Физические, водные и механические свойства горных пород и техногенных отложений

Физико-механическими свойствами горных пород называют такие, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменчивости, прочности и деформации. Соответственно различают свойства пород физические, водные и механические. Их выражают с помощью определенных показателей, позволяющих количественно оценить свойства горных пород и развитие неблагоприятных геологических явлений при решении многих инженерно-геологических задач.

В горно-геологической практике изучения и оценки состава, состояния и свойств горных пород одной из первых предложена инженерно-геологическая классификация Ф.П. Саваренского - В.Д. Ломтадзе, учитывающая как генетические и петрографические особенности пород, так и их важнейшие физические, водные и механические свойства (табл.).

Инженерно-геологическая классификация горных пород

(по Ф.П.Саваренскому с дополнениями В.Д.Ломтадзе)

Таблица 4.1.

Продолжение таблицы 1

Продолжение таблицы 1

Ниже дана краткая характеристика физических, водных и механических свойств инженерно-геологических типов горных пород – скальных, полускальных, рыхлых несвязных, мягких связных и техногенных отложений.

Скальные породы представлены магматическими (глубинные интрузивные, полуглубинные жильные и эффузивные), метаморфическими (массивные и сланцеватые) и некоторыми осадочными (песчаники, конгломераты, известняки, доломиты) образованиями. Они монолитны и обладают большой сопротивляемостью внешним воздействиям, высокой плотностью (2,65 – 3,10 г/см³), низкой пористостью и трещиноватостью, практически не влагоемки и водонепроницаемы, водоустойчивость их высока, коэффициент размягчаемости больше 0,9. В соответствии с рекомендациями СНИПов скальные породы разделяются на очень прочные (Rc > 120 Мпа), прочные (Rc = 120-50 Мпа) и малопрочные (Rc < 15 – 5). Угол внутреннего трения скальных пород изменяется в пределах 25-38^о, а коэффициент поперечных деформаций колеблется в пределах 0,1-0,2. Коэффициент крепости по Протодьяконову для скальных пород больше 8.

Итак, для скальных пород характерна высокая прочность и устойчивость, низкая деформируемость и водопроницаемость.

Полускальные породы включают магматические, метаморфические и осадочные оборазования сцементированные, повышенной трещиноватости и выветрелости; породы обломочные слабосцементированные; породы глинистые высокой плотности; породы органогенные, органогенно-химические, пирокластические сцементированные.

В.Д.Ломтадзе отличает скальные породы от полускальных по величине прочности на сжатие, составляющей - 50 МПа, выделяя при этом три подгруппы полускальных пород; прочные (Rс>50-15 МПа), средней прочности (Rc = 15-2,5 МПа) и малой прочности (Rc< 2,5 МПа).

Характеризуя эти породы в целом, В.Д.Ломтадзе отмечает их пониженную плотность (2,20-2,65 г/см³), наличие пористости 15-35% и естественной влажности 15-20%; слабую влагоемкость и водопроницаемость, изменяющуюся в зависимости от трещиноватости и выветрелости. Коэффициент фильтрации (Кф) изменяется в пределах 0,5-30 м/сут. Полускальные породы слабосжимаемы, модуль общей деформации меньше 2 тыс. МПА, коэффициент Пуассона изменяется от 0,15 до 0,4 из-за большого разнообразия состава и физического состояния пород, прочность на сжатие изменяется (Rc 2,5 – 5,0 Мпа). Крепость пород средняя (f кр = 2-8). При взаимодействии с водой полускальные породы теряют свою прочность и деформируемость, коэффициент размягчаемости изменяется от 0,75 до 0,5 и менее. Для песчаников с глинистым цементом характерно набухание и размокание в воде, что приводит к потере их устойчивости в откосах и горных выработках.

Следовательно, полускальные породы в отличие от скальных характеризуются нарушением сплошности и изменчивостью состава, что приводит к уменьшению их прочности и устойчивости, к деформируемости и водопроницаемости.

Рыхлые несвязные породы объединяют породы осадочного генезиса - обломочные образования: песок, галька, гравий их отличает отсутствие структурных связей.

Физическое состояние песков обычно характеризуется степенью влажности (G), относительной плотностью (Jd) и коэффициентом уплотняемости (U).

