21954

Инженерно-геологические исследования в горном деле

Лекция

География, геология и геодезия

Предмет и задачи инженерногеологических исследований в проблеме рационального использования полезных ископаемых. Системный подход к инженерногеологическому исследованию при разведке месторождений полезных ископаемых. Инженерногеологические условия месторождений полезных ископаемых. Предмет и задачи инженерногеологических исследований в проблеме рационального использования полезных ископаемых.

Русский

2013-08-04

2.71 MB

27 чел.

Инженерно-геологические исследования в горном деле.

  1.  Предмет и задачи инженерно-геологических исследований в проблеме рационального использования полезных ископаемых.
  2.  Системный подход к инженерно-геологическому исследованию при разведке месторождений полезных ископаемых.
  3.  Инженерно-геологические условия месторождений полезных ископаемых.
  4.  Взаимодействие горных работ и сооружений с геологической средой.

  1.  Предмет и задачи инженерно-геологических исследований в проблеме рационального использования полезных ископаемых.

Развитие горной промышленности на ближайшую перспективу по мнению многих крупных специалистов характеризуют следующие тенденции.

Рост добычи и потребления минерального сырья — через каждые 12—15 лет добыча минерального сырья увеличивается вдвое.

  1.  Вовлечение в эксплуатацию месторождений с более бедным содержанием полезных компонентов, что приводит к увеличению площадей складирования отходов производства.
  2.  Увеличение глубины разработки, что обусловливает большие деформации бортов карьеров, рост объемов отвалов, осложнения процессов при подземной разработке, а также значительные потери полезного ископаемого.
  3.  Освоение месторождений со сложными инженерно-геологическими и экономико-географическими условиями, что ведет к новым сложным процессам и явлениям в горных выработках и в конечном итоге к ухудшению  технико-экономических   показателей.
  4.  Повышение доли эффективного открытого способа добычи, что уменьшает потери и стоимость полезного ископаемого, но увеличивает площади нарушенных земель.

Все эти тенденции в конечном итоге вызывают удорожание разведки и добычи полезного ископаемого, на что приходится значительная доля капитальных вложений.

Задачи инженерно-геологических исследований в общей проблеме рационального использования природных ресурсов определяются объектом и предметом инженерной геологии как науки в целом. Принимая во внимание существующие представления о геологической среде как об объекте инженерной геологии и о инженерно-геологических условиях как о ее предмете, можно сформулировать две основные задачи при изучении месторождений полезных ископаемых: оценка (с элементами прогноза) инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых с целью обоснования оптимальных проектных решений, обеспечивающих наиболее рациональное использование минеральных ресурсов и земельных угодий при минимальных нарушениях геологической среды и высокое безопасности и экономичности ведения горных работ, оценка и прогноз изменений инженерно-геологических условий горнодобывающего района в результате освоения месторождения с целью обоснования мероприятий по ограничению этих изменений.

Сформулированные задачи являются взаимосвязанными и взаимообусловленными. Решение первой приводит к более надежным результатам исследований второй. Данные, получаемые в период эксплуатации месторождения, обогащают подложности инженерно-геологических оценок в период разведочных работ. К настоящему моменту можно говорить о проведении инженерно-геологических исследований на отдельных стадиях разведки месторождений, т. е. о выполнении первой задачи: оценки инженерно-геологических условий месторождений, проводимой главным образом на стадиях детальной разведки и доразведки в соответствии с «Инструкцией о содержании, оформлении и порядке представления в ГКЗ материалов по подсчету запасов металлических и неметаллических полезных ископаемых». Обоснованием для выполнения этих исследований служат специальные разработки ВСЕГИНГЕО и других ведомственных НИИ, а также некоторых вузов.

Специфика данного вопроса заключается в том, что из-за сложности инженерно-геологических условий месторождений и из-за многофакторности процессов, возникающих при взаимодействии с горными выработками, большая часть проблем, связанных с оценкой и прогнозом устойчивости горных сооружений, решается в период их строительства и эксплуатации (в отличие от других типов сооружений). Поэтому приходится проводить инженерно-геологические исследования не только в период разведки (утверждения его запасов в ГКЗ и проектирования горного предприятия), но и непосредственно в горных выработках вовремя их строительства и эксплуатации. Надо отметить, что для повышения, надежности инженерно-геологических оценок и прогнозов в период разведки месторождения большое значение приобретают исследования и наблюдения в горных выработках. Они особенно важны для обоснования мероприятий по ограничению вредного влияния горнодобывающих предприятий.

Инженерно-геологические условия представляют собой целостную систему взаимосвязанных компонентов, определяющую сложность разработки месторождения, характер и масштабы изменений среды под влиянием процессов горного производства. Взаимодействие горных сооружений (выработок) с отдельными компонентами нарушает природное равновесие всей системы, в результате чего возникает ряд изменений (процессов), имеющих геологическую природу. Изучение закономерностей этих процессов во время строительства и эксплуатации различных горных сооружений (шахт, карьеров, отвалов, шламо- и хвостохранилищ и др.) позволяет прогнозировать возникновение, развитие и масштабы таких процессов заблаговременно и с необходимой надежностью.

Во время шахтных (карьерных) исследований и наблюдений уточняется существующая методика инженерно-геологических работ и разрабатываются новые подходы к геологическому обоснованию проектных решений. В результате оценки естественной геологической обстановки  и уяснения закономерностей ее взаимодействия с горными работами можно создать инженерно- геологическую модель, которая явится базой для проведения расчетов параметров карьеров, отвалов, горного давления, креплении а также для оценки наносимого ущерба природной среде и для рекомендации мероприятий по ограничению этого ущерба

Вместе с тем необходимо иметь в виду, что надежные оценки и прогнозы возможны только в том случае, если учтены горнотехнические условия: напряженное состояние вокруг выработок направление выработок по отношению к элементам залегания пород трещин, слоистости, технология ведения горных работ, вид и характер крепления, специфика управления горным давлением, продолжительность прохождения и охрана выработок и т. д. К настоящему времени уже созданы теоретические предпосылки для аналитического решения многих задач по оценке устойчивости горных выроботок. Для этого, однако, необходима детальная характеристика геологического строения, гидрогеологических и газовых условий, трещиноватости, слоистости, прочности, деформируемости и естественного напряженного состояния горных пород с учетом их структурных и текстурных особенностей. Надо иметь в виду, что обобщение шахтных и карьерных наблюдений и выявление надежных закономерностей невозможны без знания механических свойств и напряженного состояния пород вокруг горных выработок.

Повышение надежности геологическою обоснований при решения ряда горно-геологических задач является тем реальным вкладом, который может внести инженерная геология в разработку общей проблемы рационального использования недр и охраны геологической среды в районах горнодобывающей промышленности. И. Я. Ломтадзе выделил в качестве основного раздела инженерной геологии инженерную геологию месторождений полезных ископаемых и определил область ее исследовании. Для студентов специальности «Гидрогеология и инженерная геология» в ЛГИ стал читаться отдельный курс Инженерная геология месторождений полезных ископаемых».

Проблемы инженерной геологии в горном деле были предметом обсуждения еще на нескольких всесоюзных совещаниях в 70-х годах. Среди них особого внимания заслуживают специализированные совещания в Белгороде (1975 г.) и Новом Раздоле (1977 г.), на которых рассматривался широкий круг вопросов изучения, оценки и прогноза инженерно-геологических условии месторождений полезных ископаемых. В основных докладах (Г. 1. Скворцов, Г А Голодковская, Б. В. Смирнов, М. Е. Певзнер, А. М. Гальперин, В. В. Фромм и др.) были проанализированы теоретические и методические особенности инженерно-геологического обоснования условий разработки месторождений Еще раз было отмечено, что это обоснование является неотъемлемой частью геологической разведки и должно проводиться на всех ее стадиях.

Здесь же указывалось на одну из главных причин неблагополучия в области прогнозных оценок условий освоения недр. Это, с с одной стороны отсутствие научно обоснованных требований к характеру и объему инженерно-геологических данных, необходимых для оценки взаимодействия горных сооружений геологической средой, а с другой - невысокий   не невысокий, не отвечающий современным условиям развития науки технический уровень теоретических и методических разработок инженерно-геологической оценки месторождений полезных ископаемых и прогноза тех изменений, которые наступят при их освоении.

Рассматриваемый период знаменателен для инженерной геологии еще одним обстоятельством, имеющим, как считают некоторые ученые эпохальное значение. В апреле 1972 г. в Москве состоялось первое в своем роде специальное инженерно-геологическое совещание, на котором осуждалась проблема рационального использования земной коры как источника минеральных ресурсов и как среды обитания и жизнедеятельности человека. Инженерная геология как наука о геологических условиях строительства т е по существу наука о взаимодействии человека с геологической спелой, приобрела особое значение в обшей проблеме рационального использования и охраны природы, хотя и до этого инженерно-геологические исследования в конечном итоге решали задачи этой проблемы. Тем не менее после этого совещания началось интенсивное изучение влияния различных сооружений н строительных работ на изменение природной обстановки.

Под эгидой этого нового течения прошла II Всесоюзная конференции в 1976 г. в Ленинграде на тему «Проблемы инженерной геологии в связи с рациональным использованием геологической среды». На этой конференция в докладах Г. Г. Скворцова, В. Н. Славянова, В. Г. Зотеева, А. М. Гальперина, В. Н. Новожилова, О. Ю. Крячко, И. П. Иванова и других специалистов были приведены результаты исследований различных месторождений (угольных, рудных, соляных) с целью рационального использования недр и охраны прилегающих территорий.

Закончились 70-е годы принятием на 26-м Международном геологическом конгрессе специальной «Декларации Международной ассоциации по инженерной геологии по вопросу окружающей среды», в которой отмечалось, что оценка инженерно-геологических условий и прогноз их изменения под влиянием человеческой деятельности это по существу инженерно-геологическое изучение геологической среды.

Для периода 70-х годов характерно огромное число опубликованных работ, отражающих результаты теоретических и экспериментальных исследований в области инженерной геологии месторождений полезных ископаемых. Среди них наиболее крупными являются труды Г. Г. Скворцова, В. В.Фромма, В. В. Смирнова [1973, 1975, 1976], В. Т. Глушко и Г. Т. Киричанского [1974]. Г. А. Голодковской, Л. М. Демидюк и др. [19751, П. Н. Панюкова (1978], Т. Глушко и В. Г. Борисенко [1978], М. Е. Певзнера [1978].

Первая половина 80-х годов проходит под знаком интенсификации всех строительных работ  повышает требования к инженерно-геологический оценкам и прогнозам. Об этого можно сулить по большому числу публикаций, посвященных кардинальным вопросам инженерной геологии. Применительно к горной промышленности важнее значение придается вопросам рационального использования недр и охраны геологической среды, что было предметом специальных совещаний, проводимых МГУ (1981, 1983 гг.), и многих конференций, семинаров, школ.

