричное строение: мощность ее в лежачем боку рудных тел в 3-10 раз превосходит мощность в висячем боку. Длина зоны околорудных метасоматитов по простиранию превышает длину рудных тел не менее чем на 600-700 м, а в ширину она примерно в 1,5 раза больше мощности рудных тел. Характерна частая перемежаемость пород: лав и лавобрекчий риолитов, туфов и туффитов кислого состава, серицитов, хлоритолитов по лавам андезито-базальтового состава. Общее субмеридиональное простирание рудовмещающей зоны к северу сменяется на северо-восточное.
Рудные тела представлены сложными межпластовыми залежами, залегающими на глубине от 70 до 1200 м от поверхности.
Продуктивный контакт и подстилающая рудную зону толща пород осложнены дополнительной складчатостью и двумя основными системами тектонических нарушений субмеридионального и субширотного направлений. Наиболее крупный широтный разлом проходит между Вторым и Третьим рудными телами, ограничивая в то же время Первое рудное тело и залежь "Новую" с юга.
В пределах Орловского месторождения разведаны рудные залежи "Основная", "Новая", "Громовская" и ряд обособленных линз (линзы №№ 45, 46 и другие).
Основная залежь состоит из четырех сопряженных через тектонические нарушения рудных тел, залегающих на глубине от 70 до 700 м. Залежь имеет северо-восточное простирание.
Первое рудное тело расположено в прикупольной части антиклинальной складки на глубине 70-175 м и выходит непосредственно под рыхлые отложения. Максимальная мощность его (44 м) отмечается в южной части, в направлении к северному флангу рудное тело выклинивается. Длина его по простиранию – 300 м, по падению (в среднем) – 145 м (максимальная до 180 м). Средняя мощность – 19 м, угол падения – 30-650 на запад.
Второе рудное тело делится на две части: пологую и крутую. Крутопадающая часть, соприкасающаяся с Первым рудным телом, приурочена к флексурному изгибу, имеет длину по простиранию около 300 м, по падению – 180-200 м, мощность ее изменяется от 1 до 15 м и составляет в среднем 8 м. Основная часть запасов (95 %) находится в нижней пологой части, залегающей на глубинах 350-700 м от поверхности. Второе рудное тело падает на запад под углом 20-450. Длина его по простиранию составляет 660 м, по падению – около 400 м, средняя мощность пологой части 35 м.
Третье рудное тело локализуется на продолжении Второго рудного тела на юго-запад. По простиранию оно разведано на 250 м при ширине 200 м. Угол падения его составляет 20-450, средняя мощность – 16,2 м. В генеральном подсчете запасов [1] Третье рудное тело объединено с Четвертым. В висячем и лежачем боках рудных тел Основной залежи разведано свыше двух десятков мелких линз. Линзы располагаются как среди эффузивов надрудной толщи, так и среди кремнистых алевролитов лежачего бока рудной зоны. Промышленный тип месторождения – колчеданно-полиметаллический. Основными полезными компонентами руд месторождения являются медь, цинк, свинец. Подчиненное значение имеют золото, серебро, кадмий, селен, сера пиритная, барит.
По структурно-текстурным особенностям в сульфидных рудах четко выделяются сплошные и вкрапленные разновидности, которые в свою очередь по минералогическому составу подразделяются на медно-колчеданные, медно-цинковые и полиметаллические. В названных типах руд отмечены разности, ха- рактеризующиеся преобладанием какого-либо основного минерала. Так, среди медно-колчеданных руд наблюдаются серно-колчеданные, а среди сплошных полиметаллических – барит-полиметаллические.В таблице 2.2 приведена классификация основных природных типов руд, предложенная ВНИИцветметом [15], в основу которой положено содержание основных полезных компонентов.
Таблица 2.2 - Классификация природных типов руд
| Типы руд | Содержание основных металлов, % | ||
| Cu | Pb | Zn | |
| Барит-полиметаллические | более 0,5 | более 0,6 | более 1,0 |
| Медно-цинковые | более 1,0 | менее 0,6 | более 1,0 |
| Сплошные и вкрапленные медно-колчеданные | более 1,0 | менее 0,2 | менее 1,0 |
В первичных сульфидных рудах основными рудными минералами являются халькопирит, сфалерит, галенит, пирит; второстепенными – магнетит и барит. Нерудные минералы представлены кварцем, хлоритом, серицитом, карбонатом и реже флюоритом.
