Горно-геологические массивы

МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД участок земной коры, характеризующийся общими условиями образования и определёнными инженерно-геологическими свойствами слагающих его горных пород.

Массивы отличаются особенностями залегания и степенью нарушенности (трещиноватостью и блочностью) слагающих горных пород, минералогическим составом, текстурой и пористостью горных пород, наличием жидких (вода, нефть, рассолы) и газообразных (метан и др.) включений, их связью с твёрдыми составляющими, а также показателями геомеханического (действующие силы, напряжения и деформации гравитационного, тектонического и техногенного происхождения) и физического (эрозионные процессы и др.) состояния. Выделение массива горных пород производится путём инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, масштабы которых устанавливаются в зависимости от поставленных целей при решении научных проблем и прикладных задач разработки месторождений полезных ископаемых и строительства.

Особенностью массива горных пород как среды действия прикладываемых сил, напряжений, развития деформаций, сдвижений и разрушений является его неоднородность: деформации сосредотачиваются преимущественно в ослабленных элементах структуры массива (в трещинах и др.), в меньшей мере деформируются блоки монолитной породы, ограниченные трещинами. Разрушение пород происходит, как правило, с образованием в направлениях максимальных значений касательных напряжений сдвиговых поверхностей скольжения, формирующихся в виде зон образования и согласного поворота примыкающих друг к другу призмообразных элементарных породных блоков. Сопротивление этому сдвигу обусловлено сопротивлением разрушению горных пород при оформлении блоков, а также сопротивлением разрыхлению при их повороте. В случаях близкой взаимной ориентировки максимальных касательных напряжений и протяжённых поверхностей ослабления массива развитие деформаций и разрушения происходит преимущественно в плоскости этого ослабления.

В зависимости от горно-геологических условий и характера проектируемых горных работ поведение и свойства горных пород массива приближённо отображают механическими закономерностями различных идеализированных классических сред. В условиях высоких трёхосно-сжимающих нагрузок (на больших глубинах разработки в удалении от свободных обнажений) механическое состояние массива с достаточной мерой приближения оценивается положениями механики сплошной среды. Условием корректного приложения к массиву этих положений является применение их к участкам массива, достаточно большим по сравнению с размерами структурных элементов. При масштабном соотношении этих размеров не менее чем 15-20-кратном неоднородность массива приближённо рассматривают как квазиоднородность. Механические свойства массива в расчётах его сопротивления и деформаций характеризуют соответствующими показателями монолитной породы, скорректированными коэффициентами структурного ослабления, зависящими от меры нарушенности массива (частоты и связности трещин) и от вида и уровня напряжённого состояния. В условиях высоких трёхосно-сжимающих напряжений и при значительном превышении размеров нагруженных зон массива по сравнению с размерами структурных элементов, значения коэффициентов структурного ослабления массива близки к единице. В условиях, близких к одноосному или двухосному напряжённому состоянию (например, в нешироких целиках и вблизи выработок), значимость структурных ослаблений (трещин, контактов) преобладает и значения коэффициента структурной ослабленности значительно меньше единицы.

Массив горных пород в этом случае является дискретно-блочной средой, устойчивость которой оценивается расчётом сцепления и трения контактов взаимно смещающихся монолитных блоков породы. Для количественной оценки влияния структурных ослаблений массива горных пород на его устойчивость, деформации, перемещения и взаимодействие с инженерными сооружениями в различных условиях используют ряд методов. Среди них — механические испытания породных образцов с естественными ослаблениями или системой искусственно созданных поверхностей нарушения сплошности породы на прессах и специальных установках (стабилометрах) с определением при различных видах и уровне напряжённого состояния, либо показателей сцепления и трения по поверхностям, либо паспорта прочности породы. Применяются и натурные испытания породы без извлечения её из массива путём искусственного нагружения оконтуренного в массиве блока с помощью нагрузочных устройств (домкратов, гидроподушек, прессиометров и др.). Из эквивалентных материалов создаются модели проектируемой горно-геологической обстановки в лабораторных условиях. Иногда такая оценка осуществляется путём проведения опытных горных работ (например, опытная подработка откосов) или использования в качестве опытных горных работ обобщённых результатов натурных наблюдений за устойчивостью массивов в аналогичных случаях горной и строительной практики.

40. Горно – геологические массивы:

Горная порода в массиве представляет собой минеральное тело определенного геологического возраста и происхождения, геометрического очертания и размера, внутреннего строения и вещественного состава. Изменение строения и состава пород в различных точках обуславливают неоднородность и анизотропность физико-механических свойств.

В массивах горных пород всегда существуют зоны повышенных и пониженных напряжений, области сжатия и растяжения, что определяет «вековое» деформирование горных пород.

На прочность горных пород в массиве оказывают влияние повышение температуры, рост физико-химической активности водных растворов, повышение растворимости при напряжениях, равных критическим, положение в структуре массива. Большое влияние на прочность в массиве оказывают гидрогеологические условия, микротрещины, выветривание.

