ENG GEO / 1Tri / Eng Geo / Engineering Geology of MD

логическое изучение этих вопросов, оценка условий вскрытия и разработки месторождений, устойчивости горных выработок, геологическое обоснование проектов горных сооружений составляют одну нз задач инженерно-геологического изучения месторождений.

Гидрогеологические условия месторождений. Подземные воды являются важнейшим элементом инженерно-геологиче- ских условий месторождений. На многих месторождениях их относительная роль по сравнению с другими элементами инже- нерно-геологических условий исключительно велика, что вызывает необходимость производить большие работы и соответственно тратить много средств и труда на осушение месторождений, на борьбу с вредным влиянием подземных вод. В связи с этим возникла необходимость в их изучении, разработке методов оценки и прогноза степени и условий обводнения месторождений, притоков подземных вод в горные выработки, разработке и конструировании технических средств защиты горных выработок и работ от их неблагоприятного и опасного влияния.

В результате этого гидрогеологические условия большинства месторождений были изучены более полно, чем их инже- нерно-геологические условия в целом. Так возник новый раздел в гидрогеологии, получивший название «Подземные воды месторождений полезных ископаемых» или «Гидрогеология месторождений полезных ископаемых», занимающийся по существу изучением одного из важных элементов инженерно-геоло- гических условий месторождений, имеющий теперь мощную теоретическую и методическую базу.

Материалы, характеризующие подземные воды месторождений полезных ископаемых, обширны и продолжают непрерывно пополняться. Имеется большое число капитальных работ, посвященных описанию подземных вод месторождений, закономерностям их формирования, динамике, режиму, химизму, методам нх изучения и др. Много публикаций посвящено различным методическим вопросам, особенно касающимся методов, способов и условий осушения угольных и рудных месторождений. Перечислить многочисленные работы, отражающие гидрогеологические условия месторождений полезных ископаемых,, здесь не представляется возможным.

Таким образом, уровень изученности гидрогеологических условий месторождений полезных ископаемых в целом достаточно высок, однако в большинстве случаев эти исследования направлены на решение задач осушения месторождений. Такие важные вопросы, как влияние подземных вод на изменение свойств горных пород, слагающих месторождения, на развитие разнообразных геологических явлений и соответственно на устойчивость горных выработок и других сооружений нельзя считать достаточно изученными. Надо заметить, что специалисты в области инженерной геологии часто поступают неправильно, когда не изучают подземные воды на месторождениях,

10

12

считая, что это не входит в круг их обязанностей, т. е. поступают так, как это исторически сложилось на практике в прошлом. Теперь для геологического обоснования проектов строительства шахт и карьеров и производства горных работ требуется иной подход.

Физико-механические свойства горных пород. Способ вскрытия и система разработки, конструкция горных выработок, их устойчивость, скорость проходки, устойчивость отвалов и многие другие важные вопросы, связанные с освоением месторождений полезных ископаемых, в значительной степени определяются свойствами слагающих их горных пород. Поэтому изучению и оценке свойств горных пород всегда уделялось большое внимание. Особенно много таких исследований было выполнено в последние 20—25 лет, когда горные работы стали развиваться на все больших и больших глубинах, в сложных инже- нерно-геологических условиях, когда особенно часто месторождения стали разрабатывать открытым способом. Изучением свойств горных пород теперь занимаются все: маркшейдеры, горные инженеры технологи-разработчики, шахтостроители, механики, геологи, гидрогеологи и другие специалисты самых различных организаций, научных и производственных институтов и лабораторий.

