Литологическая и инженерно-геологическая характеристика пород толбачанской свиты в пределах шахтного поля трубки Мир

В результате затопления действующего подземного рудника трубки Мир из-за негативных гидрогеомеханических процессов дальнейшая отработка месторождения связана с возобновлением добычи полезных ископаемых на глубинах 1000–1400 м от дневной поверхности. Изучение литологического состава и определение основных физикомеханических характеристик вмещающих пород является важной составляющей определения горно-геологических условий отработки месторождений, т.к. в ходе специализированных исследований определяются основные показатели и параметры, необходимые не только для проектирования, но и для разработки технических решений, направ- ленных на обеспечение безопасной отработки месторождения. Наибольшее внимание горно-геологическим условиям целесообразно уделять при переходе на подземный способ отработки, требующий существенного повышения детальности проводимых исследований. К таким исследованиям относится литологическое и инженерно-геологическое изучение вмещающих толщ, включающее литолого-фациальную характеристику пород, лабораторные определения их физических и механических свойств, схематизацию и стратификацию отложений по определенным параметрам (Александров и др., 2005). Кроме того, важной задачей является определение газоносности вмещающих кимберлитовую трубку пород, т.к. данный фактор обусловливает отнесение подземного рудни-

ка к опасным по газонефтепроявлениям (Ян-никова и др., 2021). В связи с этим проходка подземных выработок в мощных карбонатных пластах осуществляется после обуривания массива пород перед забоем выработок опережающими дегазационными скважинами (Дроздов и др., 2008, 2012; Соколов и др., 2012).

Целью представленной статьи является литологическая и инженерно-геологическая характеристика пород толбачанской свиты в пределах шахтного поля месторождения трубка Мир, что необходимо для возобновления отработки месторождения и безопасной проходки системы подземных горных выработок рудника. Достижение поставленной цели осуществлялось при помощи полевого изучения кернового материала, лабораторных определений основных физических и механических свойств пород.

Характеристика объекта исследований

Трубка Мир – коренное месторождение алмазов, расположенное в пределах Мирнинского кимберлитового поля, относящегося к Якутской алмазоносной провинции. Трубка прорывает субгоризонтально залегающие галогенно-карбонатные и терригенно- карбонатные отложения нижнего палеозоя. С поверхности она перекрыта маломощной (до 9,2 м) толщей нижнемезозойских отложений (Гидрогеология…, 1970; Харькив и др., 1998; Подчасов и др., 2004). Нижнесреднекембрийские отложения развиты на всей территории Сибирской платформы. Они стратиграфически залегают на вендских образованиях и перекрыты красноцветными породами среднего – верхнего кембрия (Мельников и др., 2009).

В отметках -690/-1300 м вмещающие породы представлены толбачанской, эльгян-ской, нелбинской и юрегинской свитами. Толбачанская свита (Є 1 tb ) выделена и охарактеризована в 1945 г. А.К. Бобровым (Бодунов и др., 1986). В пределах шахтного поля трубки Мир впервые вскрыта на всю мощность в 2020–2021 гг. опытными скважинами №309 и №310. Скважина №309 расположена на юго-восточном борту карьера Мир, скважина №310 – на северном борту карьера, обе опытные скважины находятся в радиусе 1 км от первой бермы карьера.

Толбачанская свита согласно залегает на породах эльгянской, перекрыта породами олекминской свиты нижнего кембрия. Мощность свиты составляет 360–380 м (рис. 1).

Рис. 1. Геологическая карта изучаемого участка (составлена по материалам Ботуобинской и Мирнинской ГРЭ) (Янников, 2019, 2021)

Свита сложена ритмично переслаивающимися пачками карбонатных (известняки, доломиты, известковистые доломиты) и карбонатно-сульфатно-глинистых пород (мергелей, аргиллитов, ангидритов) (Кузнецов и др., 2000).

