Понятие о горном массиве и факторах определяющих поведение массива горных пород

1. Понятие о горном массиве и факторах определяющих поведение массива горных пород.

 

МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД (а. massif, block, rock mass, solid mass, solid strata) — участок земной коры, характеризующийся общими условиями образования и определёнными инженерно-геологическими свойствами слагающих его горных пород.

    Массивы отличаются особенностями залегания и степенью нарушенности (трещиноватостью и блочностью) слагающих горных пород, минералогическим составом, текстурой и пористостью горных пород, наличием жидких (вода, нефть, рассолы) и газообразных (метан и др.) включений, их связью с твёрдыми составляющими, а также показателями геомеханического (действующие силы, напряжения и деформации гравитационного, тектонического и техногенного происхождения) и физического (эрозионные процессы и др.) состояния. Выделение массива горных пород производится путём инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, масштабы которых устанавливаются в зависимости от поставленных целей при решении научных проблем и прикладных задач разработки месторождений полезных ископаемых и строительства. Массивы горных пород в горном деле — участок развития физико-механических явлений и процессов в результате воздействия естественных или искусственных факторов при ведении горных работ, а также при возведении различных сооружений. При этом к естественным воздействиям относятся гравитационные и тектонические напряжения, а к искусственным — напряжения и силы, вызванные подработкой массива, отпором крепи выработок, давлением фундаментов и др. Характеристики состояний и свойств пород массива определяют условия ведения горных работ, возведения сооружений; они являются основанием при проектировании горных работ.  
    Особенностью массива горных пород как среды действия прикладываемых сил, напряжений, развития деформаций, движений и разрушений является его неоднородность: деформации сосредотачиваются преимущественно в ослабленных элементах структуры массива (в трещинах и др.), в меньшей мере деформируются блоки монолитной породы, ограниченные трещинами. Разрушение пород происходит, как правило, с образованием в направлениях максимальных значений касательных напряжений сдвиговых поверхностей скольжения, формирующихся в виде зон образования и согласного поворота, примыкающих друг к другу призмообразных элементарных породных блоков. Сопротивление этому сдвигу обусловлено сопротивлением разрушению горных пород при оформлении блоков, а также сопротивлением разрыхлению при их повороте. В случаях близкой взаимной ориентировки максимальных касательных напряжений и протяжённых поверхностей ослабления массива развитие деформаций и разрушения происходит преимущественно в плоскости этого ослабления.

    В зависимости от горно-геологических  условий и характера проектируемых  горных работ поведение и свойства  горных пород массива приближённо  отображают механическими закономерностями  различных идеализированных классических  сред. В условиях высоких трёхосно-сжимающих нагрузок (на больших глубинах разработки в удалении от свободных обнажений) механическое состояние массива с достаточной мерой приближения оценивается положениями механики сплошной среды. Условием корректного приложения к массиву этих положений является применение их к участкам массива, достаточно большим по сравнению с размерами структурных элементов. При масштабном соотношении этих размеров не менее чем 15-20-кратном неоднородность массива приближённо рассматривают как квазиоднородность. Механические свойства массива в расчётах его сопротивления и деформаций характеризуют соответствующими показателями монолитной породы, скорректированными коэффициентами структурного ослабления, зависящими от меры нарушенности массива (частоты и связности трещин) и от вида и уровня напряжённого состояния. В условиях высоких трёхосно-сжимающих напряжений и при значительном превышении размеров нагруженных зон массива по сравнению с размерами структурных элементов, значения коэффициентов структурного ослабления массива близки к единице. В условиях, близких к одноосному или двухосному напряжённому состоянию (например, в нешироких целиках и вблизи выработок), значимость структурных ослаблений (трещин, контактов) преобладает и значения коэффициента структурной ослабленности значительно меньше единицы.