В зоне окисления основными рудными минералами являются ковеллин, халькозин, борнит, англезит, церуссит, плюмбоярозит. Кроме них присутствуют гидрогетит, гетит и ярозит. Нерудные минералы представлены опалом, реже халцедоном, кварцем, галлуазитом.
В рудной зоне Орловского месторождения выделенные природные типы сульфидных руд распространены повсеместно. В их распределении наблюдается четкая закономерность, которую можно использовать при планировании горных работ и эксплуатации месторождения. Барит-полиметаллические руды сосредоточены на контакте с породами висячего бока в верхней части рудной зоны, они подстилаются медно-цинковыми, которые в свою очередь сменяются в направлении к контакту с породами лежачего бока сплошными, а затем вкрапленными медно-колчеданными рудами. Эта четкая зональность по мощности рудной залежи хорошо прослежена в центральной и северной части месторождения. На южном фланге она усложняется перемежаемостью барит-полиметаллических и медно-цинковых, медно-колчеданных и медно-цинковых руд. Сплошные медно-колчеданные руды могут иногда залегать внутри контура вкрапленных, но всегда в висячем боку зоны распространения медно-колчеданных руд. Выше барит-полиметаллических руд на отдельных участках отмечаются небольшие линзы вкрапленных медно-цинковых и медно-колчеданных руд. Указанные нарушения зональности носят локальный характер, определяющим же является упорядоченное, зональное залегание природных типов руд.
Природные типы руд обычно не образуют изолированных рудных тел и залегают совместно в единой рудной зоне. Мелкие линзовидные рудные тела выявлены на флангах рудной зоны в висячем и, в основном, в лежачем боку. Длина таких линз по простиранию от 20-25 до 100-150 м при мощности от 2-3 до 10-12 м. По падению они прослежены на расстояние от 50-60 до 150-200 м. В контуре единой рудной залежи природные типы руд обособляются в виде линзовидных тел или плит протяженностью по простиранию от 30-40 до 500-560 м, по падению – от 100-120 до 550-600 м при мощности от 5-10 до 40-50 м. Среди сплошных руд наиболее крупные массивы слагают барит-полиметаллические руды, самые мелкие – медно-колчеданные. Вкрапленные медно-колчеданные руды залегают у лежачего бока рудной залежи почти непрерывной плитой мощностью до 50 м. Здесь же сосредоточены и наиболее многочисленные линзовидные тела.
2.2. Горно-технические условия месторождения
2.2.1 Физико-технические свойства руд и вмещающих пород
Анализ показывает, что свойства одних и тех же разновидностей руд и пород с глубиной значительно изменяются. В таблице 2.3 приведены пределы изменения и прочности пород на одноосное сжатие.
Таблица 2.3 - Изменение прочности руд и пород Орловского месторождения с глубиной
| Породы и руды | Глубина отбора проб, м | |||||
| 200¸300 | 300¸700 | |||||
| Прочность на одноосное сжатие МПа | ||||||
| от | до | среднее | от | до | среднее | |
| Лавобрекчии альбит-порфиров | 56,8 | 108,6 | ||||
| Лавы альбит-порфиров | 76,4 | |||||
| Кварцевые альбит-порфиры | 129,4 | 153,6 | ||||
| Плагиоклазовые порфиры | ||||||
| Алевролиты глинисто-кремнистые | 80,4 | |||||
| Алевролиты кремнистые | 120,2 | |||||
| Туфоалевропесчаники | 100,7 | |||||
| Хлоритовые породы | 38,6 | 64,6 | ||||
| Сплошная барит-полиметаллическая руда | 63,3 | 130,6 | ||||
| Вкрапленная медно-колчеданная руда в хлоритолитах | 54,65 | 165,9 | ||||
| Сплошная медно-колчеданная руда | ||||||
| Сплошная медно-цинковая руда | 14,7 |
В таблице 2.4 приведены усредненные плотностные, прочностные и упругие свойства основных разновидностей руд и пород месторождения в околорудной и рудной зонах.
