Технологические характеристики строения сложноструктурного массива в развале Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

СЕМИНАР 14

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Б.Р. Ракишев, А.А. Машанов, Ж.Р. Имашев, 2001

УДК 622.271.33

Б.Р. Ракишев, А.А. Машанов, Ж.Р. Имашев

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТРЕЩИНОВАТОСТИ МРАМОРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ

Э

ффективная разработка пильного камня требует согласованного направления горных работ с естественной трещиноватостью массива. Оно должно быть таким, чтобы в естественные отдельности, образованные системами трещин, вписывалось (или вырезалось из них) максимальное количество кондиционных блоков. Для этого необходимо заранее установить геометрические параметры естественных отдельностей. Однако эта задача реализуема только в период эксплуатации карьера, когда достаточное число обнажений позволит произвести массовые замеры систем трещин с их следующей обработкой. В этих целях используется опытный участок с площадью 10x10 м. На нем определяется вероятный выход блочности, намечается направление развития горных работ в зависимости от ориентации структурных отдельностей, их размеров, формы. Все сказанное иллюстрирует ту роль, которую играет структура массива горных пород при разработке месторождений стенового и облицовочного камня.

Как известно, структурная отдельность в своем большинстве представляет собой параллелепипед (в плане параллелограмм). Добычу кондиционных блоков целесообразно вести так, чтобы из этого параллелограмма выпилить как можно больше кондиционных блоков прямоугольной формы.

Массив мраморов или мраморизованных известняков обычно разбит не двумя-тремя системами трещин, образующими отдельности, а гораздо большим их числом. При всем разнообразии таковых, существуют системы, доминирующие в данном массиве. Эти системы и образуют структурные отдельности параллелепипедальной формы, характерные для таких месторождений. Определение таких геометрических элементов является одной из основных задач проектирования нерудных карьеров.

Вопрос о механизме образования систем трещин -центральный в геомеханике. Согласно положениям этой отрасли науки, сейсмические волны, возникающие в земной коре, являются ответственными за формирование

систем трещин в скальных массивах. В пределах каждого массива возникают серии стоячих волн. Когда они достигают предельного значения, то их узловые точки окажутся геометрическими местами образования систем трещин. Таким образом, структурные отдельности являются продуктом действия стоячих тектонических волн.

Одним из приемов для определения размеров отдельностей служит скорость распространения упругих волн (у). По М.Ф. Ляховиц-кому она вычисляется по формуле:

V = []2 • к • асж(1 - мУУ (1 - 2я) ]/2

, (1)

где к - коэффициент пропорциональности между модулем сдвига G и прочностью породы на одноосное сжатие асж, У - плотность, Ц - коэффициент Пуассона.

Для известняков, в том числе мраморизованных Эрмит /5/ предложил эмпирическую формулу:

V = 124^/асж -15 +1385, (2)

В случае скальных массивов обычно длина волны X соответствует длине структурной отдельности, поскольку

V = У •у (где V - частота волны).

Разделив обе части уравнений (1) и (2) на V, можно получить представление о линейных параметрах структурных отдельностей.

Углы параллелограмма структурной отдельности равные 90о + р характерны для мономинеральных горных пород, что установлено многими исследователями.

Скрытые микротрещины связаны в основном с дислокациями, происходящими между кристаллами (и внутри их), слагающими данную породу. Эти микротрещины, соразмерные с кристаллическими зернами породы, часто дают начало развитию более крупных трещин.

Углекислые соединения в природе имеют кристаллическую форму тригональной сингонии и обладают спайностью по ромбоэдру. Углы ромбоэдра составляют 102-104о.

Почти все скальные породы состоят из кристаллических веществ. В случае мономинерального состава горных пород кристаллические формы сохраняются в тектонических и структурных блоках. Например, кубические формы спайности поваренной соли сохраняются в крупных структурных блоках. То же самое можно сказать о ромби-

Таблица

ПАРАМЕТРЫ ТРЕЩИН НЕКОТОРЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАЗАХСТАНА.

ческих формах кристаллов кальцитов. Образование систем трещин в массиве горных пород имеет ту же закономерность, что и формирование кристаллических форм и текстуры пород.

В пользу изложенного говорят результаты замеров трещин на Экпендинском, Каратауском мраморных месторождениях и Акбастау-Кзылсайском месторождении мраморизованных известняков (таблица).

Как видно из таблицы, первые две системы трещин Акбастау- Кзылсайского месторождения имеют следующие элементы залегания: азимуты простирания 62о, падения 152о, угол падения 74о, азимуты простирания 320о, падения 50о, угол падения 77о. Угол между азимутами 102о, т.е. равен углу грани ромбоэдра кристалла кальцита - исландского шпата. Приблизительно такая же картина имеет место на Экпендинском (системы 4 и 5) и Каратаусском (системы 2 и 3) месторождениях.

