4. Основы инженерной геологии месторождений полезных ископаемых

Инженерная геология по определению академика Е.М.Сергеева, наука о свойствах и динамике геологической среды, ее рациональном использовании и охране в связи с инженерной деятельностью человека. Основными объектами изучения в инженерной геологии являются горные породы, толщи (массивы) горных пород, а также геологические процессы и явления (природные и вызванные инженерной деятельностью человека), определяющие геодинамическое состояние исследуемой территории.

4.1. Физические, водные и механические свойства горных пород и техногенных отложений

Физико-механическими свойствами горных пород называют такие, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменчивости, прочности и деформации. Соответственно различают свойства пород физические, водные и механические. Их выражают с помощью определенных показателей, позволяющих количественно оценить свойства горных пород и развитие неблагоприятных геологических явлений при решении многих инженерно-геологических задач.

В горно-геологической практике изучения и оценки состава, состояния и свойств горных пород одной из первых предложена инженерно-геологическая классификация Ф.П. Саваренского - В.Д. Ломтадзе, учитывающая как генетические и петрографические особенности пород, так и их важнейшие физические, водные и механические свойства (табл. ).

Инженерно-геологическая классификация горных пород

(по Ф.П.Саваренскому с дополнениями В.Д.Ломтадзе)

Таблица 4.1.

Группа горных пород	Генетические типы
	Магматические			Метаморфические			Осадочные
	Глубин-ные ин-трузивные	Полуглубинные и жильные	Излившиеся -эффузивные	Массивные	Сланцеватые	Пирокластические	Обломочные	Глинистые	Органогенные и хемогенные
I. Твердые скальные	Граниты, сиениты гранодио-риты, габбро	Гранит-порфиры сиенит-порфиры диорит-порфири- ты, габбро-порфириты	Кварцевые и бескварцевые порфиры и порфириты, диабазы, ли-париты, тра-хиты, дациты, андезиты,базальты	Мраморы кварциты	Гнейсы кристалличе-ские сланцы		Песчаники и конгломераты с прочным цементом		Известняки и доломиты плотные и прочные
II. Относительно твердые Полускальные	Выветрелые, сильнотрещиноватые и закарстованные породы 1 группы, с пониженными показателями физико-механических свойств					Вулканические ту-фы, туффиты и ту-фогенные породы	Песчаники, конгломераты и алевролиты с глинистым цементом	Глинистые сланцы, аргиллиты	Известняки и доломиты, глинистые мергели, мел, кремнистые породы
III. Рыхлые несвязные	-	-	-	-	-	-	Пески, гравий, галечники, щебнистые породы	-	-
IV. Мягкие связные	-	-	-	-	-	-	-	Глины, су-глинки, супе-си, лессовые породы	-
V. Породы особого состава состояния и свойств	Мерзлые породы, резко изменяющие прочность, деформируемость и устойчивость при оттаивании						Пески-плывуны, песчаные илы	Глинистые породы засоленные, глинистые илы	Торфы, почвы, гипсы, ангидриты, каменная соль

Продолжение таблицы 1

Группа	Физические и водные свойства
	физические	водные
1	Плотность высокая (2,65-3,10 г/см3), пористость незначительная - доли процента	Невлагоемкие, нерастворимые, водопроницаемы по трещинам. Коэффициент фильтрации (Кф) до 10 м/сут, удельное водопоглощение () < 5 л/мин
11	Плотность средняя (2,20-2,65 г/см3), пористость до 15%. Скважность изменяется в широких пределах.	Слабовлагоемкие. Водопроницаемость зависит от трещиноватости и выветрелости. Кф изменяется от 0,5 до 0,30 м/сут ( до 15 л/мин) у слабо- и средне водопроницаемых и Кф > 30 м/сут () > 15 л/мин) у сильноводопроницаемых.
III	Плотность (1,40-1,90 г/см3, пористость (25-40%)	Невлагоемкие, слабовлагоемкие, практически нерастворимые, водопроницаемые Кф менее 30 м/сут у слабо- и средне-водопроницаемых и превышает 30 м/сут у сильно-водопроницаемых.
IV	Плотность 1,10-1,20 до 1,90-2,10 г/см3, пористость (20-30 до 70-80%), влажность (12-15 до 75-80%)	Влагоемкие, нерастворимые, слабоводопроницаемые или водоупорные, Кф < 0,1 м/сут
V	Горные породы характеризуются специфическими свойствами, требуют специальных методов исследований и индивидуальной оценки

