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

в условиях равнинного и равнинно-холмистого рельефа широко распространены различные генетические типы четвертичных отложений, представленные рыхлыми несвязными и мягкими связными породами значительной мощности. Коренные породы представлены слоистыми недислоцированными или слабодислоцированными осадочными и вулканогенными разностями, местами прорванными магматическими телами. Это породы чехла древних и молодых платформ, обнажающиеся на поверхности по долинам рек или покрытые четвертичными отложениями. Прочность и устойчивость всех этих пород обычно малы или недостаточны. Гидрогеологические условия характеризуются неглубоким залеганием грунтовых вод и наличием нередко нескольких горизонтов, зон и комплексов напорных пластовых вод. Водоносные горизонты, зоны и комплексы могут иметь большие водообильность, водопроницаемость (горизонты и зоны карстовых вод) и пьезометрические напоры. В общем горные породы равнинных и равнинно-холмистых областей часто слабо дренированы.

В условиях этого рельефа следует обращать внимание на

распространение		таких	геологических явлений, как плывунов
в	толщах четвертичных		отложений и коренных породах, карста
в	карбонатных	и соленосных породах и оползней, связанных,
как правило, с		глинистыми породами, нередко слагающими

склоны речных долин, балок и оврагов. Кроме существующих оползней многие участки ciyioHOB здесь могут быть потенциально опасными в отношении их образования. В районах распространения многолетней мерзлоты часто встречаются наледи, многолетние бугры пучения и термокарстовые явления.

Из приведенной характеристики видно, что в областях равнинного и равнинно-холмистого рельефа при освоении месторождений полезных ископаемых часто бывает необходимо выполнять подготовительные работы по регуляции поверхностного стока и осушению заболоченных участков, отводу речек и ручьев, предварительному осушению толщ горных пород и понижению уровнен и напоров подземных вод. На конструирование бортов карьеров здесь существенное влияние обычно оказывают недостаточные прочность и устойчивость горных пород и возможность образования оползней больших объемов. При

проходке подземных	горных	выработок	возникают	сложности
в связи с напорными	водами,	развитием	плывунов,	карстовыми

пустотами и зонами повышенной закарстованности горных пород, возможностью прорыва в горные выработки воды, плывунов и разжиженных глинистых пород. В связи с недостаточной прочностью и устойчивостью горных пород требуется непрерывное в процессе проходки крепление выработок. При этом нередко горное давление достигает высоких значений, что вызывает необходимость применения серьезных мероприятий по управлению им. Часто в горных выработках происходит поддувание горных пород в почве и отслаивание в кровле (лож-

2 0

ные кровли). Отвалы и гидроотвалы на месторождениях в районах с таким рельефом, как показывает практика, иногда приходится располагать на слабых породах и принимать меры по обеспечению их устойчивости и защите прилегающих территорий.

Заметим, что при проектировании и разработке все более глубоких горизонтов на месторождениях, расположенных в равнинных и равнинно-холмистых районах, роль рельефа местности в общем комплексе факторов, определяющих инженерногеологические условия, уменьшается, а роль глубины производи ства горных работ возрастает.

В среднегорных, горных и высокогорных областях инженер- но-геологические условия имеют свои особенности и сложности. Рельеф здесь обычно имеет значительную вертикальную и горизонтальную расчлененность, относительные превышения отдельных участков поверхности достигают сотен метров, склоны кру-

тые, покрыты многочисленными ложбинами стока			разной
формы, по которым спускаются осыпи		и каменные россыпи —
курумы. По склонам и водоразделам		многочисленны	выходы
коренных пород	разнообразных форм	и размеров — от	отдель-
ных выступов и	гряд до крупных скальных массивов.

