» » Факторы, определяющие инженерно-геологические условия месторождений

Факторы, определяющие инженерно-геологические условия месторождений

02.08.2016

Физико-географические факторы

Инженерно-геологические условия месторождений полезных ископаемых в разной степени зависят от климата, поверхностной гидросети, рельефа местности. Результатами совместного влияния влажности и температуры воздуха являются направленность и интенсивность выветривания горных пород, изменяющего их свойства и состояние массива.
Рельеф местности существенно влияет на сложность инженерно-геологических условий месторождений. Равнинный и равнинно-холмистый рельеф платформенных областей характеризуется слабой расчлененностью, замедленным поверхностным стоком. Осадочные и вулканогенно-осадочные породы, слагающие верхние этажи геологического разреза этих районов, отличаются малой прочностью и низкой устойчивостью. Здесь распространены плывуны, карст, оползни.
В горных районах со значительной расчлененностью рельефа разрез представлен интенсивно дислоцированными осадочными, вулканогенными и метаморфическими породами, прорванными магматическими телами. Эти породы, прочные и устойчивые, обладают повышенным напряженным состоянием. В таких районах широко развиты гравитационные и водногравитационные явления — осыпи, обвалы, оползни, сели.
Физические, физико-механические и физико-химические свойства горных пород. Горные породы и слагаемые ими массивы служат геологической средой производства горных работ и конструктивными элементами открытых и подземных горных выработок. С физическим состоянием и свойствами горных пород связаны конструкции горных выработок, их устойчивость в процессе проведения и эксплуатации, развитие горно-геологических явлений.
Горные породы представляют собой двух- или трехфазные системы, в которых твердая фаза (минеральный скелет) находится в динамическом взаимодействии с жидкой и газовой фазами. Динамический характер межфазовых взаимодействий служит важнейшим механизмом изменений состояния и свойств горных пород в ходе геологического времени.
Физическое состояние и свойства горных пород зависят от их строения, т.е. от особенностей строения минерального скелета, порового пространства и структурных связей между минеральными составляющими. По типу и силе связи между минеральными составляющими различают породы раздельнозернистые, связные (глинистые) и твердые (скальные).
Физико-механические свойства горных пород определяют их сопротивляемость разрушению и деформациям. Соответственно различают прочностные и деформационные свойства горных пород. Твердым породам присуща некоторая общность показателей прочности и деформационных свойств, что приближает их к твердым телам. Механические свойства глинистых пород варьируют в широких пределах в зависимости от степени их ли-тифицированности, минерального и зернового состава. Раздельнозернистые породы ведут себя как сыпучие тела.
Из других физических свойств горных пород, влияющих на инженерно-геологические условия, следует назвать сейсмоакустические, теплофизические, электромагнитные. Сейсмоакустические характеристики обусловлены плотностью и упругими свойствами среды. Теплофизические свойства обусловлены состоянием фаз, текстурно-структурными особенностями, минеральным составом. Электромагнитность связана с минеральным составом, дисперсностью, структурой и текстурой, влажностью, составом порового раствора и т.д. Ведущая роль в создании магнитных свойств принадлежит ферромагнетикам.
К физико-химическим свойствам горных пород относятся их растворимость, окисление, коррозионные, адсорбционные, электрокинетические свойства, а также липкость, набухаемость, водопрочность и др.
Растворение горных пород связано с комбинированным воздействием воды и углекислоты, минеральных и органических кислот. Прямое растворение, типичное для трещиноватых и раздельнозернистых пород, развивается при соприкосновении движущейся в порах и трещинах воды с растворимыми минералами. Диффузионное растворение, свойственное глинистым породам, — самопроизвольный процесс движения ионов в поровом растворе под влиянием разности концентраций.
Окисление горных пород происходит на земной поверхности и в зоне просачивания атмосферных осадков. Ему подвержены в первую очередь породы, содержащие органические вещества, и легко соединяющиеся с кислородом химические элементы (железо, сера, никель, кобальт и др.).
Самонагревание и самовозгорание торфа, горючих сланцев, бурого и каменного угля, углистых и битуминозных сланцев, аргиллитов и сульфидных руд представляют собой частный случай интенсивно протекающего окисления. Интенсивность процесса зависит от состава и структурно-текстурных особенностей пород, физико-химических свойств, температуры и влажности среды.
По склонности к самовозгоранию горные породы делятся на группы, для которых установлены граничные значения показателей химической активности и скорости процесса окисления, приводящего к самонагреванию и последующему самовозгоранию.
Самовозгораемость руд существенно влияет на выбор систем разработки и их параметров, предъявляет особые требования к условиям складирования и транспортирования горной массы. В этой связи при подземной разработке ограничивается применение систем с длительным магазинированием руд, неприемлемо слоеное обрушение. Исключают возможность возникновения эндогенных пожаров системы разработки с монолитной закладкой.
Адсорбционная способность дисперсных горных пород (механическая, физическая, физико-химическая, химическая и биологическая) заключается в поглощении ионов, молекул, коллоидных и глинистых частиц из растворов или газовых смесей. Эта способность обусловлена свойствами породы, ее дисперсностью, составом, характером взаимодействия с фильтрующимся раствором.
Электрокинетические и осмотические свойства горных пород наиболее типичны для высокодисперсных горных пород (глинистых, лёссовых, торфяных). Они могут вызывать в породах деформацию набухания или усадки, изменять условия движения подземных вод. Коррозионная активность горных пород зависит от химического состава, влажности, насыщенности газами и по механизму является электрохимической.
Липкость наиболее характерна для влажных связных (глинистых, лёссовых) горных пород. Она определяется силами взаимодействия между молекулами связанной воды и частицами породы, с одной стороны, между молекулами воды и поверхностью соприкасающегося с породой предмета, с другой. Показатели липкости — влажность начального и максимального прилипания, максимальное значение липкости — зависят от гранулометрического и минерального состава породы, ее влажности (рис. 3.28) и плотности, состава обменных катионов, от материала, к которому прилипает порода, и др. Липкость обусловливает проявление слеживаемости и имеет важное значение при отбойке, доставке и транспортировании горной массы.
Факторы, определяющие инженерно-геологические условия месторождений

