Количественная оценка трещиноватости горных пород

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового  Красного Знамени Государственный университет имени М.В.Ломоносова

 

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

                     Направление 511000 ГЕОЛОГИЯ

          Кафедра инженерной и экологической геологии

 

 

 

 

 

Реферат на тему

«Количественная оценка трещиноватости массивов горных пород»

 

 

 

 

Выполнила: студентка 407 группы

Демина Ю.А.

Научный руководитель: доцент

Куринов М.Б.

 

 

Москва 2011

Оглавление

Введение………………………………………………………………………….………….3

Глава 1 Понятие трещиноватости массивов горных пород…..………………..………...4

Глава 2 Методика количественной оценки трещиноватости массивов горных пород..6

Глава 3 Графические методы оценки трещиноватости горных пород………………....13

Заключение………………………………………………………………………………….16

Список литературы………………………………………………………………………....17

 

Введение

Трещиноватость массивов горных пород является одним из главных факторов при их инженерно-геологической оценке. Она свойственна твердым – скальным и относительно твердым - полускальным породам, обладающим жесткими кристаллизационными связями между минеральными частицами. Трещиноватость наряду с другими параметрами тектонического строения характеризует структуру массива, его пространственную  неоднородность и анизотропию свойств.

При изучении трещиноватости массивов горных пород особое внимание уделяют пространственному расположению и морфологии трещин, а также количественной оценке[2]. Количественная оценка трещиноватости, например, помогает в построении различных расчетных моделей устойчивости откосов скальных пород. Оценки устойчивости в значительной мере зависят от параметров сопротивления сдвигу по трещинам, наилучшим способом определения которых следует считать обратный расчет.

Далее будут рассмотрены  понятие трещиноватости массивов горных пород и основные принципы количественной их оценки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Понятие трещиноватости массивов горных пород

Трещина - это разрыв сплошности горных пород, перемещение по которому либо отсутствует, либо имеет незначительную величину. В инженерной геологии трещины рассматриваются, как плоские, не имеющие объема границы между блоками либо как плоские геологические тела, толщина которых ничтожна по сравнению с длиной и шириной. Внутреннее пространство трещины может быть заполнено газом или жидкостью - это открытые трещины. Если между стенками трещины находятся песчаные, крупнообломочные, пылеватые или глинистые отложения, то ее называют заполненной. При наличии в трещине прочного минерального заполнителя типа кальцита, халцедона, кварца трещина относится к залеченным [8].

Трещины образуются при действии на породу сил, превышающих предел прочности  породы. Эти силы возникают в результате различных эндогенных, экзогенных геологических  и антропогенных процессов и  могут быть как внешними для породы (тектонические, гравитационные и др. силы), так и внутренними, возникающими при изменении температуры, влажности, плотности породы.

 Трещиноватость или сеть трещин - это совокупность всех трещин, совместно развитых в конкретном объеме горной породы.

Система трещин - это совокупность трещин, совместно развитых в конкретном объеме породы и имеющих близкую  пространственную ориентировку. Как  правило, одновременно бывает развито  несколько систем трещин. Но встречаются  массивы горных пород с одной  системой трещин или бессистемной (хаотичной) трещиноватостью. [6]

 Принято выделять трещины: 1) отрыва с бугристой извилистой стенкой; 2) скола, отличающиеся плоской стенкой с мелкой ступенчатой шероховатостью; 3) сдвига с гладкой шлифованной поверхностью (рис. 1.1).

.

Рис. 1.1. Трещины отрыва(1) и скола(2) в конгломерате (Тагильцев С.Н., 1994)

Горные породы разбиваются  системами трещин  на структурные  блоки, которые в процессе деформации участвуют как отдельные единицы. Форма и  размеры структурных  блоков зависят от характера трещиноватости. Как правило, литогенетическая и контракционная трещиноватость образует прямоугольную форму структурного блока. Тектоническая трещиноватость, накладывающаяся позднее, осложняет структуру массива и ориентировку его первичных форм (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Трещинноватый массив мергелей СЗ склона г.Сель-Бухра (фото автора, 2010)

Трещиноватость массива не является простой совокупностью структурных блоков, соединенных определенным образом. Трещиноватый массив – это механическая система из первичных элементов-структурных блоков, объединенных связями так, что они, работая в системе, придают ей новые механические свойства, при этом элементам системы присущи некоторые общие свойства [4].