В геологическом строении таких областей принимают участие главным образом сложнодислоцированные осадочные, вулканогенные и метаморфические породы, прорванные разнообразными магматическими. Эти комплексы пород типичны для складчатых геосинклинальных областей и кристаллического фундамента платформ. Взаимоотношения отдельных комплексов пород сложные. Здесь многочисленны тектонические нарушения разных порядков, значительная и неравномерная трещиноватость горных пород и неодинаковые степень и глубина распространения их выветрелости. С поверхности коренные породы прикрыты маломощным прерывистым чехлом рыхлых четвертичных образований. По инженерно-геологической классификации горные породы рассматриваемых областей относятся к группам твердых (скальных) и относительно твердых {полускальных). Первые имеют повышенные прочность, устойчивость и крепость, а вторые (вследствие их трещиноватости и выветрелости)—более низкие значения показателей этих свойств. Во многих районах скальные породы в условиях естественного залегания имеют повышенное напряженное состояние по сравнению с гравитационным, обусловленное силами тектонического сжатия.

	Гидрогеологические условия этих областей характеризуются
в	общем малой, а местами временной обводненностью пород.
В	силу отмеченных выше геоморфологических особенностей,

комплексы пород, их слагающие, достаточно дренированы. Из^ геологических явлений характерны осыпи, россыпи, обвалы, оползни, снежные лавины и обвалы, селевые явления, а для горных районов мезозойско-кайнозойской альпийской складча-

2 1

тости — интенсивные новейшие и современные тектонические движения и повышенная сейсмическая активность.

Из приведенной характеристики месторождений, расположенных в горных и высокогорных областях, видно, что строительство здесь шахт и карьеров, как и их эксплуатация, представляют немалые сложности. Способ вскрытия полезного ископаемого, подготовка отдельных его горизонтов для разработки и организация транспорта для вывозки масс пустых лород и полезного ископаемого требуют выполнения значительных подготовительных строительных работ. Для таких месторождений характерна, как правило, значительная неоднородность геологических условий в связи с тектонической нарушенностью горных пород, неравномерной их трещиноватостью и выветрелостью и соответственно неодинаковыми физическим состоянием, прочностью и устойчивостью.

В зависимости от условий залегания полезного	ископае-
мого и его положения относительно преобладающих	отметок
рельефа поверхности земли производят, как правило,	раздель-

ное вскрытие нагорной и глубинной частей месторождения. Здесь нередко приходится строить нагорно-глубинные карьеры или отрабатывать месторождение только подземным способом. Неоднородность геологического строения обусловливает неодинаковые конструкцию и устойчивость бортов карьеров, неодинаковую устойчивость отдельных участков подземных выработок и в связи с повышенным тектоническим напряжением горных пород —развитие динамических явлений (горные удары и др.). Кроме того, при эксплуатации месторождений в горных и высокогорных областях возникает необходимость в организации специальных служб наблюдений и в проведении инженерных противообвальных, противоселевых, противолавинных и других мероприятий.

Из сказанного видно, как через рельеф проявляются многие важные качества инженерно-геологических условий месторождений. В этом заключается роль рельефа местности в общей оценке условий их освоения.

И-З. Основные элементы геологического строения месторождений, определяющие условия их освоения

Описание и оценка инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых должны давать полное, детальное, достоверное и совершенно однозначное освещение их геологического строения в самом широком смысле этого понятия. Для этого необходимо уделять большое внимание предварительному изучению материалов региональных исследований, предварительной и детальной разведок месторождения и дополнительным инженерно-геологическим исследованиям, вытюлняемым в процессе производства разведочных работ на месторождении.

2 2

При изучении геологического строения месторождения в ин- женерно-геологическом плане в первую очередь устанавливают стратиграфию слагающих его комплексов горных пород, их распространение, форму я условия залегания, взаимоотношения, тектоническую структуру месторождения в целом и отдельных его частей. Все это должно полно показывать строение толщ и комплексов горных пород, образующих вскрышу н являющихся вмещающими для полезного ископаемого, положение и распространение поверхностей, зон и слоев ослабления, которые при строительстве карьеров и шахт и производстве горных работ могут обусловить нарушение устойчивости горных пород, их перемещение, сдвижение и другие деформации н явления, а таюке притоки воды и др.

