Инженерная геология: задачи и история возникновения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Предмет и задачи инженерной геологии, основные этапы развития, связь с другими геологическими науками. Основные направления инженерной геологии и ее современная структура, возникновение инженерной геологии и развитие ее на первых этапах были связаны со строительством. Исследование горных пород в строительных целях начали проводиться задолго до появления термина "инженерная геология". Поэтому можно говорить о предыстории инженерной геологии, которая, по существу, складывается из двух этапов.

Первый этап - когда строители и горные инженеры самостоятельно изучали горные породы, являющиеся основанием, средой и материалом для различных сооружений. Вряд ли можно, хотя бы приблизительно, указать, когда начали изучаться горные породы в связи со строительством. Началом же научных исследований и обобщения накопленного материала инженерно-геологического характера т.е. началом первого этапа предыстории инженерной геологии, можно считать первые десятилетия XIX в. Оно было, связано с развитием промышленного капитализма в Европе, Америке и России. Строительство заводов, фабрик, плотин и других сооружений требовало наиболее рациональных решений: достаточной их надежности при наименьших затратах. Достигнуть этого без изучения горных пород было нельзя, поэтому строители начали уделять им гораздо больше внимания, чем ранее. При этом в их работах горные породы назывались грунтами.

С целью обобщения накопившегося опыта строительства и использования его в сходных условиях строителям самим пришлось разрабатывать классификации грунтов, описывать их особенности, характеризовать свойства грунтов, учитывать воздействие геологических процессов на различные сооружения. Второй этап предыстории инженерной геологии связан с привлечением геологов к изысканиям под строительство (с начала XIX по 20-е годы XX в.). В это время геологи начали привлекаться к решению вопросов в связи со строительством железных дорог, каналов и других крупных сооружений. Среди геологов, консультировавших строителей, было немало известных ученых. В качестве примера можно назвать: В. Смита (Англия), Ч. Беркли (США), И. В. Мушкетова, В. А. Обручева, А. П. Павлова и др. При изысканиях под железные дороги большое внимание уделялось геологическому строению полосы трассы и геологическим процессам в ее пределах.

1. Возникновение грунтоведения и механики грунтов

В 20-е годы ХХ в. возникло новое направление в изучении почв и горных пород -- грунтоведение. Предпосылками для его возникновения явились: генетический подход, разработанный В. В. Докучаевым в почвоведении, и работы П. А. Земятченского по изучению глин, сформулировавшего в 1923 г. положение о том, что глину надо изучать как физическое тело, сложившееся в определенных естественноисторических условиях.

Началом оформления грунтоведения следует считать создание в Петрограде в 1923 г. Дорожно-исследовательского бюро, которое под руководством Н.И. Прохорова, П. А. Земятченского и Н. Н. Иванова организовало исследование почв и осадочных (преимущественно молодых) пород для дорожного строительства. Возникло дорожное грунтоведение которое позднее, когда генетический подход нашел себе место при изучении горных пород для других видов инженерных сооружений, утратило прилагательное "дорожное" и стало называться более широко - "грунтоведение". В 1930 г. была открыта кафедра грунтоведения в Ленинградском университете, а в 1938 г., такая же кафедра - в Московском университете

Под грунтоведением стала пониматься наука, изучающая любые горные породы, почвы и искусственные грунты, как объект инженерно-строительной деятельности человека, свойства которых определяются их генезисом и постгенетическими процессами и которые представляют собой многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени.

Грунтоведение с самого начала развивалось как естественноисторическая наука. Большое значение для его развития имели работы П. А. Земятченского, М. М. Филатова, В. В. Охотина, В. А. Приклонского, Б. М. Гуменского, И. В. Попова, С. С. Морозова л др. В 1925 г. вышла монография К. Терцаги "Строительная механика грунтов", положившая начало новой науке -- "механике грунтов", возникшей на стыке физико-математических, строительных и геологических наук. Механика грунтов рассматривает те общие закономерности, которые вытекают из применения к горным породам законов теоретической и строительной механики. При этом механические свойства грунтов, подчиняющиеся законам механики и укладывающиеся в определенные расчетные схемы, ставятся на первое место, а геологические особенности грунтов, сформировавшиеся в результате их генезиса, учитываются меньше. В западных странах изучение горных пород для строительных целей стало осуществляться преимущественно в рамках механики грунтов; у нас получили развитие как грунтоведение, так и механика грунтов.

Возникновение и развитие инженерной геологии. При решении вопросов, связанных со строительством, мало знать особенности горных пород, изучаемые грунтоведением и механикой грунтов. До начала строительства, на стадии выбора наилучшего варианта участка и объективной оценки конкурирующих вариантов, необходим широкий круг сведений о геологическом строении территории, геологических процессах, которые уже протекают или могут возникать в результате строительства, о гидрогеологических условиях и т. д. Изучение этих вопросов взяла на себя новая наука -- инженерная геология.

Впервые, под названием "Инженерная геология" в 1929 г. вышла книга Редлиха, Кампе и Терцаги на немецком языке, но в ней обоснование названия и изложение методологических основ инженерной геологии отсутствовали.

