3.3.1. 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.

Инженерно-геологические исследования в горном деле.

Предмет и задачи инженерно-геологических исследований в проблеме рационального использования полезных ископаемых.

Развитие горной промышленности на ближайшую перспективу по мнению многих крупных специалистов характеризуют следую­щие тенденции.

Рост добычи и потребления минерального сырья — через каж­дые 12—15 лет добыча минерального сырья увеличивается вдвое.

1. Вовлечение в эксплуатацию месторождений с более бедным содержанием полезных компонентов, что приводит к увеличению площадей складирования отходов производства.

2. Увеличение глубины разработки, что обусловливает большие деформации бортов карьеров, рост объемов отвалов, осложнения процессов при подземной разработке, а также значительные по­тери полезного ископаемого.

4. Освоение месторождений со сложными инженерно-геологическими и экономико-географическими условиями, что ведет к но­вым сложным процессам и явлениям в горных выработках и в конечном итоге к ухудшению технико-экономических показателей.

5. Повышение доли эффективного открытого способа добычи, что уменьшает потери и стоимость полезного ископаемого, но уве­личивает площади нарушенных земель.

Все эти тенденции в конечном итоге вызывают удорожание раз­ведки и добычи полезного ископаемого, на что приходится значи­тельная доля капитальных вложений.

Задачи инженерно-геологических исследований в общей проб­леме рационального использования природных ресурсов определя­ются объектом и предметом инженерной геологии как науки в целом. Принимая во внимание существующие представления о гео­логической среде как об объекте инженерной геологии и о инженер­но-геологических условиях как о ее предмете, можно сформулиро­вать две основные задачи при изучении месторождений полезных ископаемых: оценка (с элементами прогноза) инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых с целью обоснования оптимальных проектных решений, обеспечивающих наиболее ра­циональное использование минеральных ресурсов и земельных уго­дий при минимальных нарушениях геологической среды и высокое безопасности и экономичности ведения горных работ, оценка и прогноз изменений инженерно-геологических усло­вий горнодобывающего района в результате освоения месторожде­ния с целью обоснования мероприятий по ограничению этих изме­нений.

Сформулированные задачи являются взаимосвязанными и вза­имообусловленными. Решение первой приводит к более надежным результатам исследований второй. Данные, получаемые в период эксплуатации месторождения, обогащают подложности инженерно-геологических оценок в период разведочных работ. К настоящему моменту можно говорить о проведении инженерно-геологических исследований на отдельных стадиях разведки месторождений, т. е. о выполнении первой задачи: оценки инженерно-геологических ус­ловий месторождений, проводимой главным образом на стадиях детальной разведки и доразведки в соответствии с «Инструкцией о содержании, оформлении и порядке представления в ГКЗ мате­риалов по подсчету запасов металлических и неметаллических по­лезных ископаемых». Обоснованием для выполнения этих иссле­дований служат специальные разработки ВСЕГИНГЕО и других ведомственных НИИ, а также некоторых вузов.

Специфика данного вопроса заключается в том, что из-за слож­ности инженерно-геологических условий месторождений и из-за многофакторности процессов, возникающих при взаимодействии с горными выработками, большая часть проблем, связанных с оцен­кой и прогнозом устойчивости горных сооружений, решается в пе­риод их строительства и эксплуатации (в отличие от других типов сооружений). Поэтому приходится проводить инженерно-геологические исследования не только в период разведки (утверждения его запасов в ГКЗ и проектирования горного предприятия), но и непосредственно в горных выработках вовремя их строительства и эксплуатации. Надо отметить, что для повышения, надежности инженерно-геологических оценок и прогнозов в пе­риод разведки месторождения большое значение приобретают ис­следования и наблюдения в горных выработках. Они особенно важны для обоснования мероприятий по ограничению вредного влияния горнодобывающих предприятий.

Инженерно-геологические условия представляют собой целост­ную систему взаимосвязанных компонентов, определяющую слож­ность разработки месторождения, характер и масштабы изменений среды под влиянием процессов горного производства. Взаимодей­ствие горных сооружений (выработок) с отдельными компонентами нарушает природное равновесие всей системы, в результате чего возникает ряд изменений (процессов), имеющих геологическую природу. Изучение закономерностей этих процессов во время стро­ительства и эксплуатации различных горных сооружений (шахт, карьеров, отвалов, шламо- и хвостохранилищ и др.) позволяет про­гнозировать возникновение, развитие и масштабы таких процессов заблаговременно и с необходимой надежностью.