По степени влажности различают маловлажные (G <.0,5), влажные (G = 0,5-0,8) и водонасыщенные (G >0,8¸1,0) породы. Относительная плотность песков определяется характеризует естественное состояние песка по его плотности: плотный (Jd > 0,66), средней плотности (Jd = 0,33 – 0,66) и рыхлых (Jd < 0,33).

Коэффициент уплотняемости характеризует способность данного песка уплотняться. Чем выше этот показатель, тем больше способность песка к уплотнению. Прочность песчаных пород оценивается по их сопротивлению сдвигу. Для обломочных пород, у которых нет структурных связей между частицами, используют только один показатель – угол внутреннего трения, величина которого зависит от состава, формы и размеров слагающих частиц (обломков) и от плотности их упаковки. В современных СНИПах приводятся следующие значения углов внутреннего трения в зависимости от крупности песков разной плотности (с увеличением плотности от увеличивается): гравелистые и крупные – 38 – 43⁰, средней крупности – 35 – 40⁰, мелкие – 28 – 38⁰ и пылеватые – 26 – 36⁰.

Таким образом, участки распространения рыхлых несвязных пород отличаются большой изменчивостью физического состояния и свойств, что требует массовых определений инженерно-геологических показателей при их освоении.

К мягким связным породам относятся глинистые (глины, супеси, суглинки) образования элювиального, делювиального, аллювиального, озерного, морского и другого генезиса. Характерной особенностью этих пород является присутствие в составе значительного количества тонкодисперсных частиц. состоящих из глинистых минералов, преимущественно каолинита, гидрослюд и монтмориллонита. Минеральный состав и петрографические особенности глинистых пород играют главную роль в формировании физико-механических свойств. Для них важное значение приобретают влажность, пористость, консистенция, которые в значительной степени характеризуют прочность, деформируемость, устойчивость глинистых пород.

Физическое состояние глинистых пород зависит от влажности и плотности и может быть количественно оценено тремя основными показателями: степенью влажности (G), степенью уплотненности (K_d) и показателем консистенции (В_L). По степени влажности, как и для песчаных пород, различают маловлажные (G < 0,5), влажные (G = 0,5 - 0,8) и водонасыщенные (G <0,8 - 1,0) глинистые породы.

По степени уплотненноcти (по В.А.Приклонскому) глинистые породы делятся на рыхлые (Kd<0), начальной стадии уплотнения (Kd =0), средней уплотненности (0<Kd<1), плотные (Kd=1) и переуплотненные (Kd>1)

В зависимости от численных значений показателя консистенции различают породы твердой (BL < 0), пластичной (0 < BL < 1) и текучей (BL > 1) консистенции.

Прочность глинистых пород оценивают их сопротивлением cдвигу в условиях плоского или напряженного состояния. Показателем этого сопротивления являются угол внутреннего трения (р) и сцепление (С), которые изменяются в широких пределах: 5 – 28⁰ и 0,01 – 0,2 Мпа соответственно.

Изучение условий проходки горных выработок в глинистых породах требуют проведения специальных лабораторных и полевых опытных испытаний по определению деформационных и прочностных показателей.

Техногенные отложения вместе с многолетнемерзлыми породами составляют в классификации породы особого состава, состояния и свойств. Это насыпные и намывные отложения, образующие в результате складирования отходов горного производства и создания намывных территорий при строительстве.

Так, под солеотходы калийного производства в районе комбинатов "Беларуськалий" и "Уралкалий" в 1990г. занято свыше 3 тыс.га, при этом количество только готовых отходов составляет более 1 млрд.т.

Проблема изучения состава и свойств насыпных и намывных отложений остро встает в связи с прогнозом устойчивости этих сооружений (отвалов, шламохранилищ и т.д.). В связи с этим представляют интерес показатели физико-механических свойств пород на разрабатываемых калийных месторождениях в Белоруссии и на Урале.

Насыпные породы состоят из кристаллов галита (размером 0,05-1,0 мм) и небольшого (до 5%) количества нерастворимых глинистых частиц диаметром менее 0,002 мм. Плотность минеральной части породы - 2,16-2,17 г/см³, а плотность формирующейся породы 1,б-1,8 г/см³. В отвалах породы имеют j = 40¸50°и С = 0,01-1,0 Мпа.

Опыт показывает, что изучение свойств пород отвалов на месторождениях представляет большой практический интерес в связи с необходимостью оценки их устойчивости, проектирования мероприятий для предупреждения оползневых деформаций и других геодинамических процессов.