Такое инженерно-геологическое изучение месторождения является дальнейшим специальным целенаправленным изучением, отвечающим на вопрос о том, какие элементы геологических условий наиболее существенно могут влиять на условия строительства шахт и карьеров и производство горных работ.

Стратиграфия и стратификация отложений и комплексов горных пород. Стратиграфия, как известно, отражает последовательность образования отложений и комплексов горных пород разного возраста, слагающих месторождения, и их возрастные соотношения, а стратификация — последовательность напластования разных петрографических типов горных пород в вертикальном разрезе, от поверхности земли на глубину. Все эти данные обычно отображают на геологических колонках, картах, геологических разрезах, блок-диаграммах, в аксонометрических проекциях и других материалах. Такие материалы позволяют наглядно представить, какие петрографические типы горных пород будут слагать борта карьера в целом и каждый уступ, рабочие, транспортные и предохранительные бермы, а также геологический разрез, в котором будет производиться проходка подземных горных выработок.

Геологическая карта и стратиграфический разрез показывают, какие отложения и комплексы горных пород разного возраста распространены по площади и на глубину в пределах месторождения, и в том числе те, с которыми связаны минерализация, угленосность и др., т. е. полезное ископаемое. Из этих данных обычно видны степень неоднородности и сложности геологического строения месторождения. Хорошо известно, что многие месторождения полезных ископаемых приурочены к определенным стратиграфическим подразделениям геологического разреза. Поэтому стратиграфия как бы контролирует распространение и размещение полезного ископаемого в пределах месторождения, шахтного и карьерного полей и позволяет, таким образом, отграничивать толщи горных пород, слагающих вскрышу, от пород, вмещающих полезное ископаемое.

Стратиграфия имеет большое инженерно-геологическое значение, так как многие горизонты, слои, толщи и комплексы

2$

горных пород, характерные в инлсенерно-геологическом отношении в силу своих особых свойств и физического состояния (мягкие, легко размокаемые и набухающие глины, слоистые легко обрушаемые породы, горизонты плывунов, повышенной закарстованности, склонные к поддуванию, водоносные, удароопасные и др.), обычно занимают определенное положение в геологическом разрезе. Поэтому стратиграфические данные позволяют производить параллелнзацию и корреляцию отложений и более надежно оценивать инженерно-геологические условия месторождений в целом и отдельных их частей.

По стратификации петрографических типов и комплексов горных пород обычно намечают наиболее целесообразное пространственное расположение горных выработок, т. е. их приуроченность к определенным типам пород, от свойств которых зависят конструкция горных выработок, условия их проходки, устойчивость и т. д., а также распространение локальных и региональных водоупоров и водоносных горизонтов, зон и комплексов относительно горных выработок и степень их защищенности от притоков подземных вод и их воздействия. Стратификация показывает границы раздела между петрографическими типами горных пород в геологическом разрезе, положение поверхностей, слоев и зон ослабления. Следовательно, изучение и полный учет данных стратиграфии и стратификации отложений и комплексов горных пород, слагающих месторождения и их конкретные части, имеют не только общегеологическое, но и большое специальное инженерно-геологическое значение.

Петрографический состав горных пород. Петрографический состав горных пород, слагающих месторождения полезных ископаемых, является одной из важнейших характеристик их геологического строения, определяющей особенности их физикомеханических свойств, устойчивость и поведение в горных выработках. Как показывает анализ материалов по месторождениям черных, цветных, легких и других металлов, неметаллических и горючих полезных ископаемых, в их геологическом строении принимают участие самые разнообразные петрографические типы магматических, метаморфических и осадочных горных пород. Поэтому при инженерно-геологическом изучении месторождений полезных ископаемых необходима самая широкая подготовка специалистов в области петрографии и инженерной петрологии [19].