Инженерная геология как наука оформилась при гидротехническом строительстве в результате реализации плана электрификации. Большое значение для возникновения и развития инженерной геологии имели работы Ф. П. Саваренского, Г. Н. Каменского, Н. Ф. Погребова, И. В. Попова, Н. Н. Маслова, М. П. Семенова. R А. Приклонского и др., принимавших участие в изысканиях под строительство гидроэлектростанций на Волге, Днепре, по трассе канала Волга--Москва и др. Большой вклад в становление инженерной геологии как науки внесли крупнейшие советские геологи: Е. Б. Милановский, Г. Ф. Мирчинк, И. С. Шацкий и др.

B 1929 г. была открыта кафедра инженерной геологии в Ленинградском горном институте, а в 1931 г. - в Московском геологоразведочном институте. В 1937 г. вышли в свет книги: "Инженерная геология" Ф. П. Саваренского и "Методика инженерно-геологических исследований для гидротехнического строительства", написанная М. П. Семеновым, Н. И. Биндеманом и М. М. Гришиным, которые окончательно закрепили представление об инженерной геологии как новой отрасли геологической науки.

В те же годы за рубежом возникла "геотехника", которая получила широкое развитие в Швеции, Норвегии, Германии, Англии США и ряде других стран. На первое место в "геотехнике" выдвигались механико-математические методы анализа геологических и инженерно-геологических явлений, влияющих на устойчивость сооружения, а геологическим исследованиям отводилась второстепенная роль.

В 1951 г. вышел учебник "Инженерная геология" И. В. Попова. В нем автор пишет: "Инженерная геология как наука является отраслью геологии, изучающей динамику верхних горизонтов земной коры в связи с инженерной деятельностью человека".

Инженерная геология, подобно всей современной науке, развивалась под влиянием процессов дифференциации и синтеза. В результате дифференциации сформировались три основных раздела инженерной геологии (три инженерно-геологические дисциплины): грунтоведение, инженерная геодинамика и региональная инженерная геология. Процесс синтеза в инженерной геологии выражается во взаимопроникновении инженерно-геологических дисциплин и во взаимосвязи инженерной геологии со смежными науками, в первую очередь с гидрогеологией и мерзлотоведением, а также минералогией, астрографией, литологией, почвоведением, геохимией и др.

Благодаря этому оказалось возможным создать в 1968 г. на ХХII Международном геологическом конгрессе Международную ассоциацию инженеров-геологов (МАИГ).

Однако нельзя сказать, что развитие инженерной геологии завершилось. В настоящее время значительно расширяется круг задач, стоящих перед инженерной геологией. В связи с этим изменяется и понятие самого термина "инженерная геология".

В 1944 г. В. И. Вернадский ввел понятие о "ноосфере" -- сфере разума, "где человек становится крупнейшей геологической силой". Справедливость его слов становится все более очевидной по мере развития научно-технического прогресса.

Следующие примеры подтверждают это положение. На 1970 год площадь Земли, занятая под жилые застройки и другие инженерные сооружения, составляла 4% суши, а к 2000 г. эта площадь занимает, около 15% суши.

Особая роль принадлежит городам.

Город -- это территория, где воздействие человека на поверхностную часть литосферы наиболее интенсивно и разнообразно; это воздействие может достигать глубины 100 и более метров. Деятельность людей, связанная с горными и строительными работами, по своим масштабам соизмерима с денудационной работой рек. Производственная деятельность людей приводит к ежегодному перемещению 10 000 км3 (Рябчиков, 1973) вещества. На поверхности Земли оказываются тысячи кубокилометров отвалов пород, ничего общего не имеющих с современным четвертичным покровом.

Общая протяженность железнодорожной сети мира составляет около 1 400 тыс. км. Породы, положенные в насыпи железных и шоссейных дорог, сопоставимы с современными отложениями рек.

Протяженность берегов искусственных водохранилищ составляет десятки тысяч километров.

На всем этом протяжении идет интенсивная переработка берегов, образуются оползни, происходят процессы засоления и заболачивания.

Длина оросительных магистральных каналов превышает 300 тыс. км, что составляет 3/4 расстояния между Землей и Луной. Мелиоративное и ирригационное строительство захватывает массивы в десятки и даже сотни квадратных километров. Площадь орошаемых земель к концу ХХ века во всем мире достигает 200 млн. га. Не меньшая площадь подвергается осушению.

На этих площадях человек коренным образом меняет водный режим и состояние почв и горных пород, слагающих поверхностную часть Земли. Количество примеров, показывающих масштабы воздействия человека на поверхностную часть литосферы, можно было бы умножить. Вся инженерно-хозяйственная деятельность людей тесно связана между собой и в такой же тесной связи оказываются различные виды воздействия человека на земную кору. Однако в настоящее время наибольшее значение в этом отношении имеет строительная и горнодобывающая деятельность людей, под влиянием которой в первую очередь "меняется лик Земли, исчезает девственная природа" (Вернадский, 1944).

Интенсивное воздействие человека на поверхностную часть земной коры требует изучения инженерно-геологических условий крупных территорий и прогноза их изменения под влиянием деятельности человека на длительное время. При этом под инженерно-геологическими условиями понимаются существующие в данное время особенности геологического строения территории, состава и свойств горных пород, геологических процессов, рельефа и подземных вод. Без знания этих условий невозможно рациональное решение проблем, связанных с инженерным воздействием человека на поверхностную часть земной коры.