В результате накопился огромный аналитический материал по угленосным бассейнам, рудным районам и отдельным месторождениям. Этот материал частично систематизирован, обработан и обобщен. Установлены определенные корреляционные связи между отдельными свойствами горных пород и закономерности изменения свойств в пространстве (с глубиной, по простиранию, в пределах геологических структур и т. д.). Установлено, что данные о физико-механических свойствах горных пород необходимы не только для проектирования горных сооружений — шахт и карьеров, но и для решения геологических задач. Выполнены разнообразные методические исследования с целью установления и унификации методов изучения свойств горных пород. В настоящее время выпушено много монографий, описаний, справочников, систематизирующих результаты исследований свойств горных пород на различных месторождениях Советского Союза.

Все это показывает, что изученность свойств горных пород месторождений полезных ископаемых довольно полная и в значительной степени удовлетворяет запросам проектирования и строительства шахт и карьеров. И тем не менее в области изучения физико-механических свойств горных пород необходимо сделать еще очень многое. Имеющиеся материалы их исследований очень неоднородны. Большинство специалистов негеолотического профиля рассматривает и исследует горные породы как «материал», слагающий борта и откосы карьеров, как среду подземных горных выработок, без учета их генетических и петрографических особенностей, положения в геологическом раз-

резе, без соблюдения правила геологической однородности, без одновременного изучения петрографического и минерального состава горных пород и их строения, т. е. не в должном инже- нерно-геологическом 'плане.

При исследованиях свойств горных пород применяются главным образом лабораторные методы и совершенно недостаточно полевые. Поэтому обширный аналитический материал часто бывает недостаточно полноценным, не позволяет объяснять причины изменений свойств горных пород, надежно и эффективно их оценивать и прогнозировать.

Необходимо изменить существующий подход к изучению свойств горных пород, шире практиковать коллективное решение задач при проектировании, строительстве и эксплуатации горных сооружений специалистами горного и инженерно-геоло- гического профиля.

Геологические процессы и явления. При строительстве шахт и карьеров обычно нарушаются естественное состояние и равновесие горных пород, происходят их разгрузка, а иногда и разуплотнение и разрушение, расслаивание, осыпание, обрушение, оползание, оплывание, набухание и выпирание и другие виды медленных, быстрых или даже мгновенных их перемещений, сдвижений и давлений на крепь. Все эти и многие другие геологические явления нарушают устойчивость горных выработок, создают трудности и опасности для производства горных работ. Эти геологические явления требуют применения специальных способов проходки горных выработок, различных видов их крепления и других инженерных мероприятий, обеспечивающих безопасную разработку полезных ископаемых.

Встречающиеся на месторождениях геологические явления в настоящее время выявлены и с той или иной степенью детальности изучены; разработаны методы их оценки и прогноза угрожаемостн, методы предупреждения и борьбы с ними. В этом плане имеются большие достижения, обширная научная и методическая литература, обобщающая огромный советский и зарубежный опыт и результаты инженерных, научных и методических разработок.

Однако несмотря на то, что все геологические явления имеют геологическую природу при определенном влиянии на их развитие горнотехнических факторов, их изучением занимаются, как правило, не геологи, а горные инженеры. Они постоянно, повседневно, преодолевая трудности, создаваемые геологическими явлениями на шахтах и карьерах, вынуждены вести наблюдения за ними, изучать их, разрабатывать приемы и методы борьбы с ними. Со временем практические запросы горного производства потребовали постановки и специального геологического, инженерно-геологического изучения геологических явлений. За последние 20—25 лет такие исследования получили развитие в Донбассе, Кузбассе, Криворожском и Подмосковном бассейнах, на КМА и многих других месторождениях по-

1 2

лезных ископаемых. Их результаты пока в общем скромные, но данные этих исследований непрерывно пополняются.