В ноябре 1981 г. состоялась специальная сессия секции гидрогеологии и инженерной геологии Научно-технического совета Мингео СССР, на которой обсуждались «состояние и пути дальнейшего совершенствования гидрогеологических и инженерно-геологических исследований месторождений полезных ископаемых при их разведке». В рекомендациях сессии были намечены различные мероприятия по улучшению работы геологических организаций, среди которых особого внимания заслуживают следующие положения:

создание постоянно действующих полигонов на крупных месторождениях, где ведутся разведочные и эксплуатационные работы;

усиление подготовки и рост выпуска специалистов по гидрогеологии и инженерной геологии месторождений полезных ископаемых;

разработка новых технических средств для инженерно-геологических исследований;

разработка нормативных документов по всем видам гидрогеологических
и инженерно-геологических работ, проводимых при разведке месторождений.

Материалы IV Всесоюзной конференции по инженерной геологии, состоявшейся в Свердловске в 1984 г., а также 27-го Международного геологического конгресса, проходившего в Москве в том же году, свидетельствуют, что проблемы   инженерной   геологии   при  разведке   и   разработке   месторождений.

Анализ материалов исследований последних лет показывает, что современная обстановка, в которой развивается инженерная геология месторождений полезных ископаемых, характеризуется вполне определенными особенностями.

1. Разведуются и осваиваются месторождения со сложными природными условиями, с низким содержанием полезных компонентов. Увеличиваются   глубины   разработки  месторождений — до 2000—2500 м для подземных выработок и до 300—700 м для от крытых, что создает качественно новые условия разведки и раз
работки.

  1.  Совершенствуются системы и технология горных работ и при меняется более мощное оборудование большой производительности, которая может быть реализована при отсутствии нежелательных деформаций в забое, на транспортных коммуникациях, на от валах; при надежных определениях параметров пород для опенки сопротивления резанию, разрушению взрывными работами и гидромеханизацией, оценки прилипания к рабочим органам и транспортным емкостям; при эффективном дренировании, соблюдении условий безопасности труда горняков и т. д.
  2.  Растут требования к рациональному использованию недр и охране окружающей среды (к вопросам инженерной экологии). В этой области, как уже показала практика, перед инженерной геологией стоят сложные задачи, и она обладает возможностями для их решения.
  3.  Разрабатываются на высоком теоретическом уровне с применением современной техники вопросы изучения физико-механический свойств горных пород (главным образом скальных) в лабораторных условиях, моделирования геологических процессов, исследования естественного напряженного состояния и напряжений
    вокруг выработок, аналитической оценки горного давления. Изучение закономерностей возникновения и развития горно-геологических процессов и явлений, сопутствующих горным работам, строительству и эксплуатации горных сооружений, ведется не систематически, без участия инженеров-геологов, что не дает возможности своевременно и надежно прогнозировать геологические условия разработки месторождений и обосновывать эффективные мероприятия, способствующие рациональному использованию недр охране окружающей среды.
  4.  Оценка и прогноз инженерно-геологических условий месторождении на различных стадиях разведочных работ, несмотря на применение большого количества разработанных для этой ней методов, все еще являются неточными и ненадежными Значительные размеры сферы влияния горных работ и сложное, недостаточно изученное взаимодействие между природной (геологической) к техногенной средами не позволяют достичь такой детальности же исследований, которая характерна для инженерных изысканий на территориях строительства различных типов наземных сооружений

Существенное влияние на повышение точности и надежности инженерно-геологических оценок, прогнозов и рекомендаций могут оказать результаты наблюдений и исследований в горных выработках.

Я. Недостаточная научная подготовка специалистов, которые должны владеть знаниями в области инженерной геологии месторождений полезных ископаемых и горного дела, не способствует быстрому изменению сложившейся неблагоприятной ситуации в геологическом обслуживании горнодобывающей промышленности.

9. Перечисленные в пунктах 6—8 недостатки инженерно-геологических исследований на различных стадиях разведки месторождений полезных ископаемых задерживают проектирование горных предприятий, не позволяют своевременно дать оценку и прогнозы условий строительства горных выработок и других сооружений, а также условий их эксплуатации.

Основные задачи инженерной геологии

Возникновение и развитие инженерно-геологического направления при оценке условий освоения месторождений полезных ископаемых с самого начала было вызвано необходимостью решения комплекса задач, основная цель которых сводилась к рациональному использованию минеральных ресурсов, обеспечению безопасности и эффективности ведения горных работ и обоснованию размещения и устойчивости инженерных сооружений разного назначения в конкретной природной обстановке.       

В последние годы в связи с ростом требований к охране природы  вопросы инженерно-геологического изучения месторождений полезных ископаемых, направленные на оценку и прогноз условий их разработки, считаются традиционными, а проблемы исследования изменении этих условий вследствие их нарушения и загрязнения горным производством,— новыми, главными. Этот взгляд утверждается под влиянием некоторых положений ведомственных инструкций и методических рекомендаций. Так, в основной инструкции ВСЕГИНГЕО цель инженерно-геологических работ при разведке месторождений твердых полезных ископаемых сводится к оценке инженерно-геологических условий для обоснования утверждения запасов полезного ископаемого в ГКЗ и для проектирования горных работ. В более новой инструкции [29] это определение цели сохранилось полностью, а в перечень задач вошла «оценка влияния горных работ на геологическую среду в целях разработки необходимых охранных мероприятий». Но в дальнейшем вопросы оценки и прогноза изменений природных условий под влиянием разработки месторождений не рассматриваются.

Такой подход нельзя признать правильным и перспективным. При решении инженерно-геологических задач в горном деле (так и в  других видах строительства)   характерной  особенностью всегда были комплекс исследований и доведение до результатов до количественных оценок процессов возникающих под влиянием внешнего воздействия. Не всегда, правда, эти оценки имеют достаточную точность и надежность, и не всегда они даются специалистами по инженерной геологии. Эти два обстоятельства и побудили автора, проработавшего почти 30 лет по проблемам инженерной геологии в горной практике, обсудить на страницах этой книги основные вопросы инженерно-геологического обеспечения разработки месторождений твердых полезных ископаемых.

Инженерная геология применительно к проблемам горной промышленности как научное направлении имеет вполне сформировавшиеся объект, предмет, цель, задачи и методы исследования. Объектом являются месторождение полезного ископаемого и прилегающие к нему территории, подвергающиеся изменению под воздействием горных работ. Объект, видимо, можно рассматривать как некоторую сложную систему, которую в соответствии с предложениями ряда специалистов  можно назвать инженерно-геологической системой.

Предметом рассматриваемого направления инженерной геологии являются геологические условия вскрытия и разработки месторождения, строительства и поддержания горных сооружений, проведения мероприятий по ограничению вредного влияния горного производства, и выполнения рекультивации нарушенных земель. Для краткости предметом можно назвать инженерно-геологические условия освоения месторождения и прилегающих территорий. Как известно, многие специалисты вслед за П. Н. Панюковым называют эти условия горно-геологическими, что очень удобно с чисто понятийных соображений. К сожалению, этой термин используется в горной практике с разным содержанием

Целью данного научного направления следует считать инженерно геологическое обоснование путей рационального использования и охраны недр, повышения безопасности и эффективности горных работ. Для достижения этой цели решаются следующие основные задачи:

оценка инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых (или их частей) и прилегающих территорий (будущих горных и земельных отводов);

прогноз изменений инженерно-геологических условий  под влиянием освоения месторождения (или отдельных его частей);

обоснование мероприятий по управлению происходящими изменениями и по восстановлению природной обстановки.

Перечисленные задачи не только связаны между собой последовательно: прогнозировать нельзя без познания (оценки) условий, управление не может быть надежным без научного предвидения, — но и обладают обратной связью: прогнозирование приводит к новым оценкам, а управление уточняет как прогнозы, так и оценки инженерно-геологических условий. Иначе говоря, решения этих задач обогащают друг друга, и поэтому исследования, проводимые для решения одной задачи, во многом способствуют уточнению другом и отношении получаемых результатов, так и и отношении применяемых методов исследований. На разных стадиях изучения объекта происходит накопление информации для решения и всех трех задач, но надежность и точность этих решений неравнозначны.

Методы исследования в своей основе являются геологическими,
хотя в настоящее время трудно представить себе решение сложных
задач опенки и прогнозирования природных и природно-техногенных процессов и явлений одними геологическими методами. Методы, применяемые при инженерно-геологическом прогнозировании, базируются на выводах по аналогии: а) геологической, а) вероятностной, в) модельной, г) натурной, д) расчет
ной, е) экспертной.

Разработке   методов   инженерно-геологических   исследований месторождений твердых полезных ископаемых на общем фоне развития методических проблем в инженерной геологии уделяется значительное внимание в исследованиях ВНИГРИуголь, ВСЕГИНГЕО, ВНИМИ, ВИОГЕМ [31], ИГД, МГУ, ЛГИ, МГИ, СГИ, ТИСИ и других организации геологического и горного профиля. Из нормативных документов наиболее полное отражение результат этих работ нашли в инструкции и методических рекомендациях по изучению инженерно-геологических свойств боковых пород и прогнозу их устойчивости на угольных месторождениях», утвержденных Мингео СССР и согласованных с Минуглепромом СССР [29]. В этой инструкции применительно к разным стадиям разведочных работ рассматриваются методы и способы документации керна скважин, изучения литолого-петрографических и фациальных особенностей углевмещающих пород, опробования горных пород, определения физико-механических свойств полускальных и скальных пород, систематизации и обобщения результатов изучения горных пород, прогнозирования их устойчивости Различая пространственные и пространственно-временные прогнозы, ее авторы   (Г. Г. Скворцов, Б. В. Смирнов, В. В. Фромм, В. Н. Свержевский) рекомендуют применять следующие методы прогнозирования: сравнительно-геологический (аналогии), учета и оценки влияния природных и горнотехнических  факторов,  расчетно-аналитический, моделирования, диагностических классификаций, экстраполяции, интерполяции, экспертных оценок и симптомов.

Особую ценность при прогнозировании представляют данные, полученные по наблюдениям в действующих шахтах и карьерах в период разведки месторождений. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в главе 4. Пока что следует отметить исключительно малое внимание со стороны геологоразведочных организаций к изучению поведения горных пород при строительстве и эксплуатации горных выработок и к оценке тех изменений геологических условий, которые происходят в горнодобывающих районах.

  1.  Системный к инженерно-геологическим исследованиям при разведке месторождений полезных ископаемых.

Как известно, сущность системного подхода сводится к тому, что объект исследования, который можно принять за некоторую систему, изучается как нечто целостное, а его составляющие элементы исследуются не сами по себе, а исходя из задачи рассмотрения системы (целостного объекта)

А теперь рассмотрим, как решалась задача о прогнозе устойчивости бортов карьера. В качестве объекта (системы) как единое целое изучался участок месторождения — будущий рабочий или нерабочий борт карьера, а в качестве элементов, входящих в систему,— горные породы, подземные воды, плотность и прочность пород, условия их залегания, тектоническая нарушенность. глубина карьера, дополнительные загрузки от оборудования и буровзрывных работ, ширима рабочих и транспортных берм и т. д.

Прежде всего надо утвердиться в том, что борт карьера, а точнее, построенная нами модель этого борта, обладает свойствами системы. Понятий «система» довольно много, но обычно под системой подразумевают упорядоченное множество взаимосвязанных между собой элементов (горные породы, подземные воды, условия залегания и т. д.), образующих целостное единство (борт карьера). В систему (борт) входят элементы разных порядков (горные породы, трещиноватость, прочность), поэтому между ними устанавливаются отношения иерархии. В свою очередь борт как система входит в систему более высокого порядка (карьерное поле), а горные породы являются системой более низкого порядка, чем борт. Каждая подсистема может быть рассмотрена более глубоко и всесторонне, чем это требуется для оценки той системы, куда она входит как составной элемент.