Таким образом, в настоящее время инженерная геология не только обеспечивает необходимыми данными проектировщиков и строителей при возведении самых разнообразных сооружений (что само по себе имеет большое практическое значение), но решает сложные научные проблемы, возникающие при изучении поверхностной части земной коры как объекта воздействия человека на литосферу. Инженерная геология из науки, имеющей главным образом прикладное значение, все в большей и в большей степени становится наукой о ноосфере. Сейчас инженерную геологию можно определить как науку о геологической среде, ее рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека.

Под геологической средой следует понимать горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть литосферы, которые рассматриваются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, что приводит к изменению природных геологических процессов и возникновению новых антропогенных (инженерно-геологических) процессов, изменяющих инженерно-геологические условия определенной территории.

При таком определении геологической среды каждый из современных разделов инженерной геологии приобретает определенный аспект при решении стоящих перед ним задач, к которым относятся: грунтоведение, инженерная геодинамика, региональная инженерная геология, инженерная геология месторождений полезных ископаемых, инженерная геология массивов горных пород, инженерно-геологические исследования и изыскания.

2. Грунтоведение

Грунтоведение можно определить как науку, изучающую любые горные породы и почвы как многокомпонентные динамичные системы, изменяющиеся в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека. Горные породы изучаются петрографией и литологией, но только грунтоведение подходит к ним как к многокомпонентным динамичным системам.

Основным положением совершенного грунтоведения является положение о зависимости свойств грунтов от их состава, структуры и текстуры. Состав, структура, текстура, а отсюда и свойства горных пород формируются в процессе их генезиса и изменяются под влиянием постгенетических процессов; диагенеза, эпигенеза и гипергенеза. Поэтому при оценке пород в инженерно-геологическом отношении состав, структура и текстура грунтов и их свойства изучаются в зависимости от генезиса и постгенетических процессов.

Генетический подход при изучении грунтов является методологической основой грунтоведения, благодаря чему оно относится к наукам геологического цикла. Причем под генетическим подходом следует иметь в виду анализ геологической истории развития территории, сложенной изучаемыми горными породами, для того, чтобы можно было понять, что испытала порода за период с момента своего формирования до наших дней, какова была ее "геологическая жизнь".

В основе генетического изучения горных пород в инженерно-геологических целях лежит подразделение их на три основные общеизвестные группы: магматические, осадочные и метаморфические, которые одновременно отражают их генезис и важнейшие петрографические особенности. Дальнейшее более дробное подразделение горных пород на генетические и петрографические типы дает еще большую информацию об их особенностях, важных при решении различных инженерно-геологических вопросов.

Горные породы, сформировавшиеся иногда в одних и тех же условиях и имеющие один и тот же геологический возраст и состав, могут существенно отличаться по своему современному состоянию и свойствам. Это объясняется тем, что такие породы претерпели различные постгенетические преобразования. Влияние постгенетических изменений на формирование свойств пород хорошо прослеживается на примере кембрийских гидрослюдистых глин, широко развитых на севере и северо-западе Русской платформы. В районе Санкт-Петербурга эти глины залегают вблизи поверхности. В течение геологической истории они дважды испытывали сравнительно небольшую и кратковременную нагрузку; первую в палеозое -- меньшую по величине (6--7 МПа), но продолжительную во времени, а вторую в ледниковый период -- большую по величине (8--9 МПа), но менее продолжительную. В течение же значительного геологического времени кембрийские глины были разгружены, происходили их разуплотнение и гидратация. В результате этого кембрийские глины в районе Санкт-Петербурга "отстали" в своем развитии от аналогичных отложений, например, в районе Вологды, где они залегают на значительной глубине и от палеозоя до настоящих дней непрерывно испытывали прогрессивно нарастающее гравитационное уплотнение. Поэтому если в районе Вологды глинистые отложения кембрия представлены аргиллитами со следами сланцеватости, с естественной влажностью 5% и пористостью 15%, то в районе Ленинграда это тугопластичные и полутвердые глины с влажностью 14% и пористостью 30% (Ломтадзе, 1973).

Приведенный пример хорошо показывает, что горные породы под влиянием постгенетических процессов могут сильно изменяться. Поэтому когда говорят о генетическом подходе в грунтоведении, то имеют в виду, что состав, строение и свойства грунтов зависят от их генезиса и постгенетических процессов. Эта зависимость проявляется в изменении особенностей состава, структуры я текстуры породы, что в конечном итоге обусловливает различие свойств пород. Это три равноценных фактора с точки зрения важности влияния их на свойства грунтов. Однако каждый из них может иметь доминирующее значение в зависимости от генетического и петрографического типа породы, а также от того, какое свойство является предметом изучения.

3. Понятие об инженерно-геологических (антропогенных) процессах

Под термином инженерно-геологические (антропогенные) процессы и явления понимаются процессы и явления, возникшие в результате взаимодействия инженерных сооружений с геологической средой.

Явления, вызываемые инженерной деятельностью человека -- весьма разнообразны. Их классификация может быть построена на различных принципах. Один из них -- это учет глубины, на которую действует человек, и сам характер воздействия при различных видах строительства.