В горном деле сталкиваются не с отдельными породами, а их толщами, составляющими массивы горных пород, которые отличаются инженерно-геологической структурой. Изучая инженерно-геологическую структуру массива, обращают внимание на строение поверхности и, прежде всего, на глубину эрозионного вреза и густоту речной сети; на горно-геологическую ярусность геологического разреза и строение ярусов и, в целом, на структурно-механические особенности.

В геологическом разрезе выделяются толщи, составляющие как бы самостоятельные этажи, сложенные из пород разнородных, но родственных по геотектоническим условиям образования. Они отличаются друг от друга горнотехническими условиями, степенью устойчивости, разрабатываемостью и т.д. – это горно-геологические ярусы.

Ярус с полезным ископаемым называется основным, верхний - покровным (первый от поверхности), ниже основного яруса – нижний.

Открытыми называются массивы, когда основной ярус выходит на поверхность земли. Остальные относятся к массивам закрытого типа.

Главной задачей при выделении горно-геологических ярусов является установление границ между фациальными комплексами. Основанием для такого выделения могут служить детали внутреннего строения массива, как, например, в однородной толще несцементированных пород твердых включений или же прослоев и линз высокопрочных пород, т.е. когда исключается возможность использования при производстве вскрышных работ высокопроизводительной техники непрерывного действия. В ряде случаев основание для выделения горно-геологических ярусов служат условия устойчивости высокопрочных пород в обнажениях горных выработок, определяемых наличием в их толще резкоослабленных пород или поверхностей ослабления и т.д.

Горно-геологическая ярусность массивов пород чаще всего вызывается качественными изменениями условий породообразования и последующих изменений состояния и свойств пород.

По признаку горно-геологической ярусности различаются массивы пород одно-, двух-, трех- и многоярусные.

По петрографическому составу выделяются горно-геологические ярусы двух основных типов:

1) в строении которых принимают участие горные породы только одного из трех петрофизических классов – твердые связные или несвязные;

2) сложенные из пород одного петрофизического класса

Тектонические условия залегания пород относятся к числу важнейших структурно-геологических характеристик

Выделяются ярусы тектонически ненарушенные (рис. а) и нарушенные с моноклинальным залеганием пород (рис. б); простого складчатого строения (рис. в) и сложного складчатого строения с интенсивно развитыми разрывными нарушениями (рис. г); с вторичной складчатостью (рис.д), а также сложного строения с внедрением интрузии (рис. е).

41. Экзогенные геологические процессы и явления:

Геологические процессы, связанные с поверхностным стоком. К ним относятся: абразия речных долин, оврагообразование, эрозия речных долин.

Абразивные процессы развиваются под воздействием волноприбоя. Подмыв и разрушение берега моря изменяет профиль очертания берега моря и его устойчивость.

Для защиты берега моря от разрушения проводятся профилактические и капитальные мероприятия. Профилактические – с целью предупреждения опасных явлений, это охрана пляжей, берегоукрепительные сооружения, наблюдения за нормальными условиями их работы, стационарные наблюдения.

Капитальные мероприятия заключаются в строительстве сооружений и береговых укреплений: волноотбойные стенки, бетонные плиты, каменные наброски, молы и др.

Эрозионные явления. При формировании речных долин ведущее значение имеет донная и боковая эрозия. Работа рек проявляется в размыве и разрушении русел, берегов и в переносе рыхлого материала, поступающего в их поток.

Для защиты берегов рек от разрушения выполняются противоэрозионные мероприятия: каменная наброска в береговой зоне, мощение, укладка бетонных плит и т.д.

Овраги образуются в результате размыва склонов, сложенных легко размокаемыми породами. Особую опасность представляют ливневые дожди.

Основная задача при защите склонов от разрушения оврагами заключается в регулировании поверхностного стока. Достигается это путем выполнения комплекса мероприятий: 1) лесомелиоративные – устройство полезащитных лесных полос; дополнение – посев многолетних трав; 2) строительство водоулавливающих и водорегулирующих сооружений (нагорные и водоотводные канавы, водоудерживающие валы и дамбы); 3) укрепление участков активного размыва засыпкой с последующим мощением камнем, свайными рядами, одерновкой; 4) строгое соблюдение правил землепользования и агротехники (установление охранных зон с запрещением вырубки леса, распашки земель и т.д).

К деятельности поверхностных вод относятся паводки на горных реках, которые проявляются в образовании селя. Селями называют происходящие на горных реках и временных водотоках паводка, несущего много твердого обломочного материала и глинистого мелкозема. Сели внезапны и кратковременны, проходят с большими скоростями течения за несколько часов, часто волнами из-за образующихся заторов.

Сели образуют определенный тип континентальных отложений - пролювий. Они слагают конусы выноса, пролювиальные шлейфы и покровы.