Пластичностью при определенной влажности и небольших давлениях обладают только глинистые породы, лёссы, мергель, мел, торф, почвы. Показатели пластичности — ее верхней и нижний пределы — зависят от гранулометрического и минерального состава породы (рис. 3.29), формы частиц; состава обменных катионов, химического состава и концентрации водного раствора.
Набухание глинистых пород связано с гидрофильностью тонкодисперсных частиц и их большой удельной поверхностью. Величина набухания в наибольшей степени определяется дисперсностью породы, ее структурой и текстурой, составом глинистых минералов (рис. 3.30) и обменных катионов, а также химическим составом растворов. Усадка глинистых пород ведет к их уплотнению и повышению сопротивления деформациям, образованию трещин, увеличивающих водопроницаемость. Величина усадки обусловлена теми же факторами, что и величина набухания.
Водопрочность дисперсных горных пород характеризуется размокаемостью твердых — размягчаемостью и раздельнозернистых — размываемостью. Эти показатели определяются составом пород, их структурными особенностями, влажностью, составом и концентрацией растворов.
Геолого-структурные факторы

При освоении месторождений полезных ископаемых основным объектом инженерно-геологического изучения являются массивы горных пород. Их свойства обусловлены разнообразием свойств слагающих горных пород, внутренним строением массивов, типом и интенсивностью проявления тектонических нарушений, обводненностью и газоносностью.
Факторы, определяющие инженерно-геологические условия месторождений

