Инженерно-геологическая типизация массивов горных пород

При освоении месторождений полезных ископаемых объектами инженерно-геологических работ являются массивы горных пород. В инженерно-геологическом понимании массив пород, по П.Н.Панюкову, -структурно обособленная часть земной коры, отличающаяся от граничащих с ним частей по условиям возведения и эксплуатации сооружений [10].

Границы массивов пород обычно устанавливаются по комплексу признаков, в том числе геоморфологических, геолого-структурных и геодинамических. Они, как правило, фиксированы тектоническими швами и гипсометрией физической поверхности массива, являющейся его верхней границей. Положение нижней границы совпадает с той зоной глубин, в пределах которой сосредоточены инженерные работы.

При инженерно-геологическом изучении массива пород в первую очередь необходимо оценивать его поверхности ослабления в виде трещиноватости, слоистости, сланцеватости, кавернозности, которые определяют неоднородность и анизотропность механических и фильтрационных свойств массивов пород и отличают их от соответствующих характеристик образцов горных пород, слагающих массивы.

Различие свойств горных пород в образцах и в массивах определяется показателями неоднородности: трещиноватостью горных пород в массиве; изменениями инженерно-петрографических характеристик в зависимости от размеров (и формы) исследуемых объемов горной породы (масштабный фактор); окружающей рассматриваемый элемент массива геологической средой; гидрогеологическими условиями; изменением напряженно-деформированного состояния породы при ее извлечении из массива.

Для оценки состояния массива пород необходимо располагать данными о его инженерно-геологической структуре, элементами которой являются: строение земной поверхности; горно-геологическая ярусность (этажность) геологического разреза массива; внутренне строение горно-геологических ярусов; структурно-механические особенности массива в целом [6].

Инженерно-геологическая структура считается основной и наиболее устойчивой характеристикой массивов пород, определяющей условия горных работ. Поэтому в основу предложенной П.Н.Панюковым инженерно-геологической типизации массивов горных пород положены геотектонические признаки. Знание особенностей строения физической поверхности массивов пород в значительной мере предопределяют общие возможности компоновки наземных технических сооружений (размещение отвалов, расположение транспортных подходов к карьеру, выбор способа вскрытия месторождения).

Для решения горно-технологических задач в пределах геологического разреза массива выделяют горно-геологические ярусы - комплексы пород, соответствующие крупным этапам геологической истории массива.

Различают массивы, состоящие из одного или нескольких ярусов. Горно-геологический ярус, вмещающий полезное ископаемое, называется основным. Его положение определяет способ разработки месторождения. Перекрывающие и подстилающие комплексы пород составляют соответственно покровные и подстилающие горно-геологические ярусы. По петрографическому составу выделяются горно-геологические ярусы двух основных типов: 1) в строении которых принимают участие горные породы только одного из трех петрографических классов - твердые, глинистые или раздельно-зернистые; 2) сложенные из пород разного петрографического класса.

В зависимости от тектонических условий залегания пород П.Н.Панюковым были выделены следующие основные структурно-тектонические группы горно-геологических ярусов: тектонически ненарушенные; с моноклинальным залеганием пород; простого складчатого строения; сложного складчатого строения; сложно-складчато-разрывного строения

Таким образом, к главным инженерно-геологическим факторам при оценке условий освоения месторождений полезных ископаемых относятся следующие: инженерно-геологический тип массива; горно-геологическая ярусность массива пород; структурно-механические особенности массива. Использование этих факторов позволяет оценивать устойчивость пород в горных выработках и их разрабатываемость.

Основным геоструктурным элементам земной коры – платформам и горно-складчатым областям – соответствуют два типа массивов горных пород: платформенные массивы и массивы горно-складчатых сооружений.

Для платформенных массивов характерно наличие двух крупных структурных этажей, имеющих сложное многоярусное строение. Нижний структурный этаж – складчатый фундамент платформенных массивов, сложен первичноосадочными и магматическими породами, дислоцированными и метаморфизиванными.