Инженерно-геологические процессы, так же как и геологические процессы, могут стать опасными и угрожать сохранности сооружений, если они не были своевременно учтены или если их прогноз выл дан неправильно.

Региональная инженерная геология

Региональная инженерная геология изучает закономерности формирования и распространения инженерно-геологических условий. Под инженерно-геологическими условиями территории обычно понимается совокупность геологических факторов, определяющих характер инженерно-хозяйственного освоения территории.

К ним относятся: геологическое строение (и горные породы), рельеф, гидрогеологические условия, геологические и инженерно-геологические процессы. Инженерно-геологические процессы возникают в результате деятельности человека, и поэтому в настоящее время инженерно-геологические условия формируются не только под влиянием процессов, происходящих в природе, но и в результате инженерной и хозяйственной деятельности человека. Сейчас уже можно говорить о взаимосвязи между инженерно-геологическими условиями и деятельностью человека. От инженерно-геологических условий во многом зависит инженерная и хозяйственная деятельность человека, а она, в свою очередь, может привести к изменению инженерно-геологических условий.

Такая постановка вопроса помогает лучше понять всю значимость вопросов, которыми занимается региональная инженерная геология. Из нее также вытекает, что одной из главных задач инженерной геологии является прогноз изменения инженерно-геологических условий территории под влиянием деятельности человека.

Инженерно-геологические условия оказываются одинаковыми на тех территориях, которые имеют одну и ту же или близкую историю геологического развития и находятся в одних и тех же природно-климатических зонах. Если сравниваемые территории имеют разную историю геологического развития или расположены в различных природно-климатических зонах, то их инженерно-геологические условия не могут быть одинаковыми, они будут разными. Отсюда следует, что понять современные инженерно-геологические условия можно только при изучении истории геологического развития интересующей нас территории, особенно в новейшее время. Региональная инженерная геология при изучении территорий должна опираться на историческую геологию. В частности, при анализе истории геологического развития территории необходимо уделять большое внимание вопросам тектоники, палеогидрогеологии, изменениям, которые происходили в новейшее время вплоть до голоцена.

В том случае, если на интересующую территорию имеются карты необходимого масштаба - геологическая, гидрогеологическая, геоморфологическая и др., а история геологического развития территории хорошо изучена, то стоящие перед региональной инженерной геологией задачи значительно облегчаются. В этом случае необходимо объединить имеющиеся сведения общегеологического характера с теми специальными сведениями, которые были получены для данной территории в двух других разделах инженерной геологии - в грунтоведении и инженерной геодинамике. Иначе говоря, в этом случае инженерно-геологические особенности и свойства горных пород, развитых на интересующей нас территории, и действующей на ней геологические процессы должны быть рассмотрены в зависимости от геологического строения рельефа, гидрогеологических и ландшафтно-климатических условий. Причем все это рассмотрение должно быть проведено в историческом плане, когда одновременно учитываются тектоника и палеоклимат, процессы денудации и аккумуляции и т.д.

Более сложные задачи возникают перед региональной инженерной геологией, когда инженерно-геологическому изучению подлежат недостаточно изученные территории, для которых отсутствуют геологические и другие карты необходимого масштаба. В этом случае инженерам геологам самим приходится проводить дополнительное геологическое изучение территории наряду с изучением своих специальных вопросов. Глубина, до которой характеризуется поверхностная часть земной коры при инженерно-геологическом изучении, определяется глубиной проникновения в земную кору человека. В настоящее время увеличивается глубина заложения фундаментов, строительства тоннелей, карьеров при разработке полезных ископаемых, глубина шахт и других сооружений и, следовательно, увеличивается глубина региональных инженерно-геологических исследований. Можно сказать, что глубина региональных инженерно-геологических исследований определяется тем, что мы понимаем под геологической средой. При этом, конечно, исходя из того, для решения каких практических задач эти исследования проводятся. Но во всех случаях обязательно надо учитывать перспективу дальнейшего использования данной территории.

При инженерно-геологическом изучении территории помимо ранее перечисленных факторов, которые обычно называют региональными, изучают также зональные инженерно-геологические факторы. Под зональными инженерно-геологическими факторами понимают те закономерности развития геологических процессов и изменений состояния горных пород, залегающих в поверхностной части земной коры, которые связаны с климатом, и в первую очередь с тепло- и влагообменом поверхности изучаемой территории. Этим в основном обусловливается не только состояние пород в современной коре выветривания, но и глубина залегания и состав грунтовых вод, их фазовое состояние. Для учета зональных инженерно-геологических факторов необходимо знать историю (развития территории в антропогене и ее современное состояние).При инженерно-геологических исследованиях конкретных территорий является обязательные изучение как региональных факторов, являющихся ведущими, так как они определяют основные, главные инженерно-геологические особенности территории, которые создаются на протяжении всей истории ее геологического развития, так и зональных факторов.

4. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых

Инженерная геология месторождений полезных ископаемых является новым, сложившимся и успешно развивающимся разделом (научным направлением) инженерной геологии. Она призвана обеспечивать эффективную работу горнодобывающих предприятий, развитие важнейшей базовой отрасли народного хозяйства. Содержание этого раздела инженерной геологии составляет широкий круг геологических вопросов и практических задач, возникающих при освоении различных месторождений полезных ископаемых: рудных, угольных, нефтяных, газовых, горнохимического сырья, минеральных удобрений, строительных материалов и др.

Задачами инженерно-геологического изучения месторождений полезных ископаемых являются:

1) геологическое обоснование окончательной промышленной их оценки, а также способов вскрытия и системы разработки, конструкций карьеров и подземных выработок, проектов организации производства строительных и горных работ, оценки устойчивости горных пород в откосах уступов и бортах карьеров, в подземных выработках и отвалах;

2) разработка инженерно-геологических основ рационального использования геологической среды и ее охраны от отрицательного воздействия предприятий горного производства;

3) разработка принципов и методов инженерно-геологических исследований и их организации на всех стадиях разведки месторождений и при их разработке, методов оценки и прогноза возникновения неблагоприятных геологических процессов и явлений и управления ими в нужном для человека направлении.

Объектом исследований рассматриваемого раздела инженерной геологии, как и всех других геологических наук, служит геологическая среда; предметом -- инженерно-геологические условия строительства и эксплуатации шахт и карьеров и производства горных работ, т. е. функционирования системы геологическая среда - сооружения, инженерные работы; задачами - оценка и прогноз возникновения и развития неблагоприятных геологических процессов и явлений и разработка приемов и методов управления ими; методами -- общенаучные и специальные методы инженерной геологии.

Все это определяет самостоятельность рассматриваемого раздела в структуре инженерной геологии как науки. Наряду с этим он, как важнейшая составная часть инженерной геологии, подчиняется ее научному методу, который состоит в комплексном целенаправленном геологическом изучении причин возникновения, условий и динамики развития геологических процессов и явлений, угрожающих жизни и деятельности человека, сохранности территорий и сооружений. Важнейшими средствами ее при этом являются разработка и применение методов инженерно-геологического анализа процессов и явлений, их оценки, прогноза и управления ими.

Содержание и задачи инженерной геологии месторождений полезных ископаемых

Горные породы в условиях естественного залегания находятся в состоянии равновесия. При строительстве шахт и карьеров это равновесие часто нарушается под влиянием многих причин. Вследствие этого возникают и развиваются разнообразные геологические процессы и явления, реализующиеся в разрушении, деформациях, перемещении и сдвижении масс горных пород различных объемов. В подземных выработках и карьерах они проявляются также в различных видах водопритоков, фильтрационных деформациях, а в районах распространении многолетней мерзлоты -- в явлениях мерзлотного комплекса. Фильтрационные деформации и явления мерзлотного комплекса также вызывают перемещения масс горных пород.

Природа и механизм различных видов перемещений и сдвижений масс горных пород в подземных выработках и откосах карьеров часто весьма сложны. Всестороннее их изучение, а также закономерностей развития, разработка методов прогноза и управления ими -- важнейшие задачи инженерной геологии месторождений полезных ископаемых. .' Разнообразные геологические вопросы, связанные с освоением месторождений полезных ископаемых, изучают и оценивают в инженерном аспекте, а прогноз изменений геологических условий составляют в связи со строительством сооружений (шахт, карьеров и др.) и проведением инженерных мероприятий. При этом местом ннженерно-геологических исследований в зависимости от стадии освоения месторождений должны быть площади их распространения, отдельные участки, шахтные и карьерные поля и их части и, наконец, шахты и карьеры.

При проектировании и разработке месторождений полезных ископаемых к инженерной геологии предъявляются высокие требования. Развитие горных работ на все больших и больших глубинах, разработка ряда месторождений в сложных геологических условиях, подработка подземными выработками застроенных территорий, а в некоторых случаях занятых водоемами, и особенно широкое применение открытого способа разработки вызвали необходимость изменить отношение к изучению их инженерно-геологических условий. Кроме того, для расчета распределения напряжений в горных породах, равновесия их масс в горных выработках и откосах, для определения горного давления, прочности и устойчивости целиков и оснований сооружений, для проектирования инженерных защитных мероприятий требуются обоснованные расчетные схемы, расчетные показатели свойств горных пород, водоносных горизонтов, зон и комплексов, данные об изменении их во времени и при различных напряженных состояниях, о неоднородности и анизотропии свойств горных пород и условиях их работы. Все эти данные необходимы также в связи с применением новых методов расчета, новых способов и средств разработки месторождений полезных ископаемых.

Обводненность месторождений часто обусловливает значительные притоки воды в горные выработки, что вызывает необходимость предварительного и систематического осушения водоносных горизонтов, зон и комплексов. Такие вынужденные мероприятия, применяемые для обеспечения устойчивости горных пород в горных выработках и безопасности ведения горных работ, нередко значительно изменяют баланс подземных вод, истощают их ресурсы и нарушают условия водоснабжения населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Поэтому исследование и оценка степени обводненности, газоносности и геотермических условий месторождений полезных ископаемых, а в районах распространения многолетней мерзлоты -- мерзлотных явлений являются важнейшими задачами их инженерно-геологического изучения.