    Массив горных пород  в этом случае является дискретно-блочной  средой, устойчивость которой оценивается расчётом сцепления и трения контактов взаимно смещающихся монолитных блоков породы. Для количественной оценки влияния структурных ослаблений массива горных пород на его устойчивость, деформации, перемещения и взаимодействие с инженерными сооружениями в различных условиях используют ряд методов. Среди них — механические испытания породных образцов с естественными ослаблениями или системой искусственно созданных поверхностей нарушения сплошности породы на прессах и специальных установках (стабилометрах) с определением при различных видах и уровне напряжённого состояния, либо показателей сцепления и трения по поверхностям, либо паспорта прочности породы. Применяются и натурные испытания породы без извлечения её из массива путём искусственного нагружения оконтуренного в массиве блока с помощью нагрузочных устройств (домкратов, гидроподушек, прессиометров и др.). Из эквивалентных материалов создаются модели проектируемой горно-геологической обстановки в лабораторных условиях. Иногда такая оценка осуществляется путём проведения опытных горных работ (например, опытная подработка откосов) или использования в качестве опытных горных работ обобщённых результатов натурных наблюдений за устойчивостью массивов в аналогичных случаях горной и строительной практики.

 

Различие  свойств горных пород в образце  и массиве.

 

Опыт и наблюдения за поведением горных пород в массиве свидетельствуют о зависимости свойств пород от их особенностей как геологических тел и конкретных условий залегания в массиве. Об этом свидетельствуют также данные значительных расхождений свойств горных пород в образцах и массиве. Так, модуль упругости, полученный на образцах, нередко на один—два порядка выше модуля упругости, полученного в натурных условиях.

Основными причинами расхождения  свойств пород в образцах и  массиве являются нарушения условий  подобия — геометрического напряженного состояния и во времени (длительности наблюдений). Определенное влияние  оказывают эффект разгрузки горной породы в результате извлечения образца  из массива и деформаций, неизбежно  сопровождающие разгрузку, а также  изменения фазового состава (потеря влаги, дегазация) и механические повреждения.

Многие явления текстурной неоднородности и трещиноватости не могут быть представлены в малых объемах — образцах. В то же время их роль в развитии механических и других процессов в массивах пород исключительно велика. Все наиболее серьезные по своим последствиям нарушения устойчивости горных пород в окрестностях горных выработок и области (зоны) их локализации связаны с явлениями структурной и физической неоднородности породы и массива пород в целом.

Известны различные методы определения  свойств пород в массиве. Поиски в этом направлении продолжаются и в настоящее время.                     Они направлены на усовершенствование методов и технических средств проведения испытания пород в образцах в условиях, максимально приближающихся к натурным, и на выявление роли отдельных факторов структурной и физической неоднородности на свойства пород в массиве путем использования для этой цели методов модельного эксперимента. Перспективны также методы моделирования, основанные на нахождении природных объектов, отвечающих условиям так называемого «интегрального подобия» и основанные на теории подобия и теории распознавания образцов (Л. Б. Розовский). Ниже рассмотрены основные факторы нетождественности свойств горных пород в образцах и в массиве.

 

Явления неоднородности горных пород в образцах и массиве

   

Факториальные признаки (вещественный состав, структура минерального скелета  и порового пространства, межминеральные связи) горных пород, как правило, не остаются постоянными во всем объеме горной породы, они изменяются при переходе из одной точки в другую (явление неоднородности) и с изменением направления (явление анизотропности). Явления неоднородности и анизотропности далеко не всегда тождественны для породы в образцах и массиве. Так, при неупорядоченной изменчивости факториальных признаков порода в массиве может рассматриваться как квазиоднородное тело, тогда как в образцах она обнаруживает резко окрашенную неоднородность. В равной мере при интенсивной «вторичной» складчатости или плойчатости порода в массиве ведет себя как квазиизотропное тело; в образцах она анизотропна.

 Очевидно, в подобных и аналогичных  им случаях нельзя переносить  характеристики неоднородности  и анизотропности породы в образцах на массив.

  По характеристикам неоднородности  и анизотропности можно различать следующие группы горных пород (табл. 1).

Таблица 1

 

Однородные

Примерно равноценны во всем объеме породы и во всех направлениях

 

Окончание таблицы 1

Неоднородные квази-изотропные	Качественно различны в отдельных участках, но примерно равноценны во всех направлениях
Однородные анизотропные	Меняются с изменением направления, но выдерживаются в любом данном направлении
Неоднородные и анизотропные	Различны во всех частях объема породы и изменяются с изменением направления

 

 Перечисленные группы пород  по характеристикам неоднородности  и анизотропности устанавливаются по микроскопическим признакам. Но в природе известны случаи, когда анизотропность свойств пород обнаруживается лишь на микротекстурном уровне. В таких случаях она обусловлена определенной ориентацией кристаллографических осей (и соответственно плоскостей спайности) некоторых породообразующих минералов, например кварца, в гранитах. По исследованиям Л. М. Музырева с ней связано направление наилучшей «делимости» породы при добыче и обработке штучного камня.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Виды воды в горных породах.

