Компоненты инженерно-геологических условий

К основным компонентам инженерно-геологических условий подлежащим изучению (анализу, оценке, прогнозу). Следует отнести: рельеф, климат и гидрологию площади месторождения прилегающих к нему территорий; горные породы, вмещающие полез­ное ископаемое и перекрывающие его (литология и стратиграфия. прочие. условия залегания, физическое и напряженное состояние, свойства) подземные воды и газы (водоносность и газоносность); полезное ископаемое (состав, строение, условия залегания, мощ­ность, физико-механические свойства); геологические явления (вызванные как естественными, так и искусственными факторами). Инженерный аспект изучения природных компонентов прояв­ляется на отдельных стадиях исследований по-разному. Чаще всею внешнее воздействие предполагается по аналогии е известными и хорошо изученными объектами (на стадии поиска и предваритель­ной и детальной разведки), но мы в дальнейшем будем рассмат­ривать реализованную инженерно-геологическую систему — геоло­гическую среду, находящуюся под воздействием горного предприя­тия. По-разному следует относиться и к границам изучаемых территорий. Понятие «сфера влияния» внешнего воздействия очень неоднозначно. Оно может включать область воздействия одиноч­ной выработки, группы взаимодействующих выработок, очистного пространства, карьера, отвалов, хвостохранилища, сдернированной территории месторождения, районов заболачивания, запыления, засоления и других изменении, площади горного или земельного отвода и т. д. Поэтому следует говорить об инженерно-геологиче­ских условиях месторождения, шахтного (карьерного) поля, уча­стка, сооружения, выработки.

Детальность изучения отдельных компонентов инженерно-гео­логических условий зависит от характера решаемой задачи и от стадии проводимых исследований, но она должна обеспечивать полноту и надежность оценок и прогнозов этих условий для решения поставленной задачи в целом. При этом может меняться как количество, так и состав изучаемых компонентов. Исследовать во всех случаях полный набор компонентов для решения любой задачи, как предлагают некоторые авторы, нецелесообразно, неэф­фективно, а главное, такой подход может привести к недостаточно глубоким оценкам ведущих компонентов в конкретном случае. В частности, для прогноза параметров бортов карьеров сущест­венное значение приобретают два вопроса: построение физической (расчетной) модели геологического разреза объекта и выбор рас­четных показателей сопротивления сдвигу пород (с учетом их из­менения во времени) в зоне наиболее вероятной поверхности скольжения. В этом случае основными компонентами становятся строение всей толщи пород, условия залегания отдельных слоев, наличие слабых прослоев и контактов, присутствие выдержанных в пространстве трещин, особенно падающих в сторону выработки под углом около 45°+φ^’/2, где (φ^’ – угол трения по слабому контакту), которые определят положение поверхности скольжения, механизм, динамику, морфологию и масштабы оползней. Для правильного выбора расчетных показателей при уже известной морфологии оползневого тела необходимо определить в достатком для статистической обработки количестве показатели сопротивления сдвигу с учетом физического и напряженного состояния пород в зоне поверхности скольжения.

Если мы обратимся к прогнозу прорыва глинистого слоя пород, отделяющего напорный водоносный горизонт от почвы горной выработки (карьера), то основными моментами, определяющими точность и надежность прогнозов, является: напор подземных вод и его изменение под влиянием горных работ; мощность и прочность водоупорных глин, а также форма и размеры их обнажения горными работами. По другому встанет вопрос при оценке инженерно-геологических условий размещения и устойчивости внешних отвалов пород. В первую очередь здесь необходимо изучать рельеф и речную сеть местности; строение состав и физико-механические свойства пород основания (незначительной мощности) и пород в теле отвалов; климатические условия.

Горные породы

Горные породы, как отмечают многие авторы, являются опре­деляющим элементом инженерно-геологических условий, ибо они предопределяют рельеф местности, обводненность среды, напря­женное состояние, устойчивость выработок, закономерности воз­никновения и развития геологических явлений, залегание полез­ного ископаемого и т. д. Именно горные породы, по существу, ха­рактеризуют инженерно-геологические условия месторождения. В связи с этим горные породы являются важнейшим объектом на­ших исследований на всех стадиях разведки и разработки место­рождений. В специальной литературе применительно к толще вме­щающих пород (а в последние годы — и к любой толще горных пород ) используется термин «массив горных пород».

Понятие «массив горных пород» (или «горный массив») давно бытует в горном деле. Однако наиболее прочно оно вошло е гор­ное дело в связи с развитием механики горных пород, когда вопрос о масштабном эффекте при изучении прочности пород при­обрел вполне определенное значение. Началось изучение механи­ческих свойств в «натурных условиях» с целью определения пара­метров этих свойств в условиях естественного залегания пород с учетом их трещиноватости и слоистости, т. е. в «массиве». Стали различать прочность в монолитном образце, испытанном в лабо­ратории, п прочность в массиве, полученную с учетом коэффици­ента структурного ослабления. Для определения этого коэффици­ента проводят «натурные испытания» в горных выработках (подземных и открытых), ставят опыты на моделях, выполняют обратные расчеты по наблюдениям за оползневыми деформациями на карьерах.

Три особенности характеризуют инженерно-геологическое изучения горных пород: во-первых, оно ведется на геологической ос­нове и является продолжением геологических исследований дан­ной территории (месторождения); во-вторых, оно охватывает те особенности состава, строения и состояния пород, которыми с уче­том специфики их взаимодействия с различными сооружениями определяется прочность, деформируемость, водопроницаемость и устойчивость этих пород; в третьих, характеристики горных пород выражаются специальными количественными показателями. На­бор и количество показателей свойств горных пород и методы их определения зависят от трех факторов; типа изучаемых пород, стадии исследования и характера проектируемого сооружения (взаимодействия с ним горных пород). Специального обоснования этот вопрос здесь не требует, но в дальнейшем изложении будут даны соответствующие объяснения.

В качестве расчетных показателей в наиболее распространен­ных прогнозах используются плотность, прочность на одноосное сжатие, растяжение и изгиб, угол внутреннего трения, сцепление, модули упругости и общих деформаций, коэффициент поперечных деформаций, коэффициент консолидации, коэффициенты фильтрации, водоотдачи, уровне- и пьезопроводности. В. В. Ржевский и Г А Новик [1978] выделяют группу из базовых показателей свойств горных пород, к которым относят следующие: плотность, пористость, предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициент теплопроводности, удельную теплоемкость, коэффициент линей­ного теплового расширения, удельное электрическое сопротивле­ние, относительную диэлектрическую проницаемость, относитель­ную магнитную проницаемость.

Из приведенного перечня показателей, необходимых при оценке условий проведения горных работ, видно, что изучение горных пород является процессом многогранным, требующим комплекс­ного подхода и учета большого количества природных и техниче­ских факторов. Отсюда и следует специфика инженерно-геологиче­ского подхода к изучению горных пород.

Общепризнанной инженерно-геологической классификации гор­ных пород в настоящее время нет, хотя предложено довольно много специальных (по устойчивости пород в откосах, по несущей способности пород, по коэффициенту крепости Протодьяконова и др.) и общих (Ф. П. Саваренского, Н. Н. Маслова, Е. М. Сер­геева, П. Н. Пашокова и др.) классификаций. Наиболее удобной для дальнейшего рассмотрения в наших целях является общая классификация Ф. П. Саваренского, предложенная в 1937 г. и получившая развитие в работах В. Д. Ломтадзе. Она построена на учете структурных связей пород, определяющих их прочность, де­формируемость, устойчивость и водопроницаемость.

По классификации Ф. П. Саваренского все горные породы подразделяются на пять групп; 1) твердые (скальные), 2) относи­тельно твердые (полускальные), 3) рыхлые несвязные, 4) мягкие связные, 5) породы особого состава, состояния и свойств. Детальная характеристика этих пород приводится во всех учебниках по
инженерной геологии.

В первую группу — твердых (скальных) пород – входят разновидности магматических, метаморфических и осадочных пород имеющие высокую степень сохранности, большую прочность и устойчивость, малую деформируемость и водопроницаемость.

Вторая группа — относительно твердые (полускальные» породы большое разнообразие порол, для которых характерны нарушение монолитности (выветрелость, трешиноватость), пониженная прочность и высокая (как правило) водопро­ницаемость. Эти породы обладают сильной неоднородностью и анизотропностью, что создает большие затруднения при их изуче­нии, а также при оценке их устойчивости в качестве основания и вмещающей среды сооружений. К этой группе В. Д. Ломтадзе относит: 1) магматические, метаморфические и осадочные прочно сцементированные породы повышенной трещиноватости и выветрелости; 2) обломочные слабо сцементированные породы 3 ) глинистые породы высокой плотности; 4) органогенные и органогенно-химические породы; 5) пирокластические и эффузивно-осадочные сцементированные породы.

Выделение этих пород в самостоятельную группу имеет боль­шее практическое значение для инженерной практики. По суще­ству, оценивая твердые горные породы в условиях их естествен­ного залегания в качестве среды и основания для сооружений, строитель имеет дело с полускальными породами, т. е. с породами, обладающими рядом нарушений сплошности и изменениями со­става, что приводит их к плохому физическому состоянию, к умень­шению прочности и устойчивости и к росту водопроницаемости и деформируемости (главным образом в результате остаточных де­формаций). Вместе с тем для полускальных пород характерны большая неоднородность и анизотропность, что создает сложные условия для их изучения и оценки при решении практических задач.

Выделение полускальных пород производится несколько ус­ловно. Так, по действующим СНиП для гидротехнического и промышленно-гражданского строительства к этой группе относятся только некоторые осадочные породы (глинистые сланцы, аргил­литы, алевролиты, песчаники, конгломераты, мелы, мергели, туфы, глины и др.), у которых прочность на одноосное сжатие меньше 5 МПа (причем не указывается нижняя граница по этому крите­рию) В Д Ломтадзе отделяет породы скальные от полускальных по прочности на сжатие.

Для горной практики особенно важно то, что любая горная порода в условиях естественного залегания может представлять интерес как монолитное тело и как тело, нарушенное различными дефектами (трещиноватостью, слоистостью, сланцеватостью, кавернозностью), поскольку область претерпевающая изменения под влиянием внешнего воздействия, может иметь разные размеры. В связи с этим разделение скальных и полу скальных пород по их прочности на одно сжатие, определенной в лабораторных условиях, имеет смысл при оценке их на буримость, обрабатываемость, резание, т. е. в тех случаях породы. Когда объем этой области не превышает объема монолитного блока горной решения задач по оценке или прогнозу устойчивости гор­ных пород при взаимодействии с горными сооружениями все тре­щиноватые слоистые, сланцеватые горные породы можно рассмат­ривать как полускальные. Изучение этих пород должно прово­диться с учетом всех нарушений их сплошности, неоднородности и анизотропии, а количественные показатели их прочности и де­формируемости должны определяться с учетом масштабного эффекта. В реальных геологических условиях с таким подходом надо изучать практически все твердые горные породы, т. е. породы с жесткими структурными связями Для угольных, сланцевых и ряда рудных месторождении к полускальным следует относить все вмещающие и перекрывающие породы, представленные осадочными твердыми разновидностями, т. е. по существу все породы, представляющие интерес с точки зрения решенья задач устойчивости горных выработок.

Подземные воды

Подземные воды оказывают влияние на условия формирования I и изменения свойств горных пород, на естественное напряжен­ное состояние и на его изменение вокруг горных сооружений, на возникновение и развитие естественных и вызванных горными ра­ботами геологических процессов, а также определяют степень обводненности месторождений. Изучение подземных вод и их влияния на условия освоения месторождений дает возможность прог­нозировать водопритоки к горным выработкам и проектировать мероприятия по дренированию и охране вод. Необходимо, отме­тить, что во время освоения месторождений происходят значи­тельные, не всегда оправданные изменения режима подземных вод. Поэтому детальное изучение подземных вод должно соот­ветствовать современным запросам рационального использования и охраны водных ресурсов.

Исследуя распространение подземных вод, их залегание, дре­нирование, питание и движение, нельзя обойтись без изучения поверхностных и атмосферных вод, так как между всеми водами существуют определенные закономерные связи. Поэтому следует оценивать общее влияние природных вод на инженерно-геологи­ческие условия месторождения. Круг вопросов, подлежащих изу­чению при исследовании подземных вод, весьма широкий; реше­ние этих вопросов требует применения специальными методов и аппаратуры, которые разрабатываются в гидрогеологии.

Газоносность месторождений имеет большое значение для ведении горных работ. Газы обычно заполняют породы и трещины, находятся в сорбированом состоянии, а также присутствуют в подземных водах.

Для оценки влияния вод на условия ведения горных работ, на устойчивость сооружений, а также для разработки мероприятий по ограничению этого влияния большое значение имеет имеют характер и степень обводненности месторождений. О степени (м³/ч) и коэффициенту водообильнности, представляющему собой отношение количества откачиваемой из горной выработки за определенный период времени (год).

Условия обводнения зависят от целого ряда природных фак­торов, но на них сказываются и некоторые техногенные особен­ности разведки, вскрытия и эксплуатации месторождения: тампо­нирование скважин, затопленные старые шахты, система веде­ния работ н др. Основными природными факторами обводнения месторождений твердых полезных ископаемых следует считать: атмосферные осадки, орогидрографию местности, водопроницае­мость вмещающих и покрывающих пород, их тектоническую нарушенность, глубину залегания полезного ископаемого.

Водопроницаемость перекрывающих пород и рельеф местно­сти оказывают существенное влияние на изменение интенсивно­сти инфильтрации в периоды сильных дождей и весеннего снего­таяния. Так, под балками, оврагами и другими понижениями рельефа с маломощными покровами глинистых отложений при­ток воды в эти периоды увеличивается на 20—40 %, а ино1да в 2— 3 раза по сравнению со среднегодовым. Под относительно ров­ной земной поверхностью и при наличии более мощных толщ гли­нистых пород рост водопритока весной составляет всего 10— 15% от среднегодового. О непосредственной связи водопритоков в шахту с атмосферными осадками можно судить по данным рис. 3.2 [Климентов П. П., 1966].

Рельеф земной поверхности определяет на многих месторожде­ниях характер и интенсивность разгрузки водоносных горизонтов, что в конечном итоге сказывается на степени обводненности. Так, для некоторых подземных выработок на водораздельных участках, где подземные воды дренируются местной гидрографической сетью водопритоки в 10 раз меньше, чем для участков с более низкими притоками. Особенно резко увеличивается водоприток в горные выработки при прохождении их в непосредственной близости с по­верхностными водоемами. Это увеличение связано с более высокой водообильностью месторождения, формирующейся за счет пита­ния водоносных горизонтов поверхностными водами. Естественно, ] что интенсивность питания зависит от литологического состава ал­лювиальных отложений и от обнаженности коренных пород.

Необходимо отметить, что резкое усиление водопритоков мо­жет произойти при подработке водного объекта, так как при этом может образоваться непосредственная гидравлическая связь между водоемом и подземной выработкой. Поэтому горные работы в не­посредственной близости от рек и других поверхностных водоемов (а также под мощными грунтовыми водоносными горизонтами) ведутся в соответствии со специальными правилами, указаниями и техническими условиями.

Глубина залегания полезного ископаемого (горных выработок) созывает определенное влияние на характерно и величину обвод­ненности горных выработок. Во многом это связано с уменьшением пустотности (трещиноватости и пористости) горных пород с глу­биной, что приводит к падению их водопроницаемости. Многие угольные и рудные шахты на глубине первых сотен метров оказы­ваются безводными или водопритоки в них становятся незначи­тельными. Об этом можно судить по данным, приведенным в табл. 3.9. Об этом же говорят и наблюдения за прорывами в вы­работанное пространство. Для Донбасса, например, результаты наблюдений показывают, что на верхних горизонтах шахт прорывы воды достигают 150—200 м³/ч, а на нижних не превышают 30— 40 м³/ч.

Глубина горных выработок сказывается и на характере изме­нения водопритоков под влиянием весенних паводков и атмосфер­ных осадков. А. И. Кравцов отмечает, что при глубине выработок 80—200 м увеличение водопритока наблюдается через несколько суток после сильных дождей, а в Подмосковном угольном бас­сейне — через несколько часов. При глубине выработок 250—300 ч увеличение притока наступает через 2 мес; для одной из старыми и новыми), с одной стороны, и подземными и поверхностными водами-с другой. Иногда тектонические нару­шения обусловливают подпруживание водоносных горизонтов в ре­зультате чего в этих горизонтах меняются напор, мощность ско­рость движения вод и т. д.

Влияние тектонических нарушений на условия обводненности горных вы­работок отмечалось на угольных шахтах Донбасса, Средней Азии на рудных месторождениях Южного Урала, на сланцевых шахтах Эстонии, в других уголь­ных и рудных районах. В некоторых случаях при пересечении горными вы­работками тектонических нарушений водопритоки увеличивались здесь в сотни раз.. Так, в 1952 г. на одной из шахт Донбасса при пересечении сбросовой трещины приток воды достиг 1100 м³/ч.

Надо отметить, что гидравлическая связь между отдельными во­доносными горизонтами, между поверхностными и подземными во­дами и горными выработками очень часто осуществляется из-за искусственных пустот, остающихся при некачественном тампони­ровании разведочных, опытных и водопонижающих скважин. При­меры подработки таких скважин имеются на многих месторожде­ниях.

Особо следует отметить влияние на обводненность действующих горных выработок тех вод, которые скопились в старых шах­тах и карьерах (в затопленных старых выработках). Водопритокиэтих случаях, как правило, носят катастрофический характер и сопровождаются выносом большого количества рыхлых пород.
Иногда соседние старые выработки являются единственным источ­ником обводнения новых подземных выработок, что приводит к интенсификации процесса пучения глинистых пород почвы этих выработок.

 

Геологические явления

Естественные геологические процессы и явления очень разно­образны имеют большое распространение и оказывают значитель­ное влияние на инженерно-геологические условия территорий. Геологические процессы характеризуют геодинамическую обстановку месторождений В них, как в фокусе, сходятся различные особен­ности природной обстановки: рельефа местности, геологического строения гидрогеологических условий, прочности и деформируемо­сти горных пород и т. д. Интерес представляют как глубинные, или эндогенные, геологические процессы (тектонические, сейсмические., так и поверхностные, или экзогенные (эрозия, абразия, карст, вы­ветривание, оползни, сели, плывуны, суффозия, мерзлотные, забо­лачивание). Особое значение имеют современные процессы и явления, которые оказывают непосредственное влияние на устойчи­вость сооружений.

Рассматривая условия взаимодействия сооружения с горными породами, можно выделить следующие случаи.

1. Область взаимодействия соизмерима с объемом однородной породы или меньше его. В этом случае можно вести изучение свойств пород на опытных образцах в лабораторных и полевых условиях и полученные показатели (после соответствующей об­работки, применять в качестве нормативных и расчетных.

2. Область взаимодействия гораздо больше, чем объем одно­ родного монолитного блока пород, и ее можно рассматривать как квазиоднородную. Такая среда работает, как сыпучее тело с ко­эффициентом трения, близким к характерному для отдельных об­разцов, поэтому коэффициент трения можно определить в лабо­раторных условиях, а водопроницаемость — полевыми опытами.
Установлено, что с увеличением данной области ее прочность и деформируемость стремятся к постоянным значениям, однако у исследователей пока нет единого мнения о величине масштаб­ного фактора.

3. Область взаимодействия больше объема однородного струк­турного блока, но среду нельзя считать квазиоднородной; сте­пень ее неоднородности зависит от соотношения размеров этой области и однородного блока. Установление масштабного эф­фекта требует специальных лабораторных, полевых и модельных
исследований, наблюдений и обратных расчетов с целью опреде­ления переходного коэффициента от показателей, характеризую­щих отдельные образцы, к показателям свойств всей области с учетом ее особенностей (трещиноватости, слоистости и т. д.).

4. Устойчивость сооружения определяется наличием ослаблен­ных зон больших размеров, представленных трещинами, контак­тами между слоями, сланцеватостью, слабыми прослойками и т. д. Иногда эти зоны сами по себе могут быть неоднородными, и тогда рассматривается внутренняя неоднородность. Здесь ме­ханические свойства изучаются в полевых условиях.