u_lectures

обеспечивает нормальное продвижение забоя и фронтальных работ в целом. Откосы нерабочих уступов и капитальных траншей должны отвечать условия долгосрочной устойчивости. Их относительная устойчивость должна сохраняться на протяжении всего срока службы карьера.

Оползни отличаются огромными объемами горных пород, участвующими в данном виде деформации. Можно различать оползни: 1) мелкие, когда объем оползневых масс измеряется сотнями и тысячами кубометрами; 2) средние, когда объем оползневых масс составляет десятки тысяч кубометров;

3)крупные, когда объем оползших масс составляет сотни тысяч кубометров;

4)очень крупные, когда объем оползших масс измеряется миллионами кубометров.

Главной отличительной чертой оползней является скольжение оползневых масс вниз по откосу по некоторой поверхности, получившей наименование поверхности оползания.

Обрушения и обвалы характеризуются быстрыми смещениями и падением крупных блоков и пачек пород, оторвавшихся от уступов и бортов карьера. При своем падении блоки и куски пород опрокидываются и дробятся на более мелкие куски и пачки. Обрушения нередко начинаются с оскользней по подрезанным откосам карьера поверхностям ослабления.

Осыпи происходят в форме смещения и падения мелких обломков и зерен пород, отделившихся в результате выветривания и растрескивания их. Осыпание пород, вызванное или усиленное действием вибрации (например, буровзрывными работами), называется осовами.

Оплывины. В условиях обводненности карьеров, в бортах которых развиты фильтрационно-неустойчивые породы, наблюдаются явления оплывания, суффозии, фильтрационного выпора и некоторые другие виды фильтрационного разрушения пород. Они особенно характерны для периода вскрытия и начальных стадий разработки месторождений, когда дренирующие действие обнаженных поверхностей карьера и водопонизительных устройств проявлялось еще не в полной мере. Оплывание пород относится к числу наиболее распространенных и важных видов фильтрационного разрушения откосов несцементированных и обводненных пород карьера. Оплывание зависит от гранулометрического состава пород. Языки оплывания могут достигать 5 м.

Тема 5.2. Инженерно-геологические исследования в криолитозоне

План:

5.2.1. Многолетнемерзлые породы, состав, строение и условия залега-

ния

5.2.2.Экзогенные геологические процессы в криолитозоне

5.2.3.Особенности инженерно-геологических исследований в криоли-

тозоне

131

5.2.1. Многолетнемерзлые породы, состав, строение и условия залегания

Многолетнемерзлыми называются породы, которые в течение длительного времени имеют отрицательную температуру. Породы с отрицательной температурой, но безо льда (сухие пески, гравий и галечник), не относятся к типично мерзлым, так как их свойства при отрицательных температурах не изменяются [9].

Вмерзлых породах присутствует лед, который может находиться как породообразующая часть в виде цемента, в виде отдельных кристаллов и скоплений. Важной особенностью строения толщ мерзлых пород являются часто встречающиеся талики.

Наличие льда и отрицательная температура определяют прочность, воднофизические, фильтрационные, теплофизические, электрические и другие свойства пород в области распространения многолетней мерзлоты.

Особенно чувствительны к изменению температуры и количества льда песчано-глинистые породы. В них лед содержится в количестве нередко значительно превышающем их полную влагоемкость. При оттаивании вода, содержащаяся в породе в избытке, нередко разжижает породу, приводя ее в текучее состояние. Снижение прочности пород вызывает просадки, плывунные явления, набухание и другие явления. Образование же льда при промерзании вызывает криогенное пучение, расслоение, растрескивание пород и пр.

При низких температурах мерзлые песчано-глинистые породы имеют, как правило, более значительную прочность, чем одноименные немерзлые породы.

Скальные и полускальные породы в откосах карьеров и стенках подземных выработок при больших геотермических градиентах подвергаются интенсивному выветриванию, растрескиванию и осыпанию..

Врайонах с многолетнемерзлыми породами проведение горных работ имеет специфику, связанную с инженерно-геологическими особенностями. По основным процессам теплообмена, определяющим криогенные свойства пород в пределах области с многолетнемерзлыми породами, выделяются две геокриологические зоны.