Таблица 2.4 - Усредненные физико-механические свойства руд и пород
| Породы и руды | Предел прочности на сжатие sсж, МПа | Предел прочности на растяжение sр, МПа | Динамический модуль упругости Е´10-4, МПа | Коэффициент Пуассона m | Объемный вес g, МН/м3 |
| Альбит-порфиры | 7,6 | 0,22 | 0,0271 | ||
| Алевролиты глинисто-кремнистые | 7,2 | 0,18 | 0,0275 | ||
| Алевролиты кремнистые | 8,5 | 0,23 | 0,0287 | ||
| Туфоалевропесчаники | 8,5 | 0,25 | 0,028 | ||
| Туфоалевролиты | 5,8 | 0,15 | 0,0292 | ||
| Сплошная барит-полиметаллическая руда | 12,9 | 0,21 | 0,0464 | ||
| Вкрапленная медно-колчеданная руда в метасоматитах | 9,9 | 0,26 | 0,0316 | ||
| Вкрапленная медно-колчеданная руда в хлоритолитах | 9,8 | 0,15 | 0,0393 | ||
| Вкрапленная медно-колчеданная руда в кремнистых алевролитах | 8,4 | 0,22 | 0,029 | ||
| Медно-колчеданная руда | 12,5 | 0,23 | 0,0435 | ||
| Сплошная полиметаллическая руда | 14,0 | 0,25 | 0,0450 | ||
| Сплошная медно-цинковая руда | 14,8 | 0,24 | 0,0468 |
Из всего разнообразия горно-технологических свойств руд и пород в лабораторных условиях оценивалась только их часть: коэффициенты крепости и хрупкости, абразивность и контактная прочность.
Крепость пород по М.М. Протодьяконову (таблица 2.5) оценивалась по прочности образцов на одноосное сжатие. Коэффициент хрупкости рассчитывался по отношению пределов прочности породы при сжатии и растяжении. Абразивность определялась методом истирания стального стержня.
Таблица 2.5 - Крепость пород и руд Орловского месторождения
| Породы и руды | Коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову |
| Породы висячего бока | |
| Кварцевые альбит-порфиры | 10-14 |
| Лавобрекчии кварцевых альбит-порфиров | 7-11 |
| Лавобрекчии кварцевых альбит-порфиров (гидротермально измененные) | 4-5 |
| Кремнистые алевролиты | 7-8 |
| Алевролиты, туфогенные алевропесчаники | 5-6 |
| Туфы разного состава | 9-10 |
| Рудная зона | |
| Сплошные медно-колчеданные, медно-цинковые и баритсодержащие руды | 8-12 |
| Вкрапленные руды | 5-9 |
| Вкрапленные окремненные руды | 10-11 |
| Хлоритовые породы (хлоритолиты) | 1-3 |
| Породы лежачего бока | |
| Каолиновые породы | 1-2 |
| Хлоритовые породы (хлоритолиты) | 2-4 |
| Алевролиты глинистые | 4-6 |
| Микрокварциты | 8-10 |
| Туфопесчаники | 4-6 |
| Жильные породы | |
| Диабазовые порфириты | 5-6 |
| Плагиоклазовые гранит-порфиры |
Коэффициент хрупкости для руд и пород Орловского месторождения изменяется в широких пределах от 4 до 12. К наиболее хрупким отнесены сплошные разновидности руд и вкрапленные медно-колчеданные руды по кварцитам, а также кремнистые алевролиты.
Контактная прочность изменяется от 7 до 200 кГ/мм2. Наибольшей контактной прочностью обладают кварц-альбитовые порфиры и туфы кислого состава. Наименьшей – кварц-карбонат-хлоритовая порода и халькопирит-пиритовые руды.
По абразивности, в соответствии со шкалой Барона Л.И., большинство руд и пород месторождения отнесены к IV классу (19¸30 мг) – среднеабразивные.
