Инженерно-геологические исследования в горном деле.
Инженерно-геологические исследования
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.
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.
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). Водопритокиэтих 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.
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.
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.
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.
4. 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.
5. 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 вре