Строительство горных предприятий и выполнение горно-эксплуатационных работ постоянно вызывают изменения окружающей среды, рельефа поверхности земли, сохранности территорий и сооружений, загрязнение водоемов, рек и подземных вод и др. Поэтому оценка и прогноз изменений инженерно-геологических условий территорий, разработка мероприятии по рациональному их использованию и охране от вредных последствий горного производства, геологическое обоснование проектов по их рекультивации также являются одними из главных задач инженерной геологии месторождений полезных ископаемых. К этой проблеме относится также широкий круг геологических вопросов, связанных с рациональным размещением отвалов и гидроотвалов пустых пород (лишенных полезных компонентов) горного производства, оценкой и прогнозом их устойчивости и защитой прилегающих территорий от их вредного влияния. Наконец, важнейшими являются вопросы о возможности использования горных выработок на отработанных месторождениях или отдельных их участках для объектов различного назначения -- складов, силовых установок, гаражей, производственных предприятий и др. В этом главным образом состоят содержание и задачи инженерной геологии месторождений твердых полезных ископаемых. Как видно из сказанного, она имеет большое научное содержание и практическое значение. Для решения научных, методических и производственных проблем и вопросов, связанных с освоением месторождений полезных ископаемых, в инженерной геологии месторождений, как и в других ее разделах, широко используются методы: геологический (естественноисторического анализа), геологического подобия, экспериментальный, моделирования, вероятностно-статистический и расчетно-теоретический.

Отмечая развитие инженерной геологии месторождений полезных ископаемых, надо сказать, что многие важные и сложные вопросы еще недостаточно разработаны или не решены вообще, при изучении геологического строения, гидрогеологических условий месторождений, физико-механических свойств грунтов, геологических процессов явлений и охраны геологической среды от отрицательного воздействия горнодобывающих предприятий.

Остановимся на состоянии изученности основных вопросов, охватывающих содержание и задачи. Геологическое строение месторождений. Непосредственное изучение инженерно-геологических условий месторождений возможно только после их открытия, т. е. на стадиях предварительной и детальной разведки и разработки. Именно на этих стадиях инженерно-геологические исследования должны являться обязательной составной частью геологоразведочных работ -- частью дальнейшего геологического изучения месторождений в инженерном аспекте. Поэтому инженерно-геологическое изучение месторождений обычно начинается тогда, когда их геологическое строение в широком понимании этого слова изучено достаточно детально, соответственно стадии геологоразведочных работ.

Геологические материалы по всем горнопромышленным районам, бассейнам, рудным поясам и полям, отдельным месторождениям, шахтным и карьерным полям и т. д. огромны; частично они опубликованы, но главным образом хранятся в геологических фондах. По геологии месторождении полезных ископаемых имеются крупные обобщения в виде монографий, руководств, учебников, отражающие генетические, минералогические, петрографические, стратиграфические, структурно-тектонические и другие вопросы. Материалы, касающиеся различных сторон геологии месторождений, освещены также в бесконечном числе докладов, статей, заметок. В общем геологическое строение месторождений полезных ископаемых, особенно разрабатываемых и разведанных, обычно изучено хорошо.

Тем не менее некоторые вопросы, представляющие первостепенный интерес в инженерно-геологическом плане, чаще всего изучены недостаточно полно. Например, нередко оказывается недостаточно изученным геологический разрез толщ, образующих вскрышу месторождений, петрографические особенности, распространение, условия залегания, геологические типы поверхностей и зон ослабления в рудовмещающих и угленосных толщах пород и в породах, образующих вскрышу месторождений. Обычно недостаточно изучаются в количественном отношении степень трещиноватости горных пород, их закарстованность, выветрелость и некоторые другие структурно-петрографические и структурно-тектонические особенности. Наконец, при разведке месторождений пока, как правило, не уделяется должного внимания изучению напряженного состояния горных пород, особенно избыточных напряжений. Такие наблюдения и измерения редки и отрывочны. Следовательно, дальнейшее геологическое изучение этих вопросов, оценка условий вскрытия и разработки месторождений, устойчивости горных выработок, геологическое обоснование проектов горных сооружений составляют одну из задач инженерно-геологического изучения месторождений.

Гидрогеологические условия месторождений. Подземные воды являются важнейшим элементом инженерно-геологических условий месторождений. На многих месторождениях их относительная роль по сравнению с другими элементами инженерно-геологических условий исключительно велика, что вызывает необходимость производить большие работы и соответственно тратить много средств и труда на осушение месторождений, на борьбу с вредным влиянием подземных вод. В связи с этим возникла необходимость в их изучении, разработке методов оценки и прогноза степени и условий обводнения месторождений, притоков подземных вод в горные выработки, разработке и конструировании технических средств защиты горных: выработок и работ от их неблагоприятного и опасного влияния.

В результате этого гидрогеологические условия большинства месторождений изучены более полно, чем их инженерно-геологические условия в целом. Так возник новый раздел в гидрогеологии, получивший название "Подземные воды месторождений полезных ископаемых" или "Гидрогеология месторождений полезных ископаемых", занимающийся по существу изучением одного из важных элементов инженерно-геологических условий месторождений, имеющий теперь мощную теоретическую и методическую базу.

Материалы, характеризующие подземные воды месторождений полезных ископаемых, обширны и продолжают непрерывно пополняться. Имеется большое число капитальных работ, посвященных описанию подземных вод месторождений, закономерностям их формирования, динамике, режиму, химизму, методам их изучения и др. Много публикаций посвящено различным методическим вопросам, особенно касающимся методов, способов и условий осушения угольных и рудных месторождений.

Таким образом, уровень изученности гидрогеологических условий месторождений полезных ископаемых в целом достаточно высок, однако в большинстве случаев эти исследования направлены на решение задач осушения месторождений. Такие важные вопросы, как влияние подземных вод на изменение свойств горных пород, слагающих месторождения, на развитие разнообразных геологических явлений и соответственно на устойчивость горных выработок и других сооружений нельзя считать достаточно изученными. Надо заметить, что специалисты в области инженерной геологии часто поступают неправильно, когда не изучают подземные воды на месторождениях, считая, что это не входит и круг их обязанностей т.е. поступают так, как это исторически сложилось на практике в прошлом. Теперь для геологического обоснования проектов строительства шахт и карьеров и производства горных работ требуется иной подход.

Физико-механические свойства горных пород. Способ вскрытия и система разработки, конструкция горных выработок, их устойчивость, скорость проходки, устойчивость отвалов многие другие важные вопросы, связанные с освоением месторождений полезных ископаемых, в значительной степени определяются свойствами слагающих их горных пород. Поэтому изучению и оценке свойств горных пород всегда уделялось большое внимание. Особенно много таких исследований было выполнено в последние 20--25 лет, когда горные работы стали развиваться на все больших и больших глубинах, в сложных инженерно-геологических условиях, когда особенно часто месторождения стали разрабатывать открытым способом.

В результате накопился аналитический материал по угленосным бассейнам, рудным районам и отдельным месторождениям. Этот материал частично систематизирован, обработан и обобщен, Выявлены определенные корреляционные связи между отдельными свойствами горных пород и закономерности изменения свойств в пространстве (с глубиной, по простиранию, в пределах геологических структур и т. д.). Установлено, что данные о физико-механических свойствах горных пород необходимы не только для проектирования горных сооружений-- шахт и карьеров, но и для решения геологических задач. Выполнены разнообразные методические исследования с целью установления и унификации методов изучения свойств горных пород.

Bce это показывает, что изученность свойств горных пород месторождений полезных ископаемых довольно полная и в значительной степени удовлетворяет запросам проектирования и строительства шахт и карьеров. И тем не менее в области изучения физико-механических свойств горных пород необходимо сделать еще очень многое. Имеющиеся материалы их исследований очень неоднородны. Большинство специалистов негеологического профиля рассматривает и исследует горные породы как "материал", слагающий борта и откосы карьеров, как среду подземных горных выработок, без учета их генетических и петрографических особенностей, положения в геологическом разрезе, без соблюдения правила геологической однородности, без одновременного изучения петрографического и минерального состава горных пород и их строения, т. е. не в должном инженерно-геологическом плане.

При исследованиях свойств горных пород применяются главным образом лабораторные методы и совершенно недостаточно полевые. Поэтому обширный аналитический материал часто бывает недостаточно полноценным, не позволяет объяснять причины изменений свойств горных пород, надежно и эффективно их оценивать и прогнозировать.

Необходимо изменить существующий подход к изучению свойств горных пород, шире практиковать коллективное решение задач при проектировании, строительстве и эксплуатации горных сооружений специалистами горного и инженерно-геологического профиля.

Геологические процессы и явления. При строительстве шахт и карьеров обычно нарушаются естественное состояние и равновесие горных пород, происходят их разгрузка, а иногда и разуплотнение и разрушение, расслаивание, осыпание, обрушение, оползание, оплывание, набухание и выпирание и другие виды медленных, быстрых или даже мгновенных их перемещений, сдвижений и давлений на крепь. Все эти и многие другие геологические явления нарушают устойчивость горных выработок, создают трудности и опасности для производства горных работ. Эти геологические явления требуют применения специальных способов проходки горных выработок, различных видов их крепления и других инженерных мероприятий, обеспечивающих безопасную разработку полезных ископаемых.

Встречающиеся на месторождениях геологические явления в настоящее время выявлены и с той или иной степенью детальности изучены; разработаны методы их оценки и прогноза угрожаемости, методы предупреждения и борьбы с ними. В этом плане имеются большие достижения, обширная научная и методическая литература, обобщающая опыт и результаты инженерных, научных и методических разработок.

Однако несмотря на то, что все геологические явления имеют геологическую природу при определенном влиянии на их развитие горнотехнических фактором, их изучением занимаются, как правило, не геологи, а горные инженеры Они постоянно, повседневно, преодолевая трудности, создаваемые геологическими явлениями на шахтах и карьерах, вынуждены вести наблюдения за ними, изучать их, разрабатывать приемы и методы борьбы с ними. Со временем практические запросы горного производства потребовали постановки и специального геологического, инженерно-геологического изучения геологических явлений.

Значительное достижения в исследовании геологических процессов и явлений имеются на разнообразных и многочисленных карьерах. Именно на карьерах получены важные и интересные результаты исследований оползней, осыпей, обвалов, процессов выветривания горных пород, фильтрационных деформаций и др., составившие значительный вклад в развитие инженерной геологии как специальной широкой области геологических знаний. Результаты инженерно-геологического изучения геологических явлений на месторождениях, разрабатываемых подземным способом, в целом пока довольно ограниченны, хотя и здесь имеются определенные достижения в изучении некоторых явлений, например в различных районах и шахтах Донбасса, Подмосковного бассейна, Прибалтийского сланцевого бассейна и некоторых других. В общем же инженерно-геологическое изучение геологических процессов и явлений на месторождениях полезных ископаемых находится пока еще не том уровне, какой требуется. Это - одна из главных задач инженерной геологии месторождений полезных ископаемых.

Охрана геологической среды от отрицательного воздействия горнодобывающих предприятий. Проблеме охраны окружающей среды в настоящее время уделяется огромное внимание. Число публикаций, посвященных этой проблеме, непрерывно увеличивается.

Различные отраслевые министерства, ведомства, предприятия и научные организации пытаются решать такие задачи самостоятельно. Действующие в настоящее время постановления и нормативные документы требуют решения вопросов охраны природы на всех стадиях проектирования, строительства и эксплуатации сооружений и предприятий. Исследования по охране окружающей природной среды выполняются, и уже достигнуты определенные результаты. Значительное место в них занимают работы по проблеме охраны геологической среды вообще и от отрицательного воздействия горнодобывающих предприятий в частности.

Оценивая современное состояние исследований по этой проблеме, необходимо отметить, что для успешного ее решения выполняют работы организационного, теоретического и методологического порядка. При этом важно четко оговорить, что исследования по этой проблеме должны касаться только геологической среды, только оценки и прогноза отрицательного воздействия на нее горнодобывающих предприятий и различных способов разработки месторождений. Эта оговорка необходима потому, что горнодобывающие предприятия оказывают отрицаставиться, хотя изученность отдельных элементов, определяющих инженерно-геологические условия месторождений, довольно полная.

5. Генетические и промышленные типы месторождений полезных ископаемых

Месторождения металлических, неметаллических и горючих полезных ископаемых распространены в земной коре неравномерно (см. классификацию А. Г. Бетехтнна). В соответствии с историей формирования различных элементов ее тектонической структуры весьма разнообразны и условия образования месторождений. Поэтому в природе встречаются многочисленные генетические типы их, разнообразные по минеральному составу и формам залегания полезного ископаемого, петрографическому составу вмещающих пород, тектоническому строению, приуроченности к тем или иным элементам рельефа и т. д.

6. Понятие об инженерно-геологических массивах и элементах

Для прогноза инженерно-геологических процессов, расчетов деформации пород в основании зданий и сооружений, устойчивости откосов и т.д., а также при инженерно-геологическом моделировании необходимо различать инженерно-геологические элементы и массивы пород.

Элементы представляют часть геологического разреза, обособленную по стратиграфическим, фациальным и петрографическим признакам (пачка, слой, линза, контактная зона и т.д.), в пределах которой породы обладают одинаковыми инженерно-геологическими показателями свойств, трещиноватостью, выветрелостью и другими особенностями и состоянием.

Сложнее вопрос о выделении инженерно-геологического массива пород; целесообразно выделять два понятия массива в зависимости от стадии исследований и детальности изучения района. Когда известны параметры и режим сооружения, то можно с определенной точностью представить характер его влияния на геологическую обстановку (породы, подземные воды, геологические процессы). В этом случае возможно определить состояние и свойства всего массива пород или его части, реагирующих на воздействие сооружения. Это положение имеет место при рабочем проектировании и частично при составлении проектного задания, когда целесообразно обособление собственно инженерно-геологических массивов пород.

На начальных стадиях исследования и проектирования, когда не выбраны тип и местоположение сооружений, целесообразно применять термин региональный инженерно-геологический массив пород.

Выделение массивов производится по структурному, стратиграфическому, фациальному, петрографическому признакам, интенсивности трещиноватости, выветренности и поведению в природной обстановке, а также по обобщенным показателям свойств пород.

инженерный геологический горнодобывающий грунт

Список литературы

1. Черноусов С.И. Основы инженерной геологии для транспортных строителей Новосибирск ИЗД-во СГУПСа 2007 212с.

2. Черноусов С.И. ,Крицкий М.Я., Сухорукова А.Ф. Инженерноя геология Западно-Сибирской железной дороги.

3. Основные периодические издания -- журнал "Инженерная геология", издаваемый Академии Наук СССР с 1979, специальный Бюллетень МАИГ ("Bulletin of the International Association of Engineering geology"), с 1970.

4. Основы инженерной геологии: Учебник для средних спец. учебных заведений / Н.А.Платов - 3 изд., перераб., и доп. и исправл. - М.: ИНФРА-М, 2013. - 192 с.: 60x90 1/16. - (Среднее профессиональное образование). (п) Добров Эдуард Михайлович - Инженерная геология. Учебное пособие для студентов высших учебных завед

5. Черноусов С.И. Инженерная геология учебно-методические материалы Новосибирск ИЗД-во СГУПСа 2004 21с.

Размещено на Allbest.ru