К. Т. Тажибаев др техн наук, профессор, засл деятель науки кр
 Скачать 2.19 Mb.
|
|
1.3. Структурно-механические особенности породного массива Основной структурно-механической особенностью является наличие структурных ослаблений, которые по ГА. Фисенко можно подразделить на два основных типа. К первому типу относятся структурные ослабления по поверхностям большой протяженности по контактам между слоями осадочных породи литологическими разностями изверженных пород, по дизъюктивным нарушениями тектоническим разрывам. Эти структурные ослабления могут служить поверхностями, по которым происходит скольжение одной части деформируемого массива, относительно другой. Однако в силу большой протяженности, обычно превосходящей размеры породного массива, вокруг горной выработки, где локализуются геомеханические процессы деформирования и разрушения, эти структурные ослабления практически не влияют на механические свойства исследуемого массива. Ко второму типу относятся структурные ослабления по площадкам ограниченных размеров, каковыми являются трещины, которые имеют различное направление и оконтуривают породные блоки. Размеры этих трещин и породных блоков обычно меньше размеров исследуемого массива и существенно влияют на его деформируемость и прочность. Отсюда основными структурными особенностями породного массива, определяющими его механические свойства, являются трещиноватость, блоч- ность, слоистость в пределах исследуемого массива. Трещиноватость является определяющей структурно-механической особенностью породного массива. Трещины наблюдаются в породах любого происхождения (осадочных, магматических, и метаморфических) и по генетическому признаку подразделяются на естественные (природные) и искусственные (техногенные. В свою очередь естественные трещины в зависимости от происхождения подразделяются на первичные, возникшие в процессе образования и кристаллизации горных пород, тектонические, образовавшиеся под воздействием тектонических сил, и трещины выветривания, которые образуются в поверхностных слоях породных массивов под воздействием физического и химического выветривания. Каждая отдельная трещина характеризуется длиной и шириной, шероховатостью и извилистостью стенок, а также пространственной ориентацией в породном массиве. Различают трещины открытые и закрытые. По длине трещины разделяются на микротрещины (менее 0,1 м, трещины от 0,1 дом) и разрывы (болеем. Имея ввиду размеры исследуемых массивов вокруг горных выработок, микротрещины можно не рассматривать как структурные особенности массивов их влияние интегрально учитывается при экспериментальной оценке механических свойств горных пород. Разрывы имеют длину от 100 м до 10 км, крупные тектонические разрывы – от 10 до 100 км. Поэтому разрывы относятся к структурным ослаблениям по поверхностям большой протяженности и могут не рассматриваться при оценке механических свойств исследуемых породных массивов. Предметом рассмотрения в области ведения горных работ являются трещины с размерами 0,1 дом. При анализе процессов деформирования и разрушения вокруг горных выработок целесообразно верхний предел протяженности трещин ограничивать 10 мВ зависимости от взаимной ориентации трещин различают упорядоченную рисунок 5: 1, 2, 5, 8, 9, 10) и неупорядоченную (хаотическую) (рисунок 5: 3, 4, 6, 7, 11, 12, 13, 14) трещиноватость. При упорядоченной трещиноватости всегда можно выделить одно или несколько направлений преимущественного распространения трещин. В свою очередь, упорядоченную трещиноватость подразделяют на системную – при наличии нескольких систем трещин и полигональную, состоящую из одной системы трещин и множества трещин, перпендикулярных одной общей оси. Неупорядоченная трещиноватость характеризуется тем, что в ней нельзя выделить направление преимущественного распространения трещин. Рисунок 5. Различные виды трещиноватости породных массивов Для количественной оценки трещиноватости используется линейный, площадной и объемный коэффициенты интенсивности трещиноватости. Они представляют собой соответственно отношение единиц длины, площади и объема к среднему расстоянию между соседними трещинами, к площади и объему части массива между соседними трещинами. Рисунок 6. Классификация поверхностей и зон нарушения с механической точки зрения а – гигантские трещины б – гигантская трещина, заполненная перетертым материалом в – гигантская трещина с глиняным заполнением в – гигантская трещина с полосой разрушения из глины а – узел гигантских трещин б – узел гигантских трещин, заполненных перетертым материалом в – узел гигантских трещин, заполненных глиной а – семейство крупных трещин б − полосы разрушения с крупными трещинами в − крупные трещины с милонитом; а – гигантская трещина с оперяющими трещинами б – полосы разрушения с краевой гигантской трещиной 4 в – милонит с сопутствующей гигантской трещиной