Однако необходимо ясно представлять, что в пределах отдельных месторождений и их групп состав петрографических типов слагающих их горных пород обычно менее разнообразен. Кроме того, многие виды полезных ископаемых парагенетически связаны только с определенными группами и типами горных пород. Так, например, размещение эндогенных месторождений контролируется главным образом распространением магматических пород и их жильных и эффузивных фаций, а экзогенных — преимущественно осадочных пород. Многие экзоген-

2 4

ные месторождения связаны с продуктами выветривания магматических пород. Так, например, известно много месторождений золота, касситерита, вольфрамита и других полезных ископаемых, приуроченных к продуктам физического выветривания гранитных интрузий. Они распространены или непосредственно в пределах интрузий (элювиальные месторождения), или в некотором удалении от них (делювиальные, аллювиальные). Установлена определенная связь месторождений платины, алмазов и хрома с ультраосновными и основными породами. Размешение многих месторождений рудных, нерудных, угольных, горнохимического сы^рья и строительных материалов контролируется распространением определенных петрографических типов осадочных н метаморфических пород.

При инженерно-геологическом изучении месторождений полезных ископаемых очень часто первостепенный интерес представляют не столько петрографические особенности горных пород, непосредственно вмещающих полезное ископаемое, сколько тех, которые будут слагать вскрышу, уступы и борта карьера или определять устойчивость капитальных и подготовительных горных выработок при подземном способе разработки месторождения. Поэтому в инженерно-геологическом плане важно изучать и оценивать все горные породы, существенно определяющие геологическое строение месторождения. При этом из петрографических особенностей пород главное внимание надо уделять изучению их петрографического (минерального) состава, состава и содержания примесей и включений, ослабляющих прочность н устойчивость пород, у осадочных пород —со- става цемента и типа цементации, а также строения пород, т. е. их структуры и текстуры.

Для характеристики и оценки горных пород большое значение имеют наблюдения за всеми вторичными, постгенетическими, изменениями, проявляющимися у магматических и метаморфических пород в каолинизации, серицитизаиии, эпидотизации, хлоритизации и особенно в той или иной степени их выветрелости. У осадочных пород необходимо изучать все изменения на разных стадиях их лнтификацни как при прогрессивном, так и при регрессивном катагенезе. Для осадочных угленосных отложений исключительно важное значение имеют данные, характеризующие их изменения на всех стадиях метаморфизма углей — от бурых до антрацитов, так как органическое вещество очень чувствительно ко всем изменениям геохимических и термодинамических условий окружающей среды.

Роль петрографических особенностей горных пород в оценке их физико-механических свойств, поведения и устойчивости в горных выработках и условий производства горных работ переоценить невозможно. Они определяют плотность горных пород, их гидрофильность, размокаемость и размягчаемость, твердость, крепость, прочность и деформируемость, водопроницаемость и водоносность, газопроницаемость и газоносность ir

25

в конечном итоге устойчивость. Именно с петрографическими особенностями горных пород связана анизотропия их свойств и в значительной степени возможность развития тех или иных геологических явлений, как, например, переход в плывунное состояние, поддувание, развитие значительного горного давления и пластических (реологических) деформаций, горных ударов, стреляния, выбросов горных пород и угля и др.

Данные о петрографических особенностях горных пород позволяют не только оценивать устойчивость горных выработок и условия производства горных работ, но и прогнозировать возникновение перечисленных явлений. Наконец, петрографические особенности горных пород определяют их строительную категорию, разрабатываемость, буримость, разрыхляемость, скорость проходки горных выработок, необходимость и скорость их крепления и другие технологические особенности производства горных работ. Влияние петрографического состава и строения горных пород на их свойства рассмотрено во многих опубликованных работах, в том числе в первой час>ги курса инженерной теологии — в «Инженерной петрологии» [19]. Частично на эти вопросы обращается внимание ниже, в соответствующих разделах.

Текстуры напластования осадочных пород. Условия залегания горных пород определяются формой их залегания, выдержанностью мощности слоев, пластов и их простирания, соотношением с другими породами и степенью нарушенности первоначального залегания тектоническими движениями. В разных тектонических областях условия залегания горных пород, так же как их физическое состояние и прочность, различны.