Массив горных пород — это находящийся в сфере инженерного воздействия участок земной коры, который составляет некоторую геологическую структуру или часть ее, характеризуется определенным литологическим составом и внутренним строением. Именно особенностями условий залегания и взаимоотношений различных геологических образований объясняется существенное несоответствие физических свойств горных пород в образцах и массиве. К другим факторам нетождественности свойств относятся трещиноватость, окружающая геологическая среда, гидрогеологические условия.
Линии пересечения ограничивающих массивы поверхностей с поверхностью земли являются границами инженерногеологических районов изучаемой территории, обладающих однородными условиями промышленного освоения. По особенностям состава и внутреннего строения в пределах массива могут быть выделены горно-геологические ярусы. Они представляют собой структурно обособленные комплексы горных пород, различающиеся вещественным составом и внутренним строением, что определяет горно-технические условия. По признаку горно-геологической ярусности выделяют массивы одно-, двух-, трех и многоярусные (рис. 3.31). Ярус, заключающий тела полезного ископаемого, называется основным; он залегает на подстилающем ярусе и перекрыт покровным.
Факторы, определяющие инженерно-геологические условия месторождений

По степени и характеру тектонических преобразований первоначальной структуры, наличию и пространственному положению магматических тел выделяют типы тектонического строения массивов горных пород (рис. 3.32).
Трещиноватость горных пород является важным фактором внутреннего строения горно-геологических ярусов и массивов.
Факторы, определяющие инженерно-геологические условия месторождений

Трещины по генезису делятся на тектонические и нетектонические, а последние — на первичные (петрогенетические) и вторичные (экзогенно-гравитационные и искусственные). Петрогенетические трещины возникают при формировании горных пород в связи с релаксацией механических полей напряжений, обусловленных остыванием магматического расплава или диагенезом осадка. Вторичные трещины — выветривания, оползней, обвалов, провалов, расширения пород при разгрузке — развиваются в поверхностных зонах под действием экзогенных процессов и сил гравитации.
Тектонические трещины формируются в результате напряжений, проявляющихся при складчатых или разрывных нарушениях. Среди них различают трещины с разрывом сплошности (отрыва и скалывания) и кливаж (складчатый и приразломный).
Деформирование и разрушение массива твердых горных пород протекают при активном участии трещин. При этом порода в монолите блока и в зоне трещин ведет себя по-разному. Монолитная порода деформируется за счет изменения меж-узельных расстояний и кристаллической решетки минерала, а в зоне трещин — за счет их сближения или расхождения.
Геометрия трещин — их густота, ширина, протяженность, элементы залегания — важные характеристики при оценке инженерно-геологических условий. Микротрещины почти не влияют на сплошность массива, крупные — резко снижают его прочность. Тонкие трещины не увеличивают водопроницаемость массива, но при проведении горных выработок по ним происходит их разуплотнение. Важное значение имеют состав заполнителя трещин и вид их поверхности.
Количественная оценка трещиноватости заключается в установлении ее типов и систем, замере элементов залегания, протяженности и раскрытия трещин, расстояний между ними в системах, в определении характера и степени заполнения трещин, общего объема трещинной пустотности (%), размера отдельностей (блоков) в массиве, а также удельной трещиноватости (м-1) и акустического показателя (табл. 3.57). Последний представляет собой отношение квадратов скоростей распространения продольных волн в массиве и в образце данной породы.
Факторы, определяющие инженерно-геологические условия месторождений

