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

sjjy

Рис. 11-2. Пример влияния напластования пород на условия проходки подземных выработок.

3

несогласий. Это очень важно для характеристики и оценки осадочных толщ, так как с несогласиями связаны месторождения бо5<ситов, марганца и других полезных ископаемых, а также изменение состава, физического состояния и свойств горных пород при выветривании во время перерывов в накоплении осадков. К зонам перерывов в накоплении осадочных толщ нередко приурочены подземные воды. Все это в целом влияет на устойчивость горных пород при вскрытии их горными выработками.

При у<зучении текстур напластования очень важно учитывать мощность слоев, прослоев, линз и залежей полезного ископаемого, а также вмещающих и покрывающих их пород. В горной практике слон по мощности принято делить на весьма тонкие — до 0,7 м, тонкие —от 0,71 ДО 1,2 м, средней мощности — от 1,21 до 3 м и мощные —более 3,5 м. Рабочими считаются такие, которые по мощности, строению и содержанию полезного' ископаемого целесообразно разрабатывать в данном конкретном случае.

Наблюдениями установлено, что чем больше мощность слоев полезного ископаемого и соответственно разрабатывается большой объем подземного пространства, тем больший объем подработанных горных пород начинает сдвигаться. Поэтому разработка полезных ископаемых, особенно образующих слои средней и значительной мощности, очень часто вызывает сдвижение больших объемов пород, развитие повышенного горного давления, деформации горных выработок, а при неглубоком залегании полезного ископаемого от поверхности земли — ее деформации, а также зданий и сооружений, расположенных на подраба-

тываемой территории. Следовательно,	характер	напластования
и мощность слоев влияют на систему	разработки полезного ис-
копаемого.
Во всех случаях при строительстве горных выработок кроме
характеристики напластования пород	и границ	разделов в них

3 0

f 1[111 1

	[rrrrri	/ у
	ш к

Рас. 11-3. Нарушение устойчивости борта карьера в слоистой дислоцирован-

	ной	толще,
I — суглинки; 2 — известняки;	3 — алевролиты:		4 — доломнто;		5 — вргиллиты;	6 — ополз-
невые накаплення (оползень);	7 — заколы	у	бровки	откоса	н ловерхностн	скольжения
оползающих масс горных				пород.

имеет значение и степень их дислоцированности тектоническими процессами. При этом в горном деле в зависимости от степени нарушенности их первоначального залегания принято подразделять на пологозалегающие породы (до 18"); имеющие среднюю крутизну (наклонные) — от 19 до 35"; крутонаклонные — от 36 до 55' и крутые — от 56 до 90°. Так, например, хорошо известно, что если дислоцированные слоистые толщи имеют углы падения, неблагоприятно ориентированные по отношению к бортам карьеров, то почти всегда возникают смещения и оползания пород, нередко больших, а на отдельных участках и очень больших объемов (рис. П-З).

Такие деформации уступов и бортов карьеров возникают при подрезке даже достаточно пологозалегающих слоистых толщ (до 10—15®). При подрезке неблагоприятно ориентированных слоистых толщ, включающих песчаные породы или выветрелые песчаники, нередко развиваются разнообразные фильтрационные деформации (суффозия, оплывание пород, выпор), которые обычно завершаются образованием оползней.

Тектоническая дислоиированность слоистых толщ оказывает очень большое влияние на устойчивость горных пород в подземных выработках. На рис. П-4 показано несколько схем расположения подземных выработок в дислоцированных слоистых толщах. Как показывают практика производства горных работ и результаты специальных наблюдений и исследований, если выработка проводится по простиранию слоистой толщи

31

'у, '/,'^у V, /у //у < ^/////^y/z/yVZ/ //V//-

Рис. 11-4. Схемы		расположения		подземных выработок в				дислоцированных
			слоистых			толщах.
я — по простиранию		пологоиаклонного			слоя	однородной	породы;	б — по	простиранию
крутонаклонпого	слоя однородной			породы;		6 — акрест	простирания пологонаклонной
слоистой толщи,	г —вкрест		простирания крутонаклонной				слоистой	толщн;	^ — по про-
стиранию антиклинальной			складки;		е— по простиранию синклинальной				складки.

(рис. П-4,0, 6), ТО ее сечение может быть полностью вписано в толщу одного слоя или свиты однородных слоев. Устойчивость горных пород в выработках и условия производства горных работ будут зависеть от их физического состояния и свойств, от угла падения слоев, поверхностей раздела между ними, поверхностей и зон ослабления.

Зона разрушения пород (неупругих остаточных деформаций) и форма естественного свода равновесия при этом обычно имеют неправильную форму относительно вертикальных и горизонтальных осей выработки. Наибольшая степень разрушения пород и наибольший размер зоны разрушения наблюдаются, как правило, в направлении, ориентированном по нормали к напластованию пород, т. е. в кровле и стенках выработки со стороны нависающих пород. Поэтому очертания куполов в резуль-

3 2

тате образования вывалов (обрушения пород) приобретают асимметричную форму. По этим же причинам в кровле и стенках выработок при их проходке получаются переборы пород со стороны нависающих слоев.

Неблагоприятными для устойчивости пород в рассматриваемых схемах являются крутые углы их падения и наличие трещин напластования вдоль границ раздела слоев. В этих случаях создаются условия для возникновения вывалов и образования куполов в кровле выработок и неизбежны переборы пород. Подземные выработки, проводимые по простиранию слоистых толщ, вскрывая водоносные горизонты, комплексы и зоны, будут обводняться на больших протяжениях. Суммарные и удельные во-

допритоки	существенно осложнят условия производства		гор-
ных работ	и повлияют на устойчивость горных выработок.
Если подземные выработки проводят вкрест		простирания
слоистости пород (рис. II-4, в, г) или под больщим		углом	к ней,

инлсенерно-геологические условия на их протяжении будут неодинаковыми и на участках пересечения слабых пород неблагоприятными. При одинаковом составе, физическом состоянии и свойствах пород наиболее благоприятными являются условия-, когда направление подземной выработки ориентировано под некоторым углом к поверхностям напластования. Здесь важно учитывать угол встречи, т. е. угол между простиранием забоя выработки и простиранием поверхностей ослабления (см. гл. VI). При пологом их залегании выработка на большом протяжении может проходить в пределах слабых разностей, при крутых углах падения — на более коротких расстояниях, но на этих участках зона неупругих деформаций пород и горное давление обычно достигают больших значений. Неоднородность инже- нерно-геологических условий в рассматриваемом случае будет проявляться в неравномерной обводненности подземных выработок и в возможном пересечении зон с сосредоточенными значительными водопритоками.

Особые условия создаются, когда подземные выработки пересекают вкрест простирания антиклинальные и синклинальные складки или проводятся вдоль их осей (рис. II-4, д, е). В пределах антиклинальной складки в выработке создается до известных пределов как бы естественный свод равновесия, но в своде складки возникает зона растяжений и повышенной раздробленности и трещиноватости пород. В сжатых антиклинальных складках над выработкой возникает большой высоты зона неупругих деформаций, значительной нарушенности пород, клиновидных куполов и повышенного горного давления. В пределах синклинальных складок естественного свода равновесия из изогнутых слоев пород не образуется и подземные выработки в этом случае становятся дренами, областью разгрузки подземных вод. Поэтому на участках пересечения синклинальных складок нередко наблюдаются значительные суммарные и удельные притоки воды.

2 Заказ № 1672

3 S

Из сказанного следует, что при анализе и оценке инженерно-] геологических условий строительства и эксплуатации горных • сооружений в осадочных породах необходимо учитывать и изучать не только текстуры напластования, но и степень нарушенности первоначального залегания пород тектоническими движениями.

Условия и формы залегания магматических и метаморфических пород и их внутреннее строение в значительной степени обусловлены тектоническими процессами. Поэтому их изучение при инженерных изысканиях всегда должно носить не чисто петрографический, а структурно-петрографический, структурнотектонический характер.

Магматические глубинные и полуглубинные породы в большинстве случаев образуют крупные и сравнительно крупные интрузивные тела — батолиты, трещинные интрузии, пластовые интрузии, «малые интрузии» (лакколиты и др.) и рассеянные инъекции. При таких размерах и формах залегания эти породы нередко слагают крупные рудные провинции, пояса, поля и на них могут полностью размещаться крупные сооружения. Излившиеся породы образуют покровы, потоки, купола, пластовые залежи, переслаивающиеся с осадочными и эффузивно-осадоч- ными породами.

Условия залегания метаморфических пород зависят в значительной степени от условий залегания исходных пород, из которых они образовались. При региональном метаморфизме, захватывающем значительные площади, образуются толщи большой мощности. При локальном метаморфизме наблюдается быстрая смена различных типов пород с разным физическим состоянием. В этих случаях на небольших площадях геологические условия могут быть неоднородными и сложными.

Внутреннее строение магматических н метаморфических пород определяется условиями их формирования. Инженерногеологическая характеристика их в образце всегда существенно отличается от характеристики в условиях естественного залегания. Поэтому в основу инженерно-геологического изучения этих пород должны быть положены полевые наблюдения и исследования. Данные лабораторных исследований позволяют расширить характеристику их свойств, но они не могут изменить

полевую оценку условий	строительства	горных сооружений
и их устойчивости, на что	неоднократно	обращалось внима-
ние [19].

Тектонические разрывы и трещиноватость горных пород. Как показывает практика строительства шахт и карьеров и разработки месторождений твердых полезных ископаемых, приуроченных к коренным горным породам, их геологическое строение существенно определяется структурно-тектоническим положением, т. е. в пределах какой определенной части крупной региональной (складчатой, платформенной, переходной областей) н местной геологической структуры (горизонтальнослоистой, мо-

34

ноклинальной, синклинальной, антиклинальной и др.) они находятся. Кроме того, для большинства месторождений, особенно расположенных в складчатых и переходных областях, характерно, что их территории (участки земной коры) расчленены на блоки (часто разных порядков) тектоническими разрывами — нарушениями. Поэтому различные участки месторождений могут располагаться в пределах отдельных блоков или их сочетаний.

Тектонические нарушения, особенно крупные, постоянно сопровождаются участками и зонами дробления, брекчирования и милонитизацнн пород. Поэтому явление расчленения горных пород на тектонические блоки обычно увеличйвает сложность и неоднородность геологического строения-и имеет большое значение в связи с образованием участков и зон разрушенных пород, которые могут являться причиной малой их устойчивости в горных выработках, большой деформируемости пород, сосредоточенной фильтрации воды, большой обводненности пород, местного повышения сейсмичности и т. д. Все это требует детального изучения структурно-тектонического положения месторождений и отдельных их частей, шахтных и карьерных полей, расположения тектонических нарушений, обусловливающих значительную неоднородность геологического строения.

В пределах каждого тектонического блока монолитность (сплошность) горных пород обычно нарушена трещинами, их системами и другими разрывами различных фаз тектогенеза. Эта нарушенность может быть различной — от малой до значительной. В соответствии с этим изменяются размеры отдельностей пород, модули трещиноватости, коэффициенты трещинной пустотности, удельные водопоглошения, скорости распространения упругих волн и другие показатели их строения и свойств. Она может быть также неравномерной по площади и на глубину. Соответственно и степень внутренней неоднородности каждого тектонического блока может характеризоваться неодинаково: развитием отдельных трещин, участков некоторого сгущения трещин и образования зон повышенкой трещиноватости.

Таким образом, если горные породы расчленены тектоническими нарушениями на блоки и эти нарушения существенно определяют геологическое строение районов распространения месторождений полезных ископаемых в целом, участков непосредственного их размещения, шахтного и карьерного полей, то трещиноватость существенно определяет внутреннее строение отдельных блоков, сложенных твердыми и относительно твердыми горными породами, их трещинную тектонику и структуру. Описание влияния трещиноватости на свойства горных пород и развитие геологических процессов, их происхождения, способов образования, методов изучения и количественные показатели степени трещиноватости приведены в работах [19, 21, 22]. Поэтому здесь остановимся только на некоторых вопросах, которых мы не касались в перечисленных работах.

2 *

35

Рис. 11-5, Схема расположения трещин относительно слоистости, сланпеватости, полосчатости и других структурно-пет- рографических элементов

пород.

/ — продольные; 1 — поперечные; 3 — диагональ-

иые;	4 — пластовые;		5 —
нориальносекущие;		6 —	ко-

сосекущие.

Трещнноватость свойственна твердым (скальным) и относительно твердым (полускальным) горным породам и характеризует результат нарушения их сплошности — механического разрушения. Степень трещнноватости горных пород определяет степень их разрушения.

Трещины в горных породах могут быть тектоническими и нетектоническими. Тектонические трещины развиваются в магматических, метаморфических и осадочных сцементированных породах под влиянием тектонических сжимающих и растягивающих усилий, превышающих предел прочности пород. В соответствии с этим их подразделяют на трещины скалывания, развивающиеся под влиянием касательных сдвигающих (скалывающих) усилий, н трещины отрыва, развивающиеся под влиянием растягивающих усилий. Тектонические трещины контролируются многими структурно-петрографическими элементами пород: слоистостью, сланцеватостью, линейностью, полосчатостью и др. (рис. 11-5).

Трещины нетектонические образуются под влиянием внутренних сил сжатия и растяжения, развивающихся в той или иной породе. Такие трещины встречаются повсеместно и весьма разнообразны (коитракционные, усыхания, напластования, выветривания и др.). Описание их приведено в многочисленных работах, и в том числе в «Инженерной петрологии» [19]. Поэтому остановимся только на искусственных трещинах, появляющихся в результате производства горных работ, вызывающих существенное изменение прочности, деформаций и водопроницаемости горных пород и являющихся причиной нарушения их устойчивости в горных выработках. Специальному их изучению уделялось соответствующее внимание ряда исследователей [47]. Полученные данные показывают, что большое число трещин, наблюдающихся в горных выработках и принимаемых ранее за естественные, при детальном изучении оказывались искусственными. Наиболее четко они устанавливаются на глубине 250—300 м и более от поверхности земли как в кровле, почве, стенках и забоях подземных выработок, так и в откосах карье-

зв

ров и имеют направление, оконтуривающее обнаженную поверхность пород, т. е. следуют параллельно ей. Образование их связано с действием горного давления на породы в призабойной части выработок, а частично с явлением разуплотнения пород при их обнажении и с производством взрывных работ в капитальных и подготовительных выработках.

Элементы залегания этих трещин как бы зависят от направления движения забоя. Угол их падения в прочных породах крутой, достигает 90% в менее прочных — до 40''. При этом в подземных выработках падение трещин в кровле обычно направ-

лено к забою,	а в породах почвы — наоборот.			Протяженность
искусственных	трещин небольшая — 1—3 м, а			ширина — доли
миллиметра, реже достигает			1—2 мм. Поверхности их обычно
ровные, свежие,		без налетов,	пленок солей и следов подвижек,
а сами трещины		никогда не имеют заполнителя.

При удалении от обнаженной поверхности пород степень их трещиноватости уменьшается. Число трещин, секущих слоистые толщи, зависит от физико-механических свойств пород и от мощности слоев. Как правило, чем выше прочность и крепость пород и больше мощность слоев, тем меньше их трещиноватость. Так например, при специальном изучении в Гуково-Зверевском районе Донбасса установлено [Дручин В. С., 1969 г.], что в песчаниках и известняках с мощностью слоев до 2 м модуль трещиноватости изменяется от 0,3 до I, в глинистых и песчано-гли- нистых слоях такой же мощности он достигал 2—3. В слоях таких же пород меньщей мощности (до 0,3—0,5 м) модуль трещиноватости достигал 10—20. По наблюдениям В. П. Субботина [1977 г.], в Красноармейском, Донецко-Макеевском и Чистя ковско-Снеженском районах распространение трещин по слою пород зависит также от мощности слоев и прочности пород. Слои небольшой мощности {до 1,5—2 м) пересекаются трещинами полностью. В расслоенных породах трещины переходят из одной плитки в другую. С увеличением прочности пород расстояния между трещинами увеличиваются.

Таким образом, обнаженная поверхность горных пород в горных выработках обычно окружена зоной, в пределах которой распространены искусственные трещины, определенным образом ориентированные. Мощность зоны разрушения пород искусственными трещинами достигает больших значений. Так, например, в Гуково-Зверевском районе Донбасса она в среднем равна 10—15 м, в Красноармейском районе в кровле очистных выработок— 17—25 м, а в почве — 5—10 м. В Донецко-Макеевском районе соответственно 11—26 и 8—10 м, а в Чистяковско-Сне- женском — 10—55 и 6—20 м.

В очистных выработках искусственные трещины обычно обусловливают обрушение пород в кровле и пучение в почве. Они способствуют проявлению ложной кровли, образованию вывалов, сдвижению блоков пород, интенсивному проявлению горного давления, деформации крепи и уменьшению сечения выра-

37

Рис. П-6. Схема расположения сечения горных выработок относительно ха-

рактерных координат пространства.

боток. Если в горных выработках встречаются естественные трещины, поверхности которых под углом пересекаются с искусственными, размеры зоны разрушения пород резко возрастают, а высота вывалов (куполов) достигает 5—7 м. В. Л. Свержевским и В. П. Субботиным [1976 г.] в перечисленных выше районах Донбасса выявлена тесная прямолинейная корреляционная зависимость между высотой зоны распространения искусственных трещин и глубиной ведения очистных работ.

При инженерно-геологическом изучении трещиноватости горных пород необходимо уделять большое внимание следующим основным вопросам; 1) пространственной ориентировке отдельных трещин и их групп; 2) морфологии трещин; 3) определению степени трещиноватости горных пород; 4) оценке влияния отдельных трещин и их систем как поверхностей и зон ослабления на прочность, деформируемость, устойчивость и водопроницаемость пород и их анизотропность в этом отношении; оценке влияния на устойчивость подземных горных выработок, уступов и бортов карьеров и т. д.; 5) применению рациональной методики разведочных и опытных работ при инженерно-геологиче- ских исследованиях. Все эти вопросы рассмотрены в «Инженерной петрологии» [19].

На рис. II-6 приведена схема расположения характерных осей и сечений горной выработки. Как видно, силы, действующие в кровле, почве и бортах выработки, связаны с ее характерными осями следующим образом (вдоль оси).

Собственный вес пород	-г г
Силы упругого отпора гри	разгрузке:

вбортах карьера и стенках подземной выработки

вкровле подземной выработки

в	забое	подземной	выработки	—X
в	почве	подземной	выработки и	по
дну карьера				~г

3 S

•Гидростатический напор:

в кровле	подземной выработки	+ г
в почве	горных выработок	—z

Из приведенного примера следует, что если поверхности и зоны ослабления будут ориентированы в направлениях, неблагоприятных относительно действующих сил, то в бортах карьера либо в кровле, почве и стенках подземной выработки скорее могут возникнуть деформации пород и нарушения устойчивости сооружений. Поэтому при оценке влияния трещиноватости на изменение свойств пород последние следует изучать и оценивать по характерным направлениям и сечениям, т. е. определять их дирекционные характеристики. Это позволяет выяснять как неоднородность свойств пород, так и их анизотропность. В этом плане большой интерес представляет метод оценки влияния поверхностей ослабления на прочность горных пород и их анизотропность, разработанный Г. Н. Кузнецовым [1970 г.].

Важной характеристикой влияния трещиноватости пород на их свойства является показатель ослабления их прочности или изменения других свойств. Он равен отношению прочности пород (или скорости распространения продольных волн и др.) в условиях естественного залегания с„ к прочности пород в образце Соб, т. е.

Косл—Сн1Соб-

Следует отметить, что этот показатель справедлив лишь для отдельных частных условий, так как его значения будут разными для различных видов напряженного состояния горных пород. У монолитных, слаботрещиноватых пород и по направлениям, не совпадающим с направлением поверхностей и зон ослабления, его значения составляют десятые доли единицы, а у пород с повышенной трещиноватостью, либо по направлениям трещин — сотые и тысячные доли единицы [Куваев Н. Н., 1964 г.. Значения этого показателя зависят от отношения размеров исследуемого объема пород к размерам образца.

Ряд исследователей [Турчанинов И. А. и др., 1963 г.; Куваев Н. Н., 1964 г.; Гусев Б. В., 1965 г.] отмечают, что чем меньше трещиноватость пород и, следовательно, чем крупнее отдельности, образуемые трещинами, тем более неоднородны и анизотропны свойства пород в условиях естественного залегания.

Условная однородность и изотропность начинают проявляться при отношении объема исследуемых пород в условиях

естественного залегания		к размеру отдельностей, равном 10—20
и более, т. е. когда Ljl		или V/y>104-20. Это отношение явля-
ется как бы	критерием	квазиоднородности, квазиизотропности
пород (рис.	II-7).

Оценка влияния трещин и систем трещин на устойчивость местности и горных выработок должна завершаться обоснова-

39