Более значительные достижения в исследовании геологических процессов и явлений имеются на разнообразных и многочисленных карьерах. Именно на карьерах получены важные и интересные результаты исследований оползней, осыпей, обвалов, процессов выветривания горных пород, фильтрационных деформаций и др., составившие значительный вклад в развитие инженерной геологии как специальной широкой области геологических знаний. Результаты инженерно-геологического изучения геологических явлений на месторождениях, разрабатываемых подземным способом, в целом пока довольно ограниченны, хотя и здесь имеются определенные достижения в изучении некоторых явлений, например в различных районах и шахтах Донбасса, Подмосковного бассейна, Прибалтийского сланцевого бассейна и некоторых других. В общем же инже-

нерно-геологическое			изучение геологических процессов и		яв-
лений	на	месторождениях		полезных ископаемых находится
пока	еще	не на том	уровне,	какой требуется. Это — одна	из

главных задач инженерной геологии месторождений полезных ископаемых.

Охрана геологической среды от отрицательного воздействия горнодобыван>1Цнх предприятий. Проблеме охраны окружающей среды в настоящее время уделяется огромное внимание как в Советском Союзе, так и за рубежом; число публикаций, по-

священных этой	проблеме, непрерывно увеличивается.
В Советском	Союзе различные отраслевые министерства,

ведомства, предприятия и научные организации пытаются решать такие задачи самостоятельно. Действующие в настоящее время правительственные постановления и нормативные документы требуют решения вопросов охраны природы на всех стадиях проектирования, строительства и эксплуатации сооружений и предприятий. Исследования по охране окружающей природной среды выполняются, и уже достигнуты определенные результаты. Значительное место в них занимают работы по проблеме охраны геологической среды вообще и от отрицательного воздействия горнодобывающих предприятий в частности. Перечислить эти работы и выполняющие их организации не представляется возможным, в них принимают участие почти все ведущие организации горного профиля.

Оценивая современное состояние исследований по этой проблеме, необходимо отметить, что для успешного ее решения выполняют работы организационного, теоретического и методологического порядка. При этом важно четко оговорить, что исследования по этой проблеме должны касаться только геологической среды, только оценки и прогноза отрицательного воздействия на нее горнодобывающих предприятий и различных способов разработки месторождений. Эта оговорка необходима потому, что горнодобывающие предприятия оказывают отрица-

13

тельное влияние и на другие элементы природы — атмосферу, гидросферу и биосферу, но это уже находится за пределами задач инженерной геологии и ее компетенции.

Общее развитие инженерной геологии месторождений полезных ископаемых. Горные выработки и окружающие их горные породы (геологическая среда) представляют собой единую бинарную систему, нормальное функционирование которой проявляется в сохранении устойчивости горных выработок, в безопасности ведения горных работ при своевременном выполнении инженерных мероприятий по управлению геологическими процессами и явлениями в нужном направлении. Надо считать, что система функционирует рационально и эффективно, если устойчивость горных пород в бортах и откосах карьеров и в подземных выработках сохраняется при предельном состоянии — равновесии или некотором необходимом коэффициенте запаса, обоснованном достоверными материалами о геологических условиях и надежным прогнозом возможного развития геологических процессов.

Изучение и оценка геологических условий функционирования такой системы, получение необходимых исходных данных для проектирования, строительства и эксплуатации шахт и карьеров—вот главная задача инженерной геологии месторождений полезных ископаемых. Для ее решения необходимо, с одной стороны, выявлять и изучать все элементы инженерногеологических условий (см. гл. II), а с другой —учитывать горнотехнические условия, т. е. способ и систему разработки, размеры горных выработок, скорость и способы их проходки и другие характеризующие их параметры.

Следовательно, когда ставится задача изучить и количественно оценить инженерно-геологические условия строительства и эксплуатации шахт и карьеров, в это понятие должно вкладываться большое содержание. Нельзя считать задачу выполненной, если приводится только общее геологическое описание месторождения, когда оцениваются только сложность геологического строения, а геологическое описание сопровождается только характеристикой физико-механических свойств горных пород, когда не изучается и не оценивается влияние подземных вод, не изучается, не оценивается количественно и не прогнозируется функционирование горных сооружений, карьеров, капитальных, подготовительных и очистных горных выработок и отвалов в конкретных геологических условиях. Надо отметить, что так инженерно-геологические задачи ставятся

впервые, хотя	практически	они уже решались,	например,
при обосновании	проектов и	строительстве бортов	и откосов
карьеров.