Верхний структурный этаж, платформенный чехол, слагается осадочными породами, залегающими без существенных тектонических нарушений.

Строение горно-складчатых массивов разнообразно и сложно. В них выделяются следующие структурные этажи: нижний, сложенный вулканогенно-осадочными породами, образованными на начальных стадиях развития горно-складчатого сооружения; в средних этажах преобладают карбонатные и сланцеватые породы и в верхних структурных этажах развиты циклично построенные толщи типа флиша, малассы. Кроме вертикальной зональности (этажности) в строении горно-складчатых массивов отмечается региональная зональность с выделением линейно вытянутых на многие километры зон или поясов. Главнейшие из них: срединные массивы, внутренние синклинории и мульды, интрузивные массивы межгорные впадины, краевые прогибы.

Как платформенные, так и горно-складчатые массивы отличаются разным возрастом. Возраст платформенных массивов определяется по возрасту их фундаметов. Если последний формировался в докембрии, массив горных пород относится к древним. Таковы массивы Русской, Сибирской и др. платформ. Платформенные массивы Урало-Тяньшанской складчатой зоны, Скифской и Туранской плит перекрытые слабодислоцированными мезокайнозойскими отложениями могут служить примером молодых платформ.

В систематике массивов горных пород имеют место и более дробные подразделения, которые соответствуют внутренним структурно- и территориально обособленным частям платформенных областей и горно-складчатых сооружений. В пределах платформ это крупные положительные структуры типа антеклиз, валов и щитов и крупные отрицательные структуры типа синеклиз и прогибов. Они отличаются друг от друга глубиной залегания складчатого фундамента и строением верхнего структурного этажа – платформенного чехла. Так, в пределах щитов платформенный чехол часто отсутствует и породы фундамента выходят на поверхность. В синеклизах и прогибах мощность платформенного чехла наоборот велика. Антеклизы и валы в этом отношении занимают промежуточное положение. Отмеченным структурным частям платформенных областей соответствуют три основные группы массивов пород платформенного типа: массивы областей щитов, антеклиз и валов, синеклиз и прогибов.

Структурные подразделения в горно-складчатых областях представлены в виде регионально вытянутых зон и поясов, которым соответствует основные группы горно-складчатых массивов, такие как срединные массивы, массивы межгорных впадин и краевых прогибов. В группе массивов областей щитов различают подгруппы массивов отдельных складчатых зон. Так, в пределах Балтийского щита различают группы массивов Кольской, Карельской, Финляндской и др. складчатых зон. Основные различия во внутригрупповых инженерно-геологических характеристиках массивов пород горно-складчатых областей, обусловлены неодинаковой активностью тектонических движений и различной расчлененностью рельефа. По этим признакам выделяются подгруппы массивов: тектонически активных высокогорных областей; тектонически слабо активных низкогорных областей; тектонически пассивных и пенепленизированных областей горно-складчатых сооружений. С интенсивностью и масштабами современных тектонических движений связаны сейсмичностью, эрозионное расчленение массивов горных пород, развитие обвалов оползней, лавин и др. современных геологических явлений.

4.3. Геодинамическая обстановка производства горных работ

В земной коре непрерывно происходят различные по своей природе геологические процессы, вызванные природными и техногенными факторами, определяющие геодинамическую обстановку осваиваемых территорий и в т.ч. месторождений полезных ископаемых [5]. Все эти процессы происходят в горных породах и подземных водах под влиянием силовых (энергетических) полей. Горные породы в условиях их природного залегания находятся под воздействием естественного напряженного состояния, с оценки которого следует начинать изучение различных геологических процессов, а также изменения его вокруг горных выработок в связи со строительством различных сооружений, при осушении или подтоплении территории, при проведении буро-взрывных работ и т.д. Свидетельством того, что горные породы в настоящее время находятся в напряженном состоянии, являются землетрясения, неотектонические движения, оползни и обвалы на естественных речных и морских склонах. Проявление напряженного состояния горных пород при их взаимодействии с различными поверхностными и подземными сооружениями наблюдается в разнообразных деформациях этих пород (уплотнение, разуплотнение, сдвиг и др). Напряженное состояние пород в земной коре определяется действием двух независимых силовых полей—гравитационного и тектонического.