Продолжение таблицы 1

Группа	механические свойства
I	Прочность, упругость высокие. Сопротивление сжатию 59-400 Мпа, скалыванию 20-100 Мпа, разрыву 2-15 Мпа. Несжимаемы, устойчивы в откосах. Модуль общей деформации (Ео) > 10.000 Мпа. Скорость распространения продольных волн (Vp) изменяется от 4,0 - 7.0 км/с, сейсмическая жесткость 10-12. Коэффициент сдвига бетона по этим породам 0,65 – 0,70. Крепость высокая f кр > 8. Разрабатываются взрывным способом. Характерна анизотропия свойств в условиях естественного залегания.
II	Прочные - сопротивление сжатию 1,5-50 Мпа, средней прочности -2,5 - 15 Мпа и малой прочности < 2,5 Мпа. Сопротивление скалыванию превышае 5 Мпа у прочных от 1 - 5 Мпа, у пород средней прочности и менее 1 Мпа у слабых. Сопротивление разрыву от 0,1-0,2 - 2-3 Мпа. Слабосжимаемы или практически несжимаемы. Модуль общей деформации от 2000 до 100000 Мпа. Скорость распространения продольных волн (Vр) от 1,1 до 4,5 км/с, сейсмическая жесткость от 2 до 12. Устойчивость в откосах зависит от трещиноватости и выветрелости. Крепость (f кр) = 2- 8. Разрабатываются механическими и взрывными способами. Характерна анихотропия свойств в условиях естественного залегания. Многие разности обладают реологическими свойствами.
III	Прочность зависит от плотности сложения. Крепость небольшая (f кр) < 2. Сжимаемы. Модуль общей деформации 5 – 100 Мпа. Скорость распространения продольных волн 0,2-1,8 км/с, сейсмическая жесткость 0,5-4,8. Коэффициент внутреннего трения f =0,25 - 0,60. Разрабатываются механическим и ручным способами.
IV	Прочность зависит от влажности и плотности. Крепость небольшая (f кр) < 2. Сжимаемы и сильно сжимаемы, модуль общей деформации изменяется от 5 до 100 Мпа. Скорость распространения продольных волн изменяется от 0,3 до 2,2 км/с, сейсмическая жесткость от 0,8 до 5,9. Коэффициент внутреннего трения мал f = 0,15 -0,33. Устойчивость в откосах зависит от влажности пород и высоты откоса. Разрабатываются механическим и ручным способами. Характерны реалогические свойства.
V	Горные породы характеризуются специфическими свойствами, требуют специальных методов исследований и индивидуальной оценки

Ниже дана краткая характеристика физических, водных и механических свойств инженерно-геологических типов горных пород – скальных, полускальных, рыхлых несвязных, мягких связных и техногенных отложений.

Скальные породы представлены магматическими (глубинные интрузивные, полуглубинные жильные и эффузивные), метаморфическими (массивные и сланцеватые) и некоторыми осадочными (песчаники, конгломераты, известняки, доломиты) образованиями. Они монолитны и обладают большой сопротивляемостью внешним воздействиям, высокой плотностью (2,65 – 3,10 г/см³), низкой пористостью и трещиноватостью, практически не влагоемки и водонепроницаемы, водоустойчивость их высока, коэффициент размягчаемости больше 0,9. В соответствии с рекомендациями СНИПов скальные породы разделяются на очень прочные (Rc  120 Мпа), прочные (Rc = 120-50 Мпа) и малопрочные (Rc  15 – 5). Угол внутреннего трения скальных пород изменяется в пределах 25-38^о, а коэффициент поперечных деформаций колеблется в пределах 0,1-0,2. Коэффициент крепости по Протодьяконову для скальных пород больше 8.

Итак, для скальных пород характерна высокая прочность и устойчивость, низкая деформируемость и водопроницаемость.

Полускальные породы включают магматические, метаморфические и осадочные оборазования сцементированные, повышенной трещиноватости и выветрелости; породы обломочные слабосцементированные; породы глинистые высокой плотности; породы органогенные, органогенно-химические, пирокластические сцементированные.

В.Д.Ломтадзе отличает скальные породы от полускальных по величине прочности на сжатие, составляющей - 50 МПа, выделяя при этом три подгруппы полускальных пород; прочные (Rс>50-15 МПа), средней прочности (Rc = 15-2,5 МПа) и малой прочности (Rc< 2,5 МПа).

Характеризуя эти породы в целом, В.Д.Ломтадзе отмечает их пониженную плотность (2,20-2,65 г/см³), наличие пористости 15-35% и естественной влажности 15-20%; слабую влагоемкость и водопроницаемость, изменяющуюся в зависимости от трещиноватости и выветрелости. Коэффициент фильтрации (Кф) изменяется в пределах 0,5-30 м/сут. Полускальные породы слабосжимаемы, модуль общей деформации меньше 2 тыс. МПА, коэффициент Пуассона изменяется от 0,15 до 0,4 из-за большого разнообразия состава и физического состояния пород, прочность на сжатие изменяется (Rc 2,5 – 5,0 Мпа). Крепость пород средняя (f кр = 2-8). При взаимодействии с водой полускальные породы теряют свою прочность и деформируемость, коэффициент размягчаемости изменяется от 0,75 до 0,5 и менее. Для песчаников с глинистым цементом характерно набухание и размокание в воде, что приводит к потере их устойчивости в откосах и горных выработках.

Следовательно, полускальные породы в отличие от скальных характеризуются нарушением сплошности и изменчивостью состава, что приводит к уменьшению их прочности и устойчивости, к деформируемости и водопроницаемости.

Рыхлые несвязные породы объединяют породы осадочного генезиса - обломочные образования: песок, галька, гравий их отличает отсутствие структурных связей.

Физическое состояние песков обычно характеризуется степенью влажности (G), относительной плотностью (Jd) и коэффициентом уплотняемости (U).

По степени влажности различают маловлажные (G <.0,5), влажные (G = 0,5-0,8) и водонасыщенные (G >0,81,0) породы. Относительная плотность песков определяется характеризует естественное состояние песка по его плотности: плотный (Jd  0,66), средней плотности (Jd = 0,33 – 0,66) и рыхлых (Jd  0,33).

Коэффициент уплотняемости характеризует способность данного песка уплотняться. Чем выше этот показатель, тем больше способность песка к уплотнению. Прочность песчаных пород оценивается по их сопротивлению сдвигу. Для обломочных пород, у которых нет структурных связей между частицами, используют только один показатель – угол внутреннего трения, величина которого зависит от состава, формы и размеров слагающих частиц (обломков) и от плотности их упаковки. В современных СНИПах приводятся следующие значения углов внутреннего трения в зависимости от крупности песков разной плотности (с увеличением плотности от увеличивается): гравелистые и крупные – 38 – 43⁰ , средней крупности – 35 – 40⁰, мелкие – 28 – 38⁰ и пылеватые – 26 – 36⁰.

Таким образом, участки распространения рыхлых несвязных пород отличаются большой изменчивостью физического состояния и свойств, что требует массовых определений инженерно-геологических показателей при их освоении.

К мягким связным породам относятся глинистые (глины, супеси, суглинки) образования элювиального, делювиального, аллювиального, озерного, морского и другого генезиса. Характерной особенностью этих пород является присутствие в составе значительного количества тонкодисперсных частиц. состоящих из глинистых минералов, преимущественно каолинита, гидрослюд и монтмориллонита. Минеральный состав и петрографические особенности глинистых пород играют главную роль в формировании физико-механических свойств. Для них важное значение приобретают влажность, пористость, консистенция, которые в значительной степени характеризуют прочность, деформируемость, устойчивость глинистых пород.

Физическое состояние глинистых пород зависит от влажности и плотности и может быть количественно оценено тремя основными показателями: степенью влажности (G), степенью уплотненности (K_d) и показателем консистенции ( В_L ). По степени влажности, как и для песчаных пород, различают маловлажные (G < 0,5), влажные (G = 0,5 - 0,8) и водонасыщенные (G <0,8 - 1,0) глинистые породы.

По степени уплотненноcти (по В.А.Приклонскому) глинистые породы делятся на рыхлые (Kd<0), начальной стадии уплотнения (Kd =0), средней уплотненности (0<Kd<1), плотные (Kd=1) и переуплотненные (Kd>1)

В зависимости от численных значений показателя консистенции различают породы твердой (BL  0), пластичной (0  BL  1) и текучей (BL  1) консистенции.

Прочность глинистых пород оценивают их сопротивлением cдвигу в условиях плоского или напряженного состояния. Показателем этого сопротивления являются угол внутреннего трения (р) и сцепление (С), которые изменяются в широких пределах: 5 – 28⁰ и 0,01 – 0,2 Мпа соответственно.

Изучение условий проходки горных выработок в глинистых породах требуют проведения специальных лабораторных и полевых опытных испытаний по определению деформационных и прочностных показателей.

Техногенные отложения вместе с многолетнемерзлыми породами составляют в классификации породы особого состава, состояния и свойств. Это насыпные и намывные отложения, образующие в результате складирования отходов горного производства и создания намывных территорий при строительстве.

Так, под солеотходы калийного производства в районе комбинатов "Беларуськалий" и "Уралкалий" в 1990г. занято свыше 3 тыс .га, при этом количество только готовых отходов составляет более 1 млрд.т.

Проблема изучения состава и свойств насыпных и намывных отложений остро встает в связи с прогнозом устойчивости этих сооружений (отвалов, шламохранилищ и т.д.). В связи с этим представляют интерес показатели физико-механических свойств пород на разрабатываемых калийных месторождениях в Белоруссии и на Урале.

Насыпные породы состоят из кристаллов галита (размером 0,05-1,0 мм) и небольшого (до 5%) количества нерастворимых глинистых частиц диаметром менее 0,002 мм. Плотность минеральной части породы - 2,16-2,17 г/см³, а плотность формирующейся породы 1,б-1,8 г/см³. В отвалах породы имеют  = 4050°и С = 0,01-1,0 Мпа.

Опыт показывает, что изучение свойств пород отвалов на месторождениях представляет большой практический интерес в связи с необходимостью оценки их устойчивости, проектирования мероприятий для предупреждения оползневых деформаций и других геодинамических процессов.