Виды структурных неоднородностей массивов горных пород

Классификация.

Характерным свойством горных пород является высокая степень их неоднородности, под которой понимают пространственную изменчивость их строения, состояния и свойств, обусловленную особенностями генезиса, историей развития и динамикой экзогенных процессов.

Ещё более высокая степень неоднородности наблюдается в массивах, сложенных различными горными породами. Кроме того, в массивах пород часто встречаются геологические нарушения и повсеместно развита естественная трещиноватость. Наконец, в окрестности горных выработок массив интенсивно расчленяется искусственными (технологическими) трещинами, появление которых связано с технологическими процессами ведения горных работ, например, с проведением взрывных работ.

В результате расчленения поверхностями структурных неоднородностей различных видов массивы горных пород имеют ярко выраженную блочную структуру, причем размеры отдельных структурных блоков обычно существенно различаются между собой и определяются расстояниями между соседними поверхностями структурных неоднородностей одного и того же класса или типа (порядка). В свою очередь, степень распространения различных типов неоднородностей весьма различна.

При этом необходимо отметить, что отмеченное блочное строение характерно для подавляющего большинства массивов пород, однако для массивов пород, сложенных менее прочными осадочными породами, оно выражается относительно слабее, чем для массивов прочных скальных пород.

Разработаны различные классификации структурных неоднородностей, одна из наиболее удачных предложена докт. физ.-мат. наук М.В. Рацем, который выделил несколько различных порядков структурных неоднородностей.

К неоднородностям нулевого порядка М.В. Рац отнёс крупные тектонические разрывы, связанные с региональными полями тектонических напряжений, разбивающие массивы пород на блоки с линейными размерами свыше 10 км, это по своей сути региональные структурные неоднородности земной коры III - IV порядков.

Далее выделяются структурные неоднородности, относящиеся собственно к массиву пород в масштабах отдельных месторождений.

Неоднородности первого порядка обусловлены наличием в массиве различных по составу, структуре и текстуре пород, крупных геологических нарушений, тектонических разрывов и т. д. Эти неоднородности расчленяют массив на блоки размерами от сотен метров до километров.

Более мелкие блоки размерами от десятков сантиметров до десятков метров связаны с неоднородностями второго порядка.

К этому классу относят неоднородности структуры и состава пород в пределах одной пачки, слоя, а также естественную трещиноватость.

Роль естественных трещин в изменении механической характеристики массива горных пород отмечал еще профессор М. М. Протодьяконов: "Горные породы в массе своей отнюдь не представляют собой сплошных упругих тел. Множество трещин, от микроскопических до грандиозных, разбивают всю толщу на отдельные куски, и даже там, где связь остается, она в значительной мере слабее, чем внутри самих кусков".

Учитывая это, рассмотрим данный вид структурных неоднородностей более подробно. Трещинами называют разрывы в горных породах, перемещения по которым совершенно отсутствуют или очень незначительны. Совокупность трещин, расчленяющих тот или иной участок земной коры, называют трещиноватостью.

По степени проявления различают следующие три группы трещин: открытые, закрытые и скрытые.

Открытые трещины имеют четко видимую полость, часто заполненную вторичными и гидротермальными минералами. Закрытые трещины характеризуются столь сближенными стенками, что хотя сам разрыв по ним хорошо прослеживается, полость по разрыву незаметна. Скрытые трещины, к которым, в частности, относится кливаж углей, визуально не видны, так как они очень тонки, но их можно обнаружить при разбивании или дроблении горных пород.

Естественные трещины обычно образуют в массиве системы или ряды. Трещины одной системы имеют параллельные или близкие к параллельным направления, но не могут пересекаться друг с другом. Если же трещины пересекаются даже под очень острым углом, то они должны быть отнесены к различным системам.

Часто встречаются две или три системы трещин, пересекающихся друг с другом под углами, близкими к прямым. При этом изменение в ориентировке одной из систем сопровождается соответствующим изменением другой. Такие взаимосвязанные системы трещин называются сопряженными системами.