Рис.1. Схема к определению природного давления от веса вышележащих пород:

1, 2 — водоносные песок и супесь; 3 — водоносный слабый песчаник;

4 — глинистый водоупор: 5 — уровень подземных вод

Гравитационное поле обусловлено действием всемирного тяготения и напряжения, возникающих на некоторой глубине Н от поверхности земли, которые можно рассматривать как напряжения от веса вышележащих пород. Вертикальное давление толщи пород p_g на горизонтальную единичную площадку (рис.1) можно выразить следующим образом:

,

где rn_i — мощность i-го слоя в толще вышележащих пород с удельным весом g_i; n—число слоев в толще пород залегающих над точкой М; h_в—высота столба воды над точкой М. с удельным весом g_в.

Если учитывать изменения плотности пород в зависимости от литологического состава и гидрогеологических условий и выразить ее некоторым средневзвешенным по мощности значением g_ср, то можно записать: р_g = g_ср..Н, где Н—общая мощность вышезалегающих пород.

Задача распределения напряжений в точке упругой изотропной толщи отвеса вышележащих пород была решена швейцарским геологом А.Геймом (вторая половина XIX в) и академиком А.Н. Динником (1925 г.) в виде:

s_z = g_ср Н; s_х = s_у = __ 1__ s_z,

1- m

где s_z – вертикальная составляющая гравитационного поля;

s_х и s_у - горизонтальные составляющие;

m - коэффициент Пуассона горных пород.

Анализ многих аварий сооружений и непосредственные замеры напряжений в горных породах показали наличие аномальных напряжений, гораздо больших гравитационных. И. А. Турчанинов [3] приводит данные, измерений напряжений (около 2000 опытов) на Кольском полуострове в недрах Хибинского щелочного массива на глубинах от 100 до 600 м в породах высокой прочности (R = 120— 220 МПа, m = 0,26). Горизонтальные напряжения на глубине 100 м оказались в 60 раз больше гравитационных, а на глубине 600 м—в 12 раз. Имеются данные о наличии аномальных напряжений в кристаллических породах Балтийского щита, метаморфических сланцах в районе Саяно-Шушенской ГЭС на р. Енисее, а также в шахтах Донбасса, КМА и др. При этом установлено, что максимальные напряжения приурочены к зонам тектонических нарушений. Природа отмеченных аномалий довольно сложная и слабо изучена. Предполагается, что дополнительные (к гравитационным) напряжения имеют тектоническую природу и обусловлены наличием тектонического градиента, за счет которого появляются горизонтальные тектонические силы. М. В. Гзовский в 1972 г. выделил четыре типа районов на территории СНГ по величине касательных напряжений тектонического происхождения:

1) наименее подвижные платформенные районы (максимальные t_т изменяются от 5,0 до 15,0 МПа);

2) более подвижные и сильно деформируемые районы (с t_т в пределах 20,0—60,0 МПа);

3) еще более подвижные районы (с t_т от 35,0 до 95,0 МПа);

4) наиболее подвижные и интенсивные деформируемые районы (с кратковременно действующими касательными напряжениями от 50,0 до150,0 МПа).

Г. А. Марков (1977 г). показал, что при наличии тектонического силового поля величина контурных напряжений вокруг выработок зависит от их ориентировки, т.е. s_к = 3Тн (y₂ cos²a + sin²a) - y₁Тн + gН (3x - 1),

где y₁ и y₂ – параметры, зависящие от гравитационного напряженного состояния;

a - угол между направлениями продольной оси выработки и действия тектонических напряжений. Максимальных значений контурные напряжения достигают при a = 90⁰, а минимальных при a = 0.