CC BY
118
УДК 622.271: 622.023.62: 550.822.3
А.М.МОЧАЛОВ, канд. техн. наук, зав. лабораторией, mochalov_am@spmi.ru С.В.КАГЕРМАЗОВА, канд. геол.-минерал, наук, ст. науч. сотр., mochalov_am@spmi.ru Г.А.ГРЕБЕНЩИКОВА, науч. сотр., mochalov_am@spmi.ru
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
A.M.MOCHALOV, PhD in eng. sc., laboratory head, mochalov_am@spmi.ru S.V.KAGERMAZOVA, PhD in geol. & min. sc., senior research assiatant, mochalov_am@spmi.ru G.A.GREBENSHCHIKOVA, research assiatant, mochalov_am@spmi.ru Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University)
УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ТРЕЩИНОВАТОСТИ СКАЛЬНЫХ И ПОЛУ СКАЛЬНЫХ ПОРОД НА ПРОЧНОСТЬ МАССИВА ПРИ ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ ПО ДАННЫМ РАЗВЕДКИ
Рассмотрен вопрос прогнозирования одного из показателей структуры массива горных пород - размера структурных блоков трещиноватых скальных и полускальных горных пород -показателя, необходимого для перехода от прочности (сцепления) пород в образце к сцеплению пород в массиве при оценке устойчивости бортов карьеров. Показано определение ориентировочного значения размера структурных блоков по керну инженерно-геологических скважин с помощью показателя качества (нарушенности) породы ЯСЮ на стадии разведки одного из рудных месторождений, предназначенного к открытой разработке.
Ключевые слова: прочность массива, трещиноватость пород, инженерно-геологические скважины, размер структурных блоков.
ACCOUNT OF INFLUENCE OF FRACTURING OF STONY AND SEMISTONY ROCKS ON THE STRENGTH OF ROCK MASS IN EVALUATION OF STABILITY OF OPEN-PIT SLOPES BY PROSPECTING DATA
The Article considers the aspect concerning the prediction of one of indices of rock mass structure,i.e.a dimension of structural blocks of fractured stony and semistony rocks - the index which is required for transition from strength (cohesion) of rocks in a specimen to cohesion in rock mass in evaluation of open-pit slope stability. It is shown also the determination of reference value of the dimension of structural blocks by core from geological holes with the aid of RQD (Rock Quality Designation) at the stage of prospecting of one of ore deposits intended for open-pit mining.
Key words: strength of rock mass, fracturing of rocks, geological holes, a dimension of structural blocks.
При оценке устойчивости бортов и уступов карьеров одним из решающих факторов, подлежащих обязательному учету, является структура массива, характеризующаяся трещиноватостью пород, наличием поверхностей ослабления, выраженных плоскостями напластования, зонами тектонических
304 _
нарушений, трещинами большого протяжения и другими поверхностями.
От ориентировки крупных поверхностей ослабления горных пород относительно простирания борта в значительной степени зависит положение и форма поверхностей скольжения в массиве откоса [3, 4].
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.190
Интенсивность прерывистых ступенчато расположенных трещин определяет прочностные характеристики массива в направлениях, не совпадающих со сплошными протяженными трещинами (тектоническими наслоениями).
В общем случае при изучении трещи-новатости пород необходимо установить количество систем трещин, элементы залегания трещин основных систем, интенсивность трещиноватости, размер и форму элементарных структурных блоков, образованных трещинами основных систем.
Интенсивность трещиноватости представляет собой величину, обратную среднему размеру (в метрах) элементарного блока породы, ограниченного смежными трещинами трех наиболее интенсивных систем. Размер элементарного структурного блока определяется непосредственными измерениями при изучении трещиноватости в естественных и искусственных обнажениях горных пород. Форма элементарного блока определяется относительным расположением (ориентацией) трещин.
Размер и форма элементарного структурного блока являются показателями, необходимыми для перехода от прочности пород в образце (удельное сцепление С0) к прочности массива (удельное сцепление См) - одной из основных расчетных характеристик при оценке устойчивости бортов карьеров.
Учет влияния характера трещиноватости на свойства горного массива производится с помощью коэффициента структурного ослабления X, который позволяет переходить от сцепления горных пород в образце к сцеплению пород в массиве См = ХС0 [3,4].
Многолетние лабораторные и натурные исследования прочностных свойств образцов пород и горных трещиноватых массивов (методом разрушения больших призм и обратными расчетами разрушенных участков бортов и откосов уступов на карьерах), проведенные лабораторией устойчивости бортов карьеров под руководством проф. Г.Л.Фи-сенко, показали, что основными факторами, влияющими на сцепление массива, являются:
• сцепление пород, слагающих горные массивы, определяемое лабораторными испытаниями образцов пород;
• степень (интенсивность) трещиноватости пород массива;
• размер и форма элементарных структурных блоков, на которые разбит массив;
• размер (высота Н) деформирующихся и разрушающихся прибортовых массивов.