Северная зона характеризуется преобладающим распространением и пониженными температурами пород на водоразделах. В понижениях рельефа породы приобретают повышенные температуры, распространены талики. На равнинах, в районах с максимальными геокриологическими показателями

толща многолетнемерзлых пород достигает наибольшей сплошности и мощности (до 600 м), самой низкой температуры (минус 120С), высокой льдистости, встречаются крупные (до 50 м по мощности) залежи подземного льда.

Вюжной зоне, за исключением высокогорных районов, мерзлая толща

преобладает в депрессиях рельефа, нередко в виде островов. Талики приурочены к возвышенностям. Зональная температура, как правило, выше – 30С,

132

нередко 00. Мощность менее 100 м. редкие залежи льда незначительны по мощности.

Основные виды и разновидности геокриологических обстановок, влияющих на инженерно-геологические условия месторождений, приведены в табл. 12. В ней выделены три вида и шесть разновидностей геокриологических обстановок, которые должны учитываться при разведке месторождений и дополнять типизацию месторождений по сложности инженерногеологических условий их разработки.

Таблица 12 Основные виды геокриологических обстановок, влияющих на инженерно-

геологические условия месторождений

Распространение толщи многолетнемерзлых пород оценивается следующим образом:

-островное – площадь разрозненных участков с многолетнемерзлыми породами составляет менее 50 % площади месторождения;

-прерывистое – площадь с многолетнемерзлыми породами составляет более 50 %;

-сплошное – толща многолетнемерзлых пород в пределах месторождения не имеет таликов.

Геокриологическая обстановка I вида, как правило, упрощает инженер- но-геологические условия всех категорий. При разработке месторождений обязательно меняется температурный режим и распространение толщи многолетнемерзлых пород. Однако это сопровождается незначительным изменением прочностных свойств пород.

Геокриологическая обстановка II вида преимущественно усложняет инженерно-геологические условия в связи с изменением физикомеханических свойств пород и гидрогеологических условий при горных работах.

Геокриологическая обстановка III вида оказывает неоднозначное влияние на инженерно-геологические условия. Сплошное распространение, значительная мощность (разновидность III–А) упрощают инженерногеологические условия. Льдистые массивы пород и крупные залежи льда (разновидность III–Б) существенно осложняет инженерно-геологические условия. Даже незначительное по времени изменение температурной обстанов-

133

ки вызывает вытаивание льда, сложные деформации пород и поступление талых вод в выработки.

При изучении инженерно-геологических условий в зоне многолетнемерзлых пород тщательно изучается геолого-структурная обстановка:

1.порядок напластования горных пород в разрезе мерзлой толщи, мощность отдельных слоев, их распространение по площади, приуроченность к определенным геологическим структурам и элементам рельефа;

2.генезис пород, их состав и стратиграфическая принадлежность для каждого слоя;

3.наличие мономинеральных скоплений льда, их генезис, форма, условия залегания, распространение по площади, текстурные особенности льда;

4.первичные текстурные особенности пород, а также трещиноватость, кавернозность, сложение и т.д.;

5.криогенная текстура пород по слоям и их объемная льдистость;

6.тип промерзания (эпигенетический или сингенетический) различных генетических разновидностей рыхлых четвертичных пород.

Температурный режим многолетнемерзлых пород изменяется как по площади, так и в разрезе. При изучении температурного режима горных пород необходимо установить: среднегодовую температуру пород у подошвы

слоя годовых колебаний tср; распределение температур ниже слоя годовых колебаний; распределение температур ниже подошвы мерзлой толщи.

Среднегодовая температура у подошвы слоя годовых колебаний устанавливается при изучении сезонного оттаивания и промерзания расчетными способами, по данным ее измерений в горных выработках. При наличии ре-

жимных наблюдений tср устанавливается на основании анализа кривых распределения температур по глубине или термоизоплет. Для данного горизонта

постоянной в году считается та температура, колебания которой не превышают точности ее измерения (0,1–0,20С).

5.2.2. Экзогенные геологические процессы в криолитозоне

Экзогенные геологические процессы в криолитозоне нередко определяются гидрогеологическими условиями, которые рассмотрены в разделе «Общая гидрогеология». Они тесно связаны с надмерзлотными, межмерзлотными и подмерзлотными водами [2].

Основными явлениями, связанными с изменением температуры горных пород и влажности являются: морозные пучины, бугры пучения (булгуняхи – гидролакколиты), полигональные образования термокарстовые, солифлюкционные, оползневые, наледные.

