ENG GEO / 1Tri / Eng Geo / Engineering Geology Лекция 3

Лекция 3. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ - СРЕДА ДЛЯ ГОРНЫХ РАБОТ И СООРУЖЕНИЙ

(ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГОРНЫХ ПОРОД)

Ранее горные породы рассматривались как естественные образования, вмещающие различные полезные ископаемые. Это и определяло традиционный геологический подход к их изучению и оценке. Инженерно-геологическое изучение горных пород и полезного ископаемого, базируясь на этом подходе, вносит новые элементы исходя из требований конкретных задач, решаемых проектировщиками, строителями, технологами.

В горном деле породы рассматриваются главным образом как среда, в которой производятся горные работы (проведение, крепление, а также выемка полезного ископаемого) и строятся различные сооружения (шахтные стволы, подземные капитальные очистные и дренажные выработки, карьеры, траншеи). Вместе с тем породы представляют собой основание для многих наземных сооружений (транспортных коммуникаций, горнодобывающего оборудования, внешних и внутренних отвалов, зданий), а также материал для таких сооружений, как дамбы разного назначения, отвалы, закладки и др.

Исходя из характера взаимодействия сложной системы горные породы - горные работы, для решения практических задач необходимы количественные показатели, характеризующие следующие основные свойства пород: плотность, прочность, деформируемость, водоустойчивость, температуроустойчивость, водо-и газопроницаемость и т.д. Однако перечисленные свойства зависят от особенностей состава, строения, влажности, трещиноватости, выветриваемости, пористости исследуемых пород, а также от уровня напряженного состояния.

Таким образом, специфика инженерно-геологического изучения и оценки горных пород заключается в том, что: а) изучение ведется на геологической основе и является продолжением геологического изучения месторождения; б) изучаются состав, строение и состояние пород, которые в комплексе позволяют оценить их прочность, деформируемость, проницаемость и устойчивость, а также их изменение под воздействием горных работ; в) свойства горных пород оцениваются количественными показателями с учетом специфики их взаимодействия с горными работами (сооружениями).

Поведение пород различного генезиса, состава и свойств вокруг горных выработок в конечном итоге определяется строением, физическим и напряженным их состоянием. Оценка физического состояния горных пород и прогноз возможных его изменений при освоении месторождений полезных ископаемых представляют собой важнейшие задачи инженерной геологии. Большое значение при этом имеет проблема установления закономерностей формирования и изменения отдельных признаков состояния.

Под физическим состоянием горных пород следует понимать состояние, оцениваемое совокупностью признаков, определяющих условия взаимодействия пород с различными сооружениями. Вполне естественно, что для конкретных типов пород определяющими являются разные признаки. Например, петрографический состав имеет большое значение при изучении свойств всех горных пород; трещиноватость и выветрелость - для характеристики свойств скальных и полускальных пород; влажность, пористость и консистенцию – для песчано-глинистых пород; теплофизические свойства — для мерзлых пород и т. д.

По классификации Ф.П. Саваренского все горные породы подразделяются на пять групп (табл.3.1).

В п е р в у ю г р у п п у входят разновидности магматических, метаморфических и осадочных пород, имеющие высокую степень сохранности, большую прочность и устойчивость, малую деформируемость и водопро-ницаемость.

В т о р а я г р у п п а объединяет большое разнообразие пород, для которых характерны нарушение монолитности (выветрелость, трещиноватость), пониженная прочность и высокая (как правило) водопроницаемость. Эти породы обладают большой неоднородностью и анизотропностью, что создает затруднения при их изучении, а также при оценке их устойчивости в качестве основания и среды сооружений.

Т р е т ь я г р у п п а включает все породы, для которых характерно отсутствие связей между отдельными минеральными частицами и обломками. К ним можно применить механическую модель сыпучей среды и охарактеризовать их прочность в соответствии с законом Кулона коэффициентом внутреннего трения.

Ч е т в е р т а я г р у п п а охватывает различные по происхождению мягкие глинистые породы, для которых характерны малая прочность и большая сжимаемость. Породы этой группы представляют собой дисперсные системы и претерпевают большие изменения при взаимодействиях с различными сооружениями, в связи с чем они изучаются и оцениваются с особой тщательностью. В механическом отношении они представляют собой сложный объект, так как ни одна из существующих моделей не подходит к ним в полную меру. Прочность их определяется показателями сопротивления сдвигу - сцеплением и коэффициентом внутреннего трения в соответствии с законом Кулона, а их деформируемость - показателями сжатия в соответствии с законом уплотнения.

Породы п я т о й г р у п п ы очень разнообразны по своему генезису, составу и свойствам. Сюда относят многолетнемерзлые и засоленные породы, техногенные образования, которые приобретают все большее значение в строительстве. Они требуют специфического подхода при изучении и оценке в качестве основания или среды сооружений.

В инженерной геологии изучение горных пород осуществляется с определенной последовательностью, которая позволяет оценивать их с разной степенью точности и надежности. В связи с этим различают следующие группы показателей: состава, строения, физических и водных свойств, прочности и деформируемости, а также некоторых специальных свойств.

Инженерно-геологическая классификация горных пород

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

Таблица 3.1.

Группа горных пород	Генетические типы
	Магматические			Метаморфические		Осадочные
	глубинные-интрузив­ные	полуглубин­ные и жильные	излившиеся эффузивные	массив­ные	сланце­ватые	пирокласти- ческие	обломочные	глинистые	органогенные и хемогенные
I. Скальные	Граниты, сиениты, гранодиориты, дио­риты, габ­бро	Гранит-порфиры, сие­нит-порфи­ры, грано-диорит-порфиры, диорит-порфириты, габбро порфириты	Кварцевые и бескварцевые порфиры и порфириты, трахиты, диабазы, ли­париты, дацнты, анде­зиты, база­льты	Мрамо­ры квар­циты	Гнейсы, кристал­лические сланцы		Песчаники и конгломе­раты с про­чным цемен­том		Известняки и доломиты плотные и прочные
II. Полускальные	Вывстрелые и сильно трещиноватые горные породы первой группы, имеющие пониженные показатели физико-механиче­ских свойств					Вулканиче­ские туфы, туффиты и туфогенные 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, ще­бенка	-	–
IV. Мягкие связные						—	—	Глины, суг­линки, супе­си, 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

3.1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТАВА И СТРОЕНИЯ

ГОРНЫХ ПОРОД

3.1.1. Состав. Состав горных пород оценивается содержанием в них различных минералов (минеральный состав) и частиц разного размера (гранулометрический состав).

Минеральный состав во многом определяет свойства горных пород, их плотность, водоемкость, твердость, прочность, деформируемость, устойчивость. Свойства минералов зависят от химического состава, структуры кристаллической решетки и характера связи между атомами, молекулами и ионами. Устойчивость минералов определяется суммарной энергией и строением их кристаллической решетки. Например, наиболее устойчивый против выветривания из породообразующих минералов - кварц, за ним следуют мусковит, ортоклаз, кислые плагиоклазы, амфиболы, пироксены, а к наиболее неустойчивым относятся основные плагиоклазы, биотит, гипс. Если оценивать водоустойчивость горных пород, то здесь большое значение приобретают растворимые в воде минералы (кальцит, гипс), а также глинистые минералы, которые адсорбируют большое количество влаги.

Оценивая влияние минерального состава на свойства горных пород, следует различать состав минералов, обломков пород и цементирующего вещества. Если для магматических и метаморфических пород можно ограничиться минеральным составом слагающих кристаллов, то для осадочных необходимо оценивать состав кристаллов, обломков пород, а также различных примесей и цемента между кристаллами и обломками.

3.1.2. Структура и текстура. При инженерно-геологической оценке горных пород определенное значение приобретают их структура и текстура. Структура породы, как известно, определяется формой, размерами и относительным количественным содержанием отдельных ее компонентов. Можно выделить три уровня структурных особенностей пород макро-, мезо- и микроструктуры, которые имеют различное значение при оценке свойств пород. Признаки, которые можно выявить невооруженным глазом относят к макроструктуре, а под микроскопом - к мезо- и микроструктуре.

Интрузивные породы характеризуются полнокристаллическими или порфировидными мелко-, средне- и крупнозернистыми структурами, а эффузивные - скрытокристаллическими или порфировыми с неполнокристаллической или тонкозернистой. Такие структуры формируют высокую прочность, упругость и устойчивость пород. Для преобладающего большинства метаморфических пород характерна полнокристаллическая структура, которая создает тоже высокую прочность и упругость. Все эти породы относятся к группе твердых (скальных), в случае их изменения процессами выветривания они теряют свою монолитность и поэтому переходят в группу полускальных пород.

Осадочные породы очень разнообразны по своему генезису и петрографическому составу. Это предполагает большое разнообразие структур этих пород. Так, для карбонатных пород (известняков и доломитов) наиболее часто встречаются кристаллическизернистая, крупно-, средне- и мелкозернистая, скрытокристаллическая и органогенная (из обломков ракушек) структуры. Наиболее прочны и устойчивы кристаллические известняки и доломиты. Среди большой группы обломочных сцементированных пород можно выделить псефитовую (конгломераты и брекчии), псаммитовую (песчаники разной зернистости) и алевритовую (алевролиты) структуры. Прочность этих обломочных пород во многом зависит от цементационного вещества.

Глинистые породы характеризуются главным образом пелитовой или алевролитовой структурами. По своему состоянию (плотности, влажности) они изменяются в процессе диагенеза и катагенеза от совсем слабых (группа связных пород) до очень плотных (аргиллитов) и даже переуплотненных (глинистые сланцы), которые относятся к группе полускальных пород.

Таким образом, структура - важная отличительная особенность горной породы, влияющая на прочность, деформируемость и устойчивость, изучением которой нельзя пренебрегать.

3.1.3. Текстура. Текстура пород рассматривается как признак условий их формирования и показатель анизотропности свойств. Она отражает особенности строения пород, т. е. взаимное пространственное расположение основных компонентов. Для магматических пород обычно различают массивную, флюидальную, сланцеватую и пузырчатую текстуры. Породы массивной текстуры характеризуются беспорядочным расположением кристаллов, которое обеспечивают высокую прочность и устойчивость, однородность и изотропность физико-механических свойств. Флюидальная текстура указывает на параллельное расположение кристаллов (по направлению потока), что приводит к ярко выраженной анизотропии породы.

Сланцеватая, или ленточная текстура еще более подчеркивает анизотропность пород и создает неустойчивость при выветривании.

Пузырчатая текстура характерна для эффузивных пород и указывает на наличие овальных пустот разного размера (результат газовых пузырей при быстром застывании магмы). Породы с такой текстурой обладают пониженной прочностью и устойчивостью при выветривании, а также повышенной водопроницаемостью.

В метаморфических породах различают сланцеватую, гнейсовидную и плитчатую текстуры. Все они приводят в той или иной мере к анизотропии свойств пород.

Для сланцевых пород характерно наличие плоскостей сланцеватости, которые представляют собой зоны ослабления (пониженной прочности). При выветривании эти породы распадаются на тонкие плитки. Гнейсы, как известно, весьма прочные породы и их неоднородность и анизотропность обусловлены главным образом трещиноватостью, на формирование которой некоторое влияние оказывает и текстура пород.

В осадочных породах выделяют характерные текстуры для сцементированных разностей (скальных и полускальных) для обломочных рыхлых и для глинистых пород (рис.3.1). Наиболее распространенные текстуры угля - массивная и слоистая, но встречается также зернистая и листоватая. Выделяют много текстур руд: гнейсовидная, слоистая, полосчатая, сланцеватая и др. Текстурные особенности пород определяют характер расчетных схем при оценке устойчивости горных выработок, объем и методику инженерно-геологического опробования на различных стадиях разведки месторождений, а также тип крепления, осушения и других инженерных мероприятий, направленных на улучшение условий ведения горных работ.

Рис.3.1. Характерные текстуры осадочных пород

а –слоистая; б –сетчатая; в –сланцеватая; г –псевдопорфировая; д –флюидальная; е –бутовая

При изучении текстурных особенностей осадочных пород необходимо определять следующие характеристики:

1) тип текстуры для различных пород разреза;

2) показатель расслоения пород, представляющий собой число слоев, на которые распадается керн длиной в 1 м;

3) коэффициент ориентировки глинистых частиц, представляющий собой количество частиц, ориентированных в данном направлении к количеству всех частиц в данной плоскости наблюдения;

4) анизотропию основных свойств пород (прочности, водопроницаемости, деформируемости).