Влияние трещиноватости на изменение физико-механических свойств горных пород

3. Влияние трещиноватости на изменение физико-механических свойств горных пород

Определяющим фактором изменчивости физико-механических свойств пород являются структурно-тектонические условия, обуславливающие в свою очередь развитие вторичных процессов. Гидротермальные метасоматические изменения приводят к существенному снижению величин прочностных показателей, а, следовательно, и снижению потенциальной устойчивости пород в горных выработках. Существенное влияние на физико-механические свойства горных пород оказывают также такие факторы как интенсивность трещиноватости, рассланцевание, брекчирование пород и руд.

Характеристика физико-механических свойств дается по основным петрографическим разностям пород месторождения, характеризующимся различной степенью вторичных преобразований и приуроченным к участкам с различной степенью трещиноватости пород.

Из водно-физических параметров определялись удельный вес (кг/см2), объемная масса (кг/см2), водопоглощение (%) и открытая пористость (%), морозостойкость, а из прочностных свойств – прочность на сжатие (МПа). Определение прочностных характеристик горных пород осуществлялось как в воздушно-сухом, так и в водонасыщенном состоянии, что позволило оценить снижение прочностных свойств горных пород при взаимодействии с водой. Расчетное значение σсж. по каждой керновой пробе определялось как среднеарифметическое по 6 предварительно подготовленным образцам.

Необходимо отметить, что сочетание такого многообразия факторов, как вторичные преобразования и различная степень трещиноватости пород предопределили изменчивость физико-механических свойств пород даже в пределах одной пробы.

По данным лабораторных исследований, объемная масса основных горных пород, распространенных на площади месторождения, составила

- базальты – 2,53-2,74 г/см3 (в среднем 2,63 г/см3), конгломераты – 2,53-2,66 г/см3,

песчаники – 2,59-2,7 г/см3, сиенит-порфиры – 2,29-2,57 г/см3.

Объемная масса измененных базальтов составляет 2,3-2,71 г/см3.

Для руд месторождения с общими рядовыми содержаниями свинца и цинка (в сумме 4,6%) объемная масса составляет 3,4-3,5 т/м3. Рудам с суммарным содержанием свинца и цинка равным 2,2 % (что составляет 92 % от всех руд месторождения) соответствует объемная масса на уровне 3,05-3,1 т/м3.

Таб. 4. 0 Физико-механические свойства пород Нойон-Тологойского месторождения

Наименование пород	Плотность частиц грунта, г/см3	Плотность породы, г/см3	Пористость, %	Водопоглощение ,%	Прочность на сжатие в воздушно-сухом состоянии, МПа	Прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии, МПа	Коэффициент размягчаемости
Базальты	2,67-2,79* 2,71	2,53-2,74 2,63	0,4-4,8 2,6	0,1-1,5 0,64	104-199** 155	92-160** 130	0,73-0,93** 0,84
Базальты трещиноватые	2,7-2,86 2,79	2,59-2,74 2,66	2,9-4,0 4,6	1,15-3,4 2,3	75-129 105	44-91 74	0,57-0,88 0,70
Базальты измененные	2,64-2,78 2,71	2,3-2,71 2,50	2,3-9,1 5,4	1,4-4,7 3,3	21-104 58	7-54 28	0,29-0,65 0,47
Конгломераты	2,71-2,77 2,73	2,53-2,66 2,61	2,2-8,7 4,3	0,9-2,0 1,5	70-144 102	40-111 67	0,5-0,79 0,63
Песчаники	2,71-2,72 2,71	2,59-2,7 2,63	0,7-4,4 2,9	1,2-1,7 1,5	89-137 119	58-100 82	0,65-0,73 0,69
Сиенит-порфиры	2,65-2,74 2,7	2,29-2,57 2,47	4,8-7,1 5,8	2,0-3,7 2,9	37-157 90	25-119 69	0,71-0,87 0,76

Примечание: *-в числителе минимальное и максимальное значения, в знаменателе – среднее.

** - данные характеризуют породы массивной текстуры.

Расчетная пористость пород изменяется от 0,4 до 9,1 %. Максимальные вариации водных свойств в зонах дробления с наложенными процессами, где влажность может составлять 9-17%.

Водопоглощение горных пород изменяется от 0,1 до 4,7 % и составляет в среднем 1,7 %. Наименьшее водопоглощение характерно для плотных и слаботрещиноватых пород, что обусловлено их невысокой пористостью. Влажность руд в среднем колеблется в пределах 0,4-2,5% и лишь единичные пробы увлажнены до 4,4%.