Все сказанное позволяет сделать вывод, что общий уровень изучения и решения главных инженерно-геологических задач при освоении месторождений полезных ископаемых пока еще

недостаточно высок. По существу, эти задачи только начинают

и

ставиться, хотя изученность отдельных элементов, определяющих инженерно-геологические условия месторождений, довольно полная.

1-3. Генетические и промышленные типы месторождений полезных ископаемых

Месторождения металлических, неметаллических и горючих полезных ископаемых распространены в земной коре неравномерно (см. классификацию А. Г, Бетехтина). В соответствии с историей формирования различных элементов ее тектонической структуры весьма разнообразны и условия образования месторождений. Поэтому в природе встречаются многочисленные генетические типы их, разнообразные по минеральному составу и формам залегания полезного ископаемого, петрографическому составу вмещающих пород, тектоническому строению, приуроченности к тем или иным элементам рельефа и т. д.

КЛАССИФИКАЦИЯ

ПОЛЕЗНЫХ

ИСКОПАЕМЫХ*

ПО А. Г. БЕТЕХТИНУ

I. Металлические полезные ископаемые:

1)

черные

и легирующие

металлы — железо,

марганец,

хром, ванадий, ко-

бальт, никель,

молибден,

вольфрам;

2)

цветные

металлы ~ медь, цинк,

свинец,

олово, мышьяк,

сурьма,

висмут,

ртуть;

3)

легкие металлы — алюминий, магний;

4)

благородные

металлы — золото,

серебро

и

платиновая

группа (платина,

иридий

и

др.);

5)

радиоактивные элементы — радий, торий

и уран;

6)

редкие

металлы

и

редкоземельные

элементы — циркон,

ниобий,

тантал,

галлий,

германий

и др.

П. Неметаллические

полезные

ископаемые;

1)

строительные

материалы — строительный

и

облицовочный камень,

галеч-

ники, щебень, пески и др.;

2)

горнохимическое

сырье —соли,

фосфаты,

бораты,

апатито-нефелн новые

руды и др.

1П. Горючие

полезные

ископаемые;

1)

твердые

ropra^iie

ископаемые — угли,

горючие сланцы

и

др.;

2)

жидкие

и газообразные

горючие

ископаемые — нефть,

природные

газы.

Все ТИПЫ месторождений принадлежат к трем основным генетическим сериям: эндогенной, экзогенной и метаморфической. Их описание приведено в специальных работах. Здесь же только отметим, что при решении разнообразных инженерногеологических задач, связанных с освоением месторождений и обоснованием проектов шахт и карьеров, важно полно учитывать геологическое строение района их распространения и знать, к какому генетическому типу они принадлежат, так как

* Полезным ископаемым принято называть природные минеральные и органогенные образования, которые можно непосредственно использовать в народном хозяйстве или из которых можно извлекать ценные компоненты.

1 5

это дает широкую информацию об их инженерно-геологических условиях, о чем подробнее будет сказано ниже. Кроме того, важно также обратить внимание на то, что обычно занимаются инженерно-геологическим изучением только тех месторождений, которые имеют промышленную ценность, т. е. таких, запасы и качество полезного ископаемого которых удовлетворяют запросы промышленности на данном уровне развития науки и техники, а инженерно-геологические условия позволяют их разрабатывать.

