Геология. Трещиноватость горных пород и графические методы ее изображения. Методические указания

№ 3216 М И Н И С Т Е РС Т В О Н АУ К И И В ЫС Ш Е ГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра геологии и маркшейдерского дела

Л.Н. Ларичев

ГЕОЛОГИЯ

ТРЕЩИНОВАТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД И ГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЕЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Методические указания

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2018

УДК 622

Л25

Рецензент канд. техн. наук А.В. Демченко,

канд. геол.-минерал. наук М.В. Лехов (МГУ им. М.В. Ломоносова)

Ларичев Л.Н.

Л25 Геология. Трещиноватость горных пород и графические методы ее изображения : метод. указания / Л.Н. Ларичев. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2018. – 36 с.

Содержит теоретические основы характеристики трещиноватости массива горных пород, методы их изучения и графического изображения и задания для выполнения расчетно-графических работ.

Для студентов, обучающихся по направлению 21.05.05 «Физические процессы горного и нефтегазового производства».

УДК 622

Л.Н. Ларичев, 2018

НИТУ «МИСиС», 2018

3

Введение

Рассматривая земную кору как среду горного производства, легко убедиться, что в ее пределах практически невозможно найти сцементированные (скальные) горные породы, лишенные трещин, под которыми обычно понимают разрывы их сплошности без заметного по ним перемещения. Трещиноватостъю называется совокупность трещин, нарушающих монолитность горных пород и весьма влияющих на свойства горного массива.

Практика ведения горных работ свидетельствует о том, что естественная трещиноватость горных пород является одним из главных факторов, влияющих на рациональную и безопасную разработку месторождений полезных ископаемых. Трещиноватость пород в значительной степени снижает их прочностные свойства и устойчивость, особенно в областях ее интенсивной проявленности. По трещинам происходит отделение пород от массива, нередко в виде крупных блоков, что приводит к нарушению технологического процесса разработки полезного ископаемого и существенно затрудняет отработку его запасов. Недоучет влияния трещиноватости при подземных горных работах является также одним из главных источников различных аварий.

В то же время знание особенностей трещиноватости вмещающих пород и полезных ископаемых позволяет выбрать правильное положение забоя относительно господствующих систем трещин, что способствует успешному применению горных машин и механизмов и существенно повышает производительность и безопасность труда горняков.

С трещиноватостью горных пород связана не только их устойчивость при проведении горных выработок, но и притоки подземных вод. Повышенная трещиноватость угольных пластов является одной из причин внезапных выбросов угля и газа в шахтах. Поэтому знание трещиноватости дает возможность выбрать наиболее рациональные способы ведения горных выработок и предварительной дегазации шахтных полей. Кроме того, изучение трещиноватости имеет большое значение для оценки устойчивости бортов карьеров и определения комплекса инженерно-геологических свойств горных пород при проходке шахтных стволов.

Настоящие методические указания составлены для обучения студентов горных специальностей методам обработки результатов изучения естественной трещиноватости массива горных пород с целью использования полученных данных в горной практике.

4

1. ТРЕЩИНЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

Разрывы в горных породах делятся на две большие группы. К пер-

вой группе относятся трещины, представляющие собой разрывы, перемещения по которым имеют очень незначительную величину. Во вторую группу объединяются разрывы с заметными перемещения-

ми пород. Совокупность трещин, разбивающих тот или иной участок земной коры, называется трещиноватостью. По степени проявления трещины можно разделить на три группы: открытые, закрытые

и скрытые.

Открытые трещины характеризуются четко видимой полостью. В закрытых трещинах разрыв хорошо заметен невооруженным глазом, но стенки трещин оказываются сближенными до такой степени, что заметить полость по разрыву не удается. Скрытые трещины очень тонки и при обычных наблюдениях незаметны, но их легко обнаружить при разбивании или окрашивании горных пород.

Трещины, имеющие одинаковую или близкую ориентировку, объединяются в ряды трещин. Трещины одного ряда могут ветвиться, но не пересекаться. Обычно в горных породах развивается несколько рядов трещин. Нередко при этом ряды трещин оказываются взаимосвязанными и изменения в ориентировке одного ряда сопровождаются соответствующими изменениями в ориентировке другого ряда.

Отдельностью называются блоки и глыбы, на которые разделяется трещинами горная порода. Форма отдельности обусловливается расположением трещин. В осадочных горных породах обычно развиваются прямоугольная, кубическая, параллелепипедная, призматическая, плитчатая, шаровая и глыбовая отдельности; в метаморфических – плитчатая, пластинчатая, ребристая, остроугольная; в лавах – призматическая, столбчатая или шаровая отдельности; среди интрузивных массивов встречаются кубическая, прямоугольная, параллелепипедная и другие отдельности.

Классификация трещин. Трещины, развитые в горных породах, можно классифицировать либо относительно текстурных особенностей (слоистости, сланцеватости, ориентировке линейных и пластинчатых минералов) и по ориентировке трещин в пространстве, либо исходя из условий их образования. В первом случае классификация трещин будет отражать лишь геометрические особенности; такая классификация называется геометрической. Во втором случае классификация имеет генетический характер. Обе классификации не ис-

5

ключают одна другую, трещиноватость в них рассматривается с различных точек зрения, и они дополняют друг друга.