Наиболее существенно инженерно-геологические условия массивов горных пород изменяются на границах тектонически обособленных частей земной коры. Поэтому систематика массивов основана на геотектонических принципах. В соответствии с этим различают массивы платформенные, горно-складчатые и активизированных зон, а среди них — группы и подгруппы по приуроченности к структурным элементам и геологическим структурам более низких порядков. Так, среди массивов платформенного типа выделяются группы массивов, принадлежащих к областям щитов, плит и перикратонных опусканий, среди массивов горно-складчатого типа — группы массивов мегантиклинориев, мегасинклинориев и срединных поднятий. Группы массивов в сводово-глыбовых и блоковых структурах относятся к типу массивов активизированных зон.
Инженерно-геологические условия месторождений полезных ископаемых зависят преимущественно от особенностей состава, строения и состояния горных пород основного горногеологического яруса массива и глубины его залегания. В соответствии с приуроченностью месторождений к конкретным типам, группам и подгруппам массивов горных пород находятся инженерно-геологические характеристики основных ярусов, вмещающих тела полезных ископаемых.
Таким образом, главными факторами, определяющими инженерно-геологические условия месторождений, являются тип массива, его горно-геологическая ярусность, состав и внутреннее строение ярусов, а также свойства слагающих массив горных пород. Эти факторы с учетом их изменения в ходе геологических процессов позволяют прогнозировать комплексные показатели месторождений для целей разработки полезных ископаемых — устойчивость пород в горных выработках и разрабатываемость.
Современные геологические процессы

Среди современных геологических процессов наибольшего внимания заслуживают те из них, которые сопровождаются интенсивным изменением состава и строения или разрушением горных пород, быстрым смещением их, дислокациями тектонических структур, мощными динамическими воздействиями на горно-технические сооружения. К таким процессам относятся речная и овражная эрозия, абразия, оползни, обвалы, сели, мерзлотно-динамические и карстовые деформации земной поверхности, сейсмические процессы.
Для оценки условий ведения горных работ большое значение имеют также геологические процессы, результаты которых проявляются по истечении длительного времени. Таковы, например, процессы выветривания, аккумуляции осадков, неотек-тонические движения, геотермические процессы.
При выветривании происходят механическая дезинтеграция горных пород, химическое и физико-химическое разложение слагающих их минералов и образование новых при процессах окисления, гидратации, гидролиза, фильтрационного и осмотического выщелачивания. Глубина зоны измененных пород составляет 200—300 м, а на отдельных участках достигает 1 км. В коре выветривания по степени изменений выделяются следующие зоны: монолитная, глыбовая, мелкообломочная (щебенистая) и полного дробления; они существенно различаются по физическому состоянию и свойствам горных пород.
С воздействием атмосферы связаны и мерзлотно-динамические явления — деформации земной поверхности, вызванные замерзанием и оттаиванием воды в горных породах. К ним относятся пучение, гидролакколиты, наледи, термокарст, солифлюкция и др. При оттаивании мерзлых пород резко изменяются строение и физическое состояние пород, что приводит к деформациям в виде осадок и просадок. В процессе промерзания наблюдается значительное, но неравномерное увеличение объема породы. Под действием напряжений, возникающих при промерзании, развиваются морозобойные трещины.
Деятельностью поверхностного стока обусловлены смыв, размыв и оврагообразование, селевые потоки, размыв русел, подмыв берегов и др. Интенсивность и направленность этих процессов определяются развитием поверхностной гидросети, условиями залегания, составом и свойствами горных пород.
Под воздействием вод подземного стока происходят рассолонение (выщелачивание солей) глинистых пород, которое сопровождается изменениями физико-механических свойств и деформациями, карстообразование, фильтрационное разрушение горных пород. Карстовые явления значительно изменяют условия стока атмосферных осадков и обстановку циркуляции подземных вод. Фильтрационное разрушение пород отмечается в зоне выклинивания горизонтов подземных вод и зависит от структурных связей в горных породах и гидравлических характеристик потока.
Наконец, при совместном действии поверхностных и подземных вод и гравитационных процессов формируются оползни. Они существенно влияют на инженерно-геологическую обстановку месторождений и определяют условия их промышленного освоения.
Из эндогенных геологических процессов наибольшее воздействие на геодинамическую обстановку месторождений оказывают сейсмические процессы, неотектонические движения земной коры и геотермические явления. Эти процессы относятся к неуправляемым. Поэтому при строительстве и эксплуатации горных предприятий в зонах проявления современных эндогенных процессов необходимо прогнозировать возможность их развития и создавать надежные, приспособленные к данной геодинамической обстановке инженерные конструкции, технологические схемы и методы разработки полезных ископаемых.