Морозное пучение интенсивно развивается в глинистых пылеватых и сильно пылеватых породах за счет промерзания связанной воды и в связи с этим – увеличения объема породы. Морозные пучины могут иметь высоту от 20–40 мм до 50 см. Коренные пучины очень опасны и требуют постоянного

134

наблюдения, для борьбы с ними выполняются профилактические и капитальные мероприятия.

Профилактические мероприятия заключаются в систематическом наблюдении за развитием пучин, в профилировании железнодорожного полотна путем поднятия рельсов, в наблюдении за состоянием работы поверхностных водоотводов.

Капитальные мероприятия включают осушение пучинистых участков, замену пучинистых пород основной площадки, а также балластного слоя и покрытий дорог.

Бугры пучения представляют собой крупные формы рельефа, встречаются по одному или группами. Высота их изменяется от 1 – 2 до 25 – 30 м, а диаметр – от нескольких метров до 50. Их образование связано с наличием таликов над многолетней мерзлотой. При промерзании талика образуется замкнутая масса пород, в пределах которой возникает гидростатический напор, под действием которого породы вздымаются. По своему строению такие бугры напоминают вулкан.

Полигональные образования – это разнообразные формы многоугольников плоских или несколько выпуклых, разграниченных морозобойными трещинами.

Термокарстовые явления – это вытаивание льда в толще пород, в результате чего образуются просадки и озера. Для образования и развития термокарста необходимо два условия: 1) наличие подземных льдов; 2) глубина сезонного оттаивания пород должна превышать глубину залегания подземных льдов.

Солифлюкция представляет собой медленное течение почв, которые по своему гранулометрическому составу представлены пылеватыми разностями; при этом их естественная влажность должна достигать полной влагоемкости, а уклон местности составлять 3–100. При таких углах склона солифлюкция происходит, когда в результате оттаивания ледонасыщенных дисперсных грунтов последние утрачивают структурные связи и переходят в вязкопластичное состояние.

В криолитозоне кроме описанных процессов происходят и другие: оползни, сплывы, грязевые потоки, сели, лавины и др., которые широко развиты за пределами криолитозоны и рассмотрены в предыдущей теме. Климат для них уже не является главным фактором.

Помимо естественных факторов на развитие экзогенных процессов оказывают и техногенные, вызванные, прежде всего, условиями строительства.

На режим мерзлоты оказывают влияние следующие факторы: 1) тепловой режим зданий и сооружений и технологические особенности эксплуатации; 2) снег отепляющее действует на породы; 3) вырубка леса, распашка земель; 4) грунтовые и поверхностные воды; 5) водохранилища; 6) плотность застройки, ориентация по сторонам света; 7) санитарно-технические коммуникации.

135

Выбор принципа строительства определяется из условий наибольшей технической целесообразности и экономической выгодности. Возможны два случая: 1) строительство в условиях устойчивого режима мерзлоты, т.е. сохранение отрицательных температур; 2) когда мерзлоту поддерживать нельзя

–постепенное и предварительное оттаивание.

5.2.3.Особенности инженерно-геологических исследований в крио-

литозоне

В районах с многолетнемерзлыми породами при разведке месторождений используются традиционные инженерно-геологические приемы изучения, т.е. проводится инженерно-геологическая съемка, и устанавливаются группы сложности месторождений:

1. Простые инженерно-геологические условия.

Стадия предварительной разведки. Инженерно-геологическая оценка месторождения дается на основе:

-анализа материалов комплексной геологической съемки района;

-инженерно-геологической документации геологоразведочных сква-

жин;

-использования опыта эксплуатации действующих карьеров и шахтаналогов;

-использования данных геофизических исследований;

-исследования физико-механических свойств пород (полевые методы). Стадия детальной разведки. Инженерно-геологическая оценка место-

рождения дается на основе тех же работ, что и предварительной разведке, но дополненных изучением физико-механических свойств пород на основе лабораторных анализов по сокращенному комплексу.

2. Средние по сложности инженерно-геологические условия.

Стадия предварительной разведки. Содержание исследований то же,

что и при простых условиях, но предусматривается:

-инженерно-геологическое маршрутное исследование района;

-изучение физико-механических свойств пород с применением полевых и лабораторных сокращенных анализов;

-изучение закарстованности пород в геологоразведочных скважинах (в карстовых районах).

