Приложение 4. Общие указания по изучению трещиноватости горных пород

Приложение 4

Общие указания по изучению трещиноватости горных пород

Указания составлены применительно к изучению процесса сдвижения и устойчивости горных пород и земной поверхности. Они включают основы методики по изучению трещиноватости, необходимые для получения данных о пространственной ориентировке трещин и о закономерностях их проявления в пределах месторождения или отдельных его участков.

Общие положения. Массив горных пород не является сплошной изотропной средой, он разбит на отдельные структурные блоки совокупностью трещин различного происхождения и разных размеров. Совокупность трещин, нарушающих целостность горных пород, называется трещиноватостью. Трещины, имеющие близкие значения элементов залегания, объединяют в системы. Различают два вида трещин:

мелкие трещины (сланцеватость, отдельность, кливаж) с ограниченными размерами, смещенные в пространстве одна относительно другой;

крупные тектонические трещины большого протяжения, по которым может происходить скольжение (сдвиг) одной части деформируемого массива относительно другой.

Мелкая трещиноватость в зависимости от ее интенсивности, ориентировки относительно горной выработки и направления действующего усилия по отношению к плоскости трещин, наличия и свойств заполнителя вызывает снижение прочностных свойств массива и устойчивости пород при их обнажении [7, 18].

Крупные сплошные тектонические трещины и зоны нарушения оказывают существенное влияние на сдвижение горных пород и во многих случаях определяют границу возможного разрыва сплошности пород как в толще, так и на земной поверхности. По поверхностям крупных тектонических трещин происходит образование вывалов, отслоений и обрушений в очистных и подготовительных выработках.

Знание пространственной ориентировки и закономерностей распространения трещиноватости позволяет правильно решать вопросы, связанные с устойчивостью толщи пород и земной поверхности, охраной горных выработок и сооружений на земной поверхности, правильным планированием отработки отдельных участков рудных тел и своевременным предупреждением о возможных вывалах и обрушениях горных пород. Для оценки влияния трещиноватости на сдвижение горных пород проводят изучение как мелкой трещиноватости, так и крупных тектонических трещин.

Изучение трещиноватости проводят по горизонтальным и вертикальным обнажениям пород, а также по кернам, выбуренным из скважин при разведке месторождения в целом или отдельных его участков.

Наиболее полную характеристику трещиноватости пород можно получить при непосредственном измерении ее в очистных и подготовительных выработках на всех эксплуатационных горизонтах. Места замеров мелкой трещиноватости выбирают таким образом, чтобы наблюдениями был охвачен весь комплекс горных пород, слагающих месторождение. На каждом участке горного массива, разделенном крупными геологическими нарушениями, изменяющими условия залегания пород, обязательно должно быть не менее одного участка замера. При отсутствии геологических нарушений и постоянстве элементов залегания пород расстояния между участками замеров принимают равными 150-200 м. На каждом замерном участке проводят 20-30 замеров трещин. Элементы залегания напластования (слоистости, сланцеватости) замеряют 3-4 раза.

Размер замерного участка определяется условиями возможности замера всех систем трещин, степенью доступности при замерах, сложностью строения массива. При благоприятных условиях размер участка можно принять равным 10-15 м. Наиболее удобные участки для замеров трещиноватости-места сопряжения горных выработок или целик, со всех сторон ограниченный выработками.

При отсутствии плоскостей обнажения пород в толще изучение трещиноватости можно проводить осмотром скважины, забуренной до глубины 5-6 м перпендикулярно к оси выработки, с помощью прибора РВП или трещиномерами, конструкция которых позволяет выявлять не только наличие трещиноватости, но и ориентировку трещин. Середины участков замера привязывают к маркшейдерским точкам или сопряжениям выработок с точностью до 2-3 м. Каждая крупная тектоническая трещина подлежит замеру и привязке в плане к маркшейдерской точке либо заснятой точке горной выработки.

На участке замера определяют следующие параметры трещин: - азимуты падения* всех систем трещин и слоистости (сланцеватости); - угол падения всех систем трещин и слоистости (сланцеватости); S - расстояние (по нормали) между трещинами каждой системы; линейные размеры (длина l и раскрытие m); характер поверхности (плоская, волнистая, гладкая, шероховатая); наличие и характеристика заполнителя полости трещин; степень обводненности трещин (влажная, капеж, струя и пр.).

Измеренные величины записывают в полевой журнал (см. прил. 8).

Элементы залегания трещин в основном замеряют при помощи горного компаса. При наличии обнажений пород с неясно выраженным простиранием плоскостей структурных блоков компас поперечным срезом горизонтально прикладывают к плоскости (поверхности) структурного блока таким образом, чтобы нуль угломерной шкалы был направлен в сторону падения (на себя). Отсчет по северному концу магнитной стрелки компаса соответствует азимуту падения. В тех случаях, когда в породах заметно сказывается изменение магнитных свойств или выработки оборудованы металлоконструкциями, используют специальные угломеры.

Линейные размеры трещин, а также расстояния между трещинами систем замеряют линейкой или рулеткой. Расстояние между трещинами систем измеряют по направлениям, перпендикулярным плоскости трещины. При описании характера поверхности трещин необходимо указывать форму их поверхности - волнистая или ровная, шероховатая или гладкая, заполнена ли инфильтрационным материалом и каким именно (кальцитом, окислом железа, глинкой трения и т.д.). В примечании следует отметить наличие вблизи участка замера крупных тектонических трещин или зон дробления. Кроме того, визуально устанавливают и отмечают системы трещин, влияющие на образование вывалов, отслоений и обрушений, делают необходимые зарисовки.

Обработка наблюдений сводится к построению и обработке круговых диаграмм трещиноватости, решеток трещиноватости и вычислению ее интенсивности, определению расположения трещин относительно простирания рудной залежи или выработки. Круговые диаграммы составляют отдельно для мелкой трещиноватости и для крупных трещин. Для мелкой трещиноватости первоначально на каждом участке замера составляют круговую диаграмму, затем строят сводные диаграммы по горизонтам по всему месторождению в целом или же для отдельных литологических разностей пород.

При решении горнотехнических задач для построения круговых диаграмм рекомендуется пользоваться равнопромежуточной проекцией (рис. 18). На сетку по измеренным элементам залегания - азимутам падения или азимутам простирания и углам падения систем трещин - условными знаками (точками) наносят трещины. Перед нанесением трещин на диаграмму необходимо в измеренные значения или ввести поправку за магнитное склонение. Каждая система трещин образует на круговой диаграмме свою область концентрации точек. При четко выраженной концентрации точек средние значения элементов залегания каждой отдельной системы трещин определяют методом медиан. Они соответствуют пересечению меридиана и параллели, делящих область концентрации на две равные по числу точек группы. На диаграмме их обозначают каким-либо условным знаком, например квадратом (см. рис. 18, а). При большом разбросе значений элементов залегания, когда трудно выделить группу трещин, относящихся к той или иной системе, обработку проводят статистическим методом. Для этого выбирают статистическое "окно" (см. рис. 18, а), ограниченное параллелями и меридианами, отстоящими друг от друга, например, на 20°. Подсчитывают число точек (трещин), оказавшихся на площадке "окна"; это число ставят в центре "окна". После этого "окно" перемещают в следующее положение с таким расчетом, чтобы 1/2 площади первого "окна" была перекрыта площадью второго "окна". Результаты подсчета записывают на кальке, наложенной на сетку с нанесенными на нее точками (трещинами). Около цифр, показывающих число точек, оказавшихся в пределах "окна", дают их процент от общего числа измеренных в натуре и нанесенных на точечную диаграмму трещин. Затем, задавшись определенным сечением, например 1%, проводят изолинии средних значений концентраций трещин (см. рис. 18, б) Римскими цифрами показаны номера систем трещин.

На каждой круговой диаграмме выявляют основные системы трещин, затем составляют таблицу осредненных характеристик трещиноватости, в которой приводят данные о средних значениях элементов залегания каждой системы трещин, взятых из круговой диаграммы, средних размерах трещин и расстояниях между трещинами, а также приводят осредненные данные о характере поверхности каждой системы (табл. II).

Таблица II

Участок, горизонт или название породы	Система трещин и элементы залегания								Среднее расстояние между трещинами s м	Характеристика поверхности трещин и заполняющего материала
	сланцеватость (слоистость)		I		II		III	IV

По данным круговых диаграмм, приведенным в табл. II, на разрезах по профильным линиям или другим разрезам и проекциям, на которых определяют углы разрывов или сдвижения, специальными условными знаками наносят проекции систем трещин (рис. 19). Угол падения трещины в плоскости разреза определяют по формуле

,

где - угол падения трещины в плоскости разреза; - измеренный угол падения трещины; - азимут простирания трещины; - азимут простирания плоскости разреза.

Для облегчения определения углов можно воспользоваться номограммой (рис. 20). Кривые на номограмме отображают изменение угла от 0 до при изменении значений от 0 до 90°. Искомые значения находят следующим образом. В точке с заданным значением восстанавливают перпендикуляр до пересечения его с кривой, соответствующей значению . Проектируя точку пересечения перпендикуляра с кривой на ось ординат (слева), находят значение угла .

Для решения вопросов устойчивости и сдвижения горных пород интенсивность трещиноватости целесообразно вычислять по формуле: W = 1 / l, где l - средний линейный размер структурного блока, ограниченного тремя смежными трещинами, м.

Влияние трещиноватости на процесс сдвижения и деформирования горных пород определяется положением их относительно плоскости слоистости (сланцеватости) или рудной залежи (тела). По двугранному углу , образуемому плоскостью слоистости или рудной залежи с плоскостью трещин, трещины подразделяют на нормально-секущие и кососекущие . В зависимости от угла падения трещины бывают: крутые - 46-90°; наклонные - 21-45°; пологие - 0-20°.

По величине угла , образуемого направлением линии простирания слоистости (сланцеватости) или рудной залежи и направлением линии их скрещивания в плоскости слоистости (рудной залежи), трещины подразделяют на: продольные - 0-20°; диагональные - 21-70°; поперечные - 71-90°.