а – полоса разрушения б – ультрамилонит; в – милонит Трещины (рисунок 6) располагаясь в породном массиве на определенном расстоянии друг от друга, пересекаются, в результате чего массив с характерным размером Н оказывается расчлененным на множество структурных блоков, или отдельностей, со средним размером h. Соотношение Н характеризует относительный размер структурных блоков массива. Блоки могут быть различной формы. В слабодислоцированных осадочных породах наблюдается параллепипедная форма отдельностей, ограниченных, по крайней мере, тремя взаимно перпендикулярными системами трещин в осадочных сильнодислоцированных и интрузивных породах при косо-секущих трещинах – ромбоидальная в массивно кристаллических породах – плитооб- разная в базальтах и покровных суглинках – призматическая в глинистых сланцах и некоторых углях – чечевицевидная; в зоне выветривания крепких пород – шаровая. По размерам породных блоков выделяются несколько порядков структурных нарушений массивов нулевого порядка с размерами породных блоков более 10 км, образовавшихся в результате крупных тектонических разрывов первого порядка с размерами блоков от десятков метров до 10 км, оконтуренных геологическими нарушениями, тектоническими разрывами второго порядка с размерами блоков от сантиметров до десятков метров, которые являются следствием естественной трещиноватости, структуры и состава пород в пределах слоя третьего порядка с размерами структурных элементов от 10 -5 дом, оконтуренных микротрещинами четвертого порядка с размерами структурных элементов от 10 -8 домна уровне дефектов кристаллической решетки. Структурные элементы четвертого и третьего порядков определяют механические свойства пород при испытании породных образцов. Структурные блоки второго порядка должны учитываться при оценке механических свойств породных массивов вокруг горных выработок. Структурные блоки первого порядка должны оказывать влияние на оценку механических свойств подраба- тываемых массивов. Структурные блоки нулевого порядка могут не учитываться при оценке механических свойств породных массивов. Слоистость. При определении механических свойств слоистых пород массивов, также как трещиноватость и блочность, ее следует рассматривать в масштабах исследуемого массива, где локализуются геомеханические процессы, вызываемые горными выработками. При таком подходе не подлежит учету макрослоистость, определяемая различными литологическим разностями, когда мощность слоя больше линейных размеров исследуемого массива, те. массив слагается одной литологической разностью. Очевидно, в этом случае контакты между слоями являются структурными ослаблениями большой протяженности и также могут не учитываться при оценке механических свойств массива. Если в пределах литологической разности, которая составляет исследуемый массив, наблюдается микрослоистость с мощностью слоя больше размеров породного образца, влияние последней должно учитываться также, как и влияние упорядоченной трещиноватости. Что касается микро- сложности с мощностью слоя меньше размеров породного образца, ее влияние учитывается в экспериментальных характеристиках механических свойств породных образцов. Предметом особого анализа является макрослоистость с мощностью слоев меньше линейного размера исследуемого массива, когда он слагается различными литологическими разностями. В этом случае, если при переходе из одного слоя в другой не наблюдается скачкообразное изменение свойств горных пород, можно рассматривать исследуемый массив как единый объект, оценивая его механические свойства в виде непрерывной функции координат. Если наблюдается скачкообразное изменение свойств горных пород на контакте слоев, то возникают серьезные математические трудности для описания механического состояния такого массива. 1.4. Неоднородность и анизотропия породного массива Трещиноватость, блочность, сложность и другие структурно-механические особенности приводят к появлению неоднородности и анизотропии породного массива по механическим свойствам. Под неоднородностью массива по механическим свойствам понимается зависимость свойств в пределах данного массива от координат точки опробования. Под анизотропией массива по механическим свойствам понимается зависимость свойств в пределах данного массива от направления опробования. По размеру элементов различают неоднородность четырех порядков. Под термином элемент неоднородности подразумевают наибольший внутренний однородный объем горной породы, отличающийся по своим свойствам от соседних с ним объемов. Неоднородность IV порядка – это неоднородность кристаллов дефекты кристаллической решетки, дислокации и т.