Прогнозируя степень устойчивости борта или его угол наклона при заданной степени устойчивости, мы изучали (и изучаем) только те качества слагающих элементов и только те отношения между ними, которые определяют устойчивость изучаемой системы (борта) как единого целого. Так, например, оцениваются не все свойства элементов, а только влияющие ни напряженное состояние борта и па изменение прочности горных пород; исследуя трещиноватость горных пород, интересуются ее влиянием на прочность пород и на характер расчетной схемы и т. д.

Одним из главных преимуществ системного подхода считают его возможность выделить из множества факторов именно те, которые оказывают наибольшее влияние на изменение (работу) исследуемой системы. При прогнозе устойчивости бортов карьеров это достигалось оценкой влияния отдельных элементов расчетным путем (оценка изменения устойчивости системы), а также интуицией исполнителя или способом экспертных оценок. Можно отметить и еще одну особенность исследования устойчивости откосов, характерную для системного подхода вообще. Это разбиение общей проблемы (прогноз устойчивости борта) на под проблемы использование которых должно быть подчинено цели достижения оптимального решения общей проблемы. К примеру, изучение горных пород их свойств должно вестись, не по условиям узнать «все, что можно» а определить только необходимое для решения задачи устойчивости. То обстоятельство, что некоторые исследователи проводят массовые компрессионные испытания глинистых пород при изучении условий устойчивости откосов, надо рассматривать не как пример отсутствия системного подхода, а просто как непонимание проблемы.

Объекты, изучаемые в инженерно-геологическом аспекте (так же как и многие другие объекты естественных наук), являются системными по своей сущности и внутреннему строению. Они существуют и функционируют независимо от нашего сознания (хотя некоторые исследователи считают, что система формируется в нашем сознании); техногенное же воздействие может изменить интенсивность и направленность природных процессов. Эти объекты представляют собой единое целое, состоящее из множества взаимообусловленных и взаимосвязанных элементов. Вот как А. А. Каган характеризует геологические объекты (изучаемые как основание или среда для различных инженерных сооружений), что позволяет относить их к большим системам:

сложены большим количеством компонентов;

проявляют сложное поведение;

параметры их имеют статистическое распределение в пространстве и во времени;

— реагируют на внешнее воздействие в разных своих частях по-разному;

 Отличие инженерно-геологических исследований в горных  выработках от большинства традиционных инженерных исследований заключается в том, что они проводятся в природно-технической системе, а не только в инженерно-геологической подсистеме; это значительно осложняет их, но вместе с тем делает более информативными и более конкретными.

Изложенное здесь отношение к системному подходу имеет одну-единственную цель — показать, что такой подход не является совершенно новой методологией в инженерной геологии (особенно это касается инженерно-геологического изучения различных процессов в горных породах, вызванных природными или искусственными факторами), а поэтому рассматривать его как некую новую панацею от всех наших недостатков значит вводить в заблуждение и себя, и начинающих исследователей. Все беды с которыми сталкивается наша строительная (в том числе и горная) практика связаны с недостаточно высоким качеством исходной информации о геологических условиях исследуемого объекта и с незнанием закономерностей взаимодействия между этими условиями и сооружениями.

Переходя к задачам инженерной геологии в горном деле, следует иметь в виду несколько основных характерных особенностей их исследования и решения, которые, как будет видно, не противоречат методологии системного подхода.

1. Внешнее воздействие на природную среду определяет основные черты, размеры и форму системы (объекта), подлежащей инженерно-геологическому изучению. В одной и той же геологической обстановке в зависимости от типа, характера, размеров и формы сооружения (внешнего воздействия) будут меняться раз
меры и формы системы, число ее элементов, требующих рассмотрения и оценки, детальность изучения и т. д. От этого зависит характер инженерно-геологической модели изучаемого объекта. Стадия  инженерно-геологических  исследований  оказывает существенное влияние на определение основных черт системы (объекта) изучения, на число ее элементов и на детальность их исследования. Так, в зависимости от стадии разведки месторождения полезных ископаемых в качестве системы и ее недели можно рассматривать: месторождение в его геологических границах (на ранних стадиях системой может служить целая провинция, рудоносный район, угольный бассейн и т. д.), шахтное (карьерное) поле или его части, участок шахтного ствола или других капитальных выработок, почву или кровлю (непосредственную или основную) полезного ископаемого, борт или уступ карьера и т. д. Естественно, что в каждом случае решаемые задачи и основные черты системы
будут разными, так же как и число слагающих элементов (подсистем). Иначе говоря, рассматриваемые системы имеют свою характерную сложность и принадлежат к разным системным уровням. Под влиянием внешнего воздействия рассматриваемая нами природная среда изменяется, переходя в новое состояние. При этом она может достичь равновесия, обеспечивающего нормальную эксплуатацию сооружения (внешнего воздействия), или  может разрушиться и перейти в такое состояние, при котором нарушается режим работы сооружения, т. е. создается аварийная ситуация. Иногда природная среда адаптируется к новым условиям (сложившимся под внешним воздействием) и возвращается в прежнее со
стояние, т. е. происходит авторегуляция. Можно привести много примеров из горной практики (и не только из нее), которые под утверждают отмеченные свойства геологической обстановки при воздействии на нее проходки горных выработок или строительства других сооружений хотелось бы коротко показать это положение на примере открытой разработки месторождений полезных ископаемых.

В качестве объекта будем рассматривать толщу вмещающих пород. Предварительное дренирование карьерного поля (внешнее воздействие) вызывает
изменение напряженного состояния горных пород, что может привести к возникновению процесса уплотнения и к формированию нового равновесного со
стояния всей толщи горных пород. В этом случае говорят, что работает принцип Ле-Шателье: «если система, находящаяся в равновесии, подвергается воз
действию, нарушающему это равновесие, то в ней возникают процессы, стремящиеся вернуть ее в прежнее состояние». Далее, при проходке первой траншеи происходит разгрузка и образование новых искусственных обнажений горных порол, которые влекут за собой возникновение и развитие она   геологических   процессов:   разуплотнения,   набухания, осыпания, суффозии и др. На новых обнажениях формируются различны., по форме и размерам зоны, в пределах которых свойства горных пород в зависимости от их состава, условии залегания и естественного состояния изменяются в разной степени. И здесь возможны дна естественных выхода: создание нового равновесия без разрушения целости пород (6
opта карьера) или переход в новое состояние равновесия в результате оползня борта либо отдельных его уступов.

Может иметь место и третий — искусственный — выход: принятие мер, обеспечивающих новое устойчивое равновесие борта карьера. В частности, строительство внутренних отвалов в выработанном пространство можно рассматривать как воздействие, направленное на изменение нового состояния толщи пород и на восстановление нарушенного естественного равновесия. В таком же плаке работают улучшение свойств пород, перегрузка и другие мероприятия. Аналогичную картину можно нарисовать и при изучении воздействия внешних отвалов на их основание, где также происходит нарушение природного равновесия и осуществляется переход к новому состоянию.

С точки зрения системного подхода все изложенное в данном примере говорит о том, что наш объект изучения относится к динамическим саморегулирующимся и самоорганизующимся системам открытого типа, обладающим положительными и отрицательными обратными связями. При инженерно-геологических исследованиях этот объект так и рассматривался. В качестве доступного исследователю входа такой системы берется любой внешний фактор, возникающий при освоении месторождения и оказывающий влияние на его природные условия, а в качестве выхода — изменения этих условий под влиянием внешнего воздействия, наблюдения за которыми дают возможность оценить поведение системы.

4. Решение конкретной задачи оценки инженерно-геологических условий разработки месторождения (или его части) и прогноза изменений этих условий под воздействием горных работ обычно включает несколько этапов а) оценке объекта, подлежащего изучению в зависимости от типа и характера внешнего воздействия и решаемой задали, и построение его модели; б) Выделение основных элементов объекта, т. е. построение его иерархии; в) определение взаимоотношений между выделенными элементами и оценка степени влияния и значимости каждого из них на поведение объекта в целом; г) принятие решения.

Анализ решений большого количества задач, выполненных в горном деле на открытых и подземных работах разными исследователями за последние 30 лет, показывает, что неоднозначность решений и рекомендаций и аварийные ситуации являются результатом ненадежности и неточности исходной геологической информации, на основе которой строятся неадекватные реальным условиям инженерно-геологические модели (расчетные схемы) и определяются расчетные показатели физико-механических свойств горных пород. Об этом неоднократно писали Г. Н. Кузнецов, Г. Л. Фисенко, В. Т. Глушко и др. Для иных типов сооружений, в частности для естественных склонов и искусственных откосов, решающую роль надежности и точности показателей прочности пород в оценках и  прогнозах их устойчивости отмечали К. Терцаги, М. Н. Гольдштейн, Н. Н. Маслов К Кездп и др. Это имело место в тех исследованиях, которые не применяли методологии ситемного подхода, но еще острее это ощущается в современных работах, выполняемых на принципах системного подхода.

Нет сомнения в том, чем выше уровень систематизации, автоматизации, интенсификации результатов наших оценок, прогнозов и рекомендаций, тем лучше должно быть качество исходной инженерно-геологической информации, тем важнее ее значение в общем комплексе выполняемых работ. Получение же такой информации становится особенно надежным в период строительства и эксплуатации различных сооружений. В этом отношении горное дело имеет значительные преимущества перед другим видами строительства. В самом деле, где и когда лучше изучается состав пород с учетом всех особенностей их строения и состояния природа явлений, их закономерности, условия возникновения и развития? Многими советскими и зарубежными авторами подчеркивалось неоднократно, что это возможно сделать при анализе наблюдении за деформациями горных пород, за устойчивостью зданий и сооружений, за различными аварийными ситуациями и т. п. К счастью, аварийные ситуации являются редкостью в строительной практике, где сооружения имеют высокие коэффициенты устойчивости и безопасности.

Совсем другое дело горная практика, где непрерывно строятся временные сооружения, происходит крепление и раскрепление выработок, посадка кровли (управление кровлей), принудительное обрушение пород в карьерах, дренирование подземных вод, случаются оползни в карьерах и н? отвалах, пучение почвы выработок. Все эти явления систематически прослеживаются маркшеС-дрреким1: измерениями к фиксируются геологической документа-1;..чй Результаты этой работы служат неисчерпаемым источником для научных исследований, оценок и прогнозов. Но именно здесь. в горной промышленности, где по ее специфике складываются наиболее благоприятные условия для научных исследований с большим практическим выходом по всем направлениям общей проблемы современности — рационального использования недр, обеспечения высокой безопасности и эффективности труда и охраны окружающей природной среды,— нет специалистов инженеров-геологов. Самый минимум необходимых исследований выполняется эпизодически силами научно-исследовательских институтов и вузов на хоздоговорных началах.

2.1. Инженерно-геологические исследования

при разведке месторождений полезных ископаемых

Существует определенная специфика в постановке и проведении инженерно-геологических исследований на месторождениях полезных ископаемых, которая существенно отличает их от традиционных инженерных изыскании на территориях, предназначенных для строительства различных инженерных сооружении. Основными особенностями этой специфики можно считать следующие.

1. Отсутствие принципа вариантности, в соответствии с которым в результате инженерно-геологических изысканий оцениваются несколько вариантов размещения сооружений и выбирается оптимальный с учетом его инженерно-геологических условии. Выбор местоположения створа плотины, трассы судоходного пли ирригационного канала, промплощадки тяжелых заводских цехов, участка мостового перехода и многих других строительных объектов осуществляется в результате стадийного проведения инженерных изысканий на базе сравнительной оценки природных условий и прогнозов их изменений под воздействием проектируемого сооружения. Месторождения же минерального сырья занимают определенное геологическое пространство литосферы, которое и подлежит оценке. Перенести его в более простые инженерно-геологические условия, как это можно сделать, например, со створом проектируемой плотины, нельзя.

2. Большой объем геологического пространства, занятый полезным ископаемым и вмещающими породами и подлежащий инженерно-геологическому изучению, значительно   превышающий по своим размерам и геологическому разнообразию сферу влияния здании и сооружений, которая является объектом традиционных инженерных изысканий. В настоящее время, когда месторождения эксплуатируются открытым способом на  глубину  более 500 м, г подземным — более 2—3 км, приходится изучать в пределах одного объекта большое количество диалогических комплексов по род, водоносных горизонтов, тектонических структур, экзогенных
процессов  и других  особенностей  геологических  условий,  что значительно сложнее и требует гораздо больше средств, оборудования, специалистов и времени, чем изыскания под строительные объекты.

3. Геологическое изучение месторождений геологоразведочными выработками, располагаемыми по строго обоснованным сеткам исходя из условий решения главной задачи — оценки запасов и качества полезного ископаемого. Границы разведуемых площадей определяются положением полезного ископаемого, стадией разведки и некоторыми технико-экономическими факторами. В эти площади,
как показывает практика, не входят такие важные, требующие инженерно-геологической оценки участки, как территории размещения отходов горного производства, нерабочих бортов, некоторых наземных сооружений и земель,  опадающих под вредное воздействие горного предприятия. 4. Большое разнообразие горных выработок и других сооружении, вступающих в сложные и недостаточно изученные виды взаимодействия с вмещающими горными породами, подземными волами и газами. Для оценки инженерно-геологических условий проходки и эксплуатации горных выработок, а также строительства и эксплуатации других горных сооружений необходимо проведение исследовании, подобных инженерным изысканиям под иные виды строительства. По разведочным выработкам, даже если бы все они
j (а не только менее 40%) были инженерно-геологическими трудно дать прогноз условий устойчивости кровли или почвы подземных выработок, бортик карьеров; установить размеры целиков, рабочих камер; определить характер крепления капитальных выработок; обосновать расчетную модель и выбрать показатели расчета горного давления и т. д.

Однако нельзя полагать, что при современных глубинах залегания полезных ископаемых (а в перспективе глубины будут расти) возможно, увеличение количества выработок до оптимального для решения конкретной задачи. В связи с этим возникает одна важная особенность    инженерно-геологических    исследований — перенос центра тяжести их на период разработки месторождения, т. е. основную роль должны приобрести шахтные и рудничные исследования на локальном и оперативном уровне. Результаты этих работ в конечном в итоге приведут к повышению надежности и точности оценок и прогнозов, сделанных по материалам геологической разведки, а также к улучшению методики и целенаправленности инженерно-геологических исследований на разных стадиях разведки. 5. Большой промежуток времени между окончанием детальной разведке, по результатам которой ведется техническое проектирование горного предприятия, и началом разработки месторождения. В эпоху научно-технической революции происходит быстрей моральный и физический износ горнотранспортного оборудования, растут темпы усовершенствования систем и технологий горного производства, увеличивается производительность труда, повышаются требования к условиям безопасности горняков, к более рациональному использованию недр и охране окружающей среды. Меняются подход, методы и оборудование разведочных работ; требуются более обоснованные, надежные и точные геологические опенки и прогнозы. Все это приводит к тому, что инженерно-геологические рекомендации, разработанные по материалам детальной разведки, к моменту вскрытия месторождения устаревают В связи с этим встает вопрос об уточнении исходной информации, оценок, прогнозов и рекомендаций, что и приходится делать горнякам при разработке месторождения или проектировщикам щи. уточнении технического проекта. Иногда приходится перепроектировать по результатам новых инженерно-геологических исследований выполняемых специализированными организациями.

6 Отсутствие опыта изучения, оценки и прогноза инженерно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых. Не надо доказывать известное положение, что проблемы в инженерной геологии формируются в связи с требованиями строительной практики. Очень удачную мысль в атом плане высказал А. А. Каган. характеризуя инженерно-геологическую систему, возникающую «только при наличии внешнего воздействия, связанного с деятельностью человека или оказывающего влияние на эту деятельность». Поэтому чем раньше возникли проблемы, тем лучше они, как правило, разработаны и тем лучше и надежнее инженерно-геологические оценки. В этом нетрудно убедиться, сравнив уровень изученности различных горных пород и экзогенных геологических процессов с уровнем надежности! прогнозов поведения горных пород при с разным инженерными сооружениями. Большое значение при этом приобретают анализ накопленного опыта и научное обобщение результатов исследований и наблюдений.

Проблемы горного дела характеризуются сравнительной новизной и значительной сложностью. Эти две основные особенности и определяют, с одной стороны, низкий уровень инженерно-геологических разработок в горной практике, а с другой—настоятельную необходимость углубленного исследования всех аспектов взаимодействия горных работ с окружающей геологической средой. Для быстрейшего достижения этой цели в первую очередь надо поднять па более высокий уровень инженерно-геологические исследования в период разработки месторождений. На это особое внимание обратили Г. Г. Скворцов и Л. И. Романовская при рассмотрении проблемы инженерно-геологического изучения месторождений, намеченных к разработке открытым способом.

На базе анализа современного состояния инженерно-геологического изучения месторождений твердых полезных ископаемых и с учетом возросших требований к ним в табл. 1.1 приведены основные особенности инженерно-геологических исследовании на разных стадиях геологоразведочных работ.

Инженерно-геологических условия месторождений полезных ископаемых.

Изучение геологических особенностей месторождений полезных ископаемых с целью оценки и прогноза условий их разработки разными специалистами геологического и горного профиля привело к тому, что для общей характеристики этих условии стили применять разный набор природных компонентов под названием геолого-технических,   инженерно-геологический, горнотеологических условии. В 1956 г. П. Н. Панюков отождествил инженерно-геологические и горно-геологические условия, написав   что инженерно-геологические условия (и особенности) в горной практике принято называть горно-геологическими условиями (и особенностями). Многие авторы в настоящее время приняли эту тождественность, хотя включают в данные понятия разные элементы (факторы). В табл. 3.1 приведены определение и содержание инженерно-геологических и горно-геологических условий.

Интересно отметить, что во всех исследованиях, методических указаниях, инструкциях и других документах ВСЕГИНГЕО применяется понятие «инженерно-геологические условия», но при составлении отчетов о геологоразведочных работах результаты инженерно-геологических исследований рекомендуется излагать в главе (или в отдельном отчете) «Горно-геологические условия месторождения», в которой содержатся два основных раздела: «Инженерно-геологические свойства вмещающих пород» и «Инженерно-геологический прогноз условии разработки месторождения», что соответствует требованиям инструкции ГК.З.

Мы остановились на этом вопросе не из желания выяснить терминологическую его сторону, а потому что в эти два понятия вкладывается разное содержание по существу выполняемы; работ. В частности, в инженерно-геологические условия не входят особенности полезного ископаемого, определяющие систему и технологию его эксплуатации, характер раскройки шахтного (карьерного) поля, размеры добычных участков и последовательность их отработки, местоположение капитальных и подготовительных выработок, в связи с чем эти характеристики не являются объектом инженерно-геологических исследований. Так же обстоит чело н с газоносностью, с управлением качеством добываемого ископаемого, со специальными количественными оценками и прогнозами условий устойчивости горных выработок на геологической основе и с некоторыми другими особенностями, которые входят в понятие «горно-геологические условия» и изучаются геологами-разведчиками (иногда и горняками в период разработки месторождения). Это дает право многим авторам считать понятие «горно-геологические условия» более широким, включающим геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические условия месторождения а также элементы горно-технической системы.

С другой стороны, как уже было показано ранее во многих основополагающих трудах сущность инженерно-геологического изучения различных территорий состоит в том. что при его проведении включается в рассмотрение взаимодействие геологических условий с различными сооружениями. Если обратиться к инженерно геологическим исследованиям для гидротехнического, промышленного и транспортного строительства убедиться и том, что по результатам этих исследований проводятся проектирование сооружений на разных стадиях и что особенно
геологической обстановки применительно к данному сооружению,
(или комплексу сооружении) и понимаются как «инженерно-геологические условия»,
Оценка и прогноз этих условий базируются на комплексе данных о физико-географических условиях, геологическом строении составе, состоянии и физико-механических свойствах горных пород о гидрогеологических условиях, геодинамической обстановке и других характеристиках, полученных в результате целого ряда исследований и наблюдений в поле и лабораториях. Причем это положение узаконено в нормативных документах Госстроя СССР (СНиП, инструкции, указания и т. д.). Иначе говоря, инженерно-геологические оценки, прогнозы и рекомендации являются завершающим  этапом  процесса обоснования  геологических условий строительства и эксплуатации сооружении.

При изучении месторождений полезных ископаемых имеется своя специфика, которая определяет направленность геологических работ. Первоочередной является задача оценки запасов и качества полезного ископаемого; под эту задачу и проводятся геологоразведочные работы. Собственно инженерно-геологические нс-1 следования составляют незначительную часть этих работ. Однако было бы ошибкой считать, что составление инженерно-геологического обоснования условий разработки месторождений можно сделать на базе только инженерно-геологических исследований.

Исходя  из требовании проектирования горных предприятий, строительства и эксплуатации  горных сооружений (выработок) с целью рационального использование недр и охраны окружающей и среды и имея в виду предмет и задали инженерной геологии как науки, определим инженерно-геологические условия месторождений полезных ископаемых как систему взаимосвязанных и взаимообусловленных компонентов природной среды, охарактеризованных количественными и качественными показателями. Эти показатели должны позволять оценивать и прогнозировать сложность освоения месторождений, процессы и явления, возникающие и развивающиеся под воздействием горных работ, устойчивость выработок  (сооружений), степень безопасности и производительность труда а также обосновывать способы, системы и технологию разработки и мероприятия, обеспечивающие рациональное "^пользование природных ресурсов, повышение безопасности и эффективности эксплуатации и охрану окружающей среды.

3.1 Компоненты инженерно-геологических условий

К основным компонентам инженерно-геологических условий подлежащим изучению (анализу, оценке, прогнозу). Следует отнести: рельеф, климат и гидрологию площади месторождения прилегающих  к нему территорий; горные породы, вмещающие полезное ископаемое и перекрывающие его (литология и стратиграфия. прочие. условия залегания, физическое и напряженное состояние, свойства) подземные воды и газы (водоносность и газоносность); полезное ископаемое (состав, строение, условия залегания, мощность, физико-механические свойства); геологические явления (вызванные как естественными, так и искусственными факторами). Инженерный аспект изучения природных компонентов проявляется на отдельных стадиях исследований по-разному. Чаще всею внешнее воздействие предполагается по аналогии е известными и хорошо изученными объектами (на стадии поиска и  предварительной и детальной разведки), но мы в дальнейшем будем рассматривать реализованную инженерно-геологическую систему — геологическую среду, находящуюся под воздействием горного предприятия. По-разному следует относиться и к границам  изучаемых территорий. Понятие «сфера влияния» внешнего воздействия очень неоднозначно. Оно может включать область воздействия одиночной выработки, группы взаимодействующих выработок, очистного пространства, карьера, отвалов, хвостохранилища, сдернированной территории месторождения, районов заболачивания, запыления, засоления и других изменении, площади горного или земельного отвода и т. д. Поэтому следует говорить об инженерно-геологических условиях месторождения, шахтного (карьерного) поля, участка, сооружения, выработки.

Детальность изучения отдельных компонентов инженерно-геологических условий зависит от характера решаемой задачи и от стадии проводимых исследований, но она должна обеспечивать полноту и надежность оценок и прогнозов этих условий для решения поставленной задачи в целом. При этом может меняться как количество, так и состав изучаемых компонентов. Исследовать во всех случаях полный набор компонентов для решения любой задачи, как предлагают некоторые авторы, нецелесообразно, неэффективно, а главное, такой подход может привести к недостаточно глубоким оценкам ведущих компонентов в конкретном случае. В частности, для прогноза параметров бортов карьеров существенное значение приобретают два вопроса: построение физической (расчетной) модели геологического разреза объекта и выбор расчетных показателей сопротивления сдвигу пород (с учетом их изменения во времени) в зоне наиболее вероятной поверхности скольжения. В этом случае основными компонентами становятся строение всей толщи пород, условия залегания отдельных слоев, наличие слабых прослоев и контактов, присутствие выдержанных в пространстве трещин, особенно падающих в сторону выработки под углом около 45°+φ/2, где (φ – угол трения по слабому контакту), которые определят положение поверхности скольжения, механизм, динамику, морфологию и масштабы оползней. Для правильного выбора расчетных показателей при уже известной морфологии оползневого тела необходимо определить в достатком   для   статистической   обработки   количестве   показатели сопротивления сдвигу с учетом физического и напряженного состояния пород в зоне поверхности скольжения.

Если мы обратимся к прогнозу прорыва глинистого слоя пород, отделяющего напорный водоносный горизонт от почвы горной выработки (карьера), то основными моментами, определяющими точность и надежность прогнозов, является: напор подземных вод и его изменение под влиянием горных работ; мощность и прочность водоупорных глин, а также форма и размеры их обнажения горными работами. По другому встанет вопрос при оценке инженерно-геологических условий  размещения и устойчивости внешних отвалов пород. В первую очередь здесь необходимо изучать рельеф и речную сеть местности; строение состав и физико-механические свойства пород основания (незначительной мощности) и пород в теле отвалов; климатические условия.

3.3.1. Горные породы

Горные породы, как отмечают многие авторы, являются определяющим элементом инженерно-геологических условий, ибо они предопределяют рельеф местности, обводненность среды, напряженное состояние, устойчивость выработок, закономерности возникновения и развития геологических явлений, залегание полезного ископаемого и т. д. Именно горные породы, по существу, характеризуют инженерно-геологические условия месторождения. В связи с этим горные породы являются важнейшим объектом наших исследований на всех стадиях разведки и разработки месторождений. В специальной литературе применительно к толще вмещающих пород (а в последние годы — и к любой толще горных пород) используется термин «массив горных пород».

Понятие «массив горных пород» (или «горный массив») давно бытует в горном деле. Однако наиболее прочно оно вошло е горное дело в связи с развитием механики горных пород, когда вопрос о масштабном эффекте при изучении прочности пород приобрел вполне определенное значение. Началось изучение механических свойств в «натурных условиях» с целью определения параметров этих свойств в условиях естественного залегания пород с учетом их трещиноватости и слоистости, т. е. в «массиве». Стали различать прочность в монолитном образце, испытанном в лаборатории, п прочность в массиве, полученную с учетом коэффициента структурного ослабления. Для определения этого коэффициента проводят «натурные испытания» в горных выработках (подземных и открытых), ставят опыты на моделях, выполняют обратные расчеты по наблюдениям за оползневыми деформациями на карьерах.

Три особенности характеризуют инженерно-геологическое изучения горных пород: во-первых, оно ведется на геологической основе и является продолжением геологических исследований данной территории (месторождения); во-вторых, оно охватывает те особенности состава, строения и состояния пород, которыми с учетом специфики их взаимодействия с различными сооружениями определяется прочность, деформируемость, водопроницаемость и устойчивость этих пород; в третьих, характеристики горных пород выражаются специальными количественными показателями. Набор и количество показателей свойств горных пород и методы их определения зависят от трех факторов; типа изучаемых пород, стадии исследования и характера проектируемого сооружения (взаимодействия с ним горных пород). Специального обоснования этот вопрос здесь не требует, но в дальнейшем изложении будут даны соответствующие объяснения.

В качестве расчетных показателей в наиболее распространенных прогнозах используются плотность, прочность на одноосное сжатие, растяжение и изгиб, угол внутреннего трения, сцепление, модули упругости и общих деформаций, коэффициент поперечных деформаций, коэффициент консолидации, коэффициенты фильтрации, водоотдачи, уровне- и пьезопроводности. В. В. Ржевский и Г А Новик [1978] выделяют группу из базовых показателей свойств горных пород, к которым относят следующие: плотность, пористость, предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициент теплопроводности, удельную теплоемкость, коэффициент линейного теплового расширения, удельное электрическое сопротивление, относительную диэлектрическую проницаемость, относительную магнитную проницаемость.

Из приведенного перечня показателей, необходимых при оценке условий проведения горных работ, видно, что изучение горных пород является процессом многогранным, требующим комплексного подхода и учета большого количества природных и технических факторов. Отсюда и следует специфика инженерно-геологического подхода к изучению горных пород.

Общепризнанной инженерно-геологической классификации горных пород в настоящее время нет, хотя предложено довольно много специальных (по устойчивости пород в откосах, по несущей способности пород, по коэффициенту крепости Протодьяконова и др.) и общих (Ф. П. Саваренского, Н. Н. Маслова, Е. М. Сергеева, П. Н. Пашокова и др.) классификаций. Наиболее удобной для дальнейшего рассмотрения в наших целях является общая классификация Ф. П. Саваренского, предложенная в 1937 г. и получившая развитие в работах В. Д. Ломтадзе. Она построена на учете структурных связей пород, определяющих их прочность, деформируемость, устойчивость и водопроницаемость.

По классификации Ф. П. Саваренского все горные породы подразделяются на пять групп; 1) твердые (скальные), 2) относительно твердые (полускальные), 3) рыхлые несвязные, 4) мягкие связные, 5) породы особого состава, состояния и свойств. Детальная характеристика этих пород приводится во всех учебниках по
инженерной геологии.

В первую группу — твердых (скальных) пород – входят  разновидности магматических, метаморфических и осадочных пород имеющие высокую степень сохранности, большую прочность и устойчивость, малую деформируемость и водопроницаемость.

Вторая группа — относительно твердые (полускальные» породы большое разнообразие порол, для которых характерны нарушение монолитности (выветрелость, трешиноватость), пониженная прочность и высокая (как правило) водопроницаемость. Эти породы обладают сильной неоднородностью и анизотропностью, что создает большие затруднения при их изучении, а также при оценке их устойчивости в качестве основания и вмещающей среды сооружений. К этой группе В. Д. Ломтадзе  относит: 1) магматические, метаморфические и осадочные прочно сцементированные породы повышенной трещиноватости и выветрелости; 2) обломочные слабо сцементированные породы 3) глинистые породы высокой плотности; 4) органогенные и органогенно-химические породы; 5) пирокластические и эффузивно-осадочные сцементированные породы.

Выделение этих пород в самостоятельную группу имеет большее практическое значение для инженерной практики. По существу, оценивая твердые горные породы в условиях их естественного залегания в качестве среды и основания для сооружений, строитель имеет дело с полускальными породами, т. е. с породами, обладающими рядом нарушений сплошности и изменениями состава, что приводит их к плохому физическому состоянию, к уменьшению прочности и устойчивости и к росту водопроницаемости и деформируемости (главным образом в результате остаточных деформаций). Вместе с тем для полускальных пород характерны большая неоднородность и анизотропность, что создает сложные условия для их изучения и оценки при решении практических задач.

Выделение полускальных пород производится несколько условно. Так, по действующим СНиП для гидротехнического и промышленно-гражданского строительства к этой группе относятся только некоторые осадочные породы (глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, песчаники, конгломераты, мелы, мергели, туфы, глины и др.), у которых прочность на одноосное сжатие меньше 5 МПа (причем не указывается нижняя граница по этому критерию) В Д Ломтадзе отделяет породы скальные от полускальных по прочности на сжатие.

Для горной практики особенно важно то, что любая горная порода в условиях естественного залегания может представлять интерес как монолитное тело и как тело, нарушенное различными дефектами (трещиноватостью, слоистостью, сланцеватостью, кавернозностью), поскольку область претерпевающая изменения под влиянием внешнего воздействия, может иметь разные размеры. В связи с этим разделение скальных и полу скальных пород по их прочности на одно сжатие, определенной в лабораторных условиях, имеет смысл при оценке их на буримость, обрабатываемость, резание, т. е. в тех случаях породы.  Когда объем этой области не превышает объема монолитного блока горной решения задач по оценке или прогнозу устойчивости горных пород при взаимодействии с горными сооружениями все трещиноватые слоистые, сланцеватые горные породы можно рассматривать как полускальные. Изучение этих пород должно  проводиться с учетом всех нарушений их сплошности, неоднородности и анизотропии, а количественные показатели их прочности и деформируемости должны определяться с учетом масштабного эффекта. В реальных геологических условиях с таким подходом надо изучать практически все твердые горные  породы, т.  е.  породы с жесткими структурными связями  Для угольных, сланцевых и ряда рудных месторождении к полускальным следует относить все вмещающие и перекрывающие породы, представленные осадочными твердыми разновидностями, т. е. по существу все породы, представляющие интерес с точки зрения решенья задач устойчивости горных выработок.

3.3.2. Подземные воды

Подземные воды оказывают влияние на условия формирования I и изменения свойств горных пород, на естественное напряженное состояние и на его изменение вокруг горных сооружений, на возникновение и развитие естественных и вызванных горными работами геологических процессов, а также определяют степень обводненности месторождений. Изучение подземных вод и их влияния на условия освоения месторождений дает возможность прогнозировать водопритоки к горным выработкам и проектировать мероприятия по дренированию и охране вод. Необходимо, отметить, что во время освоения месторождений происходят значительные, не всегда оправданные изменения режима подземных вод. Поэтому детальное изучение подземных вод должно соответствовать современным запросам рационального использования и охраны водных ресурсов.

