» » Инженерно-геологические исследования

Инженерно-геологические исследования

02.08.2016

К общим задачам инженерно-геологических исследований относятся:
1) определение разрабатываемости пород и полезного ископаемого;
2) оценка устойчивости горных выработок;
3) определение специальных горно-технических условий.
Для решения первой задачи анализируются физико-механические свойства полезного ископаемого и вмещающих пород: объемная масса, сопротивление раздавливанию, разрыву и сдвигу, абразивность, способность к самовозгоранию, слеживанию и другие свойства.
Устойчивость и прочность горных пород оцениваются по результатам определения физико-механических свойств и изучения зависимости этих свойств от минерально-петрографического состава, структур, текстур, трещиноватости пород и гидрогеологических условий.
Специальными горно-техническими условиями могут быть развитие карста, сейсмичность района, возможность возникновения горных ударов, степень, характер и состав газопроявлений, силикозоопасность, тип и интенсивность развития многолетней мерзлоты и другие инженерно-геологические явления.
Эксплуатационные инженерно-геологические исследования выполняются для определения свойств горных пород в массиве и отбитой горной массе, уточнения инженерно-геологической структуры разрабатываемых и отвальных массивов, оценки деформаций стенок горных выработок, бортов карьеров и отвалов, а также других проявлений горного давления, включая горные удары, внезапные выбросы пород и газа, а также для разработки мероприятий по предотвращению оползней, провалов, обрушений и др.
Исследования на карьерах. Инженерно-геологические условия карьера оцениваются на основе обследования карьерного поля. При обследовании фиксируются участки интенсивной трещиноватости и выветрелых пород, изучаются геодинамические процессы и явления. При сложных условиях проводится инженерно-геологическая съемка в масштабе 1:2000. В ходе съемки изучают и наносят на план следующие данные: условия залегания и тектонические нарушения тел полезных ископаемых; литологию, зоны изменения (выветривания) инженерно-геологических свойств вмещающих горных пород, участки развития инженерно-геологических процессов; гидрогеологические показатели; состояние откосов и дна карьера, размещение и характеристики отвалов, наличие деформаций и т.п.
Наблюдения за деформациями и оценка устойчивости откосов уступов и бортов карьера, отвалов проводятся совместно геологической и маркшейдерской службой визуально и инструментальными методами; в последнее время для этих целей используется аэрофотосъемка. Визуальные наблюдения заключаются в периодическом осмотре откосов, дна карьера и карьерных отвалов, их описании и нанесении на план, в зарисовке и фотографировании деформаций пород. Осмотры осуществляются не реже одного раза в месяц, а в период снеготаяния и ливневых дождей — раз в неделю и чаще.
Изучение деформаций пород в карьере и устойчивости отвалов заключается в следующем:
1) описании признаков деформаций откосов и дна карьера (трещины, оползни, обвалы, провалы и т.п.) с оценкой их опасности;
2) выявлении связи деформаций с тектоническими нарушениями и слабыми контактами между слоями (пачками) горных пород;
3) наблюдении за выветриванием пород в откосах и связью деформаций с интенсивностью выветривания;
4) исследовании влияния обводненности пород и степени дренируемости на появление и развитие деформации откосов уступов;
5) определении воздействия взрывных работ на развитие деформаций откосов.
При изучении устойчивости отбирают образцы пород на физико-механические испытания, проводят натурные испытания горных пород на сдвиг. Маркшейдерские инструментальные методы основаны на наблюдениях за реперами, заложенными по профильным линиям, или створам. Створы ориентируют по направлению смещения или перпендикулярно к нему. Опорные реперы размещают на неподвижных участках массива. Длина створов зависит от параметров борта и оползневых участков, расстояние между реперами изменяется в зависимости от характера и интенсивности деформаций от 1—5 до 40 м.
Сопротивление сдвигу горных пород определяется срезом больших призм, монолитов, целиков породы в шурфах. Величину несущей способности и модуль деформации устанавливают методом пробных нагрузок. Крыльчатое зондирование применяется для выявления величин общего сопротивления сдвигу связных пород. Для определения прочностных и деформационных характеристик песчано-глинистых пород используется метод прессиометрии, основанный на измерении в скважине радиальных деформаций грунта под действием давления, развиваемого цилиндрической камерой; величину сцепления рассчитывают.
В инженерно-геологических исследованиях на карьере широкое распространение получили геофизические методы. Радиоактивные методы применяются для литологического расчленения геологического разреза (гамма-каротаж), определения объемной массы пород (гамма-гамма-каротаж), их влажности, уровня подземных вод (нейтрон-нейтронный каротаж), качественной оценки химического и минерального состава (нейтронный гамма-каротаж).
