Методы определения свойств горных пород

3.4 Методы изучения геометрических характеристик структурных неоднородностей

Для правильных представлений о свойствах какого-то конкретного массива пород недостаточно располагать данными о механических характеристиках объёмов, вмещающих структурные неоднородности различного типа. Необходимо иметь представления о закономерностях пространственного расположения и степени распространения структурных неоднородностей, особенно это касается структурных неоднородностей низких порядков, для которых применяется дифференциальный путь изучения прочностных характеристик.

С физической точки зрения подавляющее большинство структурных неоднородностей (геологических нарушений, контактных зон, трещиноватости и др.) с достаточной для практических целей точностью может интерпретироваться плитчатыми телами, ограниченными двумя параллельными плоскостями при весьма небольших расстояниях (мощностях) между ними. В этом случае для их исчерпывающей геометрической характеристики необходимо определить пространственное положение ограничивающих плоскостей (азимут линии простирания или линии падения, угол падения), а также их видимую длину и мощность заполнения.

Изучение закономерностей пространственного расположения структурных неоднородностей должно сопровождаться изучением вида заполнения и характера контактирующих поверхностей структурных неоднородностей. Ведь именно от вида и состояния минералов - заполнителей трещин или других типов структурных неоднородностей, а также от степени шероховатости и извилистости поверхностей контактов зависят механические характеристики по поверхностям структурных неоднородностей.

Учитывая сказанное, методику определения геометрических характеристик неоднородностей необходимо дополнять специальными исследованиями, направленными на создание классификаций структурных неоднородностей рассматриваемого массива, в первую очередь по типу минералов-заполнителей.

Методы изучения геометрических характеристик структурных неоднородностей удобно рассмотреть на примере естественной трещиноватости, хотя всё изложенное в полной мере применимо и к любым другим видам структурных неоднородностей низких порядков.

Задача изучения геометрических характеристик структурных неоднородностей заключается в выявлении систем трещиноватости (или других неоднородностей) массива и их пространственной ориентировки, определении протяженности трещин различных систем по простиранию и падению, густоты (плотности) трещин с целью правильного истолкования наблюдаемых явлений и учета этих данных при решении практических вопросов геомеханики.

Выявление систем трещиноватости массива, определение их пространственной ориентировки и оценку степени постоянства этой ориентировки в пределах изучаемого массива производят посредством массовых измерений трещиноватости. Измерения ведут обычно горным компасом точно так же, как и измерения элементов залегания пластов пород.

Измерениям непременно должен предшествовать визуальный осмотр пород в выработках. В результате такого осмотра предварительно устанавливают общий характер и степень развития трещиноватости породного массива. При этом оценивают, насколько однородна и равномерно развита трещиноватость пород в пределах изучаемого массива.

Массовые измерения трещиноватости могут выполняться:

1. на отдельных представительных участках массива - наблюдательных станциях;

2. методом сплошной съёмки.

В первом случае если массив по данным визуального осмотра характеризуется относительно равномерным развитием трещиноватости, всю изучаемую площадь (шахтное поле, горизонт и т. д.) покрывают равномерной сетью наблюдательных станций, располагаемых в нескольких десятках метров одна от другой. Если развитие трещиноватости неравномерно, то расстояния между наблюдательными станциями выбирают дифференцированно для различных ее типов.

Наиболее полные и объективные данные могут быть получены при измерениях трещиноватости в трех взаимно ортогональных плоскостях. В этом случае для наблюдений доступны обнажения по трем граням пространственного прямоугольного параллелепипеда, и измерения трещиноватости по ним позволяют правильно охарактеризовать развитие трещин всех направлений в данной точке массива. Поэтому удобно использовать для измерений ниши или участки сопряжений выработок.

Размеры наблюдательных станций следует по возможности принимать такими, чтобы в пределах станции было не менее 8-10 трещин каждой системы. Однако возможности варьирования размеров станции в подземных условиях обычно ограничены высотой выработок, вследствие чего остается возможным лишь избрать протяженность наблюдательной станции вдоль выработки. В большинстве случаев размеры станций по протяженности и высоте принимают около 2 м.