Последний фактор проявляется в том, что для массивов одних и тех же свойств и интенсивности трещиноватости с увеличением высоты прибортового массива сцепление уменьшается. Снижение сцепления массива также наблюдается при увеличении интенсивности трещиноватости в прибортовых массивах одинаковых размеров.
Такой эффект влияния трещиноватости на величину сцепления массива объясняется тем, что напряженное состояние, возникающее под влиянием касательных напряжений в прибортовом массиве карьера (котлована или другой выемки), охватывает зону в области формирующейся поверхности скольжения. Поле касательных напряжений в предельном состоянии придает элементарным блокам, ограниченным трещинами, вращательное движение. При этом предельное состояние прибортового массива наступает при напряжениях меньших, чем при срезе блоков пород по поверхности скольжения.
Величина зоны предельных напряжений в прибортовом массиве карьера зависит от параметров (высоты) борта - чем выше деформирующийся борт, тем большую мощность имеет зона предельных напряжений, а потому тем больших размеров структурные блоки приобретают возможность вращательного движения, в то время как при малой высоте крупные структурные блоки в предельном его состоянии должны были бы быть срезанными.
Такая гипотеза деформирования и разрушения структурированного трещиноватого массива, предложенная проф. Г.Л.Фисенко [4], объясняет причину снижения прочностных (сцепления) свойств массива пород по сравнению со сцеплением монолитного образца породы.
_ 305
Санкт-Петербург. 2011
Следует отметить, что угол внутреннего трения, зависящий от состава пород и определяемый лабораторными испытаниями образцов пород на срез, с достаточной степенью достоверности может быть перенесен на трещиноватый массив.
Изложенная схема деформирования и разрушения трещиноватого массива характерна для условий, когда поверхность скольжения (разрушения) не совпадает с четко выраженными крупными поверхностями ослабления с контактами слоев, дизъюнктивными нарушениями, сплошными трещинами большого протяжения и др. При совпадении поверхности скольжения с поверхностью ослабления происходит плоское скольжение пород по поверхности ослабления; в этих случаях величина сцепления не зависит от размеров деформируемых массивов и структурных блоков и принимается равной сцеплению на поверхности ослабления.
По результатам натурных и лабораторных испытаний установлена зависимость между сцеплением в образце и в массиве в виде эмпирической формулы:
С =_£_
м 1 + а1п(Я//)'
где а - коэффициент, зависящий от прочности породы в монолитном образце и характера трещиноватости [3,4]; Н//— отношение высоты борта к среднему размеру элементарных блоков.
Таким образом, формула позволяет определить сцепление пород в массиве в зависимости от степени трещиноватости горных пород по направлениям, не совпадающим с поверхностями ослабления. Исходными инженерно-геологическими данными при этом являются прочность пород в образце, размер и форма структурных блоков.
Очевидно, что наиболее полную характеристику трещиноватости можно получить при изучении естественных и искусственных (горные выработки) обнажений горных пород. При отсутствии таких обнажений для решения вопроса устойчивости бортов карьеров, при разведке месторождений, сложенных скальными и полускальными
породами, прогнозируют трещиноватость горных пород.
Прогнозирование трещиноватости пород (размера и формы элементарных структурных блоков) может осуществляться методом аналогий, косвенными способами, основанными на зависимости показателей трещиноватости от различных геологических факторов, а также по выходу керна.
Метод аналогий дает возможность при изучении трещиноватости горных пород использовать общие закономерности возникновения трещиноватости горных массивов различного сложения и тектоники, так как количество систем трещин и их расположение зависят от условий образования пород, их литолого-петрографического состава и тектонической нарушенности массивов [4].
В работе [4] Г.Л.Фисенко сделана попытка общей оценки трещиноватости (интенсивности трещиноватости) горных массивов в зависимости от генезиса, состава и тектонической нарушенности горных пород.