Во время шахтных (карьерных) исследований и наблюдений уточняется существующая методика инженерно-геологических работ и разрабатываются новые подходы к геологическому обоснованию проектных решений. В результате оценки естественной геологической обстановки и уяснения закономерностей ее взаимодействия с горными работами можно создать инженерно- геологическую модель, которая явится базой для проведения расчетов параметров карьеров, отвалов, горного давления, креплении а также для оценки наносимого ущерба природной среде и для рекоменда­ции мероприятий по ограничению этого ущерба

Вместе с тем необходимо иметь в виду, что надежные оценки и прогнозы возможны только в том случае, если учтены горнотехни­ческие условия: напряженное состояние вокруг выработок направ­ление выработок по отношению к элементам залегания пород тре­щин, слоистости, технология ведения горных работ, вид и характер крепления, специфика управления горным давлением, продолжи­тельность прохождения и охрана выработок и т. д. К настоящему времени уже созданы теоретические предпосылки для аналитиче­ского решения многих задач по оценке устойчивости горных выроботок. Для этого, однако, необходима детальная характеристика геологического строения, гидрогеологических и газовых условий, трещиноватости, слоистости, прочности, деформируемости и есте­ственного напряженного состояния горных пород с учетом их струк­турных и текстурных особенностей. Надо иметь в виду, что обоб­щение шахтных и карьерных наблюдений и выявление надежных закономерностей невозможны без знания механических свойств и напряженного состояния пород вокруг горных выработок.

Повышение надежности геологическою обоснований при решения ряда горно-геологических задач является тем реальным вкладом, который может внести инженерная геология в разработку общей проблемы рационального использования недр и охраны геологической среды в районах горнодобывающей промышленности. И. Я. Ломтадзе выделил в качестве основного раздела инженерной геологии инженерную геологию месторождений полезных ископаемых и определил область ее исследовании. Для студентов специальности «Гидрогео­логия и инженерная геология» в ЛГИ стал читаться отдельный курс Инже­нерная геология месторождений полезных ископаемых».

Проблемы инженерной геологии в горном деле были предметом обсуждения еще на нескольких всесоюзных совещаниях в 70-х годах. Среди них особого внимания заслуживают специализированные совещания в Белгороде (1975 г.) и Новом Раздоле (1977 г.), на которых рассматривался широкий круг вопро­сов изучения, оценки и прогноза инженерно-геологических условии место­рождений полезных ископаемых. В основных докладах (Г. 1. Скворцов, Г А Голодковская, Б. В. Смирнов, М. Е. Певзнер, А. М. Гальперин, В. В. Фромм и др.) были проанализированы теоретические и методические особенности инженерно-геологического обоснования условий разработки месторождений Еще раз было отмечено, что это обоснование является неотъемлемой частью геологической разведки и должно проводиться на всех ее стадиях.

Здесь же указывалось на одну из главных причин неблагополучия в области прогнозных оценок условий освоения недр. Это, с с одной стороны отсутствие научно обоснованных требований к характеру и объему инженерно-геологических данных, необходимых для оценки взаимодействия горных сооружений геологической средой, а с другой - невысокий не невысокий, не отвечающий современным условиям развития науки технический уровень теоретических и методических разработок инженерно-геологической оценки месторождений полезных ископаемых и прогноза тех изменений, которые наступят при их освоении.

Рассматриваемый период знаменателен для инженерной геологии еще одним обстоятельством, имеющим, как считают некоторые ученые эпохальное значение. В апреле 1972 г. в Москве состоялось первое в своем роде специальное инженерно-геологическое совещание, на котором осужда­лась проблема рационального использования земной коры как источника ми­неральных ресурсов и как среды обитания и жизнедеятельности человека. Ин­женерная геология как наука о геологических условиях строительства т е по существу наука о взаимодействии человека с геологической спелой, при­обрела особое значение в обшей проблеме рационального использования и ох­раны природы, хотя и до этого инженерно-геологические исследования в ко­нечном итоге решали задачи этой проблемы. Тем не менее после этого со­вещания началось интенсивное изучение влияния различных сооружений н строительных работ на изменение природной обстановки.

Под эгидой этого нового течения прошла II Всесоюзная конференции в 1976 г. в Ленинграде на тему «Проблемы инженерной геологии в связи с рациональным использованием геологической среды». На этой конференция в докладах Г. Г. Скворцова, В. Н. Славянова, В. Г. Зотеева, А. М. Гальпе­рина, В. Н. Новожилова, О. Ю. Крячко, И. П. Иванова и других специали­стов были приведены результаты исследований различных месторождений (угольных, рудных, соляных) с целью рационального использования недр и охраны прилегающих территорий.

Закончились 70-е годы принятием на 26-м Международном геологическом конгрессе специальной «Декларации Международной ассоциации по инженер­ной геологии по вопросу окружающей среды», в которой отмечалось, что оценка инженерно-геологических условий и прогноз их изменения под влиянием человеческой деятельности это по существу инженерно-геологическое изучение геологической среды.

Для периода 70-х годов характерно огромное число опубликованных ра­бот, отражающих результаты теоретических и экспериментальных исследова­ний в области инженерной геологии месторождений полезных ископаемых. Среди них наиболее крупными являются труды Г. Г. Скворцова, В. В.Фромма, В. В. Смирнова [1973, 1975, 1976], В. Т. Глушко и Г. Т. Киричанского [1974]. Г. А. Голодковской, Л. М. Демидюк и др. [19751, П. Н. Панюкова (1978], Т. Глушко и В. Г. Борисенко [1978], М. Е. Певзнера [1978].

