Инженерно-геологические исследования

1. Отсутствие принципа вариантности, в соответствии с кото­рым в результате инженерно-геологических изысканий оцениваются несколько вариантов размещения сооружений и выбирается оптимальный с учетом его инженерно-геологических условии. Вы­бор местоположения створа плотины, трассы судоходного пли ир­ригационного канала, промплощадки тяжелых заводских цехов, участка мостового перехода и многих других строительных объек­тов осуществляется в результате стадийного проведения инженер­ных изысканий на базе сравнительной оценки природных условий и прогнозов их изменений под воздействием проектируемого соо­ружения. Месторождения же минерального сырья занимают опре­деленное геологическое пространство литосферы, которое и под­лежит оценке. Перенести его в более простые инженерно-геоло­гические условия, как это можно сделать, например, со створом проектируемой плотины, нельзя.

3. Геологическое изучение месторождений геологоразведочными выработками, располагаемыми по строго обоснованным сеткам ис­ходя из условий решения главной задачи — оценки запасов и ка­чества полезного ископаемого. Границы разведуемых площадей оп­ределяются положением полезного ископаемого, стадией разведки и некоторыми технико-экономическими факторами. В эти площади,

Однако нельзя полагать, что при современных глубинах зале­гания полезных ископаемых (а в перспективе глубины будут расти) возможно, увеличение количества выработок до оптимального для решения конкретной задачи. В связи с этим возникает одна важная особенность инженерно-геологических исследований — перенос центра тяжести их на период разработки месторождения, т. е. ос­новную роль должны приобрести шахтные и рудничные исследова­ния на локальном и оперативном уровне. Результаты этих работ в конечном в итоге приведут к повышению надежности и точности оценок и прогнозов, сделанных по материалам геологической раз­ведки, а также к улучшению методики и целенаправленности ин­женерно-геологических исследований на разных стадиях разведки. 5. Большой промежуток времени между окончанием детальной разведке, по результатам которой ведется техническое проектиро­вание горного предприятия, и началом разработки месторождения. В эпоху научно-технической революции происходит быстрей мо­ральный и физический износ горнотранспортного оборудования, растут темпы усовершенствования систем и технологий горного производства, увеличивается производительность труда, повыша­ются требования к условиям безопасности горняков, к более рациональному использованию недр и охране окружающей среды. Ме­няются подход, методы и оборудование разведочных работ; тре­буются более обоснованные, надежные и точные геологические опенки и прогнозы. Все это приводит к тому, что инженерно-гео­логические рекомендации, разработанные по материалам деталь­ной разведки, к моменту вскрытия месторождения устаревают В связи с этим встает вопрос об уточнении исходной информации, оценок, прогнозов и рекомендаций, что и приходится делать гор­някам при разработке месторождения или проектировщикам щи. уточнении технического проекта. Иногда приходится перепроекти­ровать по результатам новых инженерно-геологических исследова­ний выполняемых специализированными организациями.

6 Отсутствие опыта изучения, оценки и прогноза инженерно-геологических условий разработки месторождений полезных иско­паемых. Не надо доказывать известное положение, что проблемы в инженерной геологии формируются в связи с требованиями стро­ительной практики. Очень удачную мысль в атом плане высказал А. А. Каган. характеризуя инженерно-геологическую систему, воз­никающую «только при наличии внешнего воздействия, связанного с деятельностью человека или оказывающего влияние на эту дея­тельность». Поэтому чем раньше возникли проблемы, тем лучше они, как правило, разработаны и тем лучше и надежнее ин­женерно-геологические оценки. В этом нетрудно убедиться, сравнив уровень изученности различных горных пород и экзогенных гео­логических процессов с уровнем надежности! прогнозов поведения горных пород при с разным инженерными соору­жениями. Большое значение при этом приобретают анализ накоп­ленного опыта и научное обобщение результатов исследований и наблюдений.

Проблемы горного дела характеризуются сравнительной но­визной и значительной сложностью. Эти две основные особенности и определяют, с одной стороны, низкий уровень инженерно-геоло­гических разработок в горной практике, а с другой—настоятель­ную необходимость углубленного исследования всех аспектов вза­имодействия горных работ с окружающей геологической средой. Для быстрейшего достижения этой цели в первую очередь надо поднять па более высокий уровень инженерно-геологические иссле­дования в период разработки месторождений. На это особое вни­мание обратили Г. Г. Скворцов и Л. И. Романовская при рассмот­рении проблемы инженерно-геологического изучения месторожде­ний, намеченных к разработке открытым способом.

На базе анализа современного состояния инженерно-геологического изучения месторождений твердых полезных ископаемых и с учетом возросших требований к ним в табл. 1.1 приведены ос­новные особенности инженерно-геологических исследовании на разных стадиях геологоразведочных работ.
Инженерно-геологических условия месторождений полезных ископаемых.