Стадия детальной разведки. Инженерно-геологические исследования проводятся для пополнения и уточнения ранее полученных данных. Они особенно важны при большой тектонической нарушенности пород. Предусматривается бурение инженерно-геологических скважин. Изучение физикомеханических свойств пород производится на основе сокращенных, полных и специальных видов анализов.

3. Сложные инженерно-геологические условия.

136

Стадия предварительной разведки. Содержание исследований то же,

что и при средних по сложности условиях, но со следующими дополнениями:

-инженерно-геологическая съемка масштаба 1:25 000 – 1:50 000;

-бурение специальных инженерно-геологических скважин;

-изучение физико-механических свойств пород с использованием сокращенных и полных анализов;

-в карстовых районах – изучение закарстованных пород.

Стадия детальной разведки. Инженерно-геологические исследования проводятся для пополнения и уточнения материалов предварительной разведки с выполнением большого объема работ: бурение инженерно-геологических скважин и изучение физико-механических свойств пород по данным сокращенных, полных и специальных видов анализов.

В зоне развития многолетнемерзлых пород ведутся дополнительные инженерно-геокриологические исследования:

1. Простые инженерно-геологические условия.

Стадия предварительной разведки. Инженерно-геологическая оценка месторождения дается на основе:

-анализа материалов комплексной геологической съемки района;

-инженерно-геологической съемки масштаба 1:25 000 – 1:50 000;

-геотермических наблюдений в отдельных разведочных скважинах (по всей глубине), в которых рекомендуется также проводить годичный цикл наблюдений;

-применение геофизических методов исследований.

Стадия детальной разведки. Материалы, полученные при предварительной разведке, дополняются:

-инженерно-геокриологическими наблюдениями по большому числу разведочных скважин, выработок (температурный режим в сухих и заполненных водой скважинах, положение ледяных пробок);

-открытыми исследованиями мерзлых связных и несвязных пород (осадки при оттаивании, прочностные, фильтрационные свойства и др.).

2. Средние по сложности инженерно-геологические условия.

Стадия предварительной разведки. Содержание исследований то же,

что и при простых условиях, но с дополнением:

-инженерно-геокриологических наблюдений в опорных скважинах;

-бурение отдельных инженерно-геокриологических скважин, в которых организуется 1–2-годичный цикл геотермических наблюдений;

-лабораторных исследований пород.

Стадия детальной разведки. Материалы, полученные при предварительной разведке дополняются:

-инженерно-геологической съемкой масштаба 1:25 000;

-инженерно-геокриологическими наблюдениями во многих разведочных скважинах и во всех горно-разведочных выработках;

137

-бурение инженерно-геокриологических скважин, в которых с постановкой в них геотермических наблюдений;

-опытными и лабораторными исследованиями пород (мерзлых, талых и протаивающих);

-геофизическими исследованиями, уточняющими мощность и распространение по площади мерзлой толщи.

3. Сложные инженерно-геологические условия.

Месторождения этой категории изучаются примерно так же, как и месторождения средней сложности, но более детально, возможно, по отдельным участкам.

Содержание и объемы инженерно-геологических работ при детальной разведке устанавливаются специальными программами, разработанными посте составления ТЭО.

Результаты поэтапного изучения пород в криолитозоне обрабатываются

вкамеральный этап, составляются специальные геологические колонки, где отображаются все основные сведения по мерзлотному строению отдельных пунктов наблюдений. Для участков развития слабольдистых скальных пород такая колонка может содержать литологический разрез и график термических изменений. По материалам изучения ключевых участков составляются их инженерно-геокриологические разрезы.

Непосредственным выражением анализа и обобщения геокриологических исследований является составление инженерно-геокриологической карты исследуемой территории. Для территорий со сложными условиями составляется вспомогательная карта сезонного промерзания и протаивания пород. На карте отображаются: 1) стратиграфо-генетический комплекс отложений (цветом фона); 2) преобладающий состав отложений(штриховкой, принятой в

литологии); 3) влажность отложений (цветом литологических знаков); 4) среднегодовые температуры воды – t или t0 при g = 30 на 1000 м (видом сплошной штриховки) в пределах основных ландшафтных единиц; 5) амплитуды среднемесячных температур на поверхности почвы; 6) распространение талых и мерзлых (сезонного протаивания) пород (цветом сплошной штриховки: синим – мерзлых, красным – талых); 7) распространение криогенных явлений (значками); 8) типы сезонного промерзания и протаивания пород в границах полученных контуров, а также соответствующие им глубины для естественных условий [16].