Заметим, что согласно нормативным положениям составление проектов на строительство новых и реконструкцию действующих горнодобывающих предприятий можно производить при наличии на месторождении или каком-либо его участке балансовых запасов полезного ископаемого категорий А, В и С, утвержденных ГКЗ. Эти запасы должны иметь определенные соотношения, установленные также ГКЗ, в зависимости от

группы геологической сложности; на месторождениях I				группы
не менее 30% запасов категорий A-I-B, в том числе не				менее
10%	категории А; на месторождениях	II	группы —не	менее
20 % запасов категории В; на месторождениях III группы до-
пускается проектирование при запасах категории Ci.
	1-4. Шахты и карьеры — инженерные сооружения
	особого типа
Для разработки месторождений твердых полезных ископае-
мых	строят горные выработки — шахты	и	карьеры, которые

представляют собой инженерные сооружения совершенно особого типа, и выполняют работы по их сооружению и добыче полезных ископаемых, а также по возведению отвалов, складированию руд, угля и др. Добыча полезных ископаемых нередко сопровождается их первичной переработкой и обогащением.

Поэтому в составе горного предприятия	строят	обогатитель-
ные фабрики и сопутствующие им сооружения,		хвостохра-
нилища и др. Одновременно развивается	сеть подъездных и

внутрихозяйственных автомобильных и железных дорог, строи-

тельство	жилпоселков	со	всеми	общественными,		коммуналь-
ными и	культурными	службами		и предприятиями обществен-
ного питания, водо- и энергоснабжения					и др. В результате на
крупных	месторождениях		горное	предприятие		превращается
в сложное комплексное			промышленное		объединение — горно-

обогатительный комбинат (ГОК) с огромной зоной влияния на окружающую природную и в том числе геологическую среду.

В зависимости от места производства горных работ различают открытые работы, производимые непосредственно с поверхности земли — в карьерах, и подземные работы, выполняемые на той или иной глубине от поверхности земли, в подземных горных выработках — шахтах и прилегающих к ним других подземных горных выработках (рис. 1-1).

1в

11

Рис. М . Схемы горных выработок.

1 — ствол	шахты;	2 — наклонный ствол	шахты;	3 — квершлаг;	4 — штрек;	5 — орт: 6 —•
скат; 7 —	гезенк;	3 — бремсберг; 9 —	штольня;	10 — карьер;	/ / —бровки	бортов карь-
	ера;	12 — бровки уступов;	— бермы; М — огкосы уступов.

Участок месторождения полезного ископаемого, отводимый для разработки одной шахтой или одним карьером, называют шахтньш или карьерным полем. Форма шахтного или карьерного поля может быть разнообразной, однако при проектировании обычно стремятся придать ему прямоугольную форму, а границы намечают по простиранию слагающих его горных пород и их падению. Полезное ископаемое в пределах каждого шахтного или карьерного поля обычно разрабатывают частями, для чего их разбивают на этажи, вытянутые по простиранию горных пород.

Горные выработки при освоении месторождений имеют различное назначение. Те из них, с помощью которых открывают доступ к полезному ископаемому с поверхности земли, производят его вскрытие, называются капитальными. Их проходят преимущественно по пустым породам. После того как полезное ископаемое вскрыто, проходят выработки, подготавливающие фронт работ для непосредственной его добычи. Такие выработки называются подготовительными, их проходят по полезному ископаемому или по пустым породам. После проведения подготовительных выработок приступают к добыче полезного ископаемого. Такие горные выработки называются очистными.

Очистные выработки отличаются от капитальных и подготовительных значительно большими размерами и соответственно значительно больще зона их влияния на окружающую геологическую среду, зона деформации, перемещений и сдвижений горных пород вокруг них. Кроме того, очистные выработки обычно имеют сравнительно небольшой срок эксплуатации и в них непрерывно изменяется положение забоя (продвижение забоя). Поэтому поле напряжений ^ . горных лородах непрерывно изменяется. Все это требует выполнения-особых инженерных

1 7

мероприятий по поддержанию очистных выработок в устойчивом состоянии и по управлению горным давлением.

Последовательность, порядок проведения всех горных выработок на том или ином месторождении, обеспечивающие наибольшую производительность горного предприятия, безопасность ведения горных работ, минимальный объем подготовительных работ, называют системой разработки месторождения.