К подземным водам относятся  все природные воды, находящиеся под поверхностью Земли в подвижном состоянии. Вопросы происхождения, движения, развития и распространения подземных вод являются предметом изучения специальной отрасли геологической науки - гидрогеологии (греч. "гидро" - вода). Подземные воды тесно связаны с водой атмосферы и наземной гидросферы - океанами, морями, озерами, реками. В природных условиях происходит непрерывное взаимодействие этих вод, так называемый гидрологический круговорот как показано на рисунке 1.

 

 

 

 

Одним из важнейших факторов, определяющих условное начало круговорота, является испарение воды с поверхности  океанов, морей и поступление  влаги в атмосферу. Наибольшее поступление  влаги в атмосферу происходит за счет испарения в океанах. Часть  образующегося водяного пара над  океаном, конденсируясь, выпадает в  виде осадков над самим океаном, завершая так называемый малый круговорот. В отличие от малого большой круговорот обусловлен водообменном между океанами и сушей, когда значительная часть водяных паров с океана переносится воздушными течениями на материки, где при благоприятных условиях, они конденсируются и выпадают в виде атмосферных осадков. Большая часть атмосферных осадков, выпадающих на материки, стекает по поверхности и вновь непосредственно или через реки попадает в океан, часть же осадков просачивается (фильтруется) в горные породы и идет на пополнение подземных вод, образующих подземный сток, и, наконец, некоторый объем вновь испаряется в атмосферу.

Таким образом, распределение выпадающих атмосферных осадков может быть представлено следующей схемой: испарение, поверхностный сток, инфильтрация, или просачивание, подземный сток. Соотношение между указанными составляющими изменяется в зависимости от конкретных природных условий: рельефа, температуры воздуха, растительности, водопроницаемости горных пород и др. В пределах большого круговорота на материках выделяется внутренний, или внутриконтинентальный, круговорот, повторяющийся неоднократно, существенно увеличивая количество атмосферных осадков, выпадающих на сушу и пополняющих подземные воды.

Происхождение подземных  вод

По  условиям образования выделяются несколько  типов подземных вод:  

       1) инфильтрационные;

2) конденсационные; 

3) седиментогенные; 

4) магматогенные, или ювенильные;

5) метаморфогенные, или возрожденные.

Инфильтрационные  подземные воды образуются из наземных вод атмосферного происхождения. Одним из главных видов питания их является инфильтрация, или просачивание вглубь Земли дождевых и талых атмосферных осадков. В ряде случаев в питании подземных вод принимают участие воды, фильтрующиеся из рек, озер, водохранилищ и из каналов.

Конденсационные воды образуются в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород. Этот процесс объясняется разностью упругости водяных паров, находящихся в различных зонах аэрации, и взаимосвязанных с ними водяных паров атмосферного воздуха. Конденсация водяных паров имеет существенное значение для пустынных районов с малым количеством атмосферных осадков, где периодически возникают небольшие тонкие линзы пресных конденсационных вод, налегающих на соленые воды.

Седиментогенные подземные  воды (лат. "седиментум" - осадок) - это высокоминерализованные (соленые) подземные воды в глубоких слоях осадочных горных пород. Происхождение таких вод, большинство исследователей связывают с захоронением вод морского генезиса, сильно измененных под влиянием давления и температуры. Они могут быть образованы одновременно с морским осадконакоплением, в этом случае их называют сингенетическими. Другой вариант их происхождения может быть связан с проникновением вод морских бассейнов в ранее сформированные породы, также в последующем захороненные новыми отложениями. Такие воды называют эпигенетическими (греч. "эпи"-на, после). Седиментогенные воды нередко называют "погребенными", или реликтовыми (лат. "реликтуc" - остаточный). Ряд исследователей (Н. Б. Вассоевич и др.) отводят существенную роль в формировании глубинных пластовых вод так называемым элизионным процессам (лат. "элизио" - выжимание), т. е. выжиманию под влиянием давления и температуры из иловых морских осадков седиментогенных вод в водопроницаемые песчаные и другие слои. Такие воды называются перемещенными.