Исследуя распространение подземных вод, их залегание, дренирование, питание и движение, нельзя обойтись без изучения поверхностных и атмосферных вод, так как между всеми водами существуют определенные закономерные связи. Поэтому следует оценивать общее влияние природных вод на инженерно-геологические условия месторождения. Круг вопросов, подлежащих изучению при исследовании подземных вод, весьма широкий; решение этих вопросов требует применения специальными методов и аппаратуры, которые разрабатываются в гидрогеологии.

Газоносность месторождений имеет большое значение для ведении горных работ. Газы обычно заполняют породы и трещины, находятся в сорбированом состоянии, а также присутствуют в подземных водах.

Для оценки влияния вод на условия ведения горных работ, на устойчивость  сооружений, а также для разработки мероприятий по ограничению этого влияния большое значение имеет имеют характер и степень обводненности месторождений. О степени (м3/ч) и коэффициенту водообильнности, представляющему собой отношение количества откачиваемой из горной выработки  за определенный период времени (год).

Условия обводнения зависят от целого ряда природных факторов, но на них сказываются и некоторые техногенные особенности разведки, вскрытия и эксплуатации месторождения: тампонирование скважин, затопленные старые шахты, система ведения работ н др. Основными природными факторами обводнения месторождений твердых полезных ископаемых следует считать: атмосферные осадки, орогидрографию местности, водопроницаемость вмещающих и покрывающих пород, их тектоническую нарушенность, глубину залегания полезного ископаемого.

Водопроницаемость перекрывающих пород и рельеф местности оказывают существенное влияние на изменение интенсивности инфильтрации в периоды сильных дождей и весеннего снеготаяния. Так, под балками, оврагами и другими понижениями рельефа с маломощными покровами глинистых отложений приток воды в эти периоды увеличивается на 20—40 %, а ино1да в 2— 3 раза по сравнению со среднегодовым. Под относительно ровной земной поверхностью и при наличии более мощных толщ глинистых пород рост водопритока весной составляет всего 10— 15% от среднегодового. О непосредственной связи водопритоков в шахту с атмосферными осадками можно судить по данным рис. 3.2 [Климентов П. П., 1966].

Рельеф земной поверхности определяет на многих месторождениях характер и интенсивность разгрузки водоносных горизонтов, что в конечном итоге сказывается на степени обводненности. Так, для некоторых подземных выработок на водораздельных участках, где подземные воды дренируются местной гидрографической сетью водопритоки в 10 раз меньше, чем для участков с более низкими притоками. Особенно резко увеличивается водоприток в горные выработки при прохождении их в непосредственной близости с поверхностными водоемами. Это увеличение связано с более высокой водообильностью месторождения, формирующейся за счет питания водоносных горизонтов поверхностными водами. Естественно, ] что интенсивность питания зависит от литологического состава аллювиальных отложений и от обнаженности коренных пород.

Необходимо отметить, что резкое усиление водопритоков может произойти при подработке водного объекта, так как при этом может образоваться непосредственная гидравлическая связь между водоемом и подземной выработкой. Поэтому горные работы в непосредственной близости от рек и других поверхностных водоемов (а также под мощными грунтовыми водоносными горизонтами) ведутся в соответствии со специальными правилами, указаниями и техническими условиями.

Глубина залегания полезного ископаемого (горных выработок) созывает определенное влияние на характерно и величину обводненности горных выработок. Во многом это связано с уменьшением пустотности (трещиноватости и пористости) горных пород с глубиной, что приводит к падению их водопроницаемости. Многие угольные и рудные шахты на глубине первых сотен метров оказываются безводными или водопритоки в них становятся незначительными. Об этом можно судить по данным, приведенным в табл. 3.9. Об этом же говорят и наблюдения за прорывами в выработанное пространство. Для Донбасса, например, результаты наблюдений показывают, что на верхних горизонтах шахт прорывы воды достигают 150—200 м3/ч, а на нижних не превышают 30— 40 м3/ч.

Глубина горных выработок сказывается и на характере изменения водопритоков под влиянием весенних паводков и атмосферных осадков. А. И. Кравцов отмечает, что при глубине выработок 80—200 м увеличение водопритока наблюдается через несколько суток после сильных дождей, а в Подмосковном угольном бассейне — через несколько часов. При глубине выработок 250—300 ч увеличение притока наступает через 2 мес; для одной из старыми и новыми), с одной стороны, и подземными и поверхностными водами-с другой. Иногда тектонические нарушения обусловливают подпруживание водоносных горизонтов в результате чего в этих горизонтах меняются напор, мощность скорость движения вод и т. д.

Влияние тектонических нарушений на условия обводненности горных выработок отмечалось на угольных шахтах Донбасса, Средней Азии на рудных месторождениях Южного Урала, на сланцевых шахтах Эстонии, в других угольных и рудных районах. В некоторых случаях при пересечении горными выработками тектонических нарушений водопритоки увеличивались здесь в сотни раз.. Так, в 1952 г. на одной из шахт Донбасса при пересечении сбросовой трещины приток воды достиг 1100 м3/ч.

Надо отметить, что гидравлическая связь между отдельными водоносными горизонтами, между поверхностными и подземными водами и горными выработками очень часто осуществляется из-за искусственных пустот, остающихся при некачественном тампонировании разведочных, опытных и водопонижающих скважин. Примеры подработки таких скважин имеются на многих месторождениях.

Особо следует отметить влияние на обводненность действующих горных выработок тех вод, которые скопились в старых шахтах и карьерах (в затопленных старых выработках). Водопритоки этих случаях, как правило, носят катастрофический характер и сопровождаются выносом большого количества рыхлых пород.
Иногда соседние старые выработки являются единственным источником обводнения новых подземных выработок, что приводит к интенсификации процесса пучения глинистых пород почвы этих выработок.

3.3.3. Геологические явления

Естественные геологические процессы и явления очень разнообразны имеют большое распространение и оказывают значительное влияние на инженерно-геологические условия территорий. Геологические процессы характеризуют геодинамическую обстановку месторождений В них, как в фокусе, сходятся различные особенности природной обстановки: рельефа местности, геологического строения гидрогеологических условий, прочности и деформируемости горных пород и т. д. Интерес представляют как глубинные, или эндогенные, геологические процессы (тектонические, сейсмические., так и поверхностные, или экзогенные (эрозия, абразия, карст, выветривание, оползни, сели, плывуны, суффозия, мерзлотные, заболачивание). Особое значение имеют современные процессы и явления, которые оказывают непосредственное влияние на устойчивость сооружений.

Рассматривая условия взаимодействия сооружения с горными породами, можно выделить следующие случаи.

  1.  Область взаимодействия соизмерима с объемом однородной породы или меньше его. В этом случае можно вести изучение свойств пород на опытных образцах в лабораторных и полевых условиях и полученные показатели (после соответствующей обработки, применять в качестве нормативных и расчетных.
  2.  Область взаимодействия гораздо больше, чем объем одно родного монолитного блока пород, и ее можно рассматривать как квазиоднородную. Такая среда работает, как сыпучее тело с коэффициентом трения, близким к характерному для отдельных образцов, поэтому коэффициент трения можно определить в лабораторных условиях, а водопроницаемость — полевыми опытами.
    Установлено, что с увеличением данной области ее прочность и деформируемость стремятся   к постоянным значениям,  однако у исследователей пока нет единого мнения о величине масштабного фактора.
  3.  Область взаимодействия больше объема однородного структурного блока, но среду нельзя считать квазиоднородной; степень ее неоднородности зависит от соотношения размеров этой области  и  однородного  блока.  Установление  масштабного  эффекта требует специальных лабораторных, полевых и модельных
    исследований, наблюдений и обратных расчетов с целью определения переходного коэффициента от показателей, характеризующих отдельные образцы, к показателям свойств всей области с учетом ее особенностей (трещиноватости, слоистости и т. д.).
  4.  Устойчивость сооружения определяется наличием ослабленных зон больших размеров, представленных трещинами, контактами   между   слоями,   сланцеватостью,   слабыми   прослойками и  т. д. Иногда эти зоны сами по себе могут быть неоднородными, и тогда рассматривается внутренняя неоднородность. Здесь механические свойства изучаются в полевых условиях.

 Инженерно-геологическая типизация   месторождений твердых полезных ископаемых

Любое разделение изучаемых объектов на группы (классы преследует определенную цель. Для оценки условий разработки месторождении полезных ископаемых и прогноза изменения уcловий под влиянием горных работ необходима такая логическая операция, которая базировалась бы на учете основных признаков, определяющих эти условия. О важности типизации можно судить хотя бы по тому, что в последнее время она рассматривается как самостоятельный класс методов прогнозирования уcловий разработки месторождений. В. Д. Ломтадзе относит инженерно-геологическую типизацию месторождений твердых полезных ископаемых к наиболее важным и сложным вопросам инженерной геологии месторождений и считает ее итогом обобщения всего опыта их изучения и разработки, дающим возможность предварительно оценивать условия вскрытия и отработки месторождений подземным или открытым способом. Поскольку деление любого множества объектов может быть выполнено в зависимости от преследуемой цели по разным его признакам, к настоящему времени предложено довольно большое число группировок (типизации, классификаций) месторождений. Многие из них сделаны по одному признаку (но устойчивости  кровли  или  почвы  подземных  выработок), другие — с учетом некоторых геологических, гидрогеологических или инженерно-геологических   особенностей    (Д.   И.   Щеголев, С. В Троянский). И только в последнее десятилетие были предложены более совершенные, учитывающие  большой комплекс природных условий классификации, которые уже используются для решения конкретных задач горного производства.

Для целей инженерно-геологического прогнозирования наиболее удачными являются причинно-следственные диагностические классификации, которые дают возможность не только оценивать статические системы, но и вскрывать закономерности изменения элементов этих систем под влиянием горных работ. Примером подобных   построений   могут  служить   классификации   кровель для   некоторых   шахтных   полей в Донбассе, выполненные Смирновым, типизация кровель подготовительных выработок на Ленинградском месторождении горючих сланцев. Здесь в качестве геологических признаков выступают процессы доломитизации   и   выветривания   карбонатной   толщи   пород а в качестве непосредственных признаков — состояние и свойства горных пород, являющихся средой для выработок такая типизация позволяет провести районирование  по инженерно-геологическим условиям и дать прогноз устойчивости пород кровли в различных зонах с учетом техногенных факторов.

При освоении месторождений полезных ископаемых большой интерес представляют такие природные процессы, как тектонические движения (древние и современные), сейсмические явления, карст, суффозия, плывуны, оползни, обвалы, эрозия, абразия, сели, мерзлотные проявления, выветривание, которые в совокупности определяют геодинамическую обстановку территории месторождения и являются основными элементами его инженерно-геологических условий. Оценить влияние геологических процессов и явлений на инженерно-геологические условия геологической среды невозможно без знания двух других ее элементов — горных пород и содержащихся в них подземных вод.

При оценке процессов и явлений исследования на месторождениях проводятся по четырем направлениям: а) изучение природных геологических процессов и явлений, б) исследование вызванных деятельностью человека искусственных процессов или активизации природных процессов, в) прогноз условий возникновения новых.