Защита от селевых явлений: 1) организация службы режимных наблюдений в пределах водосборного бассейна и селеопасного района; 2) устройство охранных зон; 3) выполнение лесомелиоративных работ; 4) выполнение регуляции поверхностного стока на склонах водосборного бассейна; 5) создание регулирующих и улавливающих сооружений в руслах потоков; 6) строительство каналов, селеспусков и других сооружений для организованного пропуска селевых паводков.

С одновременной деятельностью поверхностных и подземных вод связано заболачивание территорий и просадочных явлений. Болота – это участки, где в результате заболачивания происходит накопление растительных остатков и образование торфа. Наиболее благоприятные условиями для образования болот является влажный климат, равнинный рельеф, пониженные элементы рельефа и близкое залегание к поверхности грунтовых вод.

При строительстве предусматриваются все меры для сильно и неравномерно сжимаемых грунтов: армированные пояса, осадочные швы, разрезка зданий на отдельные жесткие отсеки, дренажные рвы и т.д.

Просадочные явления наблюдаются в лессах. Характеристикой их гранулометрического состава является повышенная или высокая пылеватость (до 80–82 %). Лессы характеризуются понишенной плотностью, легко размываются и быстро размокают. При оценке лессовых пород особое значение имеет определения просадочности.

Мероприятия для устойчивости зданий на лессовых породах: 1) предохранение лессовых пород от замачивания; 2) прорезка лессовых пород глубокими фундаментами; 3) устранение просадочных свойств лессовых пород; 4) применение конструкций зданий, малочувствительных к просадкам.

С деятельностью подземных вод связаны явления карста, плывунов и суффозии. В инженерной геологии карст создает большие проблемы при оценке территорий и условий строительства.

Для оценки устойчивости закарстованных территорий необходимо знать глубину залегания растворимых пород, степень их закарстованности, состав и свойства покровных отложений.

В районах распространения карста применяют следующие комплексы мероприятий: 1) планировку территорий, сопровождающуюся регуляцией поверхностного стока и устройством канализации для отвода производственных вод; 2) каптаж подземных вод и дренаж обводненных пород; 3) площадную подготовку основания; 4) устройство опор глубокого заложения; 5) искусственное уплотнение и укрепление пород; 6) устройство противофильтрационных завес; 7) разнообразные конструктивные мероприятия.

Плывуны – это слабые, неустойчивые породы, требующие применения специальных методов ведения строительных и горных работ и специальных мероприятий для обеспечения устойчивости сооружений. Причина плывунности состоит в особенностях состава, состояния и свойств песчаной породы, находящейся под воздействием гравитационных, гидростатических и гидродинамических сил, доминирующая роль которых может изменяться в зависимости от геологического строения: условий залегания плывуна и условий вскрытия.

При строительстве сооружений в плывунах применяют специальные способы проходки, которые могут быть подразделены на следующие группы.

1. Проходка подземной выработки с помощью ограждающих крепей, опережающих забой. Такая проходка сопровождается водоотливом и понижением уровня воды водопонижающими скважинами, располагающимися по контуру подземной выработки.

2. Проходка подземной выработки после замораживания пород, которое производят охлаждением пород до температуры –20⁰С рассолом, циркулирующих в замораживающих колонках.

3. В плывунах, обладающих повышенным напором, проходку подземных выработок часто осуществляют с помощью проходческих щитов, в которых создают повышенное давление воздуха.

Суффозия – это процесс выноса мелких частиц из породы, заполнителя трещин или карстовых полостей при определенных условиях. Основными действующими силами, вызывающими развитие суффозии, являются либо большие скорости движения фильтрационного потока, который вымывает частицы, размывает породы, либо возникающее гидродинамическое давление в фильтрационном потоке.

Для предупреждения суффозии снижают уровни подземных вод дренажами на опасных участках. С целью уменьшения градиентов потока устраивают шпунтовые ограждения и противофильтрационные завесы для увеличения длины пути фильтрации.

Действие гравитационных сил проявляется в виде оползней и овалов.

Оползнем называется масса горных пород, сползшая или сползающая вниз по склону под влиянием силы тяжести, гидродинамического давления, сейсмических процессов и др. Оползневые явления всегда сопровождаются изменением рельефа местности, ее геологического строения.

Каждый оползень обладает той или иной степенью устойчивости, которая зависит от причин, вызывающих сползание грунта и степенью их устранения.

Инженерно-геологическая оценка устойчивости оползня должна быть комплексной (качественной и в конечном счете обязательно количественной), она должна основываться на данных изучения: морфологии, строения (структуры) оползня; динамики развития оползневых явлений; соотношения усилий, сдвигающих и удерживающих, определяющих равновесие горных масс, слагающих оползень.

В настоящее время в практике борьбы с оползнями применяют следующие группы мероприятий: 1) регулирование поверхностного стока; 2) дренаж обводненных горных пород; 3) перераспределение масс горных пород; 4) защита от подмыва и размыва; 5) закрепление масс горных пород подпорными и анкерными сооружениями; 6) искусственное улучшение свойств горных пород; 7) мелиоративные работы; 8) профилактические мероприятия.