 

 

 

Глава 2. Методика количественной оценки трещиноватости массивов горных пород

Исследование трещиноватости горных пород при инженерных изысканиях ведется либо путем непосредственного измерения размеров и ориентировки трещин, либо путем измерения параметров массива, тесно связанных с трещиноватостью. Первый способ представляет собой элемент инженерно-геологической съемки, второй - инженерно-геологической разведки.

В ходе разведки проводятся измерения скоростей распространения упругих волн, определения удельных водопоглощений и других показателей, позволяющих косвенно судить о трещиноватости различных частей массива. По косвенным характеристикам, используемым для оценки свойств массива на основе корреляционных связей, а также для районирования массива по степени трещиноватости, нельзя построить расчетную модель откоса. Лишь некоторые геофизические методы могут быть использованы для выделения крупных трещин, по которым идет смещение на склоне или в откосе. 

Полевые исследования трещиноватости следует рассматривать как специализированную инженерно-геологическую съемку. Главное в полевой работе по съемке трещиноватости – массовые измерения параметров трещиноватости в съемочных точках и горных выработках. Необходимо измерять все видимые трещины в пределах выделенной для работы части обнажения. Общее число трещин, измеряемых на обнажении, должно составлять 100-400 штук, при условии обмера 10 - 40 трещин в каждой системе. Минимальным числом измерений можно обойтись только в простейших случаях, когда в массиве имеется 3-4 системы с малым разбросом параметров.

Трещины каждой системы измеряются в следующем порядке. Горным компасом измеряется ориентировка трещин. При достаточном числе измерений переходя! к измерениям остальных параметров с помощью складного метра или стальной линейки. Расстояние между соседними трещинами и их ширина измеряются подряд для всех трещин данной системы, выходящих на поверхность обнажений, начиная от некой произвольной точки (ширина первой трещины, расстояние между первой и второй; ширина второй трещины, расстояние между второй и третьей и т. д.). Длина трещин измеряется параллельно с измерением ширины и частоты или (если она велика) отдельно, по окончании измерении ширины и частоты. Расстояние между соседними трещинами желательно мерить по перпендикуляру к плоскости трещин, чтобы избежать введения тригонометрических поправок за влияние экспозиции обнажения [8].

Все разрывные нарушения  в зависимости от размера могут  быть подразделены на ультратрещины, микротрещины, мезотрещины, макротрещины и мегатрещины.

Ультратрещины – трещины протяженностью от долей микрона до 0,01 мм, разбивающие участки кристалла и исследуемые под электронным микроскопом.

Микротрещины имеют протяженность  от 0,01 мм до нескольких сантиметров  и разбивают кристалл и участки  породы, исследуемые в монолите и  образце визуально, в аншлифе  и шлифе под поляризационным  микроскопом.

Мезотрещины  - протяженностью от нескольких сантиметров до первых метров, невыдержанные по простиранию, часто извилистые, не образующие системной трещиноватости (преимущественно трещины выветривания в чистом виде).

Макротрещины – протяженностью от нескольких сантиметров до десятков и сотен метров, рассекающие пласты породы, образующие четкую системную  трешиноватость, закономерности развития которой исследуются в обнажении.

Мегатрещины – разрывные тектонические нарушения протяженностью от сотен метров до десятков и сотен километров, закономерности развития которых можно охватить лишь «взглядом сверху» при аэровизуальной съемке или дешифрировании [1]

 При проходке горных выработок и бурении скважин большего диаметра для изучения состояния пород в основании будущих сооружений необходимо определять суммарную ширину трещин каждой системы на каждый метр вскрываемого разреза, которая характеризует степень пустотности - скважности пород. Как показывает практика, под нагрузкой от сооружений в пределах активной зоны основания горизонтальные и пологонаклонные трещины могут смыкаться, вызывая осадку сооружения, которая будет приближаться к их суммарной мощности (ширине). Поэтому такие наблюдения важны для прогноза возможных осадок сооружений и их равномерности.