Материалы и методы

Изучение кернового материала выполнялось в полевых и лабораторных условиях по стандартным и утверждённым методикам (Акишев и др., 2012; Ваганов, 2000; Коноваленко, 2012). В полевых условиях велось литологическое и инженерно-геологическое описание керновых проб с последующим поинтервальным отбором представительных образцов. Отбиралось по 1 образцу длиной до 0,5 м с интервала в 10 м. В случае, если интервал был сложен несколькими литологическими разностями пород, количество проб соразмерно увеличивалось. В последующем минералогический состав части отобранных проб изучался в прозрачнополированных шлифах на световом микроскопе. Всего по скважине №309 отобрано 37 проб, а по скважине №310 - 36. Определение физико-механических свойств горных пород выполнялось лабораторией геомеханики института «Якутнипроалмаз» АК АЛРОСА (ПАО).

Результаты исследований и их обсуждение

Литолого-фациальные особенности пород толбачанской свиты. Изучение литологических типов толбачанской свиты и их взаимоотношений необходимо для выяснения степени однородности и возможной изменчивости строения, состава и свойств толщи, так как это оказывает влияние и на физико-механические характеристики пород.

В пределах шахтного поля трубки Мир опытными скважинами №309 и №310 был вскрыт полный разрез толбачанской свиты. Скважина №309 вскрыла отложения свиты в интервале 1033,0-1408,8 м от дневной поверхности (абс. отм. -694,3/-1070,1 м), скважина №310 в интервале 1057,6-1436,5 м от дневной поверхности (абс. отм. -701,7/1080,6 м). По литологическому признаку свита разделяется на 2 пачки. Верхняя со- стоит из карбонатных (доломиты) и галогенных (галит, ангидрит) пород. Мощность пачки от 182 м (скважина №309) до 187 м (скважина №310). Нижняя состоит из ритмичного переслаивания карбонатных (доломиты и известняки) и терригенно-карбонатных (мергели) пород. Мощность пачки от 192 м (скважина №310) до 193 м (скважина №309) (рис. 2).

В результате полевых и лабораторных исследований в толще толбачанской свиты были выделены следующие основные литологические разности: каменная соль; ангидриты; пестроцветные мергели различной степени доломитистости; строматолитовые известняки; известняки и доломиты различной степени магнезиальности и глинистости; доломиты; окремненные доломиты; карбонатные брекчии (рис. 3). Галогенные породы рыжевато-коричневые до бурых, на некоторых участках бежевые и полупрозрачные, средне-крупнокристаллические, с примесью терригенно-карбонатного материала и маломощными прослойками (до 0,07 м) серых доломитов и бурых аргиллитов. В разрезе толбачанской свиты по скважине №309 выделяется 9 пластов каменной соли в интервалах: 1033-1036,2 (-694,3/-697,5); 1038,11041,9 (-699,4/-703,2); 1090,6-1096,0 (-751,9/757,3); 1099,3-1103,0 (-760,6/-764,3); 1104,11109,2 (-765,4/-770,5); 1109,2-1118,5 (-770,5/779,8); 1128,2-1140,2 (-789,5/-801,5); 1142,91156,2 (-804,2/-817,5); 1209,5-1215,0 (-870,8/876,3). По скважине №310 выделяется 8 пластов каменной соли в интервалах: 10571060,6 (-701,4/-704,7); 1062,2-1065,7 (-706,3/709,8); 1114,9-1119,4 (-759/-763,5); 1122,81127,8 (-766,9/-771,9); 1129,2-1144,9 (-773,3/789); 1153,8-1165 (-797,9/-809,1); 1167,41180,5 (-811,5/-824,6); 1238,7-1244,2 (-882,8/888,3). Сравнительная характеристика соле-насыщенности представлена в табл. 1. Ангидриты в разрезе представлены отдельными прослоями мощностью от 0,1 до 1,0 м и занимают подчиненное положение. Терриген-но-карбонатные породы, как правило, представлены тонко-ритмичными пестроцветными мергелями, реже глинистыми алевролитами, причём мощность ритмов не превышает 3 м. В процентном соотношении терри-генно-карбонатные породы составляют порядка 10% разреза.

Олекминская свита, сложена переслаиванием доломитов, известковистых.

глинистых, известняков доломитистых. ангидрито-доломитов с прослоями ангидритов. Общая мощность отложений свиты ~1 85 м.

метров. Общая мощность отложений свиты от 375 до 379.5 м.

Общая мощность отложений свиты от 136 до 158 м.