Обвальные явления развиваются под влиянием гравитационных сил на склонах и откосах, к ним относятся собственно обвалы, вывалы и осыпи.

Вывал – это внезапный отрыв и падение отдельных глыб и блоков горных пород из откосов выемок, бортов карьеров, с крутых и отвесных склонов, сложенных скальными или полускальными породами.

Осыпи, в отличие от вывалов, характеризуются только небольшими размерами отдельностей, образующихся вследствие определенного физического состояния горных пород.

Обвалы – это обрушение как отдельных глыб и блоков, так и более крупных объемов скальных и полускальных пород из обнажений, расположенных на нагорном склоне бровки откоса, или из крутой, отвесной верхней части склона, сопровождающееся их скатыванием, опрокидыванием и раскалыванием. Обвальные явления характеризуют неустойчивость склонов и откосов, и на участках их распространения создают опасность сохранности и нормальной эксплуатации сооружений.

Противообвальные мероприятия состоят из работ профилактического порядка и работ по строительству специальных противообвальных сооружений.

К сейсмическим относятся территории, подверженные землетрясениям, т.е. резким, внезапным подземным толчкам и колебаниям земной коры, угрожающим жизни и деятельности человека.

Землетрясения имеют тектоническое происхождение и связаны с колебательными движениями земной коры. Эти движения приводят к образованию гор и впадин, обусловливают накопление напряжений в толще горных пород литосферы в течение длительного времени. Когда такие напряжения достигают предела прочности горных пород, происходит разрыв литосферы или ее части и образуются разломы. Область разрыва принято называть очагом землетрясения.

Кроме землетрясений тектонических бывают землетрясения, связанные с деятельностью вулканов, образованием обвалов, а также с деятельностью человека.

Интенсивность землетрясения определяется в первую очередь количеством энергии, выделяющейся в области очага, и энергией сейсмических волн. Для характеристики землетрясения используют степень разрушения зданий, остаточные явления в горных породах, изменение режима поверхностных и подземных вод, нарушение рельефа.

При строительстве в сейсмических районах должны выбираться строительные площадки с учетом детального микрорайонирования; должна соблюдаться правильная компоновка зданий.

42. Инженерно-геологические процессы и явления:

С проведением горных выработок первичное напряженное состояние и условия равновесия горных пород в массиве нарушается. Это происходит в результате перераспределения напряжений, приводящих к появлению очагов концентрации напряжений в одних местах и ослаблению в других. В условиях неоднородных в отношении структурно-механических характеристик массивов пород картина перераспределения напряжений представляется значительно более сложной.

В новой обстановке напряженного состояния, вызванной проведением выработок, горные породы деформируются тем интенсивнее, чем ниже их показатели прочности. При наличии вблизи выработок (в их кровле) высокопрочных пород они будут поддерживать вес вышележащих пород, и, таким образом, аккумулировать большие запасы потенциальной энергии деформирования пород.

Горно-геологические явления при подземных работах. Деформации вследствие нарушения естественного напряженного состояния массива при проведении горных выработок могут появиться сразу же после проведения выработки или же по истечении некоторого времени, необходимого для образования значительного пролета выработки, развитие необратимых деформаций (явления ползучести и релаксации) горных пород и изменения состояния и свойств самих горных пород в результате изменений механических условий деформирования, происходящих по мере развития горных работ, а также гидрогеологической обстановки, степени выветрелости пород и т.д.

Большинство горно-геологических явлений при подземных работах представляют собой результат действия сил горного давления. Подчиненное значение играют горно-геологические явления, возникающие в результате воздействия сил фильтрационного давления. К первой группе относятся сдвижения горных пород, пучение пород, отжим, горные удары и внезапные выбросы угля и газа и некоторые другие явления. Явления фильтрационного выпора, прорыва подземных вод и плывунов, суффозионного размыва пород и некоторые другие составляют вторую группу горно-геологических явлений.

Сдвижение горных пород – это сложный и многостадийный процесс деформирования подработанных горными выработками толщ горных пород. Начинаясь от выработки, они развиваются во всей покрывающей толщи, и могут дойти до поверхности, вызвав плавное едва заметное пригибание или же значительные, нередко резкие и неравномерные деформации, сопровождающиеся образованием трещин и обрушениями. Область массива, пришедшая в движение, образует зону сдвижения. Впадина, образовавшаяся на поверхности земли, называется мульдой сдвижения. Углы наклона линий, ограничивающих зону сдвижения от нетронутого массива, именуются углами сдвижения. Очень важными элементами сдвижения являются наибольшее оседание η_о, величина наибольшего горизонтального сдвижения ξ_max и наибольший наклон мульды η_max.

Пучение горных пород наблюдается на буроугольных месторождениях, месторождениях каменного угля и антрацитов. В результате пучения уменьшается поперечное сечение выработки, нарушаются крепление и шахтные пути. Иногда горная выработка полностью заполняется пучащейся породой.

Пучение в типичном виде проявляется в пластических глинистых породах, обладающих незначительным сцеплением и внутренним трением. Но на значительных глубинах разработок (до 1000 м и более) отмечается иногда подвижность пород почвы, отличающихся значительной прочностью и относящихся к группе полутвердых и даже твердых пород (глинистые сланцы, плотные и прочные аргиллиты и алевролиты). Борьба с ними ведется в основном с применением прочных, жестких и замкнутых крепей, а также выбором таких технологических схем и способов работ, которые обеспечивают максимальное снижение горного давления, быстрое проведение и крепление горных выработок.

Отжим горных пород и пластов угля. Эти явления наблюдаются в случаях, когда в кровле пласта развиты породы, допускающие прогиб без видимого нарушения сплошности, или же породы, опускающиеся крупными блоками. Отжим начинается со слабых прослойков угля или породы. Прочные породные прослои и включения, например в угольном пласте, резко снижают отжимаемость. Снижают отжимаемость и слабые породы кровли. Очевидно, что отжимаемости будут способствовать все факторы, повышающие горное давление на забой. Из горно-геологических факторов наибольшее влияние на отжим угля оказывают: система разработки и длина лав, взаиморасположение лав и скорость их продвигания, способ управления кровлей. Используя влияние этих факторов, на многих шахтах добились значительного повышения производства труда при зарубке угля.

Горные удары и внезапные выбросы угля и газа представляют собой грозную опасность при горных работах. Разрушение горных пород и угля при этих явлениях носит характер внезапного взрыва, сопровождающегося сильным гулом, сотрясениями и воздушным ударом. В результате крепь горных выработок повреждается или полностью разрушается, выработка заваливается выброшенной породой и углем, а породы кровли, ослабленные ударом, теряют свою устойчивость и часто обрушаются, заваливая выработку. Горному удару обычно предшествуют усиление горного давления на целики и крепь выработок, выпучивание почвы, выдавливание целиков и некоторые проявления горного давления.

Горные удары возникают при высокой прочности и жесткости вмещающих пород и способности их накапливать энергию упругой деформации. Они наблюдаются на участках максимальной концентрации напряжений и в момент мгновенного перераспределения последних при нарушении сплошности высокопрочных пород кровли, обычно в наиболее расслабленных зонах.

Интенсивная дислоцированность пород всегда благоприятствует данным явлениям. Внезапные удары большой силы наблюдаются в калийных рудниках и при извлечении оставленных целиков в угольных шахтах.

Внезапные выбросы угля и газа (метана, углекислого) приурочиваются к призабойным частям угольного пласта. В большинстве случаев они начинаются с глубины 250 м, однако, отмечены случаи и на меньших глубинах.

Угольный пласт подверженный внезапным выбросам, имеет рыхлое сложение, без кливажной трещиноватости и заключен в прочных горных породах (песчаниках, крепких глинистых и песчано-глинистых сланцах).

Горно-геологические явления при открытых разработках. Создающиеся при открытых разработках откосы подвержены различного рода деформациям. Многие из них, в особенности оползни, сильно затрудняют ведение горных работ, повышают себестоимость и потери полезного ископаемого. Вопросы устойчивости откосов приобретают большое значение в связи с дальнейшим развитием открытых работ в новых бассейнах и месторождениях, а также углублением действующих ныне карьеров. Особо остро встают вопросы устойчивости бортов угольных карьеров, так как массивы угленосных месторождений, как правило, сложены менее устойчивыми горными породами, чем массивы рудных месторождений.

В карьерах различают откосы временных (рабочих), нерабочих и отвальных уступов, а также откосы капитальных и разрезных траншей.

Абсолютно устойчивых откосов в природе нет, все они в той или иной мере деформируются. Поэтому можно говорить только об относительной устойчивости откосов. Откосы считаются относительно устойчивыми, если их деформация невелики и не вызывают выполнения сколько-нибудь значительных работ по уборке смещенных масс. При этом различают откосы краткосрочной и долговременной устойчивости. Откосы рабочих бортов относятся к категории краткосрочно устойчивых; их относительная устойчивость обеспечивает нормальное продвижение забоя и фронтальных работ в целом. Откосы нерабочих уступов и капитальных траншей должны отвечать условия долгосрочной устойчивости. Их относительная устойчивость должна сохраняться на протяжении всего срока службы карьера.

Оползни отличаются огромными объемами горных пород, участвующими в данном виде деформации. Можно различать оползни:

1) мелкие, когда объем оползневых масс измеряется сотнями и тысячами кубометрами;

2)средние, когда объем оползневых масс составляет десятки тысяч кубометров;

3) крупные, когда объем оползших масс составляет сотни тысяч кубометров;

4) очень крупные, когда объем оползших масс измеряется миллионами кубометров.

Главной отличительной чертой оползней является скольжение оползневых масс вниз по откосу по некоторой поверхности, получившей наименование поверхности оползания.

