Глава 2. Изучение геологического строения, трещиноватости и физико-механических свойств горных массивов

Глава 2

Изучение геологического строения, трещиноватости и физико-механических свойств горных массивов

2.1. Изучение геологического строения и физико-механических свойств пород

2.1.1. Изучение геологических, инженерно-геологических и гидрогеологических условий месторождений, а также физико-механических свойств горных пород в период строительства и эксплуатации карьеров должно производиться с учетом изученности этих условий в период разведки месторождений и с учетом типа инженерно-геологических комплексов пород, слагающих месторождения, и их сложности (приложения 2, 3).

2.1.2. В условиях, когда откосы уступов и борта карьеров сложены комплексами крепких скальных пород, подлежат изучению трещиноватость, слоистость и сланцеватость пород, дизъюнктивные нарушения и тектонические трещины большой протяженности. Гидрогеологические факторы в этих условиях, как правило, существенного влияния на устойчивость бортов не оказывают.

2.1.3. На месторождениях, сложенных комплексами пород средней прочности, изучению подлежат факторы, указанные в п. 2.1.2, и дополнительно - структурные особенности массива, прочность пород в образце и гидрогеологические условия месторождений. Наиболее важным гидрогеологическим показателем, оказывающим решающее влияние на устойчивость бортов карьеров, является гидростатический напор (или пьезометрический уровень) во всех точках водоносных слоев в пределах призмы возможного оползания.

2.1.4. На месторождениях, сложенных комплексом слабых глинистых и несвязных пород, подлежат изучению минералогический состав и прочность пород, склонность их к набуханию и проявлению пластических деформаций, наличие в слоистом массиве поверхностей ослабления (слабых контактов между слоями, зеркал скольжения в глинистых породах, поверхностей скольжения древних оползней) и гидрогеологические условия.

2.1.5. Основные характеристики прочности горных пород - сцепление и угол внутреннего трения - должны определяться в лабораторных условиях путем испытаний на срез или трехосное сжатие однородных малогабаритных образцов, отобранных непосредственно из свежих обнажений в карьере или из инженерно-геологических скважин в виде кусков керна.

2.1.6. Определение сопротивления сдвигу горных пород в массиве с учетом их слоистости, сланцеватости и трещиноватости производится в полевых условиях путем испытаний на срез призм горных пород размерами порядка 40x60x120 .

Количество натурных испытаний должно быть не менее трех для каждой разновидности пород, при этом испытаниями необходимо определять как прочность трещиноватого массива, так и прочностные характеристики по поверхности ослабления.

Натурные испытания должны проводиться по методике, изложенной в приложении 4.

2.1.7. Величину сцепления горных пород в массиве с учетом его трещиноватости , , можно определять также по эмпирической зависимости, установленной на основании большого числа натурных испытаний:

, (2)

где H - наибольший размер области возможных деформаций (для карьеров - высота борта), м;

l - средний линейный размер блоков, ограниченных трещинами, м;

a - коэффициент, зависящий от прочности пород в куске и характера трещиноватости (a = 0 - 3 для песчано-глинистых пород и a = 3 - 10 для скальных и полускальных пород - приложение 5);

- сцепление в куске, ;

K' - сцепление по трещинам, .

Величины и K' получают по результатам лабораторных испытаний горных пород.

2.1.8. Изучение состава, физических и водных свойств, влияющих на изменение показателей сопротивления пород срезу, осуществляется по методике, освещенной в руководствах: "Методы лабораторных исследований физико-механических свойств песчаных и глинистых грунтов", М., Госгеолиздат, 1952, и "Практическом руководстве к лабораторным работам по грунтоведению и механике грунтов", М., Госгеолтехиздат, 1961.

2.1.9. Определение прочностных характеристик песчано-глинистых пород должно производиться, в основном, на приборах одноплоскостного среза, косого среза и стабилометрах. Перечень и объем лабораторных определений физико-механических свойств пород, необходимых для решения вопросов устойчивости бортов карьеров, приведены в приложении 6.

2.1.10. Характеристики прочности скальных и полускальных пород определяются путем испытаний образцов цилиндрической формы на одноосное сжатие; высота образца должна в 2 раза превышать диаметр цилиндра. Изготовление образцов производится из керна и заключает в обрезке и шлифовке торцевых плоскостей (можно также придавать образцам и прямоугольную форму); при этом торцевые поверхности образцов должны быть параллельны между собой и перпендикулярны их продольной оси.

Величина сцепления K, , по результатам испытаний на одноосное сжатие определяется по формуле:

, (3)

где - сопротивление одноосному сжатию, ;

- угол внутреннего трения, величина которого зависит от литологического состава и характера породы, град. (см. приложение 7).