Первая половина 80-х годов проходит под знаком интенсификации всех строительных работ повышает требования к инженерно-геологический оцен­кам и прогнозам. Об этого можно сулить по большому числу публикаций, по­священных кардинальным вопросам инженерной геологии. Применительно к горной промышленности важнее значение придается вопросам рациональ­ного использования недр и охраны геологической среды, что было предметом специальных совещаний, проводимых МГУ (1981, 1983 гг.), и многих конфе­ренций, семинаров, школ.

В ноябре 1981 г. состоялась специальная сессия секции гидрогеологии и инженерной геологии Научно-технического совета Мингео СССР, на которой обсуждались «состояние и пути дальнейшего совершенствования гидрогеологи­ческих и инженерно-геологических исследований месторождений полезных ис­копаемых при их разведке». В рекомендациях сессии были намечены различ­ные мероприятия по улучшению работы геологических организаций, среди ко­торых особого внимания заслуживают следующие положения:

• создание постоянно действующих полигонов на крупных месторожде­ниях, где ведутся разведочные и эксплуатационные работы;

• усиление подготовки и рост выпуска специалистов по гидрогеологии и инженерной геологии месторождений полезных ископаемых;

• разработка новых технических средств для инженерно-геологических ис­следований;

• разработка нормативных документов по всем видам гидрогеологических и инженерно-геологических работ, проводимых при разведке месторождений.

Материалы IV Всесоюзной конференции по инженерной геологии, состо­явшейся в Свердловске в 1984 г., а также 27-го Международного геологиче­ского конгресса, проходившего в Москве в том же году, свидетельствуют, что проблемы инженерной геологии при разведке и разработке месторождений.

Анализ материалов исследований последних лет показывает, что современная обстановка, в которой развивается инженерная гео­логия месторождений полезных ископаемых, характеризуется вполне определенными особенностями.

1. Разведуются и осваиваются месторождения со сложными при­родными условиями, с низким содержанием полезных компонентов. Увеличиваются глубины разработки месторождений — до 2000—2500 м для подземных выработок и до 300—700 м для от­ крытых, что создает качественно новые условия разведки и раз­ работки.

2. Совершенствуются системы и технология горных работ и при­ меняется более мощное оборудование большой производительно­сти, которая может быть реализована при отсутствии нежелатель­ных деформаций в забое, на транспортных коммуникациях, на от­ валах; при надежных определениях параметров пород для опенки сопротивления резанию, разрушению взрывными работами и гидромеханизацией, оценки прилипания к рабочим органам и транс­портным емкостям; при эффективном дренировании, соблюдении условий безопасности труда горняков и т. д.

3. Растут требования к рациональному использованию недр и охране окружающей среды (к вопросам инженерной экологии). В этой области, как уже показала практика, перед инженерной ге­ологией стоят сложные задачи, и она обладает возможностями для их решения.

4. Разрабатываются на высоком теоретическом уровне с приме­нением современной техники вопросы изучения физико-механический свойств горных пород (главным образом скальных) в лабо­раторных условиях, моделирования геологических процессов, ис­следования естественного напряженного состояния и напряжений вокруг выработок, аналитической оценки горного давления. Изучение закономерностей возникновения и развития горно-геологических процессов и явлений, сопутствующих горным работам, строительству и эксплуатации горных сооружений, ведется не систематически, без участия инженеров-геологов, что не дает воз­можности своевременно и надежно прогнозировать геологические условия разработки месторождений и обосновывать эффективные мероприятия, способствующие рациональному использованию недр охране окружающей среды.

5. Оценка и прогноз инженерно-геологических условий место­рождении на различных стадиях разведочных работ, несмотря на применение большого количества разработанных для этой ней методов, все еще являются неточными и ненадежными Значитель­ные размеры сферы влияния горных работ и сложное, недостаточно изученное взаимодействие между природной (геологической) к техногенной средами не позволяют достичь такой детальности же исследований, которая характерна для инженерных изысканий на тер­риториях строительства различных типов наземных сооружений

Существенное влияние на повышение точности и надежности ин­женерно-геологических оценок, прогнозов и рекомендаций могут оказать результаты наблюдений и исследований в горных выра­ботках.

Я. Недостаточная научная подготовка специалистов, которые должны владеть знаниями в области инженерной геологии место­рождений полезных ископаемых и горного дела, не способствует быстрому изменению сложившейся неблагоприятной ситуации в геологическом обслуживании горнодобывающей промышленности.

9. Перечисленные в пунктах 6—8 недостатки инженерно-геоло­гических исследований на различных стадиях разведки месторож­дений полезных ископаемых задерживают проектирование горных предприятий, не позволяют своевременно дать оценку и прогнозы условий строительства горных выработок и других сооружений, а также условий их эксплуатации.