Обрушения и обвалы характеризуются быстрыми смещениями и падением крупных блоков и пачек пород, оторвавшихся от уступов и бортов карьера. При своем падении блоки и куски пород опрокидываются и дробятся на более мелкие куски и пачки. Обрушения нередко начинаются с оскользней по подрезанным откосам карьера поверхностям ослабления.

Осыпи происходят в форме смещения и падения мелких обломков и зерен пород, отделившихся в результате выветривания и растрескивания их. Осыпание пород, вызванное или усиленное действием вибрации (например, буровзрывными работами), называется осовами.

Оплывины. В условиях обводненности карьеров, в бортах которых развиты фильтрационно-неустойчивые породы, наблюдаются явления оплывания, суффозии, фильтрационного выпора и некоторые другие виды фильтрационного разрушения пород. Они особенно характерны для периода вскрытия и начальных стадий разработки месторождений, когда дренирующие действие обнаженных поверхностей карьера и водопонизительных устройств проявлялось еще не в полной мере. Оплывание пород относится к числу наиболее распространенных и важных видов фильтрационного разрушения откосов несцементированных и обводненных пород карьера. Оплывание зависит от гранулометрического состава пород. Языки оплывания могут достигать 5 м.

43. Многолетнемерзлые породы, состав, строение и условия залегания:

Многолетнемерзлыми называются породы, которые в течение длительного времени имеют отрицательную температуру. Породы с отрицательной температурой, но безо льда (сухие пески, гравий и галечник), не относятся к типично мерзлым, так как их свойства при отрицательных температурах не изменяются.

В мерзлых породах присутствует лед, который может находиться как породообразующая часть в виде цемента, в виде отдельных кристаллов и скоплений. Важной особенностью строения толщ мерзлых пород являются часто встречающиеся талики.

Наличие льда и отрицательная температура определяют прочность, воднофизические, фильтрационные, теплофизические, электрические и другие свойства пород в области распространения многолетней мерзлоты.

Особенно чувствительны к изменению температуры и количества льда песчано-глинистые породы. В них лед содержится в количестве нередко значительно превышающем их полную влагоемкость. При оттаивании вода, содержащаяся в породе в избытке, нередко разжижает породу, приводя ее в текучее состояние. Снижение прочности пород вызывает просадки, плывунные явления, набухание и другие явления. Образование же льда при промерзании вызывает криогенное пучение, расслоение, растрескивание пород и пр.

При низких температурах мерзлые песчано-глинистые породы имеют, как правило, более значительную прочность, чем одноименные немерзлые породы.

Скальные и полускальные породы в откосах карьеров и стенках подземных выработок при больших геотермических градиентах подвергаются интенсивному выветриванию, растрескиванию и осыпанию.

В районах с многолетнемерзлыми породами проведение горных работ имеет специфику, связанную с инженерно-геологическими особенностями. По основным процессам теплообмена, определяющим криогенные свойства пород в пределах области с многолетнемерзлыми породами, выделяются две геокриологические зоны.

Северная зона характеризуется преобладающим распространением и пониженными температурами пород на водоразделах. В понижениях рельефа породы приобретают повышенные температуры, распространены талики. На равнинах, в районах с максимальными геокриологическими показателями толща многолетнемерзлых пород достигает наибольшей сплошности и мощности (до 600 м), самой низкой температуры (минус 12⁰С), высокой льдистости, встречаются крупные (до 50 м по мощности) залежи подземного льда.

В южной зоне, за исключением высокогорных районов, мерзлая толща преобладает в депрессиях рельефа, нередко в виде островов. Талики приурочены к возвышенностям. Зональная температура, как правило, выше – 3⁰С, нередко 0⁰. Мощность менее 100 м. редкие залежи льда незначительны по мощности.

Основные виды геокриологических обстановок, влияющих на инженерно-

геологические условия месторождений.

Распространение толщи многолетнемерзлых пород оценивается следующим образом:

· островное – площадь разрозненных участков с многолетнемерзлыми породами составляет менее 50 % площади месторождения;

· прерывистое – площадь с многолетнемерзлыми породами составляет более 50 %;

· сплошное – толща многолетнемерзлых пород в пределах месторождения не имеет таликов.

Геокриологическая обстановка 1 вида, как правило, упрощает инженерно-геологические условия всех категорий. При разработке месторождений обязательно меняется температурный режим и распространение толщи многолетнемерзлых пород. Однако это сопровождается незначительным изменением прочностных свойств пород.

Геокриологическая обстановка 2 вида преимущественно усложняет инженерно-геологические условия в связи с изменением физико- механических свойств пород и гидрогеологических условий при горных работах.

Геокриологическая обстановка 3 вида оказывает неоднозначное влияние на инженерно-геологические условия. Сплошное распространение, значительная мощность (разновидность 3–А) упрощают инженерно-геологические условия. Льдистые массивы пород и крупные залежи льда (разновидность 3–Б) существенно осложняет инженерно-геологические условия. Даже незначительное по времени изменение температурной обстановки вызывает вытаивание льда, сложные деформации пород и поступление талых вод в выработки.