Прочность скальных и полускальных, а также плотных глинистых пород можно также определять путем проведения испытаний образцов диаметром 30-70 мм в приборах "косого среза".

2.1.11. Определение сопротивления сдвигу по поверхностям ослабления (трещинам, слоистости, сланцеватости, тектоническим нарушениям) производится в лабораторных условиях на специальном срезном приборе, на котором раздельно создаются нормальные и касательные усилия, или в полевых условиях - путем натурных испытаний. Приближенные значения углов трения по поверхностям ослабления можно выбирать из приложения 8.

2.1.12. Схема проведения испытаний песчано-глинистых пород должна отвечать двум основным требованиям:

а) испытуемый образец по возможности должен иметь такое исходное состояние (плотность-влажность), которое он будет иметь в борту карьера, основании отвала или самом отвале;

б) исходное состояние образца должно сохраняться до конца проведения испытания, что достигается проведением испытаний на срез по схеме быстрого среза (общая продолжительность опыта не более 8-10 мин).

В производственных условиях, при отсутствии стабилометров, испытания на срез можно проводить в одноплоскостных рычажных приборах и приборах "косого среза".

ГАРАНТ:

Здесь и далее по тексту нумерация пунктов приводится в соответствии с источником

2.1.3. При эксплуатации карьеров отбор образцов песчано-глинистых, полускальных и скальных пород следует производить непосредственно в карьере из свежих обнажений откосов уступов с учетом охвата всех литологических разностей. Отбор образцов производится в виде монолитов размерами 20x20x30 .

Отбор образцов горных пород может производиться также из инженерно-геологических скважин, пробуриваемых в случаях, когда карьерное поле недостаточно разведано и горными работами полностью не вскрываются породы, для которых показатели физико-механических свойств отсутствуют.

2.1.14. Инженерно-геологические скважины следует располагать вблизи границ карьерного поля и на первоочередных участках ведения горных работ. Их местоположение определяется в каждом конкретном случае в зависимости от сложности геологического строения и рельефа местности; скважины следует располагать так, чтобы они оказывались в пределах призмы возможного обрушения нерабочих бортов проектируемого карьера.

2.1.15. Основным требованием к методике бурения инженерно-геологических скважин в песчано-глинистых породах является обеспечение максимального выхода керна (не менее 80%) и сохранение естественной влажности и структуры образцов горных пород.

Определение физико-механических свойств скальных и полускальных пород может осуществляться по керну, отбираемому из геолого-структурных скважин.

Минимальный диаметр керна для лабораторных испытаний должен быть: для скальных пород - 40 мм, для полускальных - 55-60 мм, а для слабых 90-100 мм.

2.1.16. При бурении скважин в песчано-глинистых породах в качестве промывочной жидкости должен применяться густой глинистый раствор - для предотвращения набухания и размыва керна.

Бурение производится колонковой трубой с минимальной подачей промывочной жидкости при небольшом (120-180 об./мин) числе оборотов.

Для отбора образцов сланцеватых глин, крупнозернистых и гравелистых отложений, а также современных озерно-болотных осадков целесообразно применение грунтоносов.

Методика отбора образцов из инженерно-геологических скважин и порядок их парафинирования изложены в приложении 9.

2.1.17. Перед испытаниями на срез образцы песчано-глинистых пород, которые в процессе отбора могли разуплотниться, выдерживаются в уплотнителях под природными напряжениями до полной стабилизации; неразуплотненные породы срезаются без предварительного уплотнения.

Природные напряжения в массиве , песчано-глинистых пород определяются умножением объемного веса пород , (средневзвешенного по мощности в слоистом массиве) на глубину отбора образцов H, м: . При определении природных напряжений должно учитываться взвешивание горных пород, залегающих ниже депрессионной поверхности подземных вод.

2.1.18. Испытания на срез песчано-глинистых пород производятся при 3-4-х нормальных нагрузках, из которых максимальная должна составлять не менее 80% от природной нагрузки, а минимальная - 15-20%. Все испытания на срез производятся по схеме быстрого среза во избежание оттока поровой воды; касательные нагрузки при срезе даются ступенями через 1 мин, а отсчет деформации производится через 30 сек.

2.1.19. Сопротивление срезу глинистых пород с учетом набухания в откосах определяется путем испытания образцов, которые выдерживаются в уплотнителе под водой при нескольких величинах нагрузок (обычно 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 ); нормальная нагрузка при срезе набухших образцов, во избежание отжима воды и выдавливания породы в зазор между коробками, уменьшается на 20-30% по сравнению с нагрузкой в уплотнителе. Необходимое число таких испытаний составляет 3-4 при каждой нормальной нагрузке.

2.1.20. Сопротивление сдвигу по контактам и трещинам можно определять также в лабораторных условиях путем проведения испытаний на сдвиг образцов пород в рычажных одноплоскостных приборах по схеме повторного сдвига.

2.1.21. Испытания глинистых пород сопровождаются определением напряжений, вызывающих незатухающие пластические деформации (предела ползучести).

Определение предела ползучести можно производить одним из упрощенных способов, изложенных в приложении 10.

2.1.22. Определение сопротивления срезу отвальных пород глинистого состава производится на обычных срезных приборах. Из отобранных образцов изготовляется стружка размером 2-5 мм, которая укладывается в уплотнители и выдерживается в течение 1-2 часов при 3-4-х нормальных нагрузках, в зависимости от величины напряжения, испытываемого породой в отвале. При селективном отвалообразовании испытаниям подвергаются все литологические разности, а при валовой отсыпке изготовляется смесь в пропорции, отвечающей соотношению пород в геологическом разрезе.

Нормальные напряжения при срезе задаются таким образом, чтобы во время опыта не происходило отжима воды, рассеивания порового давления и дополнительного уплотнения образцов.

Максимальное нормальное напряжение при испытании отвальной массы задается, исходя из двух условий:

а) отвальные породы срезаются при напряжениях, которые испытывает порода в отвале;

б) предельным сопротивлением срезу глинистых отвальных пород считается сопротивление, соответствующее нормальному напряжению, при котором начинается отжим воды; испытание отвальных пород при больших напряжениях нецелесообразно.

В связи с тем, что в нижней части отвалов возможно дополнительное увлажнение, которое приводит к уменьшению сопротивления срезу, испытания одних и тех же пород следует проводить при 2-3-х значениях влажности, превышающей естественную на 2-6%.

2.1.23. Испытания отвальных пород, представленных смесью глин и грубообломочных твердых пород, необходимо производить в приборах с увеличенной площадью среза; рекомендуется соотношение диаметра срезной коробки и диаметра наиболее крупных твердых включений не менее 15.

По результатам испытаний литологических разностей и смесей отвальных пород строятся графики сопротивления срезу в зависимости от нормальных нагрузок, которые используются при расчете устойчивости отвалов.

2.1.24. С целью прогнозирования проявления на карьерах фильтрационных деформаций (оплывания, механической суффозии, фильтрационного выпора и выноса вдоль трещин), а также деформаций, связанных с прорывом подземных вод, кроме изучения механических характеристик (п. п. 2.1.17-2.1.22), дополнительно определяются: гранулометрический состав песчаных пород (для определения коэффициента неоднородности), коэффициент фильтрации песков и песчаных глин, величины напоров водоносных горизонтов.

2.1.25. На соляных карьерах для получения исходных данных о процессах выщелачивания и растворения пород следует определять химический состав растворимых пород и цементирующего материала и химический состав подземных вод.

Методика получения перечисленных исходных величин изложена в "Справочном руководстве гидрогеолога", Л., Гостоптехиздат, 1959.

2.1.26. Все данные о геологических, инженерно-геологических и гидрогеологических особенностях участков карьерного поля, а также физико-механических свойствах горных пород отражаются на детальных инженерно-геологических погоризонтных картах и поперечных разрезах, ориентируемых в направлении, перпендикулярном простиранию соответствующих участков борта карьера. Для составления погоризонтных карт и разрезов в качестве основы используется существующая на предприятии маркшейдерско-геологическая документация.

2.1.27. Погоризонтные инженерно-геологические карты составляются не реже чем через 50 м по высоте, на рабочей основе маркшейдерских планов горных работ масштаба 1:2000 и непрерывно пополняются по мере отработки очередных заходок. Одновременно составляются и пополняются инженерно-геологические разрезы вкрест простирания слоев пород (или простирания литологических разностей изверженных и метаморфических пород).

Первичными материалами к составлению инженерно-геологических карт и разрезов являются инженерно-геологические съемки и зарисовки.

Погоризонтные инженерно-геологические карты и разрезы являются основными исходными документами для прогнозирования изменения с глубиной и по простиранию всех инженерно-геологических факторов, влияющих на устойчивость бортов карьеров, решения оперативных вопросов обеспечения устойчивости бортов карьеров и откосов уступов и составления проектов реконструкции карьеров.

2.2. Изучение структурных особенностей массива

2.2.1. Изучение структурных особенностей горных пород, слагающих месторождение, основывается на материалах разведки месторождения и полевых наблюдений в карьере и включает:

а) определение направления и характера основных поверхностей ослабления (тектонических нарушений, контактов между слоями и пр.);

б) определение протяженности и ориентировки в пространстве основных систем трещин;

в) установление интенсивности трещиноватости горных пород;

г) выделение участков карьера с характерными структурными особенностями.

2.2.2. При исследованиях устойчивости бортов карьеров различают два вида трещин: сплошные трещины большого протяжения (до 10 м и более) и трещины малые, или трещины отдельности. Трещины отдельности являются более частыми, чем сплошные трещины; ими, в основном, определяются форма и размеры элементарных блоков горной породы; трещины отдельности располагаются ступенчато.

Ряд трещин одного и того же направления называется системой трещин. Совокупность систем трещин в определенном объеме массива горных пород называется трещиноватостью данного участка массива.

2.2.3. Число трещин одной системы, приходящихся на 1 пог. м в направлении, перпендикулярном плоскости трещин, характеризует интенсивность системы. Средняя интенсивность трещиноватости определяется интенсивностью трех близких к взаимно перпендикулярным наиболее интенсивных систем и характеризует размер и форму элементарных структурных блоков породы.

Аналитически интенсивность трещиноватости , 1/м, выражается в виде:

, (4)

где , , - расстояния в метрах между трещинами I, II и III систем.

2.2.4. На устойчивость откосов наибольшее влияние оказывают трещины большого протяжения (сплошные трещины), развитые по слоистости, сланцеватости, параллельно тектоническим нарушениям и основной системе ступенчатых трещин отдельности. Сплошные трещины должны изучаться особенно тщательно. Предметом изучения является:

а) определение элементов залегания каждой трещины в нескольких точках;

б) плановая и высотная привязка точек замера;

в) характер поверхности трещин и заполняющий их материал.

Сплошные трещины документируются как в процессе ведения разведочных работ, так и непосредственно в искусственных обнажениях, образованных в результате ведения горных работ, а также в естественных обнажениях.

2.2.5. Системы ступенчато расположенных трещин отдельности интенсивностью не более 3, т.е. при крупности элементарных структурных блоков не менее 0,30 м, изучаются детально. Для этого по отдельным участкам, которые характеризуются однородным литологическим сложением, а также некоторой общей закономерностью формы и ориентировки трещин, берется от 10 до 20 замеров элементов трещин каждой системы. Протяженность таких участков может колебаться в значительных пределах: от 10 до 100-150 м, а иногда и до 200 м.

2.2.6. Элементы залегания ступенчатых трещин отдельности при интенсивности трещиноватости более трех можно не изучать, так как при такой интенсивности залегание этих трещин (ориентировка трещин) не влияет на устойчивость откосов: в этих условиях откос деформируется как квазиизотропный массив. По участкам с большой интенсивностью трещиноватости дается описание формы ограниченных трещинами блоков горной породы и их размеров.

2.2.7. Количество и протяженность участков замера трещин и их взаимное расположение определяются сложностью геологического строения месторождения. Они должны располагаться так, чтобы изучению был подвергнут весь комплекс горных пород, слагающих месторождение, и все элементы структур месторождения (крылья складок, осевые части и пр.). Массивы горных пород, расчлененные крупными геологическими нарушениями, должны иметь два участка замера (каждый). При простом строении месторождения расстояние между участками замеров принимается равным 150-200 м. Общее количество замеров элементов залегания трещин в пункте замера определяется количеством систем трещин и характером их поверхностей. При этом следует исходить из того, чтобы каждая система трещин имела не менее 15-20 замеров элементов залегания. При сильном разбросе данных для отдельных систем количество замеров увеличивается до 30.

Участки замера трещиноватости привязываются к маркшейдерским точкам или к характерным предметам, зафиксированным на плане горных работ, с точностью до 3-5 м.

2.2.8. На каждом участке замера трещиноватости определяются следующие параметры:

а) элементы залегания всех систем трещин;

б) элементы залегания напластования, сланцеватости и тектонических нарушений;

в) средние расстояния между трещинами каждой системы (интенсивность системы);

г) линейные размеры отдельных крупных трещин;

д) характеристика поверхности трещин, заполняющий материал;

е) форма структурных блоков.

Запись полевых данных производится в журнале по следующей форме:

Наименование горной породы, место и дата замера	Элементы залегания наслоения, сланцеватости или основной системы трещин		Элементы залегания трещин		Расстояние между трещинами системы	Характеристика поверхности трещин	Примечания и эскиз
	A		A'		l
1	2	3	4	5	6	7	8

Здесь A и A' - азимуты простирания поверхностей ослабления;

и - углы падения.