Для геологического строения осадочных толщ в целом одним из наиболее общих правил является их слоистое строение, образование текстур напластования. При описании и оценке таких текстур важно различать смену петрографического состава пород в вертикальном разрезе и образование разделов между слоями. Оба эти признака в инженерно-геологическом отношении имеют исключительно важное значение. Они указывают на неоднородность, т. е. на распространение в разрезе осадочных толщ пород не одного рода по составу, строению, физическому состоянию и свойствам, а часто по внешнему виду и окраске, и на наличие в них поверхностей раздела—зон, слойков, прослойков и слоев слабых пород, т. е. поверхностей ослабления.

Поверхности раздела обнаруживаются и в почти однородных в петрографическом отношении осадочных породах вследствие разделения их на слои — расслаивания. Такие поверхности раздела в однородных породах бывают ровные, гладкие, горизонтальные или волнистые и нередко подчеркиваются появлением трещин напластования, ориентированных в плоскости слоистости. Все это влияет на прочность и устойчивость горных пород, особенно когда они обнажаются горными выработке

ками. Поэтому изучению и оценке всех этих явлений при ин- женерно-геологических исследованиях необходимо уделять большое внимание.

В геологической практике изучению слоистости (текстурам напластования) уделяется очень большое внимание, так как она наряду с гранулометрическим составом пород является решающим признаком тех или иных условий их образования. По Л. Н. Ботвинкиной, перечень признаков, характеризующих при этом тот или иной тип слоистости, следующий.

	I. Признаки слоев, слагающих одну серию.
1. Форма слоев: а) прямолинейная, б)			криволинейная.
2.	Соотношение	слоев: а) параллельные,		б) сходящиеся.
3.	Наклон слоев: а) пологий, б) крутой			(для косой слоистости		указывается
	угол наклона, для волнистой — отношение длины волны					к ее	ампли-
	туде).
4.	Видимая граница слоев: а) непрерывная, б) прерывистая.
5.	Четкость границ слоев: а) резкая, б) отчетливая, в) постепенный переход.
6.	Характер слоев: а) однородный, б)			неоднородный, в) постепенное изме-
	нение	гранулометрического состава.
7. Чередование		слоев: а) правильное	(ритмичное), б)		неправильное.
	II. Признаки, характеризующие серки слоев.
1. Соотношение		серий слоев: а) параллельные, б) перекрестные.
2.	Направленность слоев в смежных сериях: а) однонаправленные,						б) раз-
	нонаправленные.
3.	Четкость границ серий: а) резкая,		б)	отчетливая, в)	постепенный		переход.,

III.Признаки, указывающие, чем обусловлена слоистость.

1.Изменение крупности зерна.

2.Чередование слоев разного состава.

3.Ориентировка частиц.

4.	Расположение	в одной плоскости каких-либо включений (гальки, кон-
	креций,	фауны).
5.	Тонкая послойная присылка растительного детрита или слюды.
6.	Различная окраска породы.

При использовании перечисленных признаков название каждого типа слоистости получается сложным. Например, для слоистости первого типа —косая, крупная, с параллельными сериями, однонаправленная, прямолинейная, резкая. Такие определения дают возможность выявить приуроченность типов слоистости к различным генетическим типам пород и фациям. Для инженерно-геологической оценки пород такая характеристика очень важна, так как показывает направления, по которым возможны пониженные значения сопротивления их скалыванию или сдвигу, а в подземных выработках, кроме того, возможны отслаивание и обрушение. При инженерных изысканиях на месторождениях полезных ископаемых изучение текстур напластования необходимо для оценки устойчивости и: «обрушаемости» пород в горных выработках. В инженерной геологии этим вопросам до сих пор уделялось мало внимания, и только недавно А. А. Варга посвятил им специальную работу [1979 г.].

На рис. П-1 показаны различные типы слоистых толщ, встречающиеся на месторождениях полезных ископаемых, из которого можно, например, заклк}чить, что конструкция бортов

27

Рис. 11-1. Строение бортов карьеров в различных типах горных пород,

о — песчаные	слоистые	породы;	б — т е	ж е породы,	водоносные;	в —глинистые мягкие
слоистые породы; г — песчаные			слоистые породы подстилаются глинистыми;				й —песча-
л ы е слоистые	породы	подстилаются трещиноватыми			известняками;	е — зона	кристалли-
ческих пород, еыветрелых до			состояния песчано-глнннстой массы, подстилается менее
		выветрелымя		трещиноватыми породами.

