ENG GEO / 1Tri / Eng Geo / Engineering Geology of MD

обеспечения нормальных условий производства строительных и горных работ и планирования дальнейших, более детальных ин- женерно-геологических исследований. Все эти виды работ должны выполняться на каждой стадии инженерно-геологических исследований, они определяют методологию, т. е. пути, способы, приемы получения новых знаний. В этом перечне исследовательскую часть составляют инженерно-геологический анализ, оценка и прогноз реальной действительности, которые служат основой решения главных, фундаментальных задач. Без инже- нерно-геологического анализа, оценки и прогноза исследования — изыскания нельзя считать законченными.

Под инженерно-геологическим анализом мы понимаем последовательное рассмотрение информации о геологическом строении территорий, состоянии и свойствах горных пород,, режиме подземных вод, причинах и условиях возникновения и динамике развития геологических процессов и явлений, направлении и величине действующих сил в системе геологическая среда — сооружения. При инженерно-геологическом анализе должны создаваться целостные представления о геологической обстановке строительства и эксплуатации сооружений, условиях выполнения инженерных работ, об устойчивости территорий н сооружений.. С его помощью выявляются главные, решающие обстоятельства, обеспечивающие состояние равновесия в геоло-

Инженерно-геологический анализ должен основываться на необходимой, достаточной и надежной исходной информации, целесообразной схематизации, точнее генерализации, обобщении геологических условий, изображаемых на картах, геологических разрезах, расчетных схемах и т. д., и правильном использовании соответствующих методов.

При инженерно-геологическом анализе работы бинарной системы актуальными задачами является установление: во-пер- вых, вида воздействия на геологическую среду и соответственно видов возникающих или возможных геологических процессов; во-вторых, зоны влияния сооружений и инженерных работ в разных геологических условиях и, в-третьих, степени измене-

Воздействия на геологическую среду в бинарных системах обычно видны при инженерно-геологическом анализе обстановки, а для конкретных объектов — на расчетных схемах, при рассмотрении которых определяются в зависимости от строительных качеств геологической среды и возникающие или воз-

232

можные геологические явления. Так, например, при проектировании подземных сооружений первостепенное значение имеет обеспечение устойчивости горных выработок и безопасности производства горных работ в связи с возможным развитием разнообразных геологических процессов, реализующихся в виде деформаций, разрушений, перемещений и сдвижений горных пород. Геологические процессы в горных выработках проявляются также в различных видах водопрнтоков, фильтрационных деформациях, а в районах распространения многолетней мерзлоты — в явлениях мерзлотного комплекса. Фильтрационные деформации и мерзлотные явления, так же как и водопроявления, вызывают перемещения масс горных пород и воды. Действующими силами во всех этих процессах являются гравитационные и тектонические, температурные градиенты, напоры подземных вод и др.

Зона влияния техногенных воздействий на геологическую среду устанавливается общеизвестными методами, расчетом или непосредственными измерениями и оконтуривается. В ее пределах изменения, нарушения и загрязнения геологической среды превышают допустимые нормы. Размеры зоны влияния сооружений и инженерных работ различны. Так, например, при освоении месторожденнй полезных ископаемых техногенному воздействию подвергаются многие элементы геологической

ботки и переработки. На месторождениях строительных материалов зона влияния практически совпадает с границами земельного отвода предприятий; на месторождениях химического

превышает размеры земельных отводов предприятий. Зона влияния горных предприятий увеличивается с увеличением глубины залегания полезного ископаемого, степени обводненности месторождения, интенсивности и продолжительности выполнения на нем дренажных работ. В общем при определении зоны влияния требуется индивидуальный подход для каждого бассейна, месторождения, шахтного и карьерного поля и т. д.

При оценке и прогнозе степени изменения инженерно-гео- логических условий территорий, геологической среды в зоне

В общ.ем таких показателей много, одни из них сравнительные, качественные, другие — количественные, позволяющие оценивать не только масштаб и интенсивность явлений, но и причиняемый ими ущерб. Следовательно, в этом плане имеются ин-

2за

тересные и приемлемые разработки и нормы (например, для оценки величины и неравномерности осадки сооружений, загрязнения поверхностных и подземных вод и др.), однако методология общего подхода к оценке и прогнозу степени изменения инженерно-геологических условий, геологической среды и разработка интегральных показателей требуют еще выполнения специальных исследований. Разработка такой методологии — неотложная задача.