Так, на основе многолетнего изучения трещиноватости горных пород ряда угольных месторождений установлено следующее:
• интенсивность трещиноватости, количество систем трещин зависят от тектонической нарушенности участка;
• при простом выдержанном (спокойном) залегании слоев в породах имеют развитие обычно три системы трещин: две крутопадающие продольная и поперечная, нормальносекущие наслоение, и одна, совпадающая с наслоением; форма структурных блоков близка к прямоугольной; протяженность трещин не более 3-5 м;
• сохраняемость ориентировки трещин зависит от геологической нарушенности; если в пределах месторождения слоистая толща сохраняет свою пространственную ориентировку, характер трещиноватости также остается неизменным; при наличии крупных геологических нарушений, меняющих ориентировку залегания толщи на отдельных участках, ориентировка трещин будет непостоянной;
• в зонах, близких к геологическим нарушениям, как складчатым, так и разрывным, интенсивность трещиноватости воз-
306 _
ТБвМ 0135-3500. Записки Горного института. Т.190
Таблиц l
Размеры структурных блоков по результатам непосредственных измерений в уступах угольных карьеров
Наименование Размер структурных блоков, м
месторождения Песчаники Алевролиты Аргиллиты Уголь
Черногорское 0,50-1,20 0,40-1,00 0,20-0,50
Изыхское 0,30-1,00 0,25-0,80 0,15-0,35
Экибастузское 0,80 0,50 0,40 0,30
Черемховское 0,40-0,60 1,00-3,00 0,10-0,70 1,00-2,50 0,10-0,40 0,30
Азейское 0,20-0,60 0,20-0,30 0,10-0,20
Нерюнгринское 0,40-0,90 0,20 0,10
Куучекинское 0,90 0,50 0,30 0,20
Краснобродское 0,20-1,00 0,20-0,70 0,20-0,70 0,30
Коркинское 0,50-1,50 (до 2,5-3,0) 0,50-1,50 0,1-1,00 0,30-0,90
Еманжелинское 0,50-2,50 0,40-2,00 0,20-0,80
Богословское 0,40-0,60 0,15-0,20 0,10-0,20 0,10
Волчанское 0,50-2,00 0,10-0,40 0,02-0,25 0,10-0,30
Холбольджинское 0,20-0,30 0,50-1,00 0,10-0,20 0,10-0,15
Вахрушевское 0,50-1,00 0,10-0,80 0,20-0,30
растает, четко прослеживаются кососеку-щие наслоение трещины; число систем трещин увеличивается; блоки имеют форму косоугольных призм или близкую к прямоугольным;
• при сложной структуре массива - при наличии большого количества крупных и мелких нарушений - каждый участок массива, заключенный между нарушениями, изменяющими ориентировку слоев в пределах участка, имеет свою пространственную ориентировку трещин; в породах каждого участка устанавливается обычно 5-7 систем трещин; трещины имеют чаще всего крутые углы падения, равные 50-90°; встречаются имеющие значительно меньшее развитие пологие трещины, падающие под углом 20-35°;
• интенсивность проявления трещин в разных породах неодинакова; размеры элементарных структурных блоков для песчаников, алевролитов, аргиллитов и угля по разным угольным месторождениям, полученные по результатам непосредственных измерений в уступах карьеров, приведены в табл.1.
Трещиноватость может быть оценена путем установления корреляционных зависимостей между выходом керна и интенсивностью трещиноватости пород.
Для количественной оценки трещиноватости по керну буровых скважин возможно использование показателя качества (нарушенное™) пород RQD [1,2], который определяется по выходу керна при колонковом бурении и косвенно зависит от количества трещин, степени тектонической нарушенно-сти и выветрелости породы; показатель RQD представляет собой суммарный выход керна в столбиках высотой более 0,1 м в процентах на 1 м керна (или на определенный интервал бурения с учетом линейного выхода керна). Значение этого показателя могут изменяться от 100 (несколько трещин) до 0 % (много трещин); как отмечается в работе [1], при высоких значениях RQD проявляется некоторая «нечувствительность» метода.
Ниже приведена классификация породы по качеству (или нарушенности) с использованием показателя RQD по Д.И.Диру [1,2]:
RQD, % Качество (характеристика) породы
0-25 Очень плохое (очень слабая)
25-50 Плохое (слабая)
50-75 Удовлетворительное (удовлетворительная)
75-90 Хорошее (хорошая)
90-100 Очень хорошее (отличная)
_ 307
Таблица 2
Показатели 1*00 по керну скважин н размер блоков пород в массиве месторождения (выход керна 100 %)
Номер, глубина скважины, борт Интервал глубины по скважине, м RQD (суммарный выход керна в столбиках > 0,1 м на I м), % Состояние пород по классам 11(30 Средний размер длины керна или ориентировочный размер блоков пород в массиве, м
№ 1, 0-63,9 64 Удовлетворительное 0,22
210 м, южный 63,9-210 84 Хорошее (в основном) 0,42
105,4-125,0 145,0-163,7 69 Удовлетворительное 0,42
№2, 0-28 8-31 Очень плохое, плохое 0,13-0,15
228 м, восточный 28-228 69 78 Удовлетворительное Хорошее 0,32 0,39
№3, 0-77 19 Очень плохое 0,10
248 м, 37 Плохое 0,18
северный 77-248 59 Удовлетворительное 0,26
80 Хорошее 0,40
190-215 91 Очень хорошее 0,40
№4, 0-32 36 Плохое 0,09
246 м, западный 32-52 52-246 68 84 93 Удовлетворительное Хорошее Очень хорошее 0,25 0,39 0,45
Таблица 3
Среднее значение длины столбиков керна (или средний размер структурных блоков) в зависимости от показателя 11(30 для пород рассматриваемого рудного месторождения
Величина RQD по классификации Дира, % (состояние породы по классам RQD) Средняя длина столбиков керна 1 по скважинам глубиной Я, м Среднее значение длины столбика породы по всем скважинам, м
№ 1, Я = 210 м, южный борт №2, Я=228 м, восточный борт № 3, Я = 248 м, северный борт №4, Я =246 м, западный борт
0-25 (очень плохое) 0,15 0,10 0,12
25-50 (плохое) 0,13 0,18 0,09 0,14
50-75 (удовлетворительное) 0,32 0,32 0,26 0,25 0,29
75-90 (хорошее) 0,43 0,39 0,40 0,39 0,40
90100 (очень хорошее) 0,40 0,46 0,42
Приведено очень краткое описание состояния породы. Показатель 11(^0 дает представление о качестве (нарушенности) породы, но не определяет длину кусков керна по оси, ее надо замерять для ориентировочного определения среднего размера столбика керна.