Определение углов и проводят с помощью стереографической сетки Вульфа. На кальке при помощи сетки строят пересекающиеся плоскости слоистости (рудной залежи) Р и трещины Q (рис. 21). Для этого через центр сетки проводят прямые под азимутом падения (или простирания) плоскостей Р и Q. Затем эти прямые последовательно совмещают с диаметром сетки С-Ю и со стороны восстания плоскостей проводят дуги меридианов, соответствующие углам падения плоскостей Р и Q, считая по диаметру В-З от периферии к центру. Точку Т пересечения дуг меридианов соединяют с центром О, отрезок ОТ - проекция линии пересечения плоскостей, т.е. ось их скрещивания. Совмещая ее на восковке и диаметром С-Ю, определяют азимут линии скрещивания . Совмещая линию ОТ с диаметром В-З от периферии к центру, определяют величину угла . Угол лежит в перпендикулярной плоскости R. Для этого от точки Т по диаметру В-З через центр откладывают 90° и затем проводят соответствующую дугу меридиана. Эта дуга пересекает проведенные ранее дуги в точках А и В. Отсчет от А до В дает нам величину угла . Угол определяют как разность азимутов простирания слоистости (рудной залежи) и линии скрещивания . На рис. 21 дан пример графического определения величин углов , и для двух сопряженных поверхностей трещиноватости P (; ) и Q (, ). В результате построения получено: , , . По этим данным система трещин Q по отношению к плоскости слоистости Р является нормально секущей, продольной, крутой.

Учет влияния трещиноватости при решении вопросов сдвижения и устойчивости горных пород при подземной разработке рудных месторождений проводят следующим образом. На каждой профильной линии специальным условным знаком (см. рис. 19) наносят проекции систем трещин. В полуокружности показывают расположение и углы падения различных систем трещин, спроектированных на плоскость разреза по профильной линии. Затем проводят сравнение углов разрывов, полученных путем инструментальных наблюдений на земной поверхности, с углами падения проекций систем трещин. При сравнении необходимо иметь в виду, что:

под влиянием подземной разработки разрушение пород в основном происходит по нормально- и кососекущим продольным трещинам, падающим в сторону выработанного пространства;

при подземной разработке крутопадающих рудных тел разрушение массива пород висячего бока характеризуется прогибом слоев, отрывом пород под действием нормальных напряжений растяжения и последующим сдвигом их в выработанное пространство; сопротивление горных пород отрыву значительно меньше, чем сдвигу, следовательно, для сравнения нужно выбирать трещины отрыва, характеризующиеся неровной шероховатой поверхностью;

в лежачем боку происходит сдвиг пород по наиболее ослабленным крутым поверхностям - плоскостям слоистости (сланцеватости) или плоскостям крупных тектонических трещин и нарушений, падающих в сторону выработанного пространства под крутыми углами.

Совпадение углов разрывов со слоистостью в лежачем боку и с одной из систем трещин в висячем боку, основанное на геометрических представлениях о взаимном расположении слоистости (напластования) пород и систем трещин, дает возможность в первом приближении учитывать влияние трещиноватости на процесс сдвижения пород при подземной разработке рудных месторождений. Трещины с близким к углам разрывов падением в большинстве случаев являются границами области трещин в массиве. Трещины с более крутым или обратным падением могут явиться временными границами области сдвигов и местами наиболее вероятных обрушений кровли очистных выработок.

При закономерно выраженной трещиноватости пород можно заранее определить направления векторов сдвижения и возможные углы разрывов , и . Чем сильнее нарушен массив трещиноватостью и больше ее интенсивность, тем ниже будут его прочностные свойства, положе углы сдвижения и тем меньшее значение имеет коэффициент структурного ослабления, величину которого в зависимости от геомеханической модели определяют по разным методикам [10, 17]. В зависимости от интенсивности трещиноватости следует различать:

Породы	сильнотрещиноватые	среднетрещиноватые	слаботрещиноватые
Интенсивность трещиноватости	7-10	2-7	менее 2

Согласно существующему положению в работе [2] рекомендуется в сильнотрещиноватых породах углы сдвижения уменьшать на 5° по сравнению с углами сдвижения в породах средней и слабой трещиноватости.

Крупные тектонические трещины, попадающие в область сдвижения пород, оказывают непосредственное влияние на углы разрывов и сдвижения, делая их более пологими или крутыми в зависимости от элементов залегания трещин и расположения относительно выработанного пространства. Сдвижение пород происходит по поверхностям этих трещин. Зная углы падения и ориентировку крупных тектонических трещин, можно с точностью до 2-3° определить величины углов разрывов, а также своевременно предупредить о местах возможного образования вывалов и обрушений в горных выработках, установить границу возможного образования трещин на земной поверхности.

Данные об интенсивности трещиноватости пород и закономерностях ее проявления в пределах рудного поля-основа для выбора месторождений-аналогов по характеру и параметрам процесса сдвижения.

______________________________

* Под землей при незначительном обнажении поверхностей трещин удобнее замерять именно азимут падения трещин, а затем вести пересчет на азимут простирания по формуле: .