Оценка — это сравнительная мера качества горных пород, инженерно-геологических условий территорий, геологической среды, интенсивности развития геологических процессов и явлений и их угрожаемости для устойчивости территорий, сооружений и т. д. Прогноз — это научно обоснованное предположение о состоянии и свойствах горных пород, территорий, процессов, явлений, сооружений, о перспективах развития и изменения процессов, явлений, геологической среды в целом или отдельных ее элементов.

Следовательно, оценка характеризует главным образом современное состояние элементов инженерно-геологических условий, а прогноз—предполагаемое их состояние на каком-либо участке или глубине или во времени в связи с их изменениями

ются на реальном инженерно-геологическом анализе. В инженерной геологии оценка часто содержит элемент прогноза. Например, когда делают вывод о том, что инженерно-геологиче- ские условия благоприятны, оползень устойчив и т. д., предполагают, что эта оценка относится не только к настоящему времени, но и к будущему.

Каждая оценка и прогноз должны содержать: 1) вид объекта— горные породы, процессы и явления, территории, сооружения и т. д.; 2) место изучения состояния горных пород, процессов и явлений и предполагаемые их изменения; 3) масштаб явлении — размеры нарушенной территории, объем горных пород и степень или интенсивность изменений их устойчивости, развитие процессов и явлений и др.; 4) время возможного возникновения процессов и явлений.

Прогноз вре.мен1[ проявления процессов в инженерной геологии имеет свой характер, предупреждающий о необходимости усиления контроля за развитием тех или иных процессов и явлений, выполнения определенных .мероприятий, соблюдения осторожности при проектировании сооружений и выполнении инженерных работ, при выборе допустимых нагрузок, конструкций сооружений, организации строительных и горных работ и др. Поэтому он обычно содержит указания о сроке или ка- ком-либо моменте времени ожидаемых явлений: через год, через 10 лет, в период половодий или паводков, летних интенсивных донадей, при подрезке склона, определенной подработке территорий, продвижении забоя горной выработки и др.

234

Таким образом, каждая оценка и прогноз должны быть направлены на решение определенных задач и выполняться в строгой последовательности: что прогнозируется, где находится объект, какова значимость процесса или явления, т. е. его масштаб, практическое значение и вероятное время возникновения и развития. Если какое-либо из этих положений не отмечается, оценка и прогноз утрачивают конкретность и инженерный смысл. Существуют десятки и сотни видов и методов оценок и прогнозов. Не останавливаясь на их перечислении, отметим, что в инженерной геологии целесообразно различать три вида оценок и прогнозов: региональные, локальные и оперативные.

Региональные оценки и прогнозы составляются главным образом для перспективной характеристики и оценки больших и сравнительно больших территорий при планировании и проектировании строительства сооружений и инженерных работ, при освоении угленосного бассейна, рудного поля или их частей, крупных месторождений и т, д. Они основываются на знаниях общих положений о действительности и поэтому имеют обычно описательный, качественный характер, при этом показателями служат словесные сравнительные выражения или предупреждения, реже количественные значения. Несмотря на такой ка-

ное выполнение инженерных изысканий, разработку основных инженерных решений, необходимых для составления схемы генерального плана освоения территорий и т. д.

При освоении месторождений полезны.к ископаемых такие оценки и прогнозы полезно составлять на самой начальной стадии предварительной разведки месторождения, при составлении проекта разведки, на основании обобщения всех пл1еющихся геологических материалов, опыта строительства и выполнения инженерных работ с учетом возможного способа разработк1[ месторождения. Важно, чтобы при оценке и прогнозе основное внимание акцентировалось на самых главных, решающих особенностях инженерно-геологических условий месторождения и имели максимально возможный конкретный характер. При этом особенно важно помнить и строго выполнять основные законы инженерной геологии (гл. VI). Все это помогает при проектировании разведки и ее выполнении и позволяет полнее учитывать все необходимые данные при промышленной оценке месторождения и условий его освоения.

•Локальные оценки и прогнозы всегда имеют специальный характер и направлены на установление фактического или будущего состояния конкретного участка, свойств горных пород, водоносного горизонта, определенного вида геологических процессов и явлений, для своевременного принятия мер защиты территорий, сооружений, геологической среды, безопасного ведения строительных н горных работ и жизни людей. Для этих

23S

оценок и прогнозов наряду с описательным методом широко используются различные количественные методы и показатели.

Локальные оценки и прогнозы всегда должны быть главным образом количественными, основанными на знании закономерностей развития конкретных процессов и явлений, динамики их изменения, пространственных изменений свойств горных пород и др. Они должны выполняться на всех стадиях изысканий при предварительной и детальной разведке, при разработке месторождений и относиться к конкретным участкам шахтного или карьерного поля, определенным участкам борта карьера или подземной горной выработки, очистного забоя, водоносного горизонта, отвала и т. д.

Для этого необходимы детальные геологические и инженер- но-геологические карты и геологические разрезы, обоснованные расчетные схемы, расчетные показатели, данные режимных наблюдений, характеризующие динамику развития явлений, а также сведения о существующих или проектируемых горнотехнических условиях. В общем для локальной оценки и прогноза необходимо воссоздать модель рассматриваемых участков, точно и полно отражающую его инженерно-геологические условия. Без таких данных достоверность и надежность оценок и прогнозов, как предварительных, так и окончательных, будет сомнительной.

Оперативные оценки и прогнозы составляют для установления фактического состояния конкретного участка, выработки, забоя, наземных сооружений на определенный момент или промежуток времени. Они должны обеспечивать надежный контроль за безопасностью жизни людей, производства строительных и горных работ, за устойчивостью сооружений и территорий и достаточностью выполняемых для этого мероприятий. Эти оценки и прогнозы составляют в период строительства, при производстве инженерных и горных работ, при эксплуатации сооружений и территорий по материалам непрерывных или частых периодических обследований и документации котлованов, горных выработок, режимных наблюдений, измерений и специальных опытных работ.

Оперативные оценки и прогнозы могут быть как качественными, так и количественными. Они должны характеризовать текущее состояние безопасности или возможное ее изменение. Важным условием для таких оценок и прогнозов является не только непрерывное получение новой информации в процессе производства строительных, горных и эксплуатационных работ, но также и исчерпывающее знание инженерно-геологических условий рассматриваемого участка и закономерностей возможных их изменений в пространстве и во времени.

Виды оценок и прогнозов связаны со стадиями инженерногеологических исследований — изысканий. И действительно, задачи, решаемые на каждой стадии изысканий, состав и объем выполняемых для этого геологических работ и их детальность

236

определяют вид оценок и прогнозов. В период предпроектных работ, на начальных стадиях изысканий составляют главным образом региональные оценки и прогнозы; при разведке месторождений й проектировании шахт, карьеров и горных работ — локальные, а при выполнении строительных и горных работ н эксплуатации сооружений и территорий — как локальные, так и оперативные.

Для каждого вида оценок и прогнозов в инженерной геологии применяют определенные методы и показатели. Это хорошо видно из материалов предыдущих глав, как и из других разделов инженерной геологии [19, 21, 221,

Инженерно-геологические условия территорий и образующие их природные элементы (рельеф, геологическое строение, подземные воды и др.) взаимосвязаны и взаимообусловлены геологической историей их развития главным образом в новей-

геологической среды, свойств горных пород и др. Оценка этого единого целого, как и прогноз его изменения, могут быть обусловлены совместным влиянием всех элементов или доминирующим одного или нескольких из них. Например, оценка устойчивости горной выработки может определяться тем, что в ее почве вскрываются слабые глины или легко расслаивающиеся и обрушающиеся породы в кровле, либо тем, что вблизи ее контура распространены пески-плывуны, закарстованные породы или зоны тектонических нарушений и т. д.

Для оценки и прогноза геологических процессов и явлений, свойств горных пород в инженерной геологии наиболее часто применяют методы общегеологический, аналогий, геологического подобия, моделирования, вероятностно-статистический и расчетно-теоретический. Их описание приведено в многочисленных работах. Физическую основу всех этих методов составляют закономерности формирования свойств горных пород и развития геологических процессов и явлений. Для условий шахт и карьеров и производства горных работ эти процессы и явления обобщенно названы деформациями, разрушениями, перемещениями и сдвижениями горных пород.

оценивать устойчивость горных выработок, территорий и условия производства горных работ, а знание закономерностей динамики их развития и изменений — прогнозировать состояние и свойства горных пород на том или ином участке или глубине и развитие геологических процессов и явлений, т. е. экстраполировать их возникновение в будущем.

Инженерно-геологическая типизация месторождений твер-

дых полезных ископаемых. Для успешного решения задач, связанных с освоением месторождений полезных ископаемых, важно учитывать весь имеющийся опыт изучения их геологи-

2 3 7

ческого строения и разработки, а также результаты инженерных изысканий для обоснования проектов различных сооружений, в том числе подземных, опыт их строительства и эксплуатации. В результате обобщения этого опыта к настоящему времени разработано несколько классификаций и типизации месторождений твердых полезных ископаемых [Щеголев Д. И., 1940 г.; Каменский Г. Н., 1947 г.; Троянский С. В., 1947 г.; Скворцов Г. Г., Прохоров С. П. и др., 1959, 1969 гг.; Сыроватко М. В., 1956 г.; Панюков П. Н., 1959 г.; Плотников И. И., 1960 г.; Павлов И. Н., 1962 г.; СЭВ, 1962 г.; Климентов П. П., 1966 г.; Ломтадзе В. Д., 1974 г. и др.], однако в больщинстве из них учитываются либо только гидрогеологические, либо только ин- женерно-геологические условия. Исключением являются разработки Г. Г. Скворцова и С. П. Прохорова, И. И. Павлова, СЭВ и В. Д. Ломтадзе, в которых учитывается комплекс природных факторов.

При инженерных изысканиях на месторождениях полезных ископаемых всегда необходимо стремиться к конкретности при характеристике как месторождения в целом, так н отдельных его частей. Этому обычно способствует их типизация, т. е. выявление главного, существенного, обобщающего оценку инже- нерно-геологических условий. Для одних из них главным является глубина залегания полезного ископаемого и соответственно

значительная обводненность горных пород, либо недостаточная или малая их устойчивость и т. д.

Таким образом, каждое рассматриваемое месторождение или отдельные его части характеризуются определенными типичными особенностями инженерно-геологических условий, которые можно отобразить в виде описания, на геологической колонке, разрезе, схеме и т.'д. Такая типизация особенно полезна, когда выделяется несколько или много групп месторождений, одинаковых или сходных по тем или иным главным, существенным признакам. Для каждой такой группы участков можно составить одно сводное описание, одну типичную геологическую колонку, один геологический разрез, одну схему, которые в совокупности будут отображать общие существенные их черты.

В общем, если одинаковых по инженерно-геологическим условиям месторождений или их участков несколько или много, то представленное описание, построенные геологические колонки, разрезы или схемы будут являться для них типовыми. В этом случае можно говорить о типизации месторождений или участков по инженерно-геологическим условиям. Это дает возможность унифицировать методику инженерных изысканий на типовых участках, методику оценки и прогноза инженерно-геологи- ческих условий, оценку условий вскрытия и разработки месторождения подземным или открытым способом, шире применять методы аналогий и геологического подобия, лучше

2 3 8

решать задачи рационального использования территорий, геологической среды и их охраны. Кроме того, типизация месторождений и их частей позволяет шире применять типовое проектирование, определенные комплексы защитных инженерных мероприятий при развитии разнообразных геологических процессов и явлений.

Типизация обычно позволяет конкретнее выражать оценку инженерно-геологических условий, производить некоторую генерализацию — обобщение, схематизацию этих условий, чтобы показать все наиболее главное, существенное. Такое целесообразное обобщение на предварительной стадии изысканий представляет собой типизацию, а на стадии детальных изысканий — построение расчетных схем для месторождений или, что чаще, для отдельных их частей.

Заметим, что понятие «типизация» не следует смешивать с понятием «классификация». Типизация — это выделение месторождений, участков или групп месторождений и участков по типичным признакам, присушим каждому из них. Классифика-

ков, причем каждый класс в классификационной системе занимает определенное место, например при районировании месторождений по степени сложности инженерно-геологических условий, по их обводненности и другим признакам.

Инженерно-геологическая типизация месторождений необходима для предварительной оценки условий их вскрытия и отработкн открытым или подземным способом. Она должна основываться на наиболее важных факторах, определяющих инженер- но-геологические условия строительства карьеров и шахт и производства горных работ. К ним относятся-. 1) глубина за-^ легания полезного ископаемого и соответственно мощность, вскрыши, определяющие в значительной степени способ раз* работки месторождения и основные параметры горных выра* боток; 2) группа горных пород вскрыши и вмещающих полезное ископаемое по инженерно-геологической классификации; принадлежность горных пород к той или иной группе определяется нх прочностью, устойчивостью, деформируемостью, водопроницаемостью, водоотдачей и другими физическими, водными и механическими свойствами; 3) сложность геологического разреза и тектоники месторождения, шахтного, карьерного поля,, условия залегания пород, их однородность, наличие поверхностей и зон ослабления, снижающих устойчивость горных пород, в откосах карьеров и подземных выработках; 4) степень водоносности горных пород, определяющая условия и безопасность ведения горных работ, развитие фильтрационных деформаций и необходимость предварительного и эксплуатационного осушения; 5) геологические процессы и явления, осложняющие вскрытие и разработку месторождений, в том числе температурный и газовый режим. В соответствии с перечисленными

239>

ТАБЛИЦА V I M

Инженерно-геологическая типизация месторождений твердых полешых ископаемых (по В. Д . Лонтадзе)

наиболее важными исходными данными, необходимыми для оценки и прогноза инженерно-геологических условий месторож-

Оценка и прогноз устойчивости откосов уступов и бортов карьеров. При проектировании карьеров главной задачей является определение конструкции их бортов, т. е. числа уступов, их высоты и крутизны откосов, назначения, числа и ширины берм, расположения съездов и в целом генеральных углов заложения рабочих и нерабочих бортов карьера. Если высота уступов, ширина берм и другие элементы их конструкции в значительной степени определяются технологическими условиями разработки месторождения {система разработки, применяемое горное оборудование, вид транспорта и др.), то крутизна откосов уступов и в целом бортов карьеров — главным образом инженерно-гео- логическими условиями карьерного поля или его участков.

Крутизна откосов на каждом конкретном участке должна быть оптимальной, допустимо наибольшей, при Которой карьер занимал бы наименьшую площадь карьерного поля, а его борта были бы устойчивыми, чтобы на них не происходило осыпания, оплывания, оползания, обвалообразования горных пород и других геологических явлений, угрожающих безопасности и нормальным эффективным условиям производства горных работ. Выше, в гл. VI, приведен перечень геологических процессов и явлений, возникающих при разработке месторождений твердых полезных ископаемых открытым способом, и отмечено, что их возникновение и развитие неизбежно связано с нарушением соответствий и предельных равновесий горных пород, главным образом в откосах и уступах бортов карьеров. Следовательно, про-

2 4 0

блема оценки устойчивости откосов на карьерах — это проблема оценки угрожаемости происходящих там геологических процес-

При проектировании новых разработок в первую очередь решаются задачи определения оптимальной крутизны откосов и прогноза их устойчивости. На существующих карьерах чаще приходится оценивать степень устойчивости их откосов в связи с развитием неблагоприятных геологических явлений, нарушающих эффективность горных работ и угрожающих их безопаскости. Успешное решение этих задач требует знания и строгого выполнения законов инженерной геологии (см. гл. VI). На этой основе для обеспечения устойчивости откосов кроме правильного определения их заложения с учетом всех влияющих факторов применяют различные меры по предупреждению неблагоприятных явлений путем укрепления горных пород в откосах, их осущения и др.

В связи с тем что для устойчивости откосов уступов и бортов карьеров всегда главную опасность представляют разнообразные оползневые явления, оценка и прогноз возможности их образования, проектирование и осуществление противооползневых мероприятий являются первостепенными на разных стадиях разработки месторождений открытым способом. Для этого имеются различные апробированные методы и технические средства [21]. Некоторые указания по этому поводу приведены также выше, в гл. VI.

Хуже обстоит дело в случае оценки и прогноза развития других геологических явлений: интенсивности и скорости выветривания горных пород, образования обвалов, осыпей, некоторых видов фильтрационных деформаций и др. Для каждого из таких явлений имеются определенные приемы оценки н прогноза, но они недостаточно теоретически обоснованны и базируются главным образом на эмпирических данных [21].

Оценка и прогноз устойчивости подземных горных выработок. Проблема оценки и прогноза устойчивости подземных выработок исключительно сложная, многогранная и интересная. Если рассматривать ее в полном объеме, то, как было показано выше, она связана с развитием геологических процессов и явлений, в том числе и горного давления, происходящих по контурам и забоям горных выработок, а также с процессами и явлениями, возникающими в геологическом пространстве, достигающем поверхности 'земли. Следовательно, рассматриваемая проблема имеет два тесно связанных между собой аспекта: развитие геологических процессов и явлений в подзоне ближнего влияния горных выработок и в подзоне дальнего их влияния. Все эти процессы и явления, обобщенно названные нами разрушениями, деформациями, перемещениями и сдвижениями горных пород, рассмотрены в гл. VI. Там же описаны некоторые приемы и методы оценки и прогноза их угрожаемости. Поэтому