Для определения показателя ЯСЮ требуется высокое качество бурения, в расчет принимается керн диаметром > 50 мм [1]. Использование этого показателя при бурении скважин позволяет определить степень нарушенности (качество) различных частей массива пород и ориентировочный размер кусков керна (или блоков) породы.
С целью определения связи между ориентировочными средними размерами кусков керна и показателями качества породы ЯСЮ при разведочных работах на одном из рудных месторождений, предназначенного к открытой разработке и сложенного скальными и полускальными породами (грано-диоритами), были пробурены четыре инженерно-геологические скважины глубиной 210-248 м.
По данным документации - описания и фотографий керна этих скважин по интервалам глубин, равным 10-12 м, определялся показатель состояния пород 11(^0 (замерялась средняя длина столбиков керна на этом
308 _
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.190
интервале глубин). По средней длине столбиков керна определялся средний размер блоков пород.
Обобщенные результаты по каждой скважине представлены в табл.2.
Результаты определения среднего размера (длины) столбиков керна и показателя ЯСЮ по скважинам приведены в табл.3.
Из табл.3 видно, что наблюдается определенная зависимость между показателями качества породы 11(^0 и средним размером столбиков керна (длиной) или структурных блоков (/) для пород (гранодиоритов) рассматриваемого месторождения.
Ориентировочные значения размеров блоков пород, установленные по интервалам глубин для каждой инженерно-геологи-ческой скважины, учитывались при определении исходных характеристик прочности пород в массиве при расчетах устойчивости бортов карьеров.
Выводы
1. Горный массив, сложенный скальными и полускальными породами, ослаблен трещиноватостью. Для определения сцепления пород в массиве, являющегося одной из основных расчетных характеристик прочности при оценке устойчивости бортов карьеров в скальных и полускальных породах, недостаточно лабораторных испытаний образцов пород, необходимы данные по тре-щиноватости пород, слагающих приборто-вой массив, - размер и форма элементарных структурных блоков для перехода от сцепления пород в образце к сцеплению пород в массиве. Расчет сцепления массива производится по приведенной формуле.
2. Трещиноватость пород изучается в естественных и искусственных обнажениях
горных пород; при отсутствии таких обнажений трещиноватость (размер и форму блоков пород) следует прогнозировать, изучая керн скважины.
3. При количественной оценке интенсивности трещиноватости по керну буровых скважин возможно использование показателя состояния качества породы ЯС^, который представляет собой суммарный выход керна в столбиках высотой более 0,1 м на определенный интервал бурения. Как показали результаты замера высоты столбиков керна по четырем инженерно-геологическим скважинам, наблюдается определенная зависимость между показателем 1100 и средним размером (длиной) структурного блока для пород (гранодиоритов) рассматриваемого месторождения. Определение КСЮ по глубине скважины позволяет выявить состояние массива и соответствующий этому состоянию ориентировочный размер структурного блока.
ЛИТЕРАТУРА
1. Введение в механику скальных пород / Под. ред. Х.Бока. М.: Мир, 1983.
2.Джегер Ч. Механика горных пород и инженерные сооружения. М.: Мир, 1975.
3. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах / ВНИМИ. СПб, 1998.
4. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М.: Недра, 1965.
REFERENCES
1. An Introduction to Rock Mechanics / Edited by H.Bock. Moscow: Mir, 1983.
2. Jaeger Ch. Rock mechanics and engineering. Moscow: Mir, 1975.
3. Regulations for providing slope stability at coal open-pit mines / VNIMI. Saint Petersburg, 1998.
4. Fisenko G.L. Stability of open-pit slopes and spoil banks. Moscow: Nedra. 1965.