карьеров, их устойчивость и условия производства горных работ во всех случаях существенно определяются текстурами напластования, так как каждый слой пород слоистой толщи отличается своеобразным петрографическим составом, физическим состоянием (плотностью, влажностью, выветрелостью, трещнноватостью и др.), прочностью (сопротивлением внутреннему трению или сопротивлением по поверхностям и зонам ослабления), строительной категорией, а также степенью обводненности.

Относительно отдельных конкретных типов слоистых толщ можно сделать следующие замечания, В условиях слоистой толщи песчаных пород (рис. 1Ы, а) главное внимание надо уделять изучению гранулометрического состава пород и их плотности. Наиболее устойчивой крутизной заложения — наибольшим углом внутреннего трения — в таких условиях обладают более грубозернистые породы плотного сложения. Если песчаные толщи водоносны (рис. П-1,б), то кроме уже перечисленного важно учитывать степень их обводненности и гидродинамическое давление, особенно на первых этапах производства горных работ, пока водоносные породы еще недостаточно

28

осушены. В конструкции бортов карьеров в этом случае должно ^ыть предусмотрено устройство уступов (при соответствующей лх высоте), причем нижним целесообразно придавать более пологое заложение с учетом гидродинамических сил и создавать дренажные устройства, особенно вдоль нерабочего борта (например, контрфорсные дренажи — призмы).

В	условиях слоистых	толщ мягких	глинистых пород
(рис.	II-1, в) первостепенное	значение имеют	их физическое со-

стояние (влажность, консистенция), сопротивление сдвигу и высота откосов. Важно обращать внимание на наличие и ориентировку слоистости, более мягких прослойков, линз, зон повышенной влажности и других границ раздела, особенно неблагоприятно ориентированных к откосу.

Когда в откосе толщи песчаных пород подстилаются глинистыми (рис. II-1, г), главными критериями для оценки инже- нерно-геологических условий, как и в предыдущих случаях, будут служить гранулометрический состав песчаных пород, их плотность, консистенция глинистых пород и сопротивление сдвигу тех и других. Существенное значение здесь могут иметь временная или постоянная обводненность песков, высота уступов, сложенных глинистыми породами, и наличие границ раздела в породах, неблагоприятно ориентированных к откосу. Для рассматриваемой конструкции откоса важно оценивать устойчивость и несущие способности пород, слагающих бермы, которые часто являются рабочими, транспортными нли предохранительными площадками.

На рис. 11-1,^, е представлены типы напластований, наиболее часто встречающиеся на угольных и других месторождениях полезных ископаемых. Откосы сложены толщами или слоями полускальных пород — песчаниками, алевролитами, аргиллитами, мергелями, известняками или магматическими и другими породами, сверху прикрытыми четвертичными отложениями. Здесь главное значение имеют степень выветрелости пород и ориентировка поверхностей и зон ослабления в них.

На рис. II-2 приведен пример влияния напластования	пород
на условия проходки подземных выработок. При проходке под-
земных выработок по пескам условия неблагоприятны, так как
они водоносны, возникает необходимость в сплошном их креп-
лении и гидроизоляции. Кроме того, возможен переход	песков
в плывунное состояние, особенно в первый период их вскрытия.
В угленосной глинистой толще проходка горных выработок не
составляет значительных трудностей, однако в мягких	глини-

стых породах	могут возникнуть	значительное горное давление
и поддувание	(пучение) пород в	почве. В этих условиях, кроме

того, важно проверять и оценивать прочность и устойчивость глинистых пород в кровле и почве подземных выработок относительно прорыва через них подземных вод и плывунов.

Границы раздела в осадочных породах могут быть обусловлены также разными видами стратиграфических и угловых

29