Изучение геологических особенностей месторождений полезных ископаемых с целью оценки и прогноза условий их разработки раз­ными специалистами геологического и горного профиля привело к тому, что для общей характеристики этих условии стили приме­нять разный набор природных компонентов под названием геолого-технических, инженерно-геологический, горнотеологических условии. В 1956 г. П. Н. Панюков отождествил инженерно-гео­логические и горно-геологические условия, написав что инже­нерно-геологические условия (и особенности) в горной практике принято называть горно-геологическими условиями (и особенно­стями). Многие авторы в настоящее время приняли эту тождественность, хотя включают в данные понятия разные эле­менты (факторы). В табл. 3.1 приведены определение и содержа­ние инженерно-геологических и горно-геологических условий.

Интересно отметить, что во всех исследованиях, методических указаниях, инструкциях и других документах ВСЕГИНГЕО при­меняется понятие «инженерно-геологические условия», но при составлении отчетов о геологоразведочных работах результаты инженерно-геологических исследований рекомендуется излагать в главе (или в отдельном отчете) «Горно-геологические условия месторождения», в которой содержатся два основных раздела: «Инженерно-геологические свойства вмещающих пород» и «Инже­нерно-геологический прогноз условии разработки месторождения», что соответствует требованиям инструкции ГК.З.

Мы остановились на этом вопросе не из желания выяснить тер­минологическую его сторону, а потому что в эти два понятия вкладывается разное содержание по существу выполняемы; работ. В частности, в инженерно-геологические условия не входят осо­бенности полезного ископаемого, определяющие систему и техно­логию его эксплуатации, характер раскройки шахтного (карьер­ного) поля, размеры добычных участков и последовательность их отработки, местоположение капитальных и подготовительных выработок, в связи с чем эти характеристики не являются объектом инженерно-геологических исследований. Так же обстоит чело н с газоносностью, с управлением качеством добываемого ископае­мого, со специальными количественными оценками и прогнозами условий устойчивости горных выработок на геологической основе и с некоторыми другими особенностями, которые входят в понятие «горно-геологические условия» и изучаются геологами-разведчи­ками (иногда и горняками в период разработки месторождения). Это дает право многим авторам считать понятие «горно-геологи­ческие условия» более широким, включающим геологические, гид­рогеологические и инженерно-геологические условия месторождения а также элементы горно-технической системы.

С другой стороны, как уже было показано ранее во многих основополагающих трудах сущность инженерно-геологического изучения различных территорий состоит в том. что при его проведении включается в рассмотрение взаимодействие геологических условий с различными сооружениями. Если обратиться к инженерно геологическим исследованиям для гидротехнического, промышленного и транспортного строительства убедиться и том, что по результатам этих исследований проводятся проектирование сооружений на разных стадиях и что особенно
геологической обстановки применительно к данному сооружению,
(или комплексу сооружении) и понимаются как «инженерно-гео­логические условия»,
Оценка и прогноз этих условий базируются на комплексе данных о физико-географических условиях, геологическом строении составе, состоянии и физико-механических свойствах горных пород о гидрогеологических условиях, геодинамической обстановке и других характеристиках, полученных в результате целого ряда ис­следований и наблюдений в поле и лабораториях. Причем это по­ложение узаконено в нормативных документах Госстроя СССР (СНиП, инструкции, указания и т. д.). Иначе говоря, инженерно-геологические оценки, прогнозы и рекомендации являются завершающим этапом процесса обоснования геологических условий строительства и эксплуатации сооружении.

При изучении месторождений полезных ископаемых имеется своя специфика, которая определяет направленность геологиче­ских работ. Первоочередной является задача оценки запасов и ка­чества полезного ископаемого; под эту задачу и проводятся гео­логоразведочные работы. Собственно инженерно-геологические нс-¹ следования составляют незначительную часть этих работ. Однако было бы ошибкой считать, что составление инженерно-геологиче­ского обоснования условий разработки месторождений можно сде­лать на базе только инженерно-геологических исследований.

Исходя из требовании проектирования горных предприятий, строительства и эксплуатации горных сооружений (выработок) с целью рационального использование недр и охраны окружающей и среды и имея в виду предмет и задали инженерной геологии как науки, определим инженерно-геологические условия месторожде­ний полезных ископаемых как систему взаимосвязанных и взаимо­обусловленных компонентов природной среды, охарактеризован­ных количественными и качественными показателями. Эти показа­тели должны позволять оценивать и прогнозировать сложность освоения месторождений, процессы и явления, возникающие и раз­вивающиеся под воздействием горных работ, устойчивость вырабо­ток (сооружений), степень безопасности и производительность труда а также обосновывать способы, системы и технологию раз­работки и мероприятия, обеспечивающие рациональное "^пользо­вание природных ресурсов, повышение безопасности и эффектив­ности эксплуатации и охрану окружающей среды.

3.1 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, 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

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.