Следовательно, на каждом из указанных месторождений доминирующими системами будут те, которые образуют угол, соответствующий углу ромбоэдра кристалла кальцита.

Пространственную ориентацию плоскостей трещин можно найти косвенным путем используя метод сверления отверстий, в частности метод Матара [3]. Он основан на изменении формы круглого отверстия, просверленного в горной породе вследствие проявления остаточных напряжений. В свою очередь искажения формы отверстия (от окружности к эллипсу) дает представление об остаточных напряжениях и деформациях в горной массе. В качестве таких отверстий, в частности, служат разведочные скважины.

Эллипс деформации позволяет определять нормальное напряжение из закона Гука а = Е • , где Д<^^ -

относительная деформация; Дd = 2а - d ; а - большая полуось эллипса, образовавшегося в результате проявле-

ния остаточных напряжений; d - диаметр скважины; Е - модуль упругости породы.

Поскольку нас интересует главным образом трещиноватость, то эллипс (эллипс деформации), полученный при искажении отверстия круглой формы, может служить "характеристикой блочности" массива горных пород.

Эллипсоид (в плоскости эллипс) представляет собой образ анизотропии трехосного (двухос-ного) пространства и находит применение во многих областях механики (в частности, построение эллипсоида деформации горных пород производится по системам трещин).

Если естественная отдельность скально-трещиноватого массива горных пород имеет симметричную форму (прямоугольник, ромб), то построение по таким системам трещин упрощается, т.к. оси данных фигур служат диаметрами эллипсов. В общем случае построение на плоскости эллипса деформации сводится к его вписыванию в параллелограмм. Оси этого эллипса совпадают по направлению с главными напряжениями.

Если вокруг эллипса деформации описать параллелограмм с характеристическими углами 90о + р/2, то мы получим ориентированную модель естественной отдельности.

Известен способ вписывания эллипса деформации в параллелограмм. Оси этого эллипса указывают направления максимальной и минимальной деформации в массиве горных пород. При этом угол у - отклонение сторон осей параллелограмма от диаметров эллипса может изменяться от 0 до 45о - р/2 в зависимости от свойств горной породы. Для каждого массива горных пород он имеет свое значение и определяется зависимостью

Ь • соб^ = Ь1 • 45° - ^2^ , (3)

где Ь - малая полуось эллипса; Ь - короткая сторона параллелограмма. В нашем случае решается обратная задача, но угол у будет иметь тот же смысл.

На практике в круглое отверстие (скважина, шпур) вводят прибор для измерения диаметра. Для расчета главных напряжений ст-[ ,ст2 и направления Р главного напряжения пользуются формулами:

Е

(°2) = — [(Д^і + ^2 + Adз) + 6d

+ I ^2 - Ad1)2 + ^ - Ad3)2 + (Ad3 - Ad2)2 ]

2

_ 1 . 3(Ad1 - Ad3)

В = — аггїа—-—1 3

lAd2 -,

(4)

2

^2 — Adl — Adз

Знак плюс перед корнем берется для значения а1, знак минус - для значения а 2 ; с1 - диаметр отверстия; Р -угол между направлением напряжения а1 и направлением изменения диаметра Дd2; ^1, Дd2, Дdз - изменение диаметра отверстия по трем направлениям с угловым интервалом 60о (рисунок).

Начальное направление Дd1 должно соответствовать направлению одной из систем трещин. Тогда угол у может быть определен по разности азимутов направления и азимутов направления а1 (А), т.е.:

ц = AДdl - Аа1, или ц = 120° - Р

если і// :

<1 45° - Г/

, то он используется в расчетах.

Предлагаемый метод прогнозирования трещиноватости массива пород опробирован в условиях мраморных месторождений Казахстана. Его использование позволит избежать затрат на строительство опытного карьера и по результатам геологоразведочных материалов приступить непосредственно к проектированию карьера и рациональномувскрытию месторождения.

Метод был реализован при проектировании Акба-стау-Кзылсайского месторождения мраморизованных известняков, а также при составлении планов горных работ на Каратауском и Экпендинском мраморных карьерах. При этом выход блоков увеличился на 10-12 %.

1. Гзовский В.И. Основы текто-нофизики. - М., Мир, 1975.

2. Машанов А.Ж., Машанов А.А. Основы геомеханики скальнотрещиноватых пород. - Алма-Ата: Наука, 1985, - 192 с.

3. Роуландс Р. Остаточные напряжения: в кн. Экспериментальная механика. - М., Мир, 1990, т. 2, - С. 285-335

4. Техника и технология добычи гранитных блоков / Б.Р. Ракишев,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ю.Н. Бабин, Б.Ф. Шерстюк, В.С. Бо-бович/. - М.: Недра, 1989, - 200 с.

5. Талобр Ж. Механика горных пород. - М., Госгортехиздат, 1960.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