На каждой наблюдательной станции измеряют элементы залегания всех без исключения трещин, фиксируют нормальные расстояния между трещинами одноименных систем, устанавливают характер трещин (открытые, закрытые), их раскрытие, заполнение трещинными минералами, характер поверхностей трещин (ровные, неровные стенки, наличие зеркал и штрихов скольжения и пр.), протяженность трещин, степень искривления их поверхностей.

Кроме того, для детального изучения вещественного состава минералов-заполнителей трещин, от которого в первую очередь зависят прочностные характеристики по их контактам, необходимо специально отбирать пробы для изготовления шлифов. Практика выполнения подобных работ свидетельствует о том, что при изготовлении шлифов хрупкие и весьма непрочные минералы-заполнители зачастую выкрашиваются. В этих случаях применяют специальные приемы (проварка образцов в смеси ксилола и канифоли, пропитка пихтовым бальзамом и пр.). Если же и это не приносит успеха, то минералы определяются из соскобов со стенок трещин в иммерсионных жидкостях.

В случае, если исследуются закономерности развития крупноблоковой трещиноватости, расчленяющей массив на структурные блоки с линейными размерами более 1-2 м, выполняют сплошную съёмку трещин на протяжённых участках выработок. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы протяжённости выработок, где выполняется съёмка, во всех трёх ортогональных направлениях массива пород были сопоставимы. Обычно наибольшие трудности возникают с обеспечением этого условия в вертикальной плоскости, т.е. с организацией измерений в вертикальных выработках.

Результаты массовых измерений подвергают статистической обработке и представляют в виде графиков, характеризующих пространственную ориентировку и степень выраженности систем трещиноватости.

Пространственную ориентировку систем трещиноватости наглядно выражают с помощью различных диаграмм трещиноватости (рис. 6.20). Сопоставление диаграмм по смежным наблюдательным станциям позволяет легко сравнивать результаты измерений трещин и судить о степени изменчивости их пространственной ориентировки и степени выраженности на различных участках шахтного поля.

Рис 6.20. Типы диаграмм трещиноватости массива в изолиниях.

а - сферограмма на сетке Вальтер - Шмидта; б - прямоугольная диаграмма; в - прямоугольная диаграмма с произвольным выбором развертки.

Относительное число трещин, %: 1 - 0; 2 - <1; 3 - 1-2; 4 - 2-3: 5 - 3-4; 6 - 4-5;7 - 5-6; 8 - 6-7; 9 - 7-8; 10 - 8-9; 11 - >9.

I-IV - системы трещиноватости.

Для выражения в изолиниях полученных результатов массовых измерений трещиноватости данные всех измерений наносят по параметрам азимута линии падения А_пад и угла падения ? на диаграмму в виде точек.

Затем методом скользящего статистического окна производят сглаживание и подсчет относительной плотности числа измеренных трещин. Размер статистического окна принимают равным 1% площади диаграммы. На полученном поле значений относительных плотностей проводят изолинии равных относительных плотностей, в результате чего наглядно выявляются преобладающие системы трещин. Средние параметры пространственной ориентировки этих систем непосредственно определяют по диаграмме.

В тех случаях, когда требуется проследить закономерности изменения одного какого-либо параметра, например только азимута или только угла падения трещин, по результатам массовых измерений составляют гистограммы частот (или частостей) данного параметра.

Весьма часто для решения практических вопросов, например оценки устойчивости обнажении пород, кроме относительных характеристик степени распространенности тех или иных систем трещин в исследуемом массиве требуются абсолютные значения указанных параметров, т. е. вероятностей появления тех или иных структурных неоднородностей в рассматриваемой точке выработки. С этой целью на каждой наблюдательной станции число трещин (или других структурных неоднородностей) отдельных систем относят к общему числу измеренных трещин и таким образом оценивают частоту (в пределе - вероятность) появления той или иной системы. Однако при этом возможны существенные погрешности вследствие того, что наблюдательные станции не в равной степени охватывают все пространство изучаемого массива. Например, при расположении наблюдательных станций в горизонтальных выработках слабо отражается распространение пологих и горизонтальных трещин.

Более корректно определять степень распространенности тех или иных систем трещин, основываясь на статистическом анализе расстояний между отдельными трещинами в каждой системе.

Кроме того, расстояния между трещинами служат исходными данными для установления средних размеров и формы структурных блоков, образуемых трещинами различных систем.