2.2.2 Устойчивость руд и вмещающих пород
Устойчивость обнажений руд и пород зависит от их прочности, трещиноватости, тектонической нарушенности, степени хлоритизации и серицитизации, а также от времени существования обнажений и глубины разработки. В основу районирования по устойчивости положена классификация ВНИМИ, согласно которой все руды и породы подразделяются на четыре категории устойчивости (таблица 2.6).
Таблица 2.6- Устойчивость руд и пород Орловского месторождения
| Категория | Наименование руд и пород | Характерные квалификационные признаки | Коэффициент крепости, f |
| Устойчи-вые | Сплошные барит-полиметаллические руды, кварцевые альбитпорфиры, плагиогранитпорфиры | Монолитные, оруденелые, окварцованные породы, отсутствие открытых трещин, расстояние между трещинами не менее 200 мм | 13 - 18 |
| Среднеустойчивые | Сплошные медно-цинковые руды, сплошные медно-колчеданные руды, алевролиты, кремнистые измененные туфы | Массивные, сланцеватые руды и породы с несколькими системами трещин, расстояние между трещинами 100 мм. | 10- 17 |
| Слабоустойчивые | Вкрапленные руды в алевролитах, туфопесчаники, алевропесчаники, алевролиты кремнисто-глинистые | Нарушенные руды и породы, имеющие до трех систем трещин, расстояние между ними менее 100 мм. | 6 - 17 |
| Неустойчивые | Вкрапленные руды в хлоритолитах, туфогенно-осадочные породы, хлоритовые и серицитовые породы | Тектонически ослабленные породы, имеющие не менее 3-х систем трещин с расстоянием менее 25 мм | 3 - 5 |
Установлено, что на 7¸11 горизонтах преобладают три категории устойчивости руд и пород: устойчивые, средней устойчивости, неустойчивые. В незначительном объеме встречаются весьма устойчивые и весьма неустойчивые породы и руды.
2.2.3 Оценка степени удароопасности месторождения
Орловское месторождение по заключению ВНИМИ с глубины 600 м отнесено к склонным к горным ударам.
Сплошные барит-полиметаллические руды, медно-цинковые, сплошные и вкрапленные по кварцитам медно-колчеданные руды отнесены к склонным к динамическим проявлениям горного давления. Вмещающие породы по упругим свойствам и характеру разрушения отнесены, за редким исключением, к не склонным к горным ударам.
В процессе отработки запасов девятого и десятого горизонтов (глубина 500¸550 м) были отмечены случаи динамических проявлений горного давления в виде интенсивного заколообразования, "шелушения" и стреляния пород, количество которых возрастало по мере увеличения глубины разработки. Эти явления имеют место, когда:
- отрабатывается рудный слой (кровля и почва слоя представлены рудой) и отработано более 3/4 запасов слоя;
- работы ведутся вблизи висячего бока по сплошным барит-полиметаллическим, медно-цинковым или медно-колчеданным рудам;
- работы ведутся за пределами защищенной зоны, образованной отработкой вышележащих или нижележащих горизонтов;
- динамические явления наблюдаются в выработках, пройденных во временных рудных целиках.
В соответствии с "Инструкцией по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, склонных к горным ударам" [36] вскрытие, подготовка и порядок отработки залежей, опасных по горным ударам, должны осуществляться с соблюдением следующих принципов:
- вскрытие месторождения, подготовку и отработку рудных тел (залежей) производить при минимальной изрезанности рудного массива, обеспечивая планомерное извлечение запасов без образования участков, целиков с концентрацией напряжений, способных вызвать горный удар;
- выбор мест расположения стволов шахт и выработок околоствольного комплекса осуществлять в неудароопасных или наименее опасных породах;
- горные выработки проходить преимущественно в направлении наибольшего из напряжений, действующих в массиве горных пород;
- горные работы следует вести без оставления жестких целиков преимущественно расходящимися фронтами очистной выемки или с отработкой одним фронтом от фланга к флангу;
- осуществлять меры разгрузки массива от повышенных концентраций напряжений с использованием опережающей надработки или подработки, методов локальной разгрузки, придания искусственной податливости конструкции.