Руды и вмещающие породы месторождения относятся к средним и, частично, низким категориям крепости. Коэффициент крепости пород и руд по шкале проф. М. М. Протодьяконова, определенный расчетным способом, колеблется от 6 до 12, категория пород по по буримости VIII-IX. Руды характеризуются коэффициентом крепости от 6 до 10. Колебания коэффициента крепости одних и тех же пород происходят из-за разной степени их гидротермальных изменений, степени дробления и трещиноватости. Высокой прочностью пород и руд обусловлено извлечение керна хорошей сохранности. Так, процент выхода керна в большинстве скважин, пробуренных на площади месторождении, составил не менее 80-90%. Лишь при проходке зон интенсивной нарушенности и глинистых швов целостность керна существенно нарушалась.

Сопротивление одноосному сжатию неизмененных базальтов, в зависимости от степени их трещиноватости, изменяется от 75 до 199 МПа (до 199 МПа) и в среднем равно 105-155 МПа. При этом коэффициент размягчаемости их обычно составляет более 0,75 (неразмягчаемые породы). Более низкими прочностными свойствами характеризуются породы с порфировой структурой. Так, сопротивление одноосному сжатию миндалекаменных базальтов составило: в воздушно-сухом состоянии – 66-122 МПа (в среднем – 87 Мпа); в водонасыщенном состоянии – 27-97 МПа (в среднем 49 МПа). Измененные базальты в большинстве случаев классифицируются как размягчаемые породы средней прочности и малопрочные (σсж. – менее 60МПа).

Прочностные свойства пород дайкового комплекса, вследствие структурных особенностей, несколько ниже, чем у базальтов. В зависимости от состояния пород сопротивление одноосному сжатию (σсж.) сиенит-порфиров меняется от 37-92 МПа до 157 МПа (среднее – 90 МПа). Данные породы практически не снижают прочность в водонасыщенном состоянии.

Наибольшей способностью к размоканию, набуханию и снижению прочностных свойств во влажном состоянии обладают конгломераты верхнегазимурской свиты. При взаимодействии с водой их прочностные свойства (70-144 МПа) снижаются на 25-35 % (до 40 %). Существенное снижение прочностных свойств в водонасыщенном состоянии характерно и для метасоматически измененных базальтов (коэффициент размягчаемости 0,29-0,65). Интенсивно каолинизированные породы при замачивании размокают и становятся рыхлыми.

Прочностные характеристики руд не определялись в связи с отбором кернового материала для основных видов опробования. Принимая во внимание идентичные условия образования и во многом схожие геолого-структурные особенности полиметаллических месторождений Восточного Забайкалья, о прочностных свойствах полиметаллических руд можно судить по результатам разведочных работ и эксплуатации некоторых из ранее разведанных месторождений. Исследование прочностных характеристик базальтов, включающих прожилки и вкрапления сульфидов (штокверковое оруденение на Центральном участке), свидетельствует об их соответствии неизмененным эффузивным породам (σсж. среднее – 143 МПа).

Как видно из краткой характеристики вмещающих пород и руд на площади месторождения распространены скальные породы с прочностью более 50 МПа. Коэффициент размягчения их изменяется от 0,5 до 0,9. Существенное снижение прочных свойств пород возможно лишь в интервалах интенсивно трещиноватых гидротермально измененных пород. Наряду с геологическими факторами, существенную роль в инженерно-геологических процессах играет и тектоническая обстановка на месторождении.

Породы подвержены морозному выветриванию, после испытаний на морозостойкость прочностные характеристики их снижались. При проведении цикла испытаний (10-15 испытаний) в насыщенном растворе сернокислого натрия, потеря в весе составила: базальты – 5,4-10,5 % (у интенсивно трещиноватых пород до 24,5 % и более); конгломераты - 12,0-20,3 %.

Горные породы и руды месторождения довольно устойчивы, что подтверждается опытом горных работ при проходке наклонных стволов. Проходка производилась с использованием патронированного аммонита при среднем расходе его 16-18 кг на 1 п.м. проходки. Разрушенные взрывом горные породы представляют собой глыбы и куски неправильной формы. При проходке горных выработок больших обрушений и значительных вывалов горных пород не отмечалось. Мелкие вывалы с кровли обусловлены пониженной механической прочностью и связностью гидротермально переработанных пород, а также трещинами напластования. При ведении горных работ отставание крепления от забоя достигало 50 и более метров. Углы естественного откоса вмещающих пород в отвалах изменяются от 40 до 55о.

С поверхности и до глубины предполагаемой отработки породы и руды не радиоактивны.

Основное внимание при проведении дальнейших инженерно-геологических исследований следует сосредоточить на характеристике наиболее слабых разновидностей пород, их пространственному распределению, как по площади, так и в разрезе. Особое внимание следует обратить на тектоническое строение, так как сочетание этих факторов может привести к существенному усложнению инженерно-геологической обстановки на месторождении.

