ЛекЦия 4. Свойства массива.

Однородность и изотропность. В образце свойства пород обу­словлены межминеральными связями, минералогическим составом, структурой, текстурой и микротрещиноватостью. При этом фактиче­ские свойства пород в большей степени зависят от гипергенных и гидротермальных изменений. Структура пород или строение породы в образце характеризуется минеральным скелетом породы, их пустотностью и межзерновыми связями.

Характер и степень структурной неоднородности пород в масси­ве, относительное расположение и распределение определяются текстурой пород. Если минералогический состав и структура пород onределяют механические свойства, то текстура обусловливает степень изотропности или анизотропности породы.

Текстура пород активно участвует в формировании массива по­род, поскольку текстурные единицы: слои, линзы, флюиды, шаровые и брекчиевидные образования, сланцеватость, полосчатость, гнейсовидность и др. существенно превышают размеры образца. Интрузивные и грубослоистые осадочные породы характеризуются большой изотропностью механических свойств. Слоистые осадочные породы, сланцеватые метаморфические и флюидальные вулканические поро­ды анизотропны, причем прочность вкрест текстур пород превышает прочность вдоль текстур. Текстура оценивается натурными измере­ниями микротрещин в массиве.

Строение массива определяется его расположением в земной коре, возрастом, тектоникой, этажностью и ярусностью массивов. По классификации П. Н. Панюкова выделяются типы месторождений по положению в структурах земной коры, подтипы - по возрасту, группы и подгруппы - по положению в структурах или этажах, классы - по формационной принадлежности пород, подклассы - по типу геологических ярусов и семейства- по генезису месторождений.

По типу тектонической структуры массивы подразделяются на: ненарушенные, слабонарушенные, с развитой разломной тектоникой, осложненной инженерно-геологической ситуацией или без нее.

Структурные элементы массива: петрогенетические, петротектонические и экзогенные - по отношению к размерам массива разделяются на три разновидности: значительно более крупные, соизмеримые, значительно более мелкие.

Разрывные структурные элементы определяются принадлежностью к указанным разновидностям. Выделяются классы структур -разломы и трещины, подклассы - крупные, средние и мелкие разломы, крупные и мелкие макротрещины, а также микротрещины.

Количественные размеры структур изменяются в пределах: разломы имеют зоны мощностью от 0,3 до десятков метров и протяженность от сотен метров до первых десятков километров; крупные макротрещины - ширину от 0,5 до первых сантиметров и протяженность от 0,5 до первых десятков метров; мелкие трещины -ширину, равную миллиметрам, и длину - первым метрам; микротрещины - ширину менее 0,15 мм и протяженность - первые сантиметры.

Разрывные нарушения образуют в массиве блоки: тектонические, структурные, элементарные и микроблоки. Взаимодействие блоков определяет анизотропию массива.

Свойства массива отличаются от свойств пород, его слагающих, по причинам:

неодинаковых условий испытаний в лаборатории и в массиве;

- неоднородности массива вследствие изменчивости свойств пород;

-структурной неоднородности массива.

Для определения свойств массива определяются:

• физико-механические свойства пород в образце;

• структурная блочность массива;

• физико-механические свойства пород, слагающих структурный блок.

Показателя структурной блочности. Это форма, размеры блока и характеристики механической прочности по граням. Крупные макротрещины образуют системы трещин с углами встречи до 90°, из которых, чаще всего, две системы крутопадающие трещины и одна -пологопадающая или горизонтальная. При большем количестве систем их объединяют в три группы.

Структурные блоки в массиве имеют вид параллелепипедов, кубов, призм и плит. При углах встречи наклонных и кругопадающих крупных макротрещин, значительно меньших 90°, структурные блоки имеют форму ромбов. По размерам структурных блоков массивы под­разделяют: с очень мелкой блочностью - 0,01 - 1,0 м; с мелкой блоч-ностью - 1,0 — 2,0 м; со средней - 2,0 - 4,0 м; с крупной - 4,0 - 8,0 м; с очень крупной - 8,0 м.

Характеристиками механической прочности граней структурных блоков являются сцепление τ_тр и угол трения φ^к_тр (или коэффициент трения tgφ_тр^к). Угол трения по поверхности ровных гладких трещин на 10-12° меньше угла внутреннего трения монолитных пород, по трещинам с зеркалами скольжения - снижается на 20-25°. Сцепление τ_тр^к определяют в натурных условиях путем среза породных призм по крупным макротрещинам, искусственно оконтуриваемым в массиве и нагружаемым гидравлическими домкратами.

При неупорядоченном расположении материала свойства пород, как правило, сходны во всех направлениях. Такие породы отличаются высокой механической прочностью.

По мощности породы разделяются на тонкослоистые - менее 0,05 м, среднеслоистые - 0,1 - 0,5 м, грубослоистые - 0,5 - 2,0 м, толстослоистые — 2,0 - 5,0 м и массивные -более 5,0 м.

- 13-

Интенсивность развития трещин оценивают по модулю трещиноватости (М,_тр) в плоскости, тр/1м² Массивы разделяют на растрескавшиеся с М_тр более 30, сильнотрещиноватые с М_тр — 15-30, среднетрещиноватые с М_тр = 7-14, слаботрещиноватые с М_тр - 2-6 и квазимонолитные с М_тр менее 2.

Плотность пород с погрешностью 1-3,5% определяемся скважинным плотностным каротажем гамма - методом, основанным на различной степени поглощения и рассеяния радиоактивного гамма-излучения.

Натурные определения свойств пород внуфи структурного блока осуществляются прямыми и косвенными методами, которые основаны на;

- точечном нагружении пород в массиве пробниками-ннденторами;

- искусственном статическом и динамическом нагружении участков массива пород и фиксации деформаций при нагрузках или регистрации усилий, при которых происходит разрушение массива;

- проведении опытных горных работ с деформациями и разрушением частей массива;

- косвенной оценке прочности пород в массиве или их крепости через ослабленность пород в массиве.

Коэффициент ослабления пород рассчитывается по выходу керна разведочных или специальных скважин. Число и длина кусков керна, выбуриваемых с равных интервалов скважин, значительно ме­няются. К_о выявляет степень ослабленности пород в массиве от мактротрещин с учетом их интенсивности развития и выполненности материалом различной прочности. В остальных случаях причины дроб­ления керна связаны с технологией бурения (таблица).

В зависимости от величины К_о массивы классифицируют на: неустойчивые при К₀ менее 0,1, малоустойчивые при К_о ~ 0,1-0,2, среднеустойчивые при К_о = 0,2-0,4 и устойчивые при К_о более 0,4.