При инженерно-геологических  исследованиях самым распространенным видом разведочного бурения по скальным и полускальным породам является колонковый. При таком способе бурения о степени трещиноватости пород следует судить на основании следующих данных:

1. учета процента выхода керна - отношение длины полученного керна к длине пробуренного интервала скважины за рейс. При прочих равных условиях состава и свойств пород, режима бурения и других показателей, чем более монолитны породы и чем менее они трещиноваты, тем выше выход керна;
2. подсчета числа трещин на каждый погонный метр керна, т.е. на основе определения модуля трещиноватости;
3. наблюдений за проскоками снаряда при пересечении им трещин, каверн и пустот. Необходимо точно фиксировать глубину, на которой произошел проскок, и его величину, свидетельствующие о наличии открытых (зияющих) трещин и пустот.
4. RQD – показатель качества керна - это длина всех столбиков керна больше 10 см на погонный метр скважины или на интервал бурения. Больше 90% - сохранность очень хорошая, 90-75% - хорошая, 75-50% - средняя, 50-25% - плохая и меньше 25% очень плохая.

    Для обнаружения последних по вертикальному разрезу, вскрытому скважиной, полезно применение каверномера. Измерения каверномером производят при подъеме прибора после раскрытия упругих рычагов, упирающихся в стенки скважины. В результате проведенных измерений получают кривую изменения диаметра скважины с глубиной, на которой фиксируется положение открытых зияющих трещин и пустот или зон резкого увеличения диаметра скважины вследствие повышенной раздробленности пород; наблюдений за расходом промывочной жидкости, по которому в процессе бурения скважины можно выделить зоны различной трещиноватости пород; осмотра и фотографирования стенок скважин с помощью специальных приборов и телевизионных установок (фотокаротаж).

Оценка степени трещиноватости гидрогеологическими методами. Сравнительная оценка степени трещиноватости скальных и полускальных горных пород может производиться также по результатам специальных опытных работ - опытных нагнетаний и наливов воды в скважины и горные выработки; опытных откачек воды из скважин или горных выработок, если породы водоносны. Водопроницаемость и водообильность скальных горных пород определяются главным образом их трещиноватостью или закарстованностью (известняки, доломиты), поэтому, если, в скважину, вскрывшую такие породы, нагнетать воду и определять водопоглощение, можно косвенно судить об их трещиноватости. Точно так же, если из скважины, вскрывшей водоносные породы, откачивать воду, то их водообильность и водопроницаемость косвенно будут характеризовать степень трещиноватости. Специальные опытные работы для получения сравнительной оценки трещиноватости горных пород и основаны на определении их водопоглощения, водопроницаемости и водообильности. Мерой водопоглощения и водопроницаемости горных пород служат удельное водопоглощение и коэффициент фильтрации. Пользуясь этими показателями, породы можно классифицировать по степени трещиноватости (табл. 2.1) [5].

 

 

 

Таблица 2.1. Классификация горных пород по степени трещиноватости[5].

Характеристика горных пород	Коэффициент фильтрации, м/сут.	Удельное водопоглощение, л/мин
Практически водоупорные, нетрещиноватые	< 0,01	< 0,005
Очень слабоводопроницаемые и слаботрещиноватые	0,01 - 0,1	0,005 - 0,05
Слабоводопроницаемые и  слаботрещиноватые	0,1 - 10	0,05 - 5
Водопроницаемые и слаботрещиноватые	10 - 30	5 - 15
Сильноводопроницаемые, сильнотрещиноватые	30 - 100	15 - 50
Очень сильноводопроницаемые  и сильнотрещиноватые	> 100	> 50

 

Количественная оценка трещиноватости массивов горных пород осуществляется разными способами с применением различных показателей (табл.2.2) [2].

В зависимости от применяемых  классификационных критериев существующие классификации можно разделить  на три группы: