2. 2. Основные элементы геологического строения месторождений, определяющие условия их освоения
Описание и оценка инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых должны давать полное, детальное, достоверное и совершенно однозначное освещение их геологического строения.
Для этого необходимо уделять большое внимание предварительному изучению материалов региональных исследований, предварительной и детальной разведок месторождения и дополнительным инженерно-геологическим исследованиям, выполняемым в процессе производства разведочных работ на месторождении.
При изучении геологического строения месторождения в инженерно-геологическом плане в первую очередь устанавливают стратиграфию слагающих его комплексов горных пород, их распространение, форму и условия залегания, взаимоотношения, тектоническую структуру месторождения в целом и отдельных его частей. Все это должно показывать строение толщ и комплексов горных пород, образующих вскрышу и являющихся вмещающими для полезного ископаемого, положение и распространение поверхностей, зон и слоев ослабления, которые при строительстве карьеров и шахт и производстве горных работ могут обусловить нарушение устойчивости горных пород, их перемещение и другие деформации и явления, а также притоки воды и др.
Такое инженерно-геологическое изучение месторождения является дальнейшим специальным целенаправленным изучением, отвечающим на вопрос о том, какие элементы геологических условий наиболее существенно могут влиять на условия строительства шахт и карьеров и производство горных работ.
2. 3. Стратиграфия и стратификация отложений и комплексов горных пород. Стратиграфия, как известно, отражает последовательность образования отложений и комплексов горных пород разного возраста, слагающих месторождения, и их возрастные соотношения, а стратификация — последовательность напластования разных петрографических типов горных пород в вертикальном разрезе, от поверхности земли на глубину. Все эти данные обычно отображают на геологических картах, геологических разрезах и других материалах.
Геологическая карта и стратиграфический разрез показывают, какие отложения и комплексы горных пород разного возраста распространены по площади и на глубину в пределах месторождения, и в том числе те, с которыми связаны минерализация, т. е. полезное ископаемое. Из этих данных обычно видны степень неоднородности и сложности геологического строения месторождения. Хорошо известно, что многие месторождения полезных ископаемых приурочены к определенным стратиграфическим подразделениям геологического разреза. Поэтому стратиграфия как бы контролирует распространение и размещение полезного ископаемого в пределах месторождения, шахтного и карьерного полей и позволяет, таким образом, отграничивать толщи горных пород, слагающих вскрышу, от пород, вмещающих полезное ископаемое.
Стратиграфия имеет большое инженерно-геологическое значение, так как многие горизонты, слои, толщи и комплексы горных пород, характерные в инженерно-геологическом отношении в силу своих особых свойств и физического состояния (мягкие, легко размокаемые и набухающие глины, слоистые легко обрушаемые породы, горизонты плывунов, повышенной закарстованности, и др.), обычно занимают определенное положение в геологическом разрезе. Поэтому стратиграфические данные позволяют производить параллелизацию и корреляцию отложений и более надежно оценивать инженерно-геологические условия месторождений в целом и отдельных их частей.
2.4. Петрографический состав горных пород. Петрографический состав горных пород, слагающих месторождения полезных ископаемых, является одной из важнейших характеристик их геологического строения, определяющей особенности их физико-механических свойств, устойчивость и поведение в горных выработках. Как показывает анализ материалов по месторождениям, в их геологическом строении принимают участие самые разнообразные петрографические типы магматических, метаморфических и осадочных горных пород.
Однако необходимо ясно представлять, что в пределах отдельных месторождений и их групп состав петрографических типов слагающих их горных пород обычно менее разнообразен. Кроме того, многие виды полезных ископаемых парагенетически связаны только с определенными группами и типами горных пород. Размещение эндогенных месторождений контролируется главным образом распространением магматических пород и их жильных и эффузивных фаций, а экзогенных — преимущественно осадочных пород. Многие экзогенные месторождения связаны с продуктами выветривания магматических пород. Известно много месторождений золота, касситерита, вольфрамита и других полезных ископаемых, приуроченных к продуктам физического выветривания гранитных интрузий. Они распространены или непосредственно в пределах интрузий (элювиальные месторождения), или в некотором удалении от них (делювиальные, аллювиальные). Установлена определенная связь месторождений платины, алмазов и хрома с ультраосновными и основными породами. Размещение многих месторождений рудных, нерудных, угольных, горнохимического сырья и строительных материалов контролируется распространением определенных петрографических типов осадочных и метаморфических пород.
Роль петрографических особенностей горных пород в оценке их физико-механических свойств, поведения и устойчивости в горных выработках и условий производства горных работ переоценить невозможно. Они определяют плотность горных пород, их размокаемость и размягчаемость, твердость, крепость, прочность и деформируемость, водопроницаемость и водоносность, газопроницаемость и газоносность и в конечном итоге устойчивость.
Данные о петрографических особенностях горных пород позволяют не только оценивать устойчивость горных выработок, но и прогнозировать возникновение геологических процессов и явлений.
Особенности горных пород определяют их строительную категорию, разрабатываемость, буримость, разрыхляемость, скорость проходки горных выработок, необходимость и скорость их крепления и другие технологические особенности производства горных работ.
2.5. Текстуры напластования осадочных пород. Условия залегания горных пород определяются формой их залегания, выдержанностью мощности слоев, пластов и их простирания, соотношением с другими породами и степенью нарушенности первоначального залегания тектоническими движениями. В разных тектонических областях условия залегания горных пород, так же как их физическое состояние и прочность, различны.
Для геологического строения осадочных толщ в целом одним из наиболее общих правил является их слоистое строение, образование текстур напластования. При описании и оценке таких текстур важно различать смену петрографического состава пород в вертикальном разрезе и образование разделов между слоями. Оба эти признака в инженерно-геологическом отношении имеют исключительно важное значение. Они указывают на неоднородность, т. е. на распространение в разрезе осадочных толщ пород не одного рода по составу, строению, физическому состоянию и свойствам, а часто по внешнему виду и окраске, и на наличие в них поверхностей раздела — зон, прослойков и слоев слабых пород, т. е. поверхностей ослабления.
Поверхности раздела обнаруживаются и в почти однородных в петрографическом отношении осадочных породах вследствие разделения их на слои — расслаивания. Такие поверхности раздела в однородных породах бывают ровные, гладкие, горизонтальные или волнистые и нередко подчеркиваются появлением трещин напластования, ориентированных в плоскости слоистости. Все это влияет на прочность и устойчивость горных пород, особенно когда они обнажаются горными выработками. Поэтому изучению и оценке всех этих явлений при инженерно-геологических исследованиях необходимо уделять большое внимание.
На рис. 2.1 показаны различные типы слоистых толщ, встречающиеся на месторождениях полезных ископаемых, из которого можно, например, заключить, что конструкция бортов карьеров, их устойчивость и условия производства горных работ во всех случаях существенно определяются текстурами напластования, так как каждый слой пород слоистой толщи отличается своеобразным петрографическим составом, физическим состоянием (плотностью, влажностью, выветрелостью, трещиноватостыо и др.), прочностью (сопротивлением внутреннему трению или сопротивлением по поверхностям и зонам ослабления), строительной категорией, а также степенью обводненности.
2. 6. Условия и формы залегания магматических и метаморфических пород и их внутреннее строение в значительной степени обусловлены тектоническими процессами. Поэтому их изучение при инженерных изысканиях всегда должно носить не чисто петрографический, а структурно-петрографический, структурно-тектонический характер.
Рис.2.1. Строение бортов карьеров в различных типах горных пород
а –песчаные слоистые породы; б –те же породы, водоносные; в –глинистые мягкие слоистые породы; г – песчаные слоистые породы подстилаются глинистыми; д –песчаные слоистые породы подстилаются трещиноватыми известняками; е –зона кристаллических пород, выветрелых до состояния песчано-глинистой массы, подстилается менее выветрелыми трещиноватыми породами.
Магматические глубинные и полуглубинные породы в большинстве случаев образуют крупные и сравнительно крупные интрузивные тела — батолиты, трещинные интрузии, пластовые интрузии, «малые интрузии» (лакколиты и др.) и рассеянные инъекции. При таких размерах и формах залегания эти породы нередко слагают крупные рудные провинции и на них могут полностью размещаться крупные сооружения. Излившиеся породы образуют покровы, пластовые залежи, переслаивающиеся с осадочными и эффузивно-осадочными породами.
Условия залегания метаморфических пород зависят в значительной степени от условий залегания исходных пород, из которых они образовались. При региональном метаморфизме, захватывающем значительные площади, образуются толщи большой мощности. При локальном метаморфизме наблюдается быстрая смена различных типов пород с разным физическим состоянием. В этих случаях на небольших площадях геологические условия могут быть неоднородными и сложными.
Внутреннее строение магматических и метаморфических пород определяется условиями их формирования. Инженерно-геологическая характеристика их в образце всегда существенно отличается от характеристики в условиях естественного залегания. Поэтому в основу инженерно-геологического изучения этих пород должны быть положены полевые наблюдения и исследования. Данные лабораторных исследований позволяют расширить характеристику их свойств, но они не могут изменить полевую оценку условий строительства горных сооружений и их устойчивости.
2. 7. Тектонические разрывы и трещиноватость горных пород. Как показывает практика строительства шахт и карьеров и разработки месторождений твердых полезных ископаемых, приуроченных к коренным горным породам, их геологическое строение существенно определяется структурно-тектоническим положением, т. е. в пределах какой определенной части крупной региональной (складчатой, платформенной, переходной областей) и местной геологической структуры (горизонтальнослоистой, моноклинальной, синклинальной, антиклинальной и др.) они находятся. Кроме того, для большинства месторождений, особенно расположенных в складчатых и переходных областях, характерно, что их территории (участки земной коры) расчленены на блоки (часто разных порядков) тектоническими разрывами — нарушениями. Поэтому различные участки месторождений могут располагаться в пределах отдельных блоков или их сочетаний.
В пределах каждого тектонического блока монолитность горных пород обычно нарушена трещинами, их системами и другими разрывами различных фаз тектогенеза. Эта нарушенность может быть различной — от малой до значительной. В соответствии с этим изменяются размеры отдельностей пород, модули трещиноватости, коэффициенты трещинной пустотности, удельные водопоглощения, скорости распространения упругих волн и другие показатели их строения и свойств. Она может быть также неравномерной по площади и на глубину. Соответственно и степень внутренней неоднородности каждого тектонического блока может характеризоваться неодинаково.
Таким образом, если горные породы расчленены тектоническими нарушениями на блоки и эти нарушения существенно определяют геологическое строение районов распространения месторождений полезных ископаемых в целом, участков непосредственного их размещения, шахтного и карьерного полей, то трещиноватость существенно определяет внутреннее строение отдельных блоков, сложенных твердыми и относительно твердыми горными породами, их трещинную тектонику и структуру.
2. 8. Новейшие и современные тектонические движения и сейсмические явления — это важный фактор, определяющий инженерно-геологические условия района или участков месторождений полезных ископаемых.
Новейшими тектоническими движениями земной коры принято называть такие, которые происходили в течение всего четвертичного периода или неогенового и четвертичного периодов, а современными — происходящие в современную историческую эпоху. Сейсмические явления также относятся к современным тектоническим движениям, но проявляются в виде землетрясений различной интенсивности, угрожающих сохранности территорий, сооружений, жизни и деятельности людей.
Новейшие и современные тектонические движения — это эпейрогенические* движения земной коры. Они имеют колебательный характер, так как в одной и той же местности поднятия земной коры сменяются опусканиями. Это медленные вековые движения, развивающиеся со скоростью, измеряемой миллиметрами в год. Землетрясения, в отличие от эпейрогенических движений, проявляются в деформациях горных пород (сжатие, растяжение, сдвиги) со скоростями, измеряемыми многими тысячами километров в секунду.
Изучение новейших и современных тектонических движений и сейсмических явлений имеет огромное научное и практическое значение, так как они очень широко распространены на Земле и предопределяют развитие многих геологических процессов, высокое напряженное состояние горных пород в земной корена отдельных участках, сохранность и устойчивость территорий и сооружений, условия строительства и эксплуатации.
*Тектонические движения можно разделить на два типа: радиальные -колебательные, или эпейрогенические движения, и тангенциальные, орогенические. В первом типе движении напряжения передаются в направлении, близком к радиусу Земли, во втором — по касательной к поверхности оболочек земной коры. Очень часто эти движения бывают, взаимосвязаны, или один тип движений порождает другой. В результате этих типов движений создаются три вида тектонических деформаций: 1) деформации крупных прогибов и поднятий; 2) складчатые; 3) разрывные.
Первый тип тектонических деформаций, вызванный радиальными движениями в чистом виде, выражается в пологих поднятиях и прогибах земной коры, чаще всего большого радиуса. Колебания, вызывающие образование подобных форм, в отличие от сейсмических колебаний совершаются относительно медленно, ощутимых разрушений не приносят и непосредственным наблюдениям человека не поддаются.
Складчатые деформации вызываются тангенциальными движениями и выражаются в виде складок, образующих длинные или широкие пучки, иногда короткие, быстро затухающие морщины.
Третий тип тектонических деформаций характеризуется образованием разрывов в земной коре и перемещением отдельных участков ее вдоль трещин этих разрывов. Разрывные нарушения очень часто являются производными от первых двух типов, но в большей мере от складчатых. Установить причину той или иной деформации не всегда удается, так как, кроме вышеуказанных типов движений, деформации могут образоваться в связи с внедрением магмы и т. и. Поэтому нарушения в земной коре классифицируют не по типу вызвавших их движении, а по форме или каким-либо другим особенностям самих нарушений.
2. 9. Выветрелость горных пород. Горные породы, выступающие на поверхности земли или вскрываемые горными выработками, редко сохраняют свою первоначальную "свежесть" и естественное физическое состояние. В этой приповерхностной зоне в новых температурных, влажностных и физико-химических условиях они подвергаются разнообразным изменениям — выветриванию, в результате чего возникает и развивается элювиальная зона — зона выветрелых пород. При решении инженерно-геологических задач оценка степени выветрелости горных пород имеет огромное значение, так как чем она больше, тем больше и степень их разрушения.
От мощности зоны выветривания и степени выветрелости пород зависит решение ряда практических задач; а) выбор наиболее благоприятных участков для размещения сооружений (с точки зрения разрушенности пород выветриванием); б) определение мощности выветрелых пород, подлежащих съему при проектировании горных работ; в) оценка устойчивости выветрелых пород на склонах, в откосах или подземных выработках; г) прогноз возможности развития осыпей, обвалов, вывалов и других видов деформаций горных пород; д) определение строительной категории выветрелых пород, условий и способов их разработки; е) определение необходимых инженерных мероприятий для обеспечения устойчивости горных выработок, защиты их от опасных деформаций выветрелых пород или защиты пород от воздействия агентов выветривания.
2. 10. Газоносность горных пород. Горные породы на месторождениях твердых полезных ископаемых, как и в других местах земной коры, могут содержать различные газы: метан, углекислый газ, азот, тяжелые углеводородные газы (этан, пропан, бутан и др.), водород, окись углерода, сернистый газ, сероводород, радон и др. Наибольшее практическое значение при оценке инженерно-геологических условий строительства шахт, рудников и выполнения горных работ имеют метан, углекислый газ и часто азот. Именно они чаще всего определяют газоносность месторождений твердых полезных ископаемых, в относительно большом количестве содержатся в воздухе подземных горных выработок, вызывают развитие газодинамических явлений, взрывоопасны, вредны для человека.
Многочисленными исследованиями установлено, что в углях, рудах и горных породах газ может находиться: 1) в свободном состоянии, заполняя различные трещины и пустоты сверхкапиллярных размеров; 2) в сорбированном состоянии, т. е. удерживаться молекулярными силами в порах (пустотах) капиллярных и субкапиллярных размеров, и 3) в связанном состоянии под влиянием физико-химических сил с массой измененного органического вещества.
Газы в горных породах земной коры могут иметь различное происхождение: биохимическое, т. е. образовываться в результате разложения и углефикации скоплений органического вещества (пласты, слои, залежи) или находящегося в рассеянном состоянии в горных породах; вулканическое и метаморфическое - поступают с больших глубин недр Земли; атмосферное, когда газы поступают в недра Земли в растворенном виде (в подземных водах), и радиоактивное, т. е. образовываться при самопроизвольном распаде радиоактивных элементов.
Распределение газов в горных породах и полезных ископаемых на месторождениях характеризуется большим разнообразием. Однако это вполне закономерно и обусловлено влиянием различных геологических факторов: а) петрографического состава горных пород, который определяет их коллекторские свойства; б) глубины залегания от поверхности земли; в) состава углей и угленасыщенности стратиграфического разреза; г) тектонической нарушенности и трещиноватости пород; д) водоносности, водо- и газопроницаемости пород; е) мощности покровных отложений и их экранирующих свойств; ж) многолетней мерзлоты и др.
2. 11. Геотермические условия. Горные породы в земной коре обладают определенным запасом тепла. Поэтому в каждой точке геологического пространства Земли они имеют ту или иную температуру, отличаются определенным тепловым состоянием и образуют в совокупности тепловое поле земной коры. Тепловое состояние горных пород земной коры определяется двумя источниками тепла: внешним — солнечной радиацией — и внутренним — тепловым потоком из недр Земли. В приповерхностных горизонтах земной коры в тепловом балансе горных пород главное значение имеют процессы, связанные с поступлением тепла от Солнца. В более глубоких горизонтах, где главным образом ведутся горные работы, связанные с разработкой месторождений полезных ископаемых и строительством сооружений, тепловое состояние горных пород определяется распространением и плотностью теплового потока, поступающего из недр Земли.
Процессы теплообмена в системе Земля — атмосфера (космическое пространство) накладываются и изменяют тепловое состояние горных пород в приповерхностных горизонтах земной коры и образуют здесь зоны суточных, годовых, многолетних, вековых и более длиннопериодных колебаний температуры. Суточные колебания температуры горных пород распространяются на малую глубину. На глубине 1 м (максимум 2 м) суточная амплитуда колебаний температуры горных пород равна нулю, здесь располагается зона постоянных суточных температур. Граница постоянных годовых температур горных пород намечается на глубине до 15 - 25 м, реже 30 - 40 м. Глубина распространения этой зоны сильно изменяется, главным образом в зависимости от амплитуды колебаний температуры на поверхности земли и от тепловых свойств горных пород. Обычно в зоне постоянных годовых температур горные породы имеют температуру, близкую к среднегодовой температуре воздуха на поверхности земли.
В тех областях, где имеется дефицит тепла, происходит охлаждение земной коры, которое проявляется в ее промерзании в течение зимнего сезона или многих лет. На территории РФ на обширных пространствах полярных и приполярных областей и в некоторых высокогорных районах горные породы на глубину десятков и сотен метров от поверхности земли имеют отрицательную температуру — это области распространения многолетней мерзлоты. Здесь в результате теплообмена в системе Земля — атмосфера возник дефицит тепла на поверхности Земли на определенном этапе ее развития. Накопление холода в верхней зоне земной коры есть результат особенностей этого теплообмена.
Границы распространения многолетних, вековых и других колебаний температуры горных пород в земной коре установить трудно, о них судят только по палеогеографическим данным. Ниже зоны постоянных годовых, а практически постоянных многолетних температур горных пород прослеживается зона постепенного их повышения с глубиной. В разных районах скорость повышения температуры горных пород с глубиной различна и изменяется от 3—5° С на 100 м (геотермический градиент) в молодых складчатых областях (Тихоокеанский пояс, Кавказ, Крым) до 1 °С на 100 м в районах кристаллических щитов.