2.2.9. Непосредственно на карьере единичные точки замеров элементов залегания поверхностей ослабления наносятся на круговые равнопромежуточные сетки (рис. 2). На круговой диаграмме определяются средние значения элементов залегания систем как медианные значения для группы нанесенных на сетку точек каждой системы.

Для выявления основных систем трещин на месторождении средние значения элементов залегания каждой отдельной системы наносятся на сводную круговую диаграмму трещиноватости.

2.2.10. Замеры элементов залегания трещин производятся горным компасом; в магнитных породах на каждом участке замера определяется магнитное склонение, для этого производится визирование горным компасом по направлению с известным азимутом простирания.

В тех случаях, когда магнитное склонение определить не удается, рекомендуется солнечный компас (ориентир), у которого вместо обычной магнитной стрелки в центре круговой шкалы горного компаса нормально к плоскости ее устанавливается металлический стержень высотой 4-5 см. При замерах солнечным компасом фиксируются азимут тени стержня и время наблюдения. Истинное направление Солнца в каждый момент устанавливается по местному времени. Для удобства заранее составляется таблица с указанием истинного направления на Солнце в зависимости от времени для данной местности.

В тех случаях, когда по тем или иным причинам определить элементы залегания солнечным компасом или введением поправок за магнитное склонение не представляется возможным (например, при замерах элементов залегания, поверхностей ослабления в шахте, на теневой стороне в карьере и др.), используется трещинный угломер, состоящий из 3-х частей: 1) Т-образной линейки, 2) лимба с нанесенными делениями через 1-2 градуса, 3) визира, жестко скрепленного с лимбом угломера.

Наблюдения трещинным угломером производятся следующим образом: линейка угломера, вращающаяся вокруг вертикальной оси лимба, прикладывается по линии простирания трещины, после чего визир, жестко связанный с лимбом, направляется на теодолит или удобный для визирования ориентир (например, триангуляционный пункт, копер шахты и т.п.), и производится отсчет по лимбу. Азимут простирания трещины определяется непосредственно в натуре.

2.2.11. При описании характера поверхности трещин следует указывать, является ли поверхность волнистой или ровной, шероховатой или гладкой, заполнена ли трещина инфильтрационным материалом и каким именно (глинка, окислы железа и т.д.).

Расстояния между трещинами определяются непосредственным измерением линейкой, нивелирной рейкой или рулеткой. При изучении интенсивности трещиноватости можно использовать масштабное фотографирование откосов.

Масштабное фотографирование выполняется в следующей последовательности:

а) на изучаемом участке уступа устанавливаются две нивелирные рейки (одна по падению откоса уступа, другая - горизонтально вдоль простирания уступа);

б) уступ фотографируется с таким расчетом, чтобы в кадр попали рейки, а также верхняя и нижняя бровки уступа;

в) выполняется камеральная обработка фотоснимков:

- определяется масштаб изображения М (на фотоснимках размером 9x12 см величина М колеблется от 1:100 до 1:300),

- на фотоснимке намечаются 2-3 замерных участка - "окна" (не выше 2-3 м от верхней бровки уступа) размером 3x3 см,

- с помощью линейки замеряются размеры всех попавших в "окно" структурных блоков,

- зная величину М, находят истинные размеры структурных блоков и среднее значение интенсивности трещиноватости на изучаемом участке.

2.2.12. В результате изучения структурных особенностей массива горных пород месторождения составляются структурные планы (карты) (рис. 3) и профили, на которых по каждому уступу и по каждому участку наносятся все точки замеров сплошных трещин и средние значения элементов залегания наслоения, рассланцованности и систем ступенчато расположенных трещин отдельности. Азимут падения сплошной трещины показывается стрелкой, рядом цифрой - угол падения трещины и ее размеры, причем первая цифра означает размер по простиранию, а вторая - по падению. Среднее значение азимута падения наслоения, рассланцованности, генеральной системы трещиноватости, а также систем трещиноватости на каждом участке показывается стрелкой, угол падения - цифрой. На участках с интенсивностью трещиноватости более 3 условным знаком обозначается форма элементарных структурных блоков (кубическая, параллелепипедальная, косоугольная или многогранников), а рядом со знаком цифрой обозначается интенсивность трещиноватости. Структурный план по мере отработки месторождения должен все время пополняться.

2.2.13. Структурные планы и профили наглядно показывают положение основных направлений поверхностей ослабления прочности по отношению к бортам карьеров и их взаимное расположение и позволяют произвести выбор расчетных схем как для борта в целом, так и для отдельных участков и уступов; осредненные размеры элементарных структурных блоков позволяют с достаточной точностью определить коэффициент структурного ослабления массива горных пород.