- проект на отработку месторождения должен содержать разделы, касающиеся мер по прогнозированию и предотвращению горных ударов.
2.2.4 Газоносность месторождения, склонность к самовозгоранию руд и вмещающих пород, взрывоопасность сульфидной пыли и силикозоопасность Орловском месторождение не является газоопасным.
Отдельные участки месторождения отнесены к пожароопасным по ряду факторов:
- большая мощность и крутое падение рудных тел;
- приуроченность рудной залежи к области дизъюнктивного тектонического нарушения и наличие пострудных сбросов, которым сопутствуют участки мелко раздробленной перетертой руды мощностью до 3¸4 м;
- высокое содержание в сплошных рудах пожароопасных минералов: пирита, халькопирита, сфалерита;
- значительное развитие в рудах мельниковит-пирита и легковоспламеняемой разновидности сульфида железа;
- присутствие в рудах ксиломорфных текстур, характеризующихся высокой пористостью;
- высокая окислительная способность руд, установленная термографическими исследованиями;
- значительная пористость руд, повышающая поверхность окисления.
Исследования ВНИИцветмета показали, что при содержании серы в руде 35 % и выше, мощности рудных тел 15¸30 м и кислых шахтных водах (рН в воде на Орловском руднике достигает 2,2) создаются благоприятные условия для самопроизвольного загорания и взрыва аммиачно-селитренных ВВ. Поэтому Орловское месторождение отнесено к категории взрывоопасных в отношении самопроизвольных взрывов аммиачно-селитренных ВВ. В этом случае необходимо выполнять следующие мероприятия:
- проводить районирование месторождения с выделением участков, на которых потенциально возможно загорание и взрывы аммиачно-селитренных ВВ;
- вести постоянный контроль за температурой и агрессивностью рудничных вод на потенциально опасных участках;
- определять допустимое время пребывания в рудном массиве скважинных зарядов, исходя из конкретных условий отрабатываемых участков.
Изучением химического и минералогического состава руд Орловского месторождения и данными по взрывоопасности руд других месторождений установлено:
взрывоопасным минералом, входящим в состав руд Орловского месторождения, является только пирит, содержание которого и определяет взрывоопасность. Остальные сульфидные минералы – халькопирит, сфалерит, галенит, барит не являются взрывоопасными, однако их присутствие в составе пиритсодержащих руд уменьшает взрывоопасность последних;
к взрывоопасным следует относить медно-колчеданные и колчеданно-полиметаллические руды, которые содержат в своем составе свыше 65 % пирита или более 35 % пиритной серы.
Взрыв сульфидной пыли возникает при ее определенной дисперсности, химической активности и концентрации в пылевом облаке и при наличии источника воспламенения достаточной мощности.
Источниками образования пыли на руднике являются:
- буро-взрывные работы при отбойке руды;
- выпуск руды из камер и рудоспусков;
- вторичное дробление негабаритов.
Поэтому для безопасного ведения горных работ в забоях на Орловском месторождении в соответствии с ЕПБ при взрывных работах [4] и "Инструкцией по мерам безопасности и предупреждению взрывов сульфидной пыли на подземных рудниках, разрабатывающих пиритсодержащие руды" необходимо выполнять следующие основные мероприятия:
- взрывные работы должны производиться в межсменные перерывы при отсутствии людей на пути движения исходящей струи воздуха и не более 150 м от взрываемого забоя со стороны поступления свежей струи воздуха;
- перед взрывными работами необходимо проводить смачивание водой всей поверхности выработки на расстоянии 10 м от забоя;
- взрывание шпуров (скважин) должно осуществляться только электрическим способом;
- запрещается взрывание шпуров (скважин) без забойки;
- при вторичном дроблении руды накладными зарядами они должны покрываться с внешней стороны оболочкой, гидропастой или увлажненной глиной.
Содержание свободной кремниевой кислоты в рудах и породах месторождения достигает 29 %, поэтому оно отнесено к силикозоопасным. Предельно допустимая концентрация пыли в воздухе на рабочих местах не должна превышать 2 мг/м3.