При изучении инженерно-геологических условий в зоне многолетнемерзлых пород тщательно изучается геолого-структурная обстановка:

1. порядок напластования горных пород в разрезе мерзлой толщи, мощность отдельных слоев, их распространение по площади, приуроченность к определенным геологическим структурам и элементам рельефа;

2. генезис пород, их состав и стратиграфическая принадлежность для каждого слоя;

3. наличие мономинеральных скоплений льда, их генезис, форма, условия залегания, распространение по площади, текстурные особенности льда;

4. первичные текстурные особенности пород, а также трещиноватость, кавернозность, сложение и т.д.;

5. криогенная текстура пород по слоям и их объемная льдистость;

6. тип промерзания (эпигенетический или сингенетический) различных генетических разновидностей рыхлых четвертичных пород.

Температурный режим многолетнемерзлых пород изменяется как по площади, так и в разрезе. При изучении температурного режима горных пород необходимо установить: среднегодовую температуру пород у подошвы слоя годовых колебаний t_ср; распределение температур ниже слоя годовых колебаний; распределение температур ниже подошвы мерзлой толщи.

Среднегодовая температура у подошвы слоя годовых колебаний устанавливается при изучении сезонного оттаивания и промерзания расчетными способами, по данным ее измерений в горных выработках. При наличии режимных наблюдений t_ср устанавливается на основании анализа кривых распределения температур по глубине или термоизоплет. Для данного горизонта постоянной в году считается та температура, колебания которой не превышают точности ее измерения (0,1–0,2⁰С).

44. Экзогенные геологические процессы в криолитозоне. Плывуны:

Экзогенные геологические процессы в криолитозоне нередко определяются гидрогеологическими условиями. Они тесно связаны с надмерзлотными, межмерзлотными и подмерзлотными водами.

Основными явлениями, связанными с изменением температуры горных пород и влажности являются: морозные пучины, бугры пучения (булгуняхи –гидролакколиты), полигональные образования термокарстовые, солифлюкционные, оползневые, наледные.

Морозное пучение интенсивно развивается в глинистых пылеватых и сильно пылеватых породах за счет промерзания связанной воды и в связи с этим – увеличения объема породы. Коренные пучины очень опасны и требуют постоянного наблюдения, для борьбы с ними выполняются профилактические и капитальные мероприятия.

Профилактические мероприятия заключаются в систематическом наблюдении за развитием пучин, в профилировании железнодорожного полотна путем поднятия рельсов, в наблюдении за состоянием работы поверхностных водоотводов.

Капитальные мероприятия включают осушение пучинистых участков, замену пучинистых пород основной площадки, а также балластного слоя и покрытий дорог.

Бугры пучения представляют собой крупные формы рельефа, встречаются по одному или группами. Их образование связано с наличием таликов над многолетней мерзлотой. При промерзании талика образуется замкнутая масса пород, в пределах которой возникает гидростатический напор, под действием которого породы вздымаются. По своему строению такие бугры напоминают вулкан.

Полигональные образования – это разнообразные формы многоугольников плоских или несколько выпуклых, разграниченных морозобойными трещинами.

Термокарстовые явления – это вытаивание льда в толще пород, в результате чего образуются просадки и озера. Для образования и развития термокарста необходимо два условия: 1) наличие подземных льдов; 2) глубина сезонного оттаивания пород должна превышать глубину залегания подземных льдов.

Солифлюкция представляет собой медленное течение почв, которые по своему гранулометрическому составу представлены пылеватыми разностями.

В криолитозоне происходят и другие процессы: оползни, сплывы, грязевые потоки, сели, лавины и др., которые широко развиты за пределами криолитозоны. Климат для них уже не является главным фактором.

Помимо естественных факторов на развитие экзогенных процессов оказывают и техногенные, вызванные, прежде всего, условиями строительства.

На режим мерзлоты оказывают влияние следующие факторы: 1) тепловой режим зданий и сооружений и технологические особенности эксплуатации; 2) снег отепляющее действует на породы; 3) вырубка леса, распашка земель; 4) грунтовые и поверхностные воды; 5)водохранилища; 6) плотность застройки, ориентация по сторонам света; 7) санитарно-технические коммуникации.

Выбор принципа строительства определяется из условий наибольшей технической целесообразности и экономической выгодности. Возможны два случая: 1) строительство в условиях устойчивого режима мерзлоты, т.е. сохранение отрицательных температур; 2) когда мерзлоту поддерживать нельзя – постепенное и предварительное оттаивание.

Плывуны — это насыщенные водой грунты, при вскрытии приобретающие свойства вязкой жидкости.

Они представляют собой большую опасность при выполнении строительных работ. Если плывуны вскрываются подземными выработками, то они сравнительно быстро заполняют её, а вышележащие массы начинают сдвигаться и тоже приходят в движение.