Элыянская свита, представлена известняками доломитизированными с прослоями водорослевых известняков Общая мощность свиты от 40 до 41 м.

J II II II

Рис. 2. Литолого-стратиграфическая колонка, составленная по скв. №309 и №310 в интервале от -690 м до -1670 м

Тол□аданская свита, сложена доломитами с прослоями известняков, ангидритов, каменной соли и мергелей.Верхняя пачка -галогенно-карбонатная, мощностью 125 метр, соленащеность верхней пачки превышает 50%, Нижняя пачка карбонатная, мощностью порядка 250

Нел би некая свита, сложена переслаиванием пластов каменной соли и извест няков с прослоями аргиллитов. Общая мощность отложений сви ты от 42 до 44 м .__

Юрегинская свита, представлена чередованием доломитов глинистых, пелитоморфных кавернозных, алевролитов серых, солей полупрозрачных.

Таблица 1. Соленасыщенность толбачанской свиты в районе трубки Мир (скв. №309 и №310)

№ п/п	Параметр	Скважина №309	Скважина №310
1	Вскрытая мощность свиты, м.	375,0	379,5
2	Суммарная мощность пластов соли, м.	61,3	61,8
3	Соленасыщенность, %	16,3	16,3
4	Количество пластов соли, шт.	9	8
5	Минимальная мощность пласта соли, м.	3,2	3,3
6	Максимальная мощность пласта соли, м.	13,3	15,7

Рис. 3. Литологические типы пород толбачанской свиты (скв. №309 и №310): а) доломитовые мергели и глинистые доломиты; б) известняки; в) известняки доломитистые и доломиты известковистые; г) карбонатные брекчии: д) окремнённые доломиты; е) ангидриты и ангидритовые породы

Карбонатные породы занимают доминирующее положение, выделяются как чистые доломиты и строматолитовые известняки, так и разности с различным соотношением Са и Мg. Породы от светло- до темно-коричневато-серых, плотные массивные или слоистые, неравномерно перекристаллизованы, от мелко- до скрытокристаллических.

Чистые доломиты содержат кальцит и глинистую примесь до 5%. В глинистых доломитах содержание примеси до 30%. Выделяются значительные по мощности (до 5– 10 м) прослои окремненных доломитов. Карбонатные брекчии фиксируются только в зонах динамического воздействия разрывных нарушений, связанных с процессами текто- нической активизации территории на протяжении отдельных периодов. Необходимо отметить, что к подошве свиты начинают преобладать известковистые разности карбонатных пород.

Установлено, что практически все литологические типы пород подвержены эпигенетическим изменениям, менее 10% пород не несут существенных метаморфических или метасоматических изменений. Данный факт объясняется существенным влиянием базитового и ультрабазитового магматизма на вмещающие породы, что обусловлено не только высокими температурами расплавов и многостадийностью (многофазовостью) внедрений, но и последующими гидротермальными процессами и вертикальным мас-сопереносом, в процессе которых происходило насыщение ювенильными флюидами (Колганов и др., 2012). Изменение вмещающих пород связано, прежде всего, со следующими процессами: перекристаллизация (обнаруживается в 49% пород); выщелачивание галита (обнаруживается в 36% пород); доломитизация (обнаруживается в 31% пород); миграция углеводородов (обнаруживается в 11% пород); выщелачивание ангидрита (обнаруживается в 9% пород); окварцева-ние (обнаруживается в 7% пород); флюори-тизация (обнаруживается в 1% пород).

Тектонические и седиментационные условия в бассейне осадконакопления обусловили четкую зональность в составе отложений толбачанского времени. Отложения формировались в условиях обширной солеродной лагуны (Мельников и др., 2009, 2018). Анализ разреза свиты, охарактеризованный образцами из скважин №309 и №310, позволяет говорить о цикличности осадконакопления, проявленной в смене пород в ряду известняк → доломит → каменная соль, обусловленной эвапоритовым типом седиментации. Последовательность нарушается незавершенностью циклов, развитием процессов метасоматической доломитизации, обусловленной миграцией рассолов по геологическому разрезу, а также осложняется периодическим опреснением, проявленным в при-вносе в бассейн глинистого материала (Мельников, 2009). Отмечено, что доломитизация более масштабна на интервалах разреза с небольшой мощностью флюидоупоров

(мергелей, глинистых доломитов и ангидритов), выщелачивание галита проявляется в доломитах, в том числе пространственно тяготеющих к пластам каменной соли, а оквар-цевание отмечается чаще всего во вторичных доломитах в 10–20 м ниже пачек каменных солей.

Исходя из литологического состава пород, к хрупкому разрушению под действием сил напряжения и пластовых давлений коллекторов будут склонны именно карбонатные разности разреза, особенно окремнённые и окварцованные разности, приуроченные к вторично доломитизированным стро-матолитовым известнякам.

Инженерно-геологические особенности пород толбачанской свиты. Немаловажным фактором, требующим изучения для безопасного ведения проходческих работ, является определение газоносности и физикомеханических свойств вмещающих пород.

В результате проведенных исследований породы толбачанской свиты в пределах шахтного поля трубки Мир могут быть разделены на 11 групп по параметру газоносности. Краткая характеристика выделенных групп представлена в табл. 2. Из осадочных пород наименьшей газоносностью характеризуются галогенные породы (галит и ангидрит).

Наибольшая газоносность соотносится с карбонатными разностями, особенно приуроченным к зонам оперяющих разрывных нарушений, характеризующихся повышенным модулем открытой трещиноватости.

Отложения толбачанской свиты в пределах шахтного поля трубки Мир, как отмечалось ранее, представлены галогенно-карбонатными породами, преимущественно: галитом, доломитами, доломитами глинистыми и доломитами известковистыми, реже мергелями и ангидритами. Породы плотные, весьма плотные, крепкие, участками окремнённые. Выход керна 90–100%.

Массив отложений толбачанской свиты по физико-химическим свойствам условно можно разделить на три зоны: верхняя зона по абсолютным отметкам -694/-817 м – гало-генно-карбонатная с соленасыщеностью до 50%; средняя зона по абсолютным отметкам-817/-870 м – карбонатная; нижняя зона по абсолютным отметкам -870/-1070 м – карбо-

Таблица 2. Газоносность пород толбачанской свиты

№ группы Краткое литологическое описание Газоносность по связанным газам, м3/м3 мин. ср. макс. 1 Каменная соль 0,03 2 Ангидрит 0,06 0,07 0,08 3 Доломит ангидритовый 0,06 0,07 0,08 4 Мергель доломитовый и доломит глинистый 0,08 0,11 0,14 5 Известняк строматолитовый 0,09 0,14 0,20 6 Известняк доломитовый 0,08 0,15 0,21 7 Доломит известковый 0,12 0,14 0,16 8 Доломит 0,10 0,13 0,16 9 Доломит перекристаллизованный 0,13 0,19 0,26 10 Галит-доломитовая порода 0,07 0,18 0,25 11 Битуминизированные доломиты 0,07 0,16 0,25 натная с прослоем каменной соли, мощностью порядка 6 м.

По степени трещиноватости породы в верхней зоне сильнотрещиноватые (класс трещиноватости III, IV и V) за счёт засоло-нения по трещинам и рассланцевания и практически слабо трещиноватые в нижней зоне, но за счёт переслаивания с глинистыми разностями различной мощности прочность массива ослабевает.

По результатам механических испытаний, отложения характеризуются высокими прочностными свойствами. Наиболее прочными породами являются карбонатные разности – доломиты и известняки. Результаты испытаний приведены в табл. 3 и 4 Величина прочности на сжатие колеблется в пределах от 12 МПа до 146 МПа. Средние величины прочности на сжатие для доломитов – 69,2 МПа. Значение прочности на растяжение в породах толбачанской свиты варьирует в пределах от 2,6 МПа до 11,4 МПа. Средние величины прочности на растяжение для доломитов – 6,8 МПа. Каменная соль (галит) характеризуется низкими прочностными свойствами: предел прочности при одноосном сжатии варьирует в пределах от 12,2 до 27,5 МПа (среднее значение – 18,4 МПа); предел прочности при растяжении от 0,72 до 0,94 МПа (среднее – 0,83 МПа).