При геометрической классификации трещин в осадочных и мета-

морфических породах, обладающих ясно выраженной слоистостью или имеющих неясную слоистость, но четкую, сланцевую текстуру, выделяются:

а)  поперечные трещины, секущие в плане слоистость или сланцеватость по направлению падения. В разрезах поперечные трещины могут быть либо вертикальными, либо наклонными;

б)  продольные трещины, параллельные линии простирания, но секущие слоистость или сланцеватость в вертикальных разрезах;

в)  косые трещины, секущие слоистость или сланцеватость под углом относительно простирания и направления падения;

г)  согласные трещины, ориентированные параллельно слоистости или сланцеватости как в плане, так и в разрезах.

Вмассивах, а также в слоистых и сланцеватых породах нередко трещины удобнее классифицировать по углу наклона. В таких случаях обычно выделяются следующие виды трещин: вертикальные – с углами падения от 80 до 90°, крутые – от 45 до 80°, пологие – от 10 до 45°, слабонаклонные и горизонтальные – с углами падения от 0 до

10°.

Вгенетической классификации выделяются следующие типы и виды трещин:

Нетектонические трещины: 1)  первичные трещины; 2)  трещины выветривания;

3)  трещины оползней, обвалов и провалов;

4)  трещины расширения пород при разгрузке. Тектонические трещины:

1)  трещины с разрывом сплошности пород (трещины отрыва и скалывания);

2)  кливаж.

В приведенной классификации за основу приняты геологические условия формирования трещин. К основным признакам, положенным в основу разделения трещин по видам, относятся: геологическая обстановка, характер механического разрушения пород, источник возникновения нагрузок и морфологические особенности трещин.

6

1.1. Нетектонические трещины

Образование нетектонических трещин в горных породах обусловлено изменениями внутренних свойств пород под влиянием сил, проявляющихся при экзогенных процессах на поверхности Земли или вблизи от нее.

Первичные трещины. Первичные трещины развиваются в результате проявления внутренних сил в породах при их усыхании, уплотнении, изменении объема и температуры и физико-химических превращениях.

Первичные трещины в осадочных породах. Первичные трещины в осадочных породах, или диагенетические трещины, возникают преимущественно при процессах диагенеза, т.е. в стадии превращения осадка в горную породу. Наиболее важными физическими изменениями при диагенезе являются потеря воды и уплотнение отложений путем уменьшения их влажности и пористости.

При повсеместном распространении диагенетических трещин последние наиболее четко выражены в областях с горизонтальным или слабо нарушенным залеганием пород. Там, где породы смяты в складки и испытали интенсивные тектонические движения, первичные трещины обычно замаскированы более поздней тектонической трещиноватостью. Диагенетические трещины не пересекают скольконибудь мощные толщи тех или иных пород, а тесно связаны с отдельными слоями или пачками слоев. Обычно они резко заканчиваются у поверхностей наслоения. По отношению к слоистости эти трещины располагаются различно: перпендикулярно, косо, параллельно; нередко они имеют изогнутые поверхности, а также неправильную сложную форму. На поверхностях наслоения диагенетические трещины образуют полигональную сеть.

Частота трещин находится в полной зависимости от мощности пород. Мощные пласты имеют более редкую сеть трещин по сравнению с пластами менее мощными, сеть трещин в которых, при прочих равных условиях, бывает более густой.

Образование диагенетических трещин объясняется уменьшением объема осадка при превращении его в породу. Различия в степени уменьшения объема пород различного состава в слоистых толщах вызывают появление трещин, ориентированных согласно со слоистостью. Трение, развивающееся при этом, является причиной стяжения породы не к одному, а ко многим центрам с распадением на большое число отдельностей.

7

Первичные трещины в эффузивных породах. Первичные трещи-

ны в эффузивных породах развиваются под воздействием напряжений, возникающих при их охлаждении. Уменьшение объема всегда вызывает появление растягивающих усилий, в результате которых образуются трещины. Для лав наиболее характерны плитчатая, столбчатая и шаровая отдельности, реже встречаются прямоугольная и остроугольная. Особенно примечательными являются столбчатая и шаровая отдельности в лавах. Образование трещин, ограничивающих столбчатую отдельность, связано с возникновением осей стяжения, отстоящих друг от друга на равных промежутках. Линии, соединяющие эти центры, совпадают с направлениями наибольших растягивающих напряжений, и, когда лава затвердевает, появляются трещины, перпендикулярные этим линиям. Трещины пересекаются таким образом, что получаются шестиугольники. По мере охлаждения лавы столбы удлиняются от поверхности в глубину лавового покрова, образуя многочисленные призмы.

Столбчатая отдельность иной формы (пятиугольная, четырехугольная) встречается редко и образуется за счет усиленного роста одних граней из-за недоразвитости других.

Шаровая и овальная отдельности в лавах возникают при быстром охлаждении лавовых потоков. Такие условия создаются при соприкосновении лав с морской водой, при излиянии лав под сильным дождем или их внедрении в мягкие, пропитанные водой отложения.

Трещины выветривания. При выветривании порода теряет свою монолитность. Разрушение ее происходит главным образом за счет раскрытия и расширения ранее существовавших в ней трещин и образования новых – трещин выветривания.

Степень разрушения породы и частота трещин, вызванных процессами выветривания, с удалением от дневной поверхности быстро уменьшаются. Обычно трещины выветривания распространены на глубину 10…15 м от поверхности, в редких случаях глубина их проникновения увеличивается до 30…50 м.

Трещины оползней, обвалов и провалов.В описываемую группу объ-

единены трещины, довольно разнообразные по происхождению. Они обычно часты и четко выражены, но имеют местное распространение.

Трещины расширения пород при разгрузке. Горные породы в земной коре находятся в сильно сжатом состоянии. Одна из основных сил, действующих повсеместно, вызывается тяжестью вышележащей толщи. Привысвобождениипородотдействиясжимающихсил,чтопроисходит

8

у поверхности Земли, в горных выработках, бортах речных и овражных долин и при других подобных условиях, породы начинают выдавливаться в свободное пространство. В выработках выдавливаются боковые стенки,кровляипочва,стремящиесязаполнитьвсееесечение;уповерхности земли развиваются трещины отслаивания; в бортах речных долин иовраговпоявляютсяхарактерные«трещиныбоковогоотпора».

Трещины отслаивания возникают параллельно обнаженной поверхности. Они часты и хорошо выражены вблизи нее, но становятся более редкими и менее ясными в глубине.

Трещины бортового отпора (отседания, откоса) развиваются в бортах долин рек и оврагов, врезанных в различные скальные и полускальные породы. Трещины бортового отпора бывают наклонены под углом 30…50° в сторону долины и распространяются в глубину до уровня реки; простирание их совпадает либо с современными, либо с древними долинами. Ширина захвата долин трещинами отпора зависит от глубины эрозионного среза и характера пород. При прочих равных условиях при большой глубине долины ширина зоны развития трещин будет соответственно больше. Крепкие и менее выветренные породы сокращают ширину зоны.

1.2. Тектонические трещины

Тектонические трещины появляются в горных породах под влиянием тектонических сил, вызываемых в земной коре эндогенными процессами. Возникающие при этом деформации почти всегда сопровождаются развитием в горных породах трещин, образующихся как на сравнительно небольших площадях, ограниченных отдельными структурами, так и на огромных пространствах.

Тектонические трещины во многом отличаются от трещин нетектонических. Различия выражаются прежде всего в том, что эти трещины более выдержаны как по простиранию, так и по падению и ориентированы по единому плану в различных по составу породах.

Напомним, что тектонические трещины в соответствии с принятой нами классификацией делятся на трещины с разрывом сплошности пород и на кливаж. Кливаж, в противоположность другим видам тектонических трещин, не нарушает сплошности пород. В породах с развитым кливажем разрушается их текстура и структура, но они не теряют монолитности, если только поверхности кливажа не расширены какимилибо более поздними процессами (например, выветриванием).

9

1.2.1. Трещины с разрывом сплошности пород

Трещины с разрывом сплошности пород возникают при появлении в породах напряжений, превышающих пределы их прочности. Ниже описаны только те трещины отрыва и скалывания, которые связаны с тектоническими силами, развивающимися в земной коре.

Трещины отрыва. Трещины отрыва обычно приоткрыты, обладают неровной зернистой поверхностью и лишены каких-либо следов перемещений. Гальки и крупные зерна при пересечении их поверхностью отрыва нередко выдергиваются из породы, оставляя на поверхности трещины гнезда в виде ямок и вдавленностей. Трещины отрыва быстро выклиниваются по простиранию и падению, но часто рядом или в стороне от выклинивающейся трещины можно найти новую, продолжающуюся в том же направлении.

При разрастании трещин отрыва выделяется несколько последовательных стадий их роста. Вначале появляются редкие, удаленные друг от друга трещины. Затем, при увеличении их числа и размеров, они как бы заходят друг за друга и на последней стадии соединяются между собой с образованием коротких косых смыкающихся разрывов.

Образование трещин отрыва происходит в разнообразных условиях. Они могут быть развиты на огромных пространствах, в таких региональных структурах, как флексуры или крылья прогибов, либо имеют узкое местное распространение.

Региональные трещины отрыва возникают в породах, испытывающих растяжение в результате проявления вертикальных движений. Появляющиеся при этом трещины обычно образуют систему из двух рядов крутонаклонных трещин, пересекающихся в плане и разрезе под прямым или близким к нему углом. Один из рядов развивается согласно с простиранием пород, в общем плане параллельно оси поднятия или оси опускания. Второй совпадает с направлением падения пород.

Морфология региональных трещин отрыва имеет ряд характерных черт. Это обычно вертикальные или крутонаклонные ровные трещины, выдержанные по простиранию и падению на десятки и сотни метров. Они бывают открытыми, и очень часто речная и овражная сеть вырабатывается согласно с планом расположения таких трещин. Региональные трещины отрыва широко развиты на крыльях многих платформенных прогибов, обладающих большой глубиной.

10