Составленная таким образом карта наглядно отражает региональные закономерности формирования глубин сезонного промерзания и протаивания пород, показывая кроме величин глубин зависимость изменения их от колебания природных условий. Такая карта содержит возможность прогноза этих глубин, т.е. учета тех изменений в природной среде, которые произойдут после ее оттаивания.

138

Тема 5.3. Инженерно-геологические исследования при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых

План:

5.3.1. Факторы, оказывающие влияние на инженерно-геологические ус-

ловия

5.3.2. Типизация месторождений по инженерно-геологическим услови-

ям

5.3.3. Требования к инженерно-геологическому изучению месторожде-

ний

5.3.1. Факторы, оказывающие влияние на инженерногеологические условия

В связи с ростом объемов геологоразведочных работ на месторождениях твердых полезных ископаемых, а также увеличением глубин разведки и разработки месторождений возникает необходимость в повышенных требованиях к изучению их инженерно-геологических условий.

Инженерно-геологические работы при разведке месторождений выполняются с целью оценки инженерно-геологических условий месторождений для обоснования утверждения запасов полезного ископаемого в ГКЗ и проектирования горных работ. На основе инженерно-геологического изучения могут быть выбраны оптимальные проектные решения, в связи с чем затраты на инженерно-геологические работы оправдываются при строительстве и эксплуатации карьеров и шахт.

Для выполнения поставленной цели на месторождениях необходимо изучать те природные условия (факторы), которые определяют условия строительства. К ним относятся физико-географические условия, геологическое строение, гидрогеологические условия, геокриологическая обстановка.

Физико-географические условия района месторождения имеют большое значение для горных работ, особенно при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.

Климат. При намечаемой открытой разработке месторождения важное значение имеют количество и интенсивность атмосферных осадков, их суточные максимумы, температура воздуха, преобладающее направление ветра, режим накопления и схода снежного покрова, глубина сезонного промерзания и оттаивания пород.

Рельеф района определяет условия ведения горных работ и наземного строительства. Например, в районах с гористым рельефом строительство часто затруднено из-за развития оползней, обвалов, селей и пр.

Растительный покров важен как фактор тепло- и влагообмена. В сочетании с другими факторами он оказывает влияние на инженерно-

139

геологические свойства пород, залегающих близ поверхности и на их промерзание.

Гидрологические условия весьма существенны в случае расположения месторождения близ поверхностных водотоков, которые могут вызвать повышенную обводненость горных выработок.

Геологическое строение. В число геологических важнейших факторов входят: геологическая структура месторождения, литологический и петрографический состав пород, их фациальная изменчивость, условия залегания (ярусность массива горных пород, глубина залегания и мощность полезного ископаемого) и тектоническая нарушенность.

Инженерно-геологические условия зависят от следующих факторов:

1.физико-механические свойств горных пород и полезного ископаемого в зависимости их от процессов выветривания, геотермических процессов, глубины залегания;

2.неоднородности пород в массиве и наличие в них поверхностей ослабления различного генезиса;

3.современных физико-геологические явлений (карст, оползни, суффозия, многолетняя мерзлота и др.);

4.сейсмичности района;

5.наличия в пределах месторождения пород, характеризующихся особо неблагоприятными свойствами (истинные плывуны и др.);

6.напряженного состояния массивов пород.

Гидрогеологические условия. Основные факторы: характер и степень водоносности пород, количество и мощность водоносных горизонтов, их фильтрационные свойства, условия питания и дренажа подземных вод и их связь с поверхностными водотоками, величины гидростатического давления, степень изоляции полезного ископаемого водоупорными толщами и др.

Инженерно-геологические исследования в криолитозоне рассмотрены в предыдущей главе.

5.3.2. Типизация месторождений по инженерно-геологическим условиям

К инженерно-геологическим явлениям при горных работах относятся: оползни бортов и откосов карьеров, обвалы, прорывы плывунов, суффозионные явления, пучение дна карьеров и др.

Вподземных горных выработках могут возникать: деформации пород в стенках и на забое шахтных стволов, пучение пород в почве выработок, сдвижение и обрушение пород в кровле, горные удары и др.

Вобластях распространения многолетнемерзлых пород: пучение, просадки, течение, растрескивание пород и др.

Для того, чтобы учесть всю сложность инженерно-геологических условий при разработке месторождений полезных ископаемых должен оценивать-

140