При изучении устойчивости откоса на открытых разработках применяется специальная классификация комплексов горных пород; при прогнозе условий подземной разработки угольных месторождений строятся классификации кровли и почвы подземных выработок по степени их устойчивости. Многие классификации выполняются по гидрогеологическим условиям. Все эти группировки являются относительными следственно-причинными классификациями, поскольку классы выделяются эмпирически по непосредственному критерию (устойчивость, обводненность и т. д.), тем не менее они имеют большое практическое значение. Наряду с этим предложены и генетические классификации (Г. А. Голодоковская, В. Г. Зотеев, В. Н. Морозов, С. Г. Дубейковский и др.), которые используются при оценке и прогнозах инженерно-геологических условий рудных месторождений.

Одно из главных требований к типизации (классификации) состоит в том, что она должна давать максимум информации об условиях освоения месторождения, поэтому типизацию необходимо сделать на базе тех основных признаков, которые определяют инженерно-геологические условия месторождений. С другой стороны, каждая классификация должна проводиться с соблюдением определенного набора логических правил. Б. В. Смирнов отмечает следующие требования к делению понятий: 1) каждое деление должно производиться только по одному признаку; 2) члены деления должны взаимно исключать друг друга, т. е. в разных классах не должно быть одинаковых элементов делимого множества; 3) суммарный объем членов деления должен равняться объему делимого множества; 4) члены деления должны быть ближайшими видами делимого множества; 5) не должно быть пустых подмножеств, т. е. таких классов, в которых не было бы элементов делимого множества.

Ознакомившись с основными элементами, определяющими инженерно-геологические условия месторождений полезных ископаемых, можно сделать по крайней мере два основных вывода.

1. Геологическая обстановка, определяющая особенности разработки месторождений твердых полезных ископаемых, является весьма сложной многофакторной природной системой, взаимодействие которой с различными горными сооружениями приводит к изменениям, представляющим большую трудность для своевременного и надежного прогнозирования. В этой связи можно понять обилие классификаций и типизации, разработанных различными авторами с учетом только отдельных элементов инженерно-геологических условий (геологическое строение, подземные воды, прочность пород, устойчивость выработок и т. д.).

2 Основным (главным) элементом, определяющим условия разработка месторождений твердых полезных ископаемых, являются горные породы, вмещающие и перекрывающие полезное ископаемое. Эти породы являются средой для горных выработок (подземных и открытых) и определяют характер и интенсивность напряжений вокруг них, а также их устойчивость. Горные породы служат вместилищем для подземных вод и газов, в них проходят различные природные и искусственные геологические процессы а следовательно, они определяют характер изменений природной обстановки под влиянием горных работ. Поэтому главным критерием инженерно-геологической типизации месторождений должны являться горние породы. Это положение служит основным принципом группировки месторождений, хотя в существующих типизациях и классификациях ему уделяется не одинаковая роль. Наиболее удачно этот принцип использован для разработки общих типизации Г. Г. Скворцовым  и В. Д Ломтадзе (табл. 3.11).

Для  месторождений   I  типа, по  мнению  В. Д.  Ломтадзе, с глубиной происходит постепенное изменение геологической обстановки, определяющее условия ведения горных работ. Так, для малых глубин (до 40—50 м) в результате разгрузки, разуплотнения и выветривания растет раздробленность и трещенноватость пород, что приводит к деформациям, характерным для квазисыпучей среды, а также к повышению водообильности, имеющему временный характер. На больших глубинах условия определяются тектонической  обстановкой.   Примером   месторождений   первого типа является Криворожский железорудный бассейн, приуроченный к железистым кварцитам, переслаивающимся с хлоритовыми, серицитовыми и тальк-карбонатными сланцами.

Ко II типу относятся большинство месторождений в осадочных юродах. В их геологическом строении принимают участие аргиллиты, алевролиты, песчаники, мергели, уплотненные глины, а также слабые и закарстованные карбонатные породы. Эти породы имеют различное залегание — от весьма простого горизонтального до сложного мульдообразного с четко выраженными зонами с контактами ослабления. Эти особенности обусловливают большую неоднородность и анизотропность свойств пород вокруг горных выработок, что создает неблагоприятные условия для их устойчивости; в свою очередь это затрудняет надежное прогнозирование поведения пород при разработке месторождений.

В подземных выработках здесь характерны такие явления как вывалы из кровли, пучение почвы, отжимы пород и полезного ископаемого, а на больших глубинах, горные удары, выбросы. На бортах карьеров, сложенных осадочными породами, происходят оползневые деформации разного масштаба — от обрушений на отдельных уступах до оползней, захватывающих несколько уступов или весь борт. Здесь характерны оползни (их называют унаследованными), морфология которых определяется условиями залегания пород и наличием зон и поверхностей ослабления. Обводненность месторождений II типа значительная, коэффициент водообильности свыше 25 м3/т. Примерами месторождений II типа являются Кузнецкий и Канксо-Ачинский угольные бассейны, Ленинградское сланцевое месторождение, бокситовые месторождения СУБР.

Месторождения III и IV типа, приуроченные к песчано-глинистым породам, представляют особый интерес. Обычно это месторождения со сложными инженерно-геологическими условиями, расположенное на платформенных участках или в предгорных и межгорных впадинах. В их разрезе встречаются осадочные полускальные породы. Глинистые породы имеют малую степень литификации, поэтому для них характерны незначительная прочность и высокая сжимаемость. В связи с этим в подземных выработках наблюдается значительное горное давление и большие деформации пластического к эр литера. Борта, сложенные целиком или в нижней своей части глинистыми породами, склонны к оползневым деформациям и имеют обычно незначительные углы откосов— в среднем 10—25°.

Обводненность месторождений этого типа определяется положением, мощностью, распространением и составом песчаных слоев. Как правило, в разрезе этих месторождений имеется несколько водоносных горизонтов (грунтовых и напорных). Подземные воды оказывают значительное влияние на устойчивость горных выработок. Они создают гидростатическое и гидродинамическое давление, приводят в движение водосодержащие пески при их вскрытии (плывуны, суффозия), ухудшают прочность глин при их разгрузке и дополнительном увлажнении. Поэтому разработка таких месторождений ведется после осушения или закрепления водоносных песков.

Условия залегания песчаных, глинистых и полускальных пород вызывают неоднородность и анизотропность перекрывающей и вмещающей толщ, что создает большие трудности при построении инженерно-геологических моделей месторождении и отельных участков для прогнозах ми выработками и с их крепью. Как правило, месторождения такого типа являются сложным объектом для изучения в период разведки.

К месторождениям III и IV типа можно отнести Подмосковный и Днепропетровский буроугольпые бассейны, железорудные месторождения КМА, Тургайского прогиба, Керченского района, марганцевые Никопольского бассейна, бокситовые Тихвинского и Северовонежского районов, а также месторождения песков и других обломочных строительных материалов, огнеупорных глин и др. Это, как правило, месторождения малых и средних глубин, однако в некоторых случаях к этому типу можно отнести и более глубоко залегающие месторождения, в разрезе которых значительное место занимают полускальные породы, но именно песчано-глинистые отложения определяют условия устойчивости горных выработок и степень их обводненности.

К последнему V типу В. Д. Ломтадзе относит месторождения, распространенные в районах многолетней мерзлоты и приуроченные к таким полускальным и песчано-глинистым породам, которые при оттаивании резко изменяют свое физическое состояние, что вызывает большие осложнения при ведении горных работ. К таким месторождениям следует отнести калийные, галитовые, гипсовые залежи, условия эксплуатации которых во многом определяются специфическими свойствами полезного ископаемого и вмещающих пород. И хотя по характеру перекрывающих пород эти месторождения могут быть отнесены ко II, III или IV типу, главным критерием их инженерно-геологических условий необходимо считать соленосную толщу, которая определяет систему разработки, характер крепления, параметры выработок, осушительные мероприятия.

Дальнейшее изучение инженерно-геологических условий месторождений и проблем устойчивости горных пород в подземных и открытых выработках позволит детализировать рассмотренную типизацию, однако главным критерием ее останется тип горных пород, определяющий основные особенности месторождения с точки зрения его разведки и эксплуатации.

Разработанная во ВСЕГИНГЕО типизация утверждена Мингео СССР и применяется при разведке месторождений твердых полезных ископаемых с целью оценки инженерно-геологических условий, прогноза их изменений под влиянием горных работ и установления объемов и содержания специальных инженерно-геологических исследований на разных стадиях разведки. Для отнесения изучаемого месторождения (либо его части) к той или иной категории сложности оценивают целый комплекс природных факторов: инженерно-геологические группы горных пород, тектоническую нарушенность, трещиноватость, выветрелость, закарстованность, гидрогеологические особенности, физико-механические свойства.. Недостатком данной типизации (как и других подобных ей) является отсутствие учета технологических факторов.

В настоящее время в связи с решением задач по рациональному использованию геологической среды и охране природы разрабатываются новые типизации месторождений, которые будут использоваться при прогнозе и оценке ущерба, наносимого горным предприятием.

ВЗАИМОДЕЙСВИЕ ГОРНЫХ РАБОТ И СООРУЖЕНИЙ С ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДОЙ.

4.1. Специфика взаимодействия

Изучаемый объект—месторождение полезных ископаемых (шахтное или карьерное ноле) — представляет собой некоторую часть природной (экологической) системы и до начала освоения находится в некотором взаимодействии с этой системой, определяемом большим и сложным комплексом естественных (а иногда и искусственных) факторов. В результате этого взаимодействия создастся та природная обстановка, которую мы оцениваем рассмотренными в главе 3 инженерно-геологическими условиями. Равновесие этой обстановки является динамическим, о чем свидельствуют протекающие в ней естественные процессы. Среди этих процессов особый интерес для нас представляют геологические процессы и явления, характеризующие геодинамическую ситуацию и в большой мере определяющие степень устойчивости (чувствительности) исследуемого объекта к новому внешнему воздействию, а также вид и масштабы наступающих изменений.

Внешнее воздействие при освоении месторождений полегши ископаемых проявляется более разнообразно, чем при строительстве инженерных сооружений, но из этого многообразия можно выделить три основные особенности. Формирование сфер влияния значительных размеров, что приводит к изменению естественного напряженного и физического состояния огромных объемов горных пород разного генезиса, литологии, строения, состояния и свойств. Современный средний карьер глубиной 200 м, длиной 4 км и шириной 2 км создаст в осадочных породах прибортовую зону объемом более 0,5 млрд. ма. Вокруг шахтного ствола глубиной 1000 м при расчете давления на крип, рассматривается объем горных пород более 0,3 млрд. м3, В процессе посадки кровли над очистным пространством средней угольной шахты в течение года деформируется 10 млн. м3 горных пород непосредственной и основной кровли. Построение инженерно-геологической модели такой огромной сферы взаимодействия
возможно на современном уровне знаний только с большой степенью схематизации.

4.2.Образование больших площадей искусственных обнажений горных пород, являющихся конструктивным элементом  горных сооружений, на которых происходят различные изменения под влиянием атмосферных агентов и вод, температуры и целого ряда техногенных факторов.

4.3. небольшой срок службы преобладающего большинства горных выработок, что дает возможность рассматривать их как временные сооружения, устойчивость которых обеспечивается с незначительными запасами на основе геологических свойств горных пород.

Это требует большой тщательности изучения горных пород и высокой точности определения расчетных показателей.

Существенным фактором является и разнообразие изменений, наступающих в разные периоды освоения месторождения. Наиболее значительные изменения разных видов происходят в период подготовки месторождения к вскрытию, строительства основных и очистных выработок и размещения отходов горного предприятия. В табл. 4.) показана принципиальная схема вэаимодействия горных работ с отдельными элементами инженерно-геологических условий.

Предварительное осушение первоочередных участков проходки капитальных выработок (шахтных стволов, разрезных траншей и др.) приводит к формированию депрессионных воронок с радиусами в несколько километров, которые впоследствии (при разработке месторождения) увеличиваются до нескольких десятком километров. В пределах областей снижения уровней подземных вод нарастает гравитационное давление (вследствие снятия навешивающего давления воды), в результате чего начинается процесс уплотнения (деформирования) горных пород.

Первая попытка  количественной прогнозной  оценки оседания земной  поверхности в результате водопонижения в горном деле была сделана для установки проходки шахтного ствола на Яковлевском месторождении КМА в 1959— 1960 г. ВНИМИ [Никольская Н. М., Кацнельсон Н. И., Иванов И. П., 1961]. Полученная осадка (около 1 м) неоднократно подтверждалась более строгими расчетами института ВИОГЕМ, а впоследствии и наблюдениями при выполнении водопонизительных работ. На Белозерском железорудном месторождении под руководством В. А. Мироненко была проведена большая работа по прогнозу процесса деформирования толщи осадочных пород при водопонижении, а затем выполнены наблюдения за ходом этого процесса.

На Южно-Белозерском железорудном месторождении проводилось снижение напора на 200 м в водоносном горизонте, приуроченном к пескам мощностью 15 м бучагского яруса палеогена. Водоносный горизонт заключен между органогенными известняками мелового возраста мощностью 30 м (нижний водоупор) и глинами киевского яруса палеогена мощностью 30—40 м. В результате снижения напора произошло оседание земной поверхности на 3 м; основная часть оседания обусловлена сжатием пород нижнего водоупора (коэффициент сжимаемости 0,03 МПа). Интересно отметить, что в перекрывающих водоносный горизонт глинах уплотнение происходило только в контактной зоне мощностью около 3 м, что объясняется высоким начальным гидравлическим градиентом в них (около 70).

Анализ результатов исследований и наблюдений за оседанием земной поверхности при водопонижениях на горных предприятиях дает возможность сделать следующие основные выводы.

  1.  Оседание земной поверхности происходит в результате упругих деформаций и уплотнения горных пород в зоне уменьшения гидростатического давления при водопонижении (дренировании).
  2.  В глинистых породах уплотнение осуществляется при давлении выше структурной прочности и регулируется скоростью рассеивания порового давления и реологическими процессами, что определяет условия консолидации пород и передачи дополнительного давления на крепь вертикальных выработок (вследствие трения на контакте крепь — порода).
  3.  Уплотнение трещиноватых пород и упругая деформация твердых их блоков происходят следом за водопонижением, по этому к моменту крепления пород влиянием дополнительного трения о крепь можно пренебречь, если под этими породами нет глинистых уплотняющихся разновидностей.
  4.  Оседание пород в пределах воронки депрессии носит плавный характер, без разрывов и провалов, поэтому оседание само по себе не представляет дополнительной опасности, для устойчивости наземных и подземных сооружений, за исключением вертикальных шахтных стволов, на крепи которых будет формироваться
    дополнительное трение.

5. Прогнозирование  процесса  оседания  земной  поверхности представляет значительные сложности из-за отсутствия на стадии разведочных работ надежных расчетных показателей деформационных свойств горных пород.

6. Улучшение свойств глинистых пород в результате их уплотнения при водопонижениях, предпринимаемых с целью увеличения устойчивости горных выработок (бортов карьеров, почвы подземных выработок), практически не достигается из-за большой продолжительности процесса консолидации этих пород и незначительного уменьшения их пористости. Исключением являются легкие глинистые разновидности, залегающие в основании будущих внешних отвалов (терриконов) и в откосах первого-второго уступов карьера; об этом можно судить по характеру компрессионных кривых (рис. 4.1) в диапазоне уплотняющих давлений при водопонижении.

Взаимодействие горных выработок с окружающей геологической средой во многом определяется их формой, размерами, ориентировкой в пространстве, глубиной от земной поверхности, назначением, технологией и скоростью проходки, а также другими их особенностями. Поэтому рассмотрим инженерно-геологические условия отдельно при открытых и подземных горных работах.

4.2. Изменение инженерно-геологических условий при открытой разработке месторождений

Разработка месторождений твердых полезных ископаемых открытым способом приводит к существенным изменениям всех элементов инженерно-геологических условий. Рельеф местности изменяется в результате строительства карьера, отвалов, хвосто- шламохранилищ, что обусловливает появление больших площадей искусственных обнажений (откосы и бермы карьера, тела | насыпей, участки гидроотвалов, хвосто- и шламохранилищ). Изменяется также напряженное состояние пород (разгрузка и нагрузка), оседает земная поверхность, становится другой гидрография (коррекция речных русел, подпор рек и временных потоков, заболачивание и др.), изменяются режим подземных вод и температура горных пород.

Преобразование рельефа местности под влиянием открытых  горных работ является причиной большого разнообразия взаимодействия  обусловленных  геологических  процессов,   которые   определяют условия рационального использования геологической среды, и степени изменения естественного рельефа и от особенностей геологического строения вмещающих и вскрышных пород зависят характер и интенсивность возникающих геологических процессов.

Сильное влияние оказывают и технологические факторы (системы разработки, горнотранспортное оборудование, система отвалообразования и др.). В табл. 4.2 приводится типизация основных форм нарушения естественного рельефа местности на территории разработанного месторождения и прилегающих площадей, которые часто далеко выходят за пределы земельного отвода. По существу эти формы нарушения определяют землеемкость 3 горного предприятия, которую принято оценивать разными площадными показателями или отношениями площадей, но чаще, по предложению А. М. Михайлова, площадью нарушенных земель на единицу добытого полезного ископаемого, т. е.

где S, — площадь нарушенных земель определенной формы, Q — производительность карьера, т; п — число оцениваемых форм нарушений рельефа.

В результате инвентаризации земель, проведенной в 1977— 1978 г., составлена табл. 4.3, из которой можно сделать вывел


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28186. Интерференция света. Условия возникновения стационарной интерференции света. Интерференционные схемы с делением волн по фронту (опыт Юнга, зеркало Ллойда, бизеркало Френеля, бипризма Френеля). Влияние размеров источника на интерференционную картину. Усло 159 KB
  Интерференционные схемы с делением волн по фронту опыт Юнга зеркало Ллойда бизеркало Френеля бипризма Френеля. Пусть в точках А и В рисунок 1 находятся два монохроматических источника волны от которых доходят до точки наблюдения С. Взаимное усиление или ослабление двух или большего числа волн при их наложении друг на друга при одновременном распространении в пространстве называется интерференцией волн. Интерференционная картина ИК распределение интенсивностей в области волнового поля где волны налагаются друг на друга.
28187. Интерференционные схемы с делением волн по амплитуде. Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины и полосы равного наклона. Кольца Ньютона. Применение интерференции света 134 KB
  Пусть на тонкую прозрачную пластинку постоянной толщины рисунок 1 из вакуума падает волна с плоским фронтом ей соответствует пучок параллельных лучей сформированная с помощью точечного источника и линзы в фокусе которой источник находится. Так как условия распространения всех лучей падающих на пластинку в этом опыте одинаковы то для лучей и а также других пар лучей одинаковых с ними по происхождению оптическая разность хода будет одинаковой: 1 где n – показатель преломления материала...
28188. Двухлучевые интерферометры. Интерферометры Рэлея, Жамена, Майкельсона, Линника. Многолучевые интерферометры (интерферометр Фабри-Перо, пластинка Люммера-Герке). Интерференционные фильтры 110 KB
  Если зеркало М1 расположено так что М´1 и М2 параллельны образуются полосы равного наклона локализованные в фокальной плоскости объектива О2 и имеющие форму концентрических колец. Если же М’1 и М2 образуют воздушный клин то возникают полосы равной толщины локализованные в плоскости клина М2 М’1 и представляющие собой параллельные линии. Если поверхность исследуемого образца имеет дефект в виде впадины или выступа высотой l то интерференционные полосы искривляются. Если то интерференционная полоса искривляется так что занимает...
28189. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция света на круглом отверстии, на круглом препятствии и прямолинейном крае экрана 97.5 KB
  Дифракция света на круглом отверстии на круглом препятствии и прямолинейном крае экрана Дифракция волн от лат. diffractus разломанный преломлённый – в первоначальном узком смысле – огибание волнами препятствий. В современном более широком смысле под дифракцией понимают любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. При таком общем толковании дифракция волн переплетается с явлениями распространения и рассеяния волн в неоднородных средах.
28190. Дифракция света на щели. Дифракция света от многих щелей. Дифракционная решетка и ее характеристики 123 KB
  Дифракционная решетка и ее характеристики Дифракция волн от лат. diffractus разломанный преломлённый – в первоначальном узком смысле – огибание волнами препятствий. В современном более широком смысле под дифракцией понимают любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Вследствие дифракции волны могут попадать в область геометрической тени.
28191. Распространение света в анизотропных средах. Двойное лучепреломление. Построение Гюйгенса для одноосных кристаллов 81.5 KB
  Даже если первичный пучок перпендикулярен к естественной грани кристалла преломленный пучок разделяется на два рисунок 2 причем один из них представляет продолжение первичного а второй уклоняется так что угол преломления отличен от нуля. При вращении кристалла необыкновенный луч перемещается вокруг обыкновенного по окружности рисунок 2. Для любого кристалла можно найти три таких направления главные направления кристалла в которых при этом . Направления перпендикулярные таким сечениям называют оптическими осями кристалла...
28192. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ 1.63 MB
  Потенциальность электростатического поля. Потенциал поля точечного заряда системы точечных зарядов и непрерывно распределенного заряда. Молекулярная картина поляризации диэлектриков. Поляризованность вектор поляризации.
28193. Физика атомного ядра и Элементарных частиц 1.51 MB
  Ядерная физика – наука о строении свойствах и превращениях атомного ядра. Во всей области масштабов физики ядра вещество встречаются только в двух формах: в форме атомных ядер и в форме элементарных частиц. В ядерной физике приходится иметь дело с различными по порядку временами так например среднее время жизни нейтрона в свободном состоянии а время жизни ядра урана – .
28194. Вклад У. Джеймса в развитие психологической науки 34.5 KB
  Функционализм психологическое направление появившееся в США в конце ХIХ в исследующее процессы сознания с точки зрения их функции в приспособлении организма к среде. С позиций функционализма психология понималась как наука о функциях или €œдеятельностях€ сознания в их отношениях к нуждам организма и в связи с задачей его эффективной адаптации к изменяющемуся природному и социальному окружению. Задача функционализма изучить каким образом индивид посредством психических функций приспосабливается к изменчивой среде исследование...