Средние величины объёмной и удельной масс карбонатных разностей мало чем отличаются друг от друга. Общая пористость ва- рьирует в пределах от 1,5 до 15,5%. Повышенные средние величины общей пористости отмечаются в доломитах (12–13%) и доломитах окремненных (15,5%). Для доломитов известковистых средняя величина общей пористости составляет 7,2–8,4%.

Выводы

Проведённые исследования позволяют сделать вывод о сложных горно-геологических условиях отработки месторождения трубки Мир в интервале толбачанской свиты. В результате выполненных работ породы изучаемой свиты были разделены не только по литологическим признакам, но и по параметру газоносности на 11 групп.

Было установлено, что практически все литологические типы пород были подвержены эпигенетическим изменениям, менее 10% пород не несли существенных метаморфо-генных или метасоматических изменений. Из осадочных пород наименьшей газоносностью характеризуются галогенные породы. Наибольшая газоносность характерна карбонатным трещиноватым разностям в зонах оперяющих разрывных нарушений.

Инженерно-геологическое изучение пород толбачанской свиты позволило выделить и охарактеризовать три отличных зоны. По степени трещиноватости породы сильно трещиноватые в верхней зоне (класс трещиноватости III, IV и V) и практически слабо

Таблица 3. Средние значения физических свойств основных литологических разностей нижнепалеозойских отложений толбачанской свиты в районе трубки Мир

Литологические разности	Влажность, %		Объёмная масса, г/см 3		Удельная масса, г/см 3		Общая пористость, %
Толбачанская свита
Карбонатные и терригенно-карбонатные n=152	0,19–4,19 1,56		2,53–2,82 2,67		2,73–2,93 2,84		3,4–15,5 7,4
Каменная соль (галит) n=10	0,65–1,13 0,83		2,14–2,16 2,15
Характеристика зон массива отложений толбачанской свиты по скважинам №309 и №310:
Верхняя зона -694/-817 м		0,12–1,74 0,87		2,14–2,91 2,49		2,80–2,98 2,89	1,3–10,6 6,2
Средняя зона -817/-870 м		0,69–21,13 0,95		2,15–2,77 2,53		2,83–2,89 2,86	3,7–13,52 8,9
Нижняя зона -870/-1070 м		0,18–4,19 1,51		2,63–2,84 2,65		2,68–3,06 2,85	1,2–16,1 7,48

Таблица 4. Средние значения прочностных свойств основных литологических разностей нижнепалеозойских отложений толбачанской свиты в районе трубки Мир

Литологические разности Предел прочности при одноосном сжатии, МПа Предел прочности при растяжении, МПа Угол внутреннего трения, град, Условное сцепление, МПа Толбачанская свита Карбонатные и терриген-но-карбонатные n=152 12,0–146,0 69,2 2,6–11,4 6,8 28,6–39,8 36,7 10,9–27,1 19,6 Каменная соль (галит) n=10 12,2–27,5 18,4 0,7–0,9 0,8 Характеристика зон массива отложений толбачанской свиты по скважинам №309 и №310: Верхняя зона -694/-817 м 34,2–56,6 45,1 4,1–6,5 5,4 28,6–43,1 37,3 6,9–22,1 16,6 Средняя зона -817/-870 м 45,5–78,4 58,9 5,4–8,0 6,8 35,0–39,8 37,3 17,6–23,0 20,7 Нижняя зона -870/-1070 м 48,8–85,5 64,8 5,1–7,6 6,3 34,1–39,6 37,2 12,3–27,1 18,2 трещиноватые в нижней зоне, но за счёт переслаивания с глинистыми разностями различной мощности прочность массива ослабевает. По результатам механических испытаний, отложения характеризуются высокими прочностными свойствами. Наиболее прочными породами являются карбонатные разности – доломиты и известняки. К хрупкому разрушению под действием сил напряжения и пластовых давлений коллекторов будут склонны окремнённые и окварцован-ные разности, приуроченные к вторично до- ломитизированным строматолитовым  из вестнякам.

Результаты исследований, представленные в данной статье, будут использованы для проектирования и нахождения технических решений, направленных на обеспечение безопасных условий отработки трубки Мир в интервале толбачанской свиты.