Инженерно-геологическая оценка горных пород как среды для горных работ и сооружений

Инженерно-геологическая классификация горных пород построена с учётом генезиса, состава и структурных связей пород, определяющих их прочность, деформируемость, устойчивость и водопроницаемость. Горные породы разделяют на пять групп.

В первую группу,называемую«Скальные породы», входят разновидности магматических, метаморфических и осадочных пород, имеющих высокую степень сохранности, большую прочность и устойчивость, малую деформируемость и водопроницаемость. Примеры: граниты, диориты, габбро, порфириты, кварцевые порфиры, базальты, мраморы, кварциты, гнейсы, песчаники и конгломераты с прочным цементом, известняки и доломиты плотные и прочные.

Вторая группа «Полускальные породы» объединяет разнообразные породы, для которых характерны нарушение монолитности (выветрелость, трещиноватость), пониженная прочность и обычно высокая водопроницаемость. Примеры: выветрелые и трещиноватые магматические и метаморфические породы первой группы, имеющие пониженные показатели физико-механических свойств; песчаники, конгломераты и алевролиты с глинистым цементом, аргиллиты, известняки и доломиты глинистые, мергели, мел.

Третья группа «Рыхлые несвязные» включает породы, для которых характерно отсутствие связей между отдельными минеральными частицами и обломками. К ним можно применить механическую модель сыпучей среды. Примеры: пески, гравий, галечники, щебень.

Четвертая группа «Мягкие связные» охватывает мягкие глинистые породы, для которых характерны малая прочность и большая сжимаемость. Эти породы претерпевают большие изменения при взаимодействии с различными сооружениями, поэтому изучаются и оцениваются с особой тщательностью. Примеры: глины, супеси, суглинки.

Породы пятой группы, называемые «Породы особого состава, состояния и свойств», различны по своему генезису, составу и свойствам. Примеры: мёрзлые магматические и метаморфические породы, резко изменяющие прочность, деформируемость и устойчивость при оттаивании; пески-плывуны, песчаные и глинистые илы, каменная соль, гипс, ангидрит.

При инженерно-геологической оценке горных пород, как среды для горных работ и сооружений, изучают следующие группы показателей: состав и строение, физические и водные свойства, прочность и деформируемость, а также специальные свойства (теплофизические, электрические, магнитные и др.).

При оценке состава горных пород определяют минеральный и гранулометрический состав. Минеральный состав во многом определяет плотность, водоёмкость, твёрдость, прочность, деформируемость, устойчивость горных пород. Например, наиболее устойчив к выветриванию кварц, наименее устойчивы плагиоклазы, биотит, гипс. Гранулометрический состав характеризует степень крупности частиц песчано-глинистых пород и техногенных продуктов разрушения пород. Группа частиц определённого размера называется фракцией. Принято различать шесть основных фракций: глинистую, пылеватую, песчаную, гравийную, галечниковую и валунную. Гранулометрический состав обломочных пород определяет их плотность и водопроницаемость. Преобладание глинистой фракции увеличивает пластичность, сжимаемость, набухаемость породы, уменьшает водопроницаемость и прочность.

При инженерно-геологической оценке горных пород определяют их структуру и текстуру. Интрузивные породы характеризуются полнокристаллической преимущественно средне- и крупнозернистой структурой. Такая структура формирует высокую прочность, упругость и устойчивость пород. Пористая и пузырчатая текстура эффузивных пород предполагает наличие пустот разного размера. Породы с такой текстурой обладают пониженной прочностью и устойчивостью при выветривании, а также пониженной водопроницаемостью.

Структурные связи осуществляют взаимодействие между отдельными структурными элементами (минералами, обломками, органическим веществом) и формируют прочность породы в целом. В магматических и метаморфических породах структурные связи формируются за счёт кристаллизации и перекристаллизации минерального вещества. Прочность таких кристаллизационных связей очень высока. В обломочных породах с цементационными связями, в том случае, если они образованы за счёт водорастворимых соединений, прочность ниже. Сложнее природа и характер структурных связей в глинистых породах.

При инженерно-геологической оценке горных пород имеют большое значение условия залегания полезного ископаемого и вмещающих пород. Они определяются их формой, выдержанностью по мощности и простиранию, наличием тектонических нарушений и оказывают существенное влияние на систему и технологию горных работ, характер и интенсивность проявления горного давления, устойчивость, поддержание и осушение выработок, безопасность труда и т.д.

В результате последовательного воздействия геологических процессов горная порода определённого вещественного состава в определённой обстановке приобретает характерное природное физическое состояние, которое определяет её поведение при горных работах, а также как основания и материала для различных сооружений.

Физическое состояние характеризуется физическими свойствами, среди которых наиболее важными являются: плотность, пористость (объём пор в %), влажность (отношение массы воды, содержащейся в порах к массе скелетной части породы, высушенной при температуре 105⁰), влагоёмкость (способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды в различных условиях), выветрелость и трещиноватость. Выветривание горных пород (физическое и химическое) приводит к изменению их состава, монолитности, и, как следствие, прочности, деформируемости, водопроницаемости. Особое значение имеет зона выветривания до глубины первых десятков метров, в пределах которой нарушение сплошности горных пород приводит к существенному уменьшению прочности и увеличению водопроницаемости. При оценке взаимодействия горных пород с различными сооружениями и прогнозе их устойчивости большое значение имеет трещиноватость. Нарушение сплошности пород трещинами различного происхождения влияет на их прочность, деформируемость, проницаемость, устойчивость при выветривании, категорию трудности разработки и т.д.