Из современных геологических процессов, наиболее активно проявленных в данном районе, необходимо выделить плоскостной смыв, струйчатую эрозию, морозное растрескивание. В пределах участков, приуроченных к межсопочным понижениям и характеризующимися худшими условиями дренирования – заболоченность, вторичное засоление и пучение грунтов, а также проявление термокарстовых явлений на участках развития многолетнемерзлых пород. При ведении наземного строительства необходимо учитывать значительную глубину сезонного промерзания грунтов и их просадочные свойства, особенно при замачивании. Учитывая слабую естественную дренированность территории, особое внимание при разработке месторождения необходимо уделить организации водоотлива и объектов водного хозяйства (очистные сооружения, хво-стохранилища, отстойники и т.п.).

Для количественной оценки интенсивности трещиноватости массива горных пород применяется площадной коэффициент трещинной пустотности, предложенный Л. И, Нейштадт (1969). Под коэффициентом трещинной пустотности понимается отношение площади трещин (в любой плоскости) St к площади S той площадки, на которой произведено измерение этих трещин, выраженное в процентах:

В обнажении трещиноватых горных пород выбирается площадка квадратной формы, величина которой определяется характером, размером и густотой трещин. Площадка зарисовывается или фотографируется, а все встреченные в ее пределах трещины нумеруются и описываются . Все трещины подразделяются по генезису, ширине и характеру выполнения на несколько групп, для каждой из которых указываются количество трещин, их средние ширина и длина. Площади трещин, вычисленные по группам, суммируются, берется отношение (%) общей площади трещин к площади площадки подсчета, что дает площадной коэффициент трещинной пустотности.

Площадной коэффициент трещинной пустотности является приближенной количественной характеристикой интенсивности трещиноватости массива пород. Однако этот способ не дает полного представления о трещиноватости горных пород, так как коэффициентом трещинной пустотности не полностью учитываются такие качественные показатели, как их ширина, протяженность, изменчивость с глубиной, пространственное распределение н т. д., существенно влияющие на общую трещиноватость массива.

Приложение

Program geo_rashet;

uses crt;

var

St,S,Kt:real;

begin

Writeln('Какова общая площадь трещин St= ');

readln(St);

Writeln('Площадь площадки, где взяты измерения трещиноватости S=');

readln(S);

Kt:=St/S;

Writeln;

Writeln('Площадной коэфицент трещиноватой пустотности равен Kt= ',Kt:2:2,'*100%');

end.

Заключение

Наиболее важными особенностями инженерно-геологических условий, определяющими систему эксплуатации данного месторождения, являются:

- геолого-структурные условия залегания рудных тел;

- прочностные и горно-технологические свойства руд и вмещающих пород;

- гидрогеологические условия.

Ненарушенные скальные вмещающие породы и руды Нойон-Тологойского месторождения обычно крепкие, монолитные, устойчивые. Лишь в зонах тектонических нарушений устойчивость пород и руд снижается за счет наложенных гидротермально-метасоматических изменений и трещиноватости, появляются ослабленные участки дробления, брекчирования и перетирания пород. Мощность слабо устойчивых зон может достигать десяти и более метров. При проведении подземных горных работ возможны осложнения в виде отслоений в кровле выработок, особенно при проходке по зонам послойных срывов, состоящих из ряда сближенных субпараллельных тектонических швов. Проходка этих интервалов должна сопровождаться обязательным креплением. Предварительные данные позволяют оценить горно-геологические особенности месторождения как средней сложности, требующие дальнейшего изучения.

Список использованной литературы

1. Ермолов В.А. Геология. Часть I. Основы геологии: учебник В.А.Ермолов. Л.Н. Ларичев. В.В. Мосейкин - М.: МГУ. 2004. -599с.

2. Ермолов А.А. Месторождения полезных ископаемых: учебник В.А. Ермолов. Л.Н. Ларичев. В.В. Мосейкин - М.: МГУ. 2003. - 407с.

3. Карлович И.А. Геология: учебное пособие И.А.Карлович - М.: - Академический проект. ТРИКСТА, 2005. -703с.

4. Невский В.А. Трещинная тектоника рудных полей и месторождений; учебник В.А. Невский - М.: Недра. 1979. — 224с.

5. Чернышов С.Н. Трещины горных пород; учебник /С.Н. Чернышов - М.: Наука. 1983. -240с.

6. Михайлов А.Е. Структурная геология и геологическое картировании; учебник А.Е. Михайлов - М.: Недра. 1973. - 432с.

7. Отчет по результатам дооценки полиметаллического месторождения Нойон – Тологой; «БайкалРУД» Чита, 2008.