Сейсмоакустические методы дают возможность выделить литологические разности пород массива, определить их состояние (трещиноватость, выветрелость) и прочностные свойства, картировать карьерные поля по крепости и трещиноватости пород для оценки взрываемости и рыхлимости. Звукометрические исследования звуковыми пьезометрами, способными улавливать звуки, возникающие в процессе нарушения сплошности пород, позволяют установить нарастание или убывание начавшегося процесса разрушения бортового массива в скрытой фазе и выделить области, опасные в отношении деформаций.
Для уточнения характеристик прочности горных пород в бортовых или отвальных массивах используют метод обратных расчетов. На основании маркшейдерских съемок составляется паспорт оползня, в котором указываются первоначальные параметры откоса, положение и конфигурация оползневого клина, фиксируется поверхность скольжения, описываются породы, слагающие откос. Показатели сопротивления сдвигу устанавливают из условия предельного равновесия оползневого клина до начала деформаций и на момент их завершения.
На месторождениях со сложными инженерно-геологическими условиями уточняются физико-механические свойства горных пород. При лабораторных испытаниях образцов определяют следующие характеристики пород:
1) твердых и полутвердых — влажность, плотность и объемную массу, хрупкость, размокаемость, морозостойкость, сопротивление сжатию, модуль упругости, коэффициент бокового расширения;
2) глинистых — зерновой состав, влажность, предел и число пластичности, капиллярную и максимальную молекулярную влагоемкость, плотность и объемную массу, пористость, компрессионную сжимаемость, водопроницаемость, сопротивление сдвигу, предел ползучести, просадочность, набухаемость;
3) песчаных — зерновой состав, влажность, плотность и объемную массу, капиллярную и максимальную молекулярную влагоемкость, водоотдачу, угол естественного откоса.
Полный комплекс лабораторных испытаний проводится по контрольным пробам, в остальных выявляются только расчетные параметры (угол внутреннего трения, сцепление, объемная масса, влажность, для фильтрующих откосов — пористость). Число проб зависит от сложности геологического строения. Целесообразно из каждой разновидности пород отбирать не менее двух-трех контрольных проб на каждые 50—75 м продвижения фронта горных работ и на 10—20 м углубки карьера. Дополнительно отбираются образцы горных пород из зон контактов, повышенной трещиноватости, смятия, интенсивной тектонической нарушенности, дробления и деформаций откосов уступов.
Исследования при подземной разработке месторождений. Основные инженерно-геологические исследования проводятся для уточнения физико-механических свойств горных пород, изучения трещиноватости и тектонической нарушенности, установления характера и интенсивности развития инженерногеологических явлений (карст, суффозия, вывалы, обрушения), особых горно-геологических и газодинамических процессов, оценки проявлений горного давления в выработках и деформаций поверхности, связанных с ведением добычных работ.
Наиболее детально необходимо изучать физико-механические свойства в зонах повышенной трещиноватости, брекчирования, тектонической нарушенности, выветривания. Особого внимания требуют проявления горного давления и других геодинамических процессов. На предприятиях со сложными инженерно-геологическими условиями для этой цели организуются специальные (геомеханические) службы. Необходимость в их создании возникает при возможности развития следующих явлений:
1) горных ударов и других динамических форм проявления горного давления;
2) прорыва значительных масс воды из подрабатываемых водоемов или водонасыщенных толщ, а также прорыва хвостов обогатительных фабрик;
3) внезапных выбросов угля и газа.
В первом случае задачи геомеханической службы таковы: оценка напряженного состояния массива и определение мест возможных ударов (сейсмоакустический, электромагнитный и электрометрический методы контроля, анализ характера дробления и выхода керна); предупреждение горных ударов путем разгрузки массива (бурение скважин, создание разгрузочных полостей); контроль устойчивости горных выработок. При возможности прорыва воды изучается и оценивается естественная трещиноватость массива, бурятся опережающие шпуры и скважины, определяется мощность зоны образования водопроводящих трещин вокруг горных выработок.
При выбросоопасности геомеханическая служба организует работу по предотвращению зависания кровли (принудительное обрушение), по дегазации массива путем бурения специальных скважин, а также ведет оценку состояния массива геофизическими методами с использованием информации для корректировки параметров технологии разработки. Наконец, в связи с необходимостью охраны поверхности совместно с маркшейдерской службой контролируется сдвижение массива, определяются фактические деформации массива, устанавливаются предельно допустимые их значения и критические скорости.
Результаты инженерно-геологических исследований используются для районирования карьерных (шахтных) полей и отвальных территорий, более детального изучения структуры инженерно-геологических ярусов. На основе районирования и детализации строения ярусов разрабатываются мероприятия по управлению состоянием массива для обеспечения безопасности и экономической эффективности горных работ, охране недр и земельных ресурсов, восстановлению нарушенных территорий.