Плывуны — это слабые, неустойчивые породы, требующие специальных методов ведения строительных работ и специальных мероприятий по обеспечению устойчивости сооружений.

В плывунное состояние могут переходить пески, супеси, лессы, суглинки, озерные илы, глины.

Плывуны очень осложняют процесс проходки горных выработок и строительство сооружений. При проходке котлованов нисходит обрушение их стенок, разжижение грунтов при сотрясении, выполаживание откосов, заплывание котлована грунтом.

Значительные затруднения возникают и при вскрытии плывунов буровыми скважинами. В этом случае в обсадных трубах образуются «пробки» вследствие того, что плывуны из забоя нажины устремляются вверх по обсадной трубе, обволакивают буровой снаряд и происходит его «прихват».

Давление плывунов часто вызывает искривление стволов шахт, разрушает крепление подземных горных выработок.

Проявление плывунности грунтов может привести к деформации и даже разрушению сооружения.

Переход грунтов в плывунное состояние возможен при одновременном сочетании следующих четырех факторов:

· благоприятные условия залегания пород;

· наличие разностей напоров подземных вод;

· определенный состав пород;

· определенное состояние рыхлых пород.

Классификация плывунов: истинные и ложные

Истинные плывуны. Группу истинных плывунов составляют рыхлые горные породы - глинистые пески, супеси, суглинки, глины. Они переходят в плывунное состояние не только под воздействием гидродинамического давления, но, главным образом, из-за наличия в их составе минеральных и органических коллоидов. Коллоиды присутствуют в форме коллоидно-дисперсных минералов типа глауконита и монтмориллонита, а также виде гидроокиси Al, Fe и органических соединений. Все они придают частицам плывунов подвижность и, включая большое количество воды, способствуют растяжению структурной сетки.

Это, в свою очередь, обусловливает уменьшение механическое сцепления между частицами. Вода, присутствующая в плывунных грунтах, находится в связанном состоянии, что затрудняет ее удаление.

Истинные плывуны обладают следующими особенностями:

1. Пористость 36-58%, коэффициент пористости 0,67-1,39.

2. Наличие органических и минеральных коллоидов.

3. Наличие частиц размером менее 5 мкм в количестве не менее 3%.

4. Величина максимальной молекулярной влагоемкости превышает 3%.

5. Присутствие коллоидов в составе истинных плывунов обусловливают слабую фильтрационную способность их. Коэффициент фильтрации для истинных плывунов не превышает 10^-5-10^-4 см/с (0,9-9 см/сут). Чрезвычайно слабая водопроницаемость их и большая водоудерживающая способность исключает возможность осушения плывунов обычными способами.

6.Истинные плывуны обладают очень низким сопротивлением сдвигу. Предельное сдвигающее напряжение не превышает 0,005 МПа.

7.Влажность истинных плывунов близка к пределу текучести.

8.Угол естественного откоса изменяется от (3-4)° до (8-9)°.

9.Плотность истинных плывунов составляет 1,8-2,2 г/см3.

10.Истинные плывуны своеобразно ведут себя при забивке в них свай. При частых ударах небольшой силы плывун приходит в движение и свая легко погружается в грунт. После окончания забивки происходит остановка подвижек и свая приобрела большую несущую способность.

11.Кусочек плывуна, извлеченный из котлована, имеет вид слабовлажного грунта, вода из него не выступает, но если по нему похлопать ладонью, он расплывается и растекающиеся рая каплями падают с руки.

12.При высыхании истинные плывуны сильно цементируются вследствие склеивающего действия коллоидов.

Внешне истинные плывуны обнаруживаются по следующий характерным признакам:

· При взмучивании в дистиллированной воде истинный плывун образует суспензию, которая не осаждается в течение ряда месяцев.

· В истинных плывунах благодаря наличию коллоидных частиц вода в котлованах обычно мутная.

Ложные или псевдоплывуны представляют собой преимущественно среднезернистые или тонкозернистые пески. Переход их в плывунное состояние происходит под влиянием гидродинамического давления потока подземных вод т.е. в результате наличия гидравлического градиента, возникающего при вскрытии выемки, котлована, траншеи, который, взвешивая частицы грунтов, устраняет трение между ними.

Признаки псевдоплывунов:

1.При взмучивании в дистиллированной воде ложный плывун образует суспензию, которая осветляется в десяти сантиметровом слое в течение 2-3 дней;

2. В котлованах, вскрывающих ложные плывуны, вода прозрачная или слабо мутная, быстро светлеющая;

3. Ложные плывуны сравнительно хорошо отдают воду, и при естественном или искусственном снижении гидравлического (напорного) градиента они легко переходят в устойчивое состояние.

45. Особенности инженерно-геологических исследований в криолитозоне:

В районах с многолетнемерзлыми породами при разведке месторождений используются традиционные инженерно-геологические приемы изучения, т.е. проводится инженерно-геологическая съемка, и устанавливаются группы сложности месторождений: