Инженерно-геологическое изучение массивов трещиноватых пород

Итак, при сжатии массив вначале сокращается преимущественно за счет закрытия трещин. Аналогично при растяжении массива деформация увеличивается главным образом за счет раскрытия трещин. В естественных условиях в зоне разгрузки и бортового отпора, где массивы расширяются в результате снятия нагрузки от вышележащих пород в первую очередь происходит расширение существующих трещин. Лишь если существующая в массиве сеть трещин очень редка, у поверхности земли закладываются новые трещины. При нагружении массива тяжелым сооружением типа бетонной плотины трещины в нем вновь закрываются. По данным изысканий (Прочухан, 1964), под бетонной плотиной Братской ГЭС в массиве траппов имелись раскрытые в результате эрозионной разгрузки горизонтальные трещины, суммарная ширина которых в вертикальном разрезе мощностью около 40 м по разным скважинам колебалась от 26 до 139 мм при среднем значении 80 мм. Осадка плотины к концу строительства достигла 40 мм (Тиздель, 1963). Сжатие траппового основания на такую значительную величину не может быть объяснено деформацией блоков породы, так как она в образце имеет модуль деформации порядка Е = 1*10(6) кГ/см2. Осадка несомненно произошла за счет закрытия трещин и сжатия пристеночного материала, как это имело место в лабораторных опытах Б. Д. Зеленского.

 

 

Расчет модуля деформации основания Братской ГЭС по наблюдениям за осадкой сооружения дает величину порядка Е = 1*105 кГ1см2. Рассмотрим теперь механизм разрушения массива, разбитого трещинами. Разнообразие форм разрушения массива очень велико. Принято различать два крайних случая: сдвиг по отдельной трещине и сдвиг по зоне, не совпадающей с какой-либо трещиной. В нервом случае сдвиг обычно не сопровождается разрушением сдвигающейся части массива, которая смещается как целое ненарушенное тело. Такого рода сдвиг скального массива нам приходилось наблюдать, в частности, на р. Ангаре в Бадарминском сужении, где борта долины сложены пластовыми интрузиями траппов, залегающими среди алевролитов и песчаников. При незначительном наклоне контакта интрузии в сторону реки здесь образуются скальные онолзни. Отрыв сползающего массива объемом порядка 1*106 м3 осуществляется по вертикальным трещинам первичной отдельности, характерным для траппов, а сдвиг по поверхности контакта, на котором обычно скапливаются подземные воды. Сползающая часть массива настолько хорошо сохраняет свою монолитность, что гряды оползней на рассматриваемом участке были приняты за дайки, и только геофизические и буровые работы, подсекшие подошвы трапповых глыб, позволили установить истину.

Внешне похожий механизм разрушения реализуется при образовании айсбергов, которые по ложу ледника спускаются в море и откладываются по вертикальным трещинам. Разумеется, такое разрушение массива может осуществиться лишь при совпадении направления достаточно высоких тангенциальных напряжений с какой-либо поверхностью ослабления большой протяженности. В массивах, разбитых трещинами, такие поверхности обычно находятся и сдвиг массива горных пород наиболее часто происходит по заранее подготовленной естественной поверхности ослабления наклоненной в сторону свободной поверхности. Это обстоятельство легло в основу графического метода оценки устойчивости откосов, разработанного В. Н. Славяновым в 1959 г. Метод позволяет на основе данных об ориентировке трещин в массиве горных пород делать заключение об устойчивости откосов сложной формы и делить откосы на участки по степени опасности сдвига.

Если же в массиве нет подготовленной поверхности достаточной протяженности, по которой мог бы произойти сдвиг, то разрушение захватывает широкую зону. Место возникновения разрыва определяется тогда неоднородностью массива. Равновесие между силами удерживающими и сдвигающими в первую очередь нарушается па участках повышенной трещиноватости и пониженной прочности массива. В ходе развития процесса некоторые из этих участков объединяются. Разрыв таким образом локализуется. Весьма существенно, что в ходе развития процесса прочность массива быстро снижается, благодаря чему скорость разрушения нарастает (Muller, 1966). В силу большой прочности горной породы и наличия трещин разной ориентировки блоки в зоне предельных напряжений обычно не разрушаются, а начинают поворачиваться, отделяясь друг от друга с использованием существующих трещин. Далее под воздействием касательных напряжений блоки приходят во вращательное движение. В зоне вновь возникшего разрыва происходит заметное разрыхление массива за счет образования пустот между блоками. Деформация распространяется в стороны от разрыва и приводит к нарушению структуры значительной части массива. При таком механизме разрушения массива его прочность зависит от соотношения размера элементарных блоков с характерным размером части массива, вовлеченной в активную зону процесса.

 

 

 

 

 

 

 

Влияние трещиноватости на изменение физико-механических свойств горных пород на примере месторождения Нойон-Тологой.

 

 

Нойон-Тологойское месторождение полиметаллических руд расположено на территории Александрово-Заводского района Забайкальского края Российской Федерации.

 

В орографическом отношении район месторождения охватывает северо-западные отроги Кличкинского хребта, а также область межгорья между ними и юго-восточными отрогами Нерчинского хребта. Рельеф низко среднегорный с абсолютными высотными отметками от 650 до 1050 м. Крутизна склонов до 25-30º. Климат района сухой, резко континентальный с большими колебаниями годовых и суточных температур. Наиболее холодными месяцами являются декабрь-январь (-40º-45º), в летний период температура колеблется от +20º до +35º, иногда достигает +44º. Среднегодовая температура -3º. Осадков в районе выпадает не более 400 мм, основное их количество приходится на июль-август месяцы. Устойчивый снежный покров образуется в ноябре, его высота не превышает 25 см, снег окончательно сходит в апреле. Многолетняя мерзлота в районе отсутствует, сезонная, мощностью до первых метров держится до мая-июня месяца. В весенне-осеннее время характерны сильные (до 18 м/сек) ветры, преимущественно северных румбов.

Открытие полиметаллического месторождения Нойон-Тологой относится к 1964 году, когда при проведении геолого-съемочных работ масштаба 1:50000 (И.К. Абрамов, 1964 г.), в осевой части выявленной геохимической аномалии двумя канавами была вскрыта зона дробления с лимонитовыми охрами, с повышенным содержанием свинца (до 5%), цинка (0,3 0,5%) и сопутствующих элементов.

 

 

Определяющим фактором изменчивости физико-механических свойств пород являются структурно-тектонические условия, обуславливающие в свою очередь развитие вторичных процессов. Гидротермальные метасоматические изменения приводят к существенному снижению величин прочностных показателей, а, следовательно, и снижению потенциальной устойчивости пород в горных выработках. Существенное влияние на физико-механические свойства горных пород оказывают также такие факторы как интенсивность трещиноватости, рассланцевание, брекчирование пород и руд.

Характеристика физико-механических свойств дается по основным петрографическим разностям пород месторождения, характеризующимся различной степенью вторичных преобразований и приуроченным к участкам с различной степенью трещиноватости пород.

Из водно-физических параметров определялись удельный вес (кг/см2), объемная масса (кг/см2), водопоглощение (%) и открытая пористость (%), морозостойкость, а из прочностных свойств – прочность на сжатие (МПа). Определение прочностных характеристик горных пород осуществлялось как в воздушно-сухом, так и в водонасыщенном состоянии, что позволило оценить снижение прочностных свойств горных пород при взаимодействии с водой. Расчетное значение σсж. по каждой керновой пробе определялось как среднеарифметическое по 6 предварительно подготовленным образцам.

Необходимо отметить, что сочетание такого многообразия факторов, как вторичные преобразования и различная степень трещиноватости пород предопределили изменчивость физико-механических свойств пород даже в пределах одной пробы.

По данным лабораторных исследований, объемная масса основных горных пород, распространенных на площади месторождения, составила

- базальты  – 2,53-2,74 г/см3 (в среднем 2,63 г/см3), конгломераты  – 2,53-2,66 г/см3,

песчаники – 2,59-2,7 г/см3, сиенит-порфиры – 2,29-2,57 г/см3.

Объемная масса измененных базальтов составляет 2,3-2,71 г/см3.

Для руд месторождения с общими рядовыми содержаниями свинца и цинка (в сумме 4,6%) объемная масса составляет 3,4-3,5 т/м3. Рудам с суммарным содержанием свинца и цинка равным 2,2 % (что составляет 92 % от всех руд месторождения) соответствует объемная масса на уровне 3,05-3,1 т/м3.

 

Таблица 2.1.Физико-механические свойства пород Нойон-Тологойского месторождения.

 

 

Наименование пород	Плотность частиц грунта, г/см3	Плотность породы, г/см3	Пористость, %	Водопоглощение ,%	Прочность на сжатие в воздушно-сухом состоянии, МПа	Прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии, МПа	Коэффициент размягчаемости
Базальты	2,67-2,79* 2,71	2,53-2,74 2,63	0,4-4,8 2,6	0,1-1,5 0,64	104-199** 155	92-160** 130	0,73-0,93** 0,84
Базальты трещиноватые	2,7-2,86 2,79	2,59-2,74 2,66	2,9-4,0 4,6	1,15-3,4 2,3	75-129 105	44-91 74	0,57-0,88 0,70
Базальты измененные	2,64-2,78 2,71	2,3-2,71 2,50	2,3-9,1 5,4	1,4-4,7 3,3	21-104 58	7-54 28	0,29-0,65 0,47
Конгломераты	2,71-2,77 2,73	2,53-2,66 2,61	2,2-8,7 4,3	0,9-2,0 1,5	70-144 102	40-111 67	0,5-0,79 0,63
Песчаники	2,71-2,72 2,71	2,59-2,7 2,63	0,7-4,4 2,9	1,2-1,7 1,5	89-137 119	58-100 82	0,65-0,73 0,69
Сиенит-порфиры	2,65-2,74 2,7	2,29-2,57 2,47	4,8-7,1 5,8	2,0-3,7 2,9	37-157 90	25-119 69	0,71-0,87 0,76

 

 

Примечание: *-в числителе минимальное и максимальное значения, в знаменателе – среднее.

** - данные  характеризуют породы массивной  текстуры.

 

 

Расчетная пористость пород изменяется от 0,4 до 9,1 %. Максимальные вариации водных свойств в зонах дробления с наложенными процессами, где влажность может составлять 9-17%.

Водопоглощение горных пород изменяется от 0,1 до 4,7 % и составляет в среднем 1,7 %. Наименьшее водопоглощение характерно для плотных и слаботрещиноватых пород, что обусловлено их невысокой пористостью. Влажность руд в среднем колеблется в пределах 0,4-2,5% и лишь единичные пробы увлажнены до 4,4%.

Руды и вмещающие породы месторождения относятся к средним и, частично, низким категориям крепости. Коэффициент крепости пород и руд по шкале проф. М. М. Протодьяконова, определенный расчетным способом, колеблется от 6 до 12, категория пород по по буримости VIII-IX. Руды характеризуются коэффициентом крепости от 6 до 10. Колебания коэффициента крепости одних и тех же пород происходят из-за разной степени их гидротермальных изменений, степени дробления и трещиноватости. Высокой прочностью пород и руд обусловлено извлечение керна хорошей сохранности. Так, процент выхода керна в большинстве скважин, пробуренных на площади месторождении, составил не менее 80-90%. Лишь при проходке зон интенсивной нарушенности и глинистых швов целостность керна существенно нарушалась.

Сопротивление одноосному сжатию неизмененных базальтов, в зависимости от степени их трещиноватости, изменяется от 75 до 199 МПа (до 199 МПа) и в среднем равно 105-155 МПа. При этом коэффициент размягчаемости их обычно составляет более 0,75 (неразмягчаемые породы). Более низкими прочностными свойствами характеризуются породы с порфировой структурой. Так, сопротивление одноосному сжатию миндалекаменных базальтов составило: в воздушно-сухом состоянии – 66-122 МПа (в среднем – 87 Мпа); в водонасыщенном состоянии – 27-97 МПа (в среднем 49 МПа). Измененные базальты в большинстве случаев классифицируются как размягчаемые породы средней прочности и малопрочные (σсж. – менее 60МПа).

Прочностные свойства пород дайкового комплекса, вследствие структурных особенностей, несколько ниже, чем у базальтов. В зависимости от состояния пород сопротивление одноосному сжатию (σсж.) сиенит-порфиров меняется от 37-92 МПа до 157 МПа (среднее – 90 МПа). Данные породы практически не снижают прочность в водонасыщенном состоянии.

Наибольшей способностью к размоканию, набуханию и снижению прочностных свойств во влажном состоянии обладают конгломераты верхнегазимурской свиты. При взаимодействии с водой их прочностные свойства (70-144 МПа) снижаются на 25-35 % (до 40 %). Существенное снижение прочностных свойств в водонасыщенном состоянии характерно и для метасоматически измененных базальтов (коэффициент размягчаемости 0,29-0,65). Интенсивно каолинизированные породы при замачивании размокают и становятся рыхлыми.

Прочностные характеристики руд не определялись в связи с отбором кернового материала для основных видов опробования. Принимая во внимание идентичные условия образования и во многом схожие геолого-структурные особенности полиметаллических месторождений Восточного Забайкалья, о прочностных свойствах полиметаллических руд можно судить по результатам разведочных работ и эксплуатации некоторых из ранее разведанных месторождений. Исследование прочностных характеристик базальтов, включающих прожилки и вкрапления сульфидов (штокверковое оруденение на Центральном участке), свидетельствует об их соответствии неизмененным эффузивным породам (σсж. среднее – 143 МПа).

Как видно из краткой характеристики вмещающих пород и руд на площади месторождения распространены скальные породы с прочностью более 50 МПа. Коэффициент размягчения их изменяется от 0,5 до 0,9. Существенное снижение прочных свойств пород возможно лишь в интервалах интенсивно трещиноватых гидротермально измененных пород. Наряду с геологическими факторами, существенную роль в инженерно-геологических процессах играет и тектоническая обстановка на месторождении.

Породы подвержены морозному выветриванию, после испытаний на морозостойкость прочностные характеристики их снижались. При проведении цикла испытаний (10-15 испытаний) в насыщенном растворе сернокислого натрия, потеря в весе составила: базальты – 5,4-10,5 % (у интенсивно трещиноватых пород до 24,5 % и более); конгломераты - 12,0-20,3 %.

Горные породы и руды месторождения довольно устойчивы, что подтверждается опытом горных работ при проходке наклонных стволов. Проходка производилась с использованием патронированного аммонита при среднем расходе его 16-18 кг на 1 п.м. проходки. Разрушенные взрывом горные породы представляют собой глыбы и куски неправильной формы. При проходке горных выработок больших обрушений и значительных вывалов горных пород не отмечалось. Мелкие вывалы с кровли обусловлены пониженной механической прочностью и связностью гидротермально переработанных пород, а также трещинами напластования. При ведении горных работ отставание крепления от забоя достигало 50 и более метров. Углы естественного откоса вмещающих пород в отвалах изменяются от 40 до 55о.

С поверхности и до глубины предполагаемой отработки породы и руды не радиоактивны.

Основное внимание при проведении дальнейших инженерно-геологических исследований следует сосредоточить на характеристике наиболее слабых разновидностей пород, их пространственному распределению, как по площади, так и в разрезе. Особое внимание следует обратить на тектоническое строение, так как сочетание этих факторов может привести к существенному усложнению инженерно-геологической обстановки на месторождении.