Обычно в массиве горных пород можно выделить не менее трех систем трещиноватости. В ряде случаев число систем достигает пяти-шести и более.

Детальный анализ развития трещиноватости массивов горных пород различных месторождений показывает, что по линейным размерам трещин и сцеплению пород на их контактах выделяются три группы трещиноватости: крупноблоковая, мелкоблоковая и микротрещиноватость. Последняя группа принадлежит к неоднородностям следующих, более мелких (третьего и четвертого) порядков.

Трещины крупноблоковой трещиноватости имеют протяженность, исчисляемую десятками и даже сотнями метров. Протяженность отдельных трещин мелкоблоковой трещиноватости исчисляется метрами и дециметрами. Микротрещины невооруженным глазом не прослеживаются, но отчетливо видны в шлифах и аншлифах пород при их просмотре под бинокулярной лупой с восьмикратным увеличением или под микроскопом.

Различные массивы пород в разной степени расчленены трещинами. Среднее число параллельных трещин (отклонение элементов залегания ±10° от среднего по азимуту и по углу падения), приходящееся на единицу длины l (в направлении, перпендикулярном к трещинам), часто называют густотой или плотностью трещин. Это же число n = 1/l называют также линейным модулем трещиноватости соответствующей системы трещин. Линейный модуль является критерием сравнительной оценки степени выраженности в массиве трещин той или иной системы.

Сравнительная оценка развития общей трещиноватости различных массивов или разных участков некоторого массива может быть выражена объемным модулем трещиноватости W, представляющим собой безразмерное отношение единичного объема массива 1 м³ к среднему объему V структурного блока:

W = 1/V.(2.1)

Другим критерием для сравнительной оценки трещиноватости массивов горных пород может явиться акустический показатель трещиноватости А_i определяемый по формуле

А_i = (v₂ / v₁)²,(2.2)

где v₁ и v₂- скорость упругих колебаний в монолитном образце породы и в трещиноватом массиве.

В зависимости от степени развития трещиноватости массивов этот показатель может принимать значения от 0,9 - 1,0 для практически монолитных нетрещиноватых пород до 0,0 - 0,1 для весьма трещиноватых мелкоблочных пород.

К неоднородностям третьего порядка, кроме уже упоминавшейся микротрещиноватости, относятся также контакты между отдельными минеральными образованиями, зернами и кристаллами. При этом размеры блоков, образуемых неоднородностями данного типа, варьируют в пределах от единиц до десятков сантиметров.

Наконец, поскольку горные породы в большинстве своём представляют многокомпонентные поликристаллические агрегаты, выделяют четвертый порядок неоднородностей, связанный со структурными нарушениями межкристаллических областей, а также с дефектами структуры в решетках породообразующих минералов. Размеры структурных элементов в этом случае колеблются от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

Всё изложенное позволяет говорить об общих закономерностях структуры, характерных для верхней мантии и земной коры, и проявляющихся в едином иерархически - блочном строении, которое можно проследить от планетарных структур типа континентов до микроструктур на уровне кристаллов и отдельных минеральных зёрен. Это чрезвычайно важное заключение позволяет с единых позиций рассматривать вопросы поведения и состояния различных объёмов столь необычной физической среды, которой является земная кора и слагающие её массивы горных пород.

При этом необходимо подчеркнуть, что у всех выделяемых порядков структурных неоднородностей в пределах, по крайней мере, одного массива горных пород, как правило, наблюдается довольно четкое соответствие в пространственной ориентации. Кроме того, экспериментальные исследования показывают, что между геометрическими и механическими характеристиками структурных неоднородностей массива также существует определенная связь: крупным, но более редким поверхностям неоднородностей соответствуют, как правило, более низкие значения прочностных характеристик.

Изложенное позволяет представить схему строения массива горных пород с учетом структурных неоднородностей различных порядков в виде некоторой пространственной конструкции, состоящей из плотно прилегающих друг к другу блоков с различной степенью связи между ними (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Структурная схема массива горных пород.