В качестве примера на рис. 6.21 представлены результаты обработки натурных измерений геометрических параметров естественных трещин в дистен-гранат-биотитовых гнейсах массива одного из месторождений слюдоносных пегматитов Северной Карелии.

Рис. 6.21. Геометрические параметры трещиноватости дистен-гранат-биоти-товых гнейсов месторождения "Плотина". а - диаграмма трещиноватости; б - гистограммы распределения расстояний между трещинами. Системы трещин: I - меридиональная, II - северо-западная, III - субширотная, IV - широтная, V - наклонная, VI - пологая, грубо совпадающая со сланцеватостью гнейсов. 1-8 - число трещин на единицу площади диаграммы.

4. Классификации горных пород

При проектировании горных работ и строительстве подземных сооружений необходим комплекс сведений о различных свойствах горных пород. Более того нужна определённая систематизация горных пород по свойствам с тем, чтобы без проведения специальных детальных исследований можно было априорно представлять основные особенности поведения какого-либо конкретного вида пород при заданных видах воздействий и тем самым прогнозировать те или иные процессы в массиве пород.

Систематизация пород по свойствам является по сути классификацией и это представляет собой весьма ответственную и, применительно к таким сложным физическим средам как горные породы, чрезвычайно сложную задачу. Ещё более сложную задачу представляет классификация массивов горных пород.

Вообще говоря, построение классификаций является методом и результатом изучения явлений, которые весьма многообразны вследствие большого числа факторов, их определяющих. При построении классификаций весьма важно определить так называемый фактор классификации, т.е. тот признак, по которому производится систематизация изучаемого материала. В зависимости от выбора фактора классификации могут быть созданы различные классификации и тогда появляется возможность классифицировать сами классификации.

В частности, применительно к горным породам, известны две группы классификаций.

К первой группе относятся общие классификации, в которых породы разбиваются на классы в зависимости от комплекса факторов - происхождения, минерального состава, связности и строения:

? Генетическая классификация - породы подразделяются на осадочные, изверженные и метаморфические.

? Инженерно-геологические классификации, в которых породы подразделяются на рыхлые, связные и массивные.

? Классификации, в которых группы пород генетической классификации подразделяются по фактору состава и строения.

Из классификаций первой группы одной из самых значительных и широко применяемых на практике является геолого-генетическая классификация проф. И.В. Попова, которая в модифицированном виде была принята и в международных рамках как основа для подразделения реальных комплексов пород (выделение инженерно-геологических групп, формаций, геолого-генетических комплексов, петрографических типов, инженерно-геологических видов и подвидов).

Хорошо известна классификация акад. АН СССР Ф.П. Саваренского (1937), модифицированная позднее многими авторами. Её основное подразделение грунтов на скальные, полускальные, сыпучие, связные и особые уже упоминалось нами. Эта классификация широко использовалась в строительных стандартах (например, в СНиПах). Как уже говорилось, основным критерием этой классификации является общий характер структурных связей (кристаллизационные, ионно-электростатические, молекулярные, магнитные, электростатические и др.) в зависимости от условий образования и последующего развития горных пород и от их состава.

Основным преимуществом указанных подходов является строгий учёт геологических факторов, в частности, происхождения пород, всей истории их развития, минералогического состава и т.д. В то же время главным недостатком является отсутствие каких-либо количественных данных, характеризующих отдельные категории пород и массивов.

Ко второй группе относятся частные классификации, т.е. основанные на подразделении пород по какому-либо одному (но может быть и комплексному) показателю свойств или характеристике, Таких классификаций разработано очень много, назовём лишь некоторые, самые употребительные из них:

? Классификация М.М. Протодьяконова по коэффициенту крепости горных пород.

? Классификация по отдельным характеристикам свойств (пористости, объёмному весу, модулю упругости).

? Классификация по технологическим параметрам (буримости, взрываемости, дробимости, устойчивости).

Из классификаций второй группы в главе 4 уже упоминалась классификация проф. М.М. Протодьяконова по комплексному показателю - коэффициенту крепости ¦_кр. Здесь лишь отметим, что эта классификация имеет существенные недостатки. Самый основной из них заключается в том, что породы здесь разделяются на классы вне зависимости от вида приложенных нагрузок и режимов нагружения.

Наряду с классификацией М.М. Протодьяконова широко применялись и другие многочисленные классификации, в том числе ведомственного характера, разработанные для решения узких частных задач. Все они относились, главным образом, к характеристике пород, и лишь в небольшой степени характеризовали свойства массивов. В Приложении 2 сопоставлены различные частные классификации, которые используются в настоящее время при проектировании и проведении горных работ.

Вообще, сложность использования в геомеханике всех выше-перечисленных классификаций заключается в том, что одни из них (общие) не содержат в себе количественных показателей, а другие (частные) позволяют решать только сугубо конкретные узкие задачи. Следовательно, каждая отдельно взятая классификация не в состоянии полностью удовлетворить все требования геомеханики. Вообще попытки охарактеризовать горные породы одним, пусть и комплексным, показателем оказались не продуктивными. Что касается массивов пород, то, тем более, подобный путь не приемлем.

По-видимому более целесообразен другой путь, когда из общего числа практически используемых показателей свойств горных пород выделяется несколько базовых, которые не зависят друг от друга, являются элементарными и широко используются в расчётах и уже на этой основе строится общая классификация пород.

Так член-корреспондент АН СССР В.В. Ржевский в качестве базовых предложил использовать 12, не зависящих друг от друга показателей. При этом в начале разделять породы качественно на основные генетические группы, затем на классы по минеральному составу и структуре и только после этого дополнять количественными данными об основных физических свойствах.

Позже эти подходы фактически были реализованы в форме классификаций Н. Бартона и др., З.Т. Бенявского для целей подземного строительства, в которых использовался принцип подсчёта баллов и отнесения горных пород по получившейся сумме к той или иной категории. Дальнейшим развитием подобного подхода явилась классификация профессора Н.С. Булычёва, созданная для оценки пород по их устойчивости, где категорийность пород определяется по некоторому показателю, вычисляемому на основании ряда безразмерных коэффициентов, отражающих в баллах влияние различных факторов.

Классификациям, основанным на балльных подходах присущ основной недостаток - предположение о независимости действия тех факторов, которые оцениваются баллами. Это не всегда соответствует действительности и поэтому указанные классификации приводят, главным образом, к качественным результатам. Преимуществом же данного подхода является возможность учитывать сколь угодно большое количество факторов, и таким образом, фактически это одни из первых успешных попыток создания классификаций уже не пород, а массивов.

Если рассматривать все указанные подходы создания классификаций с позиций иерархично-блочной модели массива пород, то можно заметить, что наблюдается большой разнобой в предлагаемых подходах с точки зрения иерархических уровней неоднородностей и массивов, к которым относятся те или иные предложения. В классификациях первой группы это уровни весьма низких порядков, в то время как в классификациях второй группы объектами являются массивы, вмещающие относительно высокие порядки структурных неоднородностей.

Проблема создания общетехнической классификации пород для нужд геомеханики пока не получила своего полного разрешения, однако определённая ясность в этих вопросах уже достигнута. Более того, предприняты и первые попытки разработки такой классификации, но пока только для массивов скальных пород. Так специалистами кафедры инженерной геологии Московского Государственного Университета (профессоры Г.А. Голодковская, Л.В. Шаумян и др.) разработана инженерно - геологическая классификация, в которой выделены две группы массивов, существенно отличных по своему генезису (табл. 6.1). Первая группа - литолого - структурные массивы, вторая группа - массивы дизъюнктивов тектонической природы.

Под литолого - структурными массивами понимаются объёмные геологические тела, образующие пространственно - обособленные структуры разных порядков, границами которых являются элементы литологических или структурно - тектонических неоднородностей. Другими словами, эти массивы соответствуют в иерархично-блочной модели элементам “структурных блоков”.

Массивы дизъюнктивов представляют собой вытянутые геологические тела, приуроченные к крупным дизъюнктивам и обладающие зональным строением за счёт включения зон различной степени нарушенности скального массива, образованных под влиянием тектонического нарушения. В иерархично-блочной модели массива пород они соответствует элементам “структурных неоднородностей”.

Таблица 6.1. Принципиальная схема инженерно-геологической классификации массивов горных пород (по Г.А. Голодковской, Л.В. Шаумян и др.)

Размещено на Allbest.ru