Эти свойства оцениваются количественными показателями, которые дают возможность судить о наиболее важных особенностях пород: прочности, деформируемости, водопроницаемости, устойчивости.

В результате взаимодействия горных пород с водой происходят различные процессы. Их характер, масштабы и интенсивность зависят от водных свойств пород. Среди них особо важное значение при оценке условий разработки месторождений имеют водоустойчивость и водопроницаемость.

Водоустойчивость горных пород определяется главным образом их составом и характером структурных связей, а также химическим составом воды. При взаимодействии пород с водой происходит их размягчение, которое приводит к снижению прочности. Особое значение этот процесс приобретает в осадочных породах. Водоустойчивость оценивают коэффициентом размягчаемости, представляющим собой отношение прочности на одноосное сжатие водонасыщенного образца к прочности до водонасыщения. По значению этого коэффициента горные породы делятся на: водоустойчивые (магматические) с коэффициентом более 0,9; пониженной водоустойчивости (известняки, песчаники) с коэффициентом 0,7-0,9; средней водоустойчивости (песчаники на глинистом цементе, слабые известняки, алевролиты) с коэффициентом 0,5-0,7; водонеустойчивые (мергели, аргиллиты, глинистые сланцы и др.) с коэффициентом менее 0,5.

Водопроницаемость горных пород характеризует их способность пропускать (фильтровать) воду через пустоты (поры, трещины, карстовые полости) под напором. Оценивается коэффициентом фильтрации, представляющем собой скорость фильтрации водного потока (м/сутки). Этот коэффициент используется в расчётах водопритоков в горные выработки и дренажные сооружения и т.д. По степени водопроницаемости различают горные породы: водопроницаемые (трещиноватые и закарстованные скальные породы, обломочные породы) с коэффициентом фильтрации более 1 м/сутки; полупроницаемые (глинистые пески, слаботрещиноватые породы) с коэффициентом фильтрации 1-0,001 м/сутки; водоупорные – практически водонепроницамые (монолитные скальные породы, плотные глины, аргиллиты) с коэффициентом фильтрации менее 0,001 м/сутки.

Теплофизические свойства горных пород обычно изучают при проектировании и строительстве сооружений в многолетнемёрзлых породах, при разработке месторождений на больших глубинах, исследованиях теплового режима земной коры и др. Определяют теплоёмкость (количество тепла, расходуемое на увеличение температуры породы на 1⁰С, кДж/кг); коэффициент теплопроводности (количество тепла, необходимое для изменения температуры на 1⁰С в 1 м³ породы в течении 1 часа, Вт/м); коэффициент температуропроводности (скорость изменения температуры в породе, м²/с); коэффициенты линейного и объёмного теплового расширения.

Электрические свойства горных пород используются при изучении МПИ геофизическими методами, при выделении зон распространения многолетнемёрзлых пород, для изучения процессов промерзания и оттаивания и т.д. Наибольшее распространение в инженерной геологии получило изучение электропроводности горных пород как способности их пропускать электрический ток. Определяют удельное электрическое сопротивление (Ом ^. м).

Комплекс рассмотренных свойств (состав и строение горных пород, физические, водные и специальные свойства) в своём взаимодействии определяет поведение пород при силовых воздействиях (при разработке МПИ), то есть их механические свойства – прочность и деформируемость.

Способность горных пород сопротивляться разрушению под действием давления характеризует их прочность. Пределом прочности принято называть напряжение, при котором происходит разрушение породы. Для решения большинства задач горной практики породы характеризуются пределами прочности при сжатии, растяжении, сдвиге, изгибе. Кроме того используют следующие показатели: коэффициент крепости по Протодьяконову Михаилу Михайловичу (основан на измерении трудоемкости разрушения горных пород при добывании); истираемость или абразивность (оценивается по износу материала, контактирующего с породой по коэффициенту абразивности); буримость (сопротивление породы разрушению буровым инструментом, которое оценивается по длине шпура или скважины, пройденных за 1 минуту).

Деформируемость горных пород. Деформации горных пород под силовым воздействием имеют разную природу и оцениваются различными показателями. Для скальных монолитных пород характерно преобладание упругих деформаций, а для глинистых – пластичных. Для оценки характера деформаций горных пород используют коэффициенты хрупкости и пластичности. Упругие деформации характеризуются статическим и динамическим модулем упругости, модулем сдвига и коэффициентом поперечных деформаций.

В результате развития упругих деформаций и мгновенного разрушения горных пород (в том числе угля) в подземных горных выработках возникает такое опасное явление, как «горный удар». Он сопровождается сильным звуковым эффектом и мощной звуковой волной. Основная причина горных ударов – высокая концентрация потенциальной энергии упругого сжатия горных пород вокруг выработок, приводящая к формированию в них предельного напряжённого состояния.