Способ и система разработки месторождения в самой большой степени определяются его инженерно-геологическими условиями. Действительно, глубина и форма залегания полезного ископаемого, состав, физическое состояние и свойства горных пород, слагающих месторождение, степень их тектонической нарушенности и обводненности, характер рельефа поверхности, развитие геологических процессов и явлений и т. д.— это решающие факторы, определяющие условия производства горных работ, их эффективность и безопасность.

Необходимо также учитывать, что современные горные вы-

работки — карьеры и шахты — достигают очень	большой глу-
бины. Карьеры глубиной 100—200 и даже 300	м — явление

обычное, а проектируются карьеры глубиной более 500—600 м. Глубина горных выработок 300—500 и даже 600 м при подземном способе разработки месторождений — также обычное явление, и фронт горных работ на все больших и больших глубинах повсеместно и непрерывно расширяется. Уже теперь име-

ются	шахты глубиной более	1000 м, а за рубежом — более
3000	м. Общая протяженность	горизонтальных и наклонных

подземных горных выработок на месторождениях достигает многих десятков и сотен километров.

Все это показывает, что зона влияния горных выработок на месторождениях полезных ископаемых захватывает огромные пространства геологической среды. Бот почему шахты и карьеры представляют собой сооружения совершенно особого типа,, а инженерная геология месторождений полезных ископаемых — самостоятельный, очень ответственный и исключительно интересный раздел (научное направление) инженерной геологии. Запросы горного производства обусловили его выделение и интенсивное развитие. Поэтому совсем не правы те специалисты, которые, определяя предмет, содержание, структуру инженерной геологии как науки, не выделяют инженерную геологию месторождений полезных ископаемых в самостоятельный раздел {научное направление) вследствие недооценки существа проблемы.

В Ленинградском горном институте вопросы инженерной геологии месторождений полезных ископаемых много лет рассматривались в виде самостоятельных тем в курсе специальной инженерной геологии, а начиная с 1973/74 учебного года в учебный план специальности «Гидрогеология н инженерная геология» был введен и читается курс «Инженерная геология месторождений полезных ископаемых».

18

Глава И

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ МЕСТОРОЖДЕНИИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

11-1. Общие положения

Месторождениями принято называть естественные скопления полезных ископаемых в земной коре. Из них промышленными называются такие, которые целесообразно разрабатывать для удовлетворения нужд народного хозяйства. Задачи инженерной геологин месторождений полезных ископаемых состоят в изучении, оценке и прогнозе их инженерно-геологических условий, основными, определяющими элементами которых являются: рельеф, геологическое строение в самом широком его понимании, физико-механические свойства горных пород, их обводненность, развитие геологических процессов и явлений как естественных, так и связанных со строительством шахт, карьеров и производством горных работ. Роль этих элементов в оценке геологических условий строительства горных сооружений в значительной' степени зависит от типа самих сооружений, способа вскрытия и системы разработки месторождения, типа и условий размещения отвалов пустых пород. Поэтому оценка и прогноз инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых должны основываться на учете как природных геологических, так и горнотехнических факторов.

11-2. Влияние рельефа местности на освоение месторождений полезных ископаемых

Рельеф местности месторождений в значительной степени определяет сложность инженерно-геологических условий их освоения. Равнинный или равнинно-холмистый рельеф (обычно платформенных областей) характеризуется небольшими превышениями отдельных его элементов (небольшая глубина расчленения) и слабым или средним, реже значительным горизонтальным расчленением (расстояние между понижениями, котловинами, эрозионными врезами —оврагами н балками). Поверхностный сток здесь замедлен, местность нередко заболочена, пересекается ручьями и речками; горизонты и зоны пород, вмещающие полезное ископаемое, часто залегают на отметках более низких, чем базис эрозии крупных рек и водоемов.

1 9