п. (размеры элемента неоднородности см. Неоднородность III порядка – различие в химическом и минеральном составе, форме и размере зерен, неоднородность в распределении цементирующего вещества, наличие микротрещин (размер элемента неоднородности 10 -3 – 10 8 см. Неоднородность II порядка – неоднородность структуры горных породи их состава (размерыэлемента неоднородности 10 8 – 10 см. Неоднородность I порядка – наличие литологических разностей, зон выветривания, разгрузки и т.д. (размер элемента неоднородности 10 3 см и более. При лабораторных исследованиях образцов обычно имеют дело сне- однородностью III порядка, при натурных исследованиях в пределах одной ли- тологической разности – с неоднородностью II порядка. Для макрослоистого массива характерен I порядок неоднородности. Анизотропия, также как и неоднородность, может быть различных порядков. Анизотропия IV порядка – анизотропия кристаллов. Анизотропия III порядка определяется мелкой внутренней слоистостью, ориентировкой зерен и системой трещиноватости, может быть оценена по результатам лабораторных испытаний образцов пород. Таблица 2 – Некоторые данные об анизотропии прочностных и упругих свойств горных пород Горная порода σ 1 см /σ II см σ I р / σ II р Е I / Е Слоистые известняки Хайдаркана 1,44 1,31 1,34 Слюдано-кварцевые сланцы Терексая 1,68 1,47 1,51 Мраморизованные известняки Терексая 1,57 1,49 1,48 Песчаник Жергалана 1,43 1,73 1,32 Алевролит Кызыл-Кии 1,9 1,47 1,21 Алевролит Сулюкты 1,42 1,1 1,70 Уголь Ташкумыра 1,25 1,7 1,24 В таблице 2 приведены некоторые данные об анизотропии прочностных и деформационных свойств горных пород при испытании образцов по различным направлениям относительно слоистости I – по нормали, II − параллельно. Анизотропия II порядка – связана с внешней слоистостью и макротре- щиноватостью. Анизотропия I порядка – с упорядоченным залеганием пород в виде моноклинали, серии блоков, разделенных тектоническими разрывами. 1.5. Движение породного массива До сих пор речь шла о свойствах породного массива как твердого тела безотносительно к условиям его существования. Природные объекты, однако, трудно выделить из окружающей среды без того, чтобы оказались утраченными важные его свойства. Так, например, породный массив, выделяемый пока- ким-либо геологическим признакам, постоянно участвует в деформационных процессах как элемент более крупной системы, которая в конечном счете объединяется в понятие литосферы. Это движение регистрируется геодезической съемкой, наглядно зафиксировано в геологических разрезах, проявляется в землетрясениях игорных ударах, в разрушении природных образований. Породный массив, таким образом, находится в механически неравновесном состоянии и непрерывно получает и диссипирует механическую энергию. Обмен энергией между частями, или лучше сказать, структурными элементами породного массива, определяет его состояние, особенно в случае расчленения его на блоки. В этом главная специфическая особенность объектов геомеханики. Отделяя горную породу от массива, мы лишаем ее важного качества постоянного обмена механической энергией с окружающей средой. Нам представляется, что в этом скрыта главная трудность определения свойств массива по результатам испытания образцов. Стационарное состояние породного массива отличается от статического равновесия тем, что механическая энергия сохраняется вследствие равенства подвода энергии извне и ее диссипации. Породные массивы носят в себе следы разрушения на разных масштабных уровнях от трещин на границах зерен минералов до многокилометровых разломов, разделяющих блоки земной коры. Раз возникнув, трещины многократно используются, обеспечивая массиву большую подвижность. Вдоль одних разломов берега смещаются друг относительно друга на сотни километров, вдоль других разломов движение меняет направление много раз, о чем свидетельствуют большие зоны нарушенности, так что ширина разлома достигает сотен метров. Так, сдвиговые движения на Тянь-Шане наиболее четко связаны с зонами Таласо- Ферганского глубинного разлома. Амплитуда горизонтальных смещений за мезо- кайнозоем, по геологическим данным, оценивается в 60-120 км. Горизонтальные движения находят отражение ив рельефе. В зоне разлома речные долины образуют коленчатые перегибы, явно указывающие на взаимное смещение частей долины, расположенных по разные стороны от разлома (рисунок 7). Такие смещения охватывают зону шириной 15–20 км амплитуда суммарного смещения за плиоценчетвертичное время оценивается в 10–15 км. Среди многочисленных разрывных нарушений, столь характерных для Тянь-Шаня, к настоящему времени выявлено немало крупных дизъюнктивных структур, значение которых не ограничивается лишь простым нарушением в залегании верхних слоев земной коры. Рисунок 7. Признаки горизонтальных движений земной коры в рисунке речной сети района Таласо-Ферганского разлома [6]: l 1 – амплитуда горизонтального смещения в долине реки Урумбай, между точками аи б l 2 – тоже в долине реки Кызылсу, между точками в и г l 3 – тоже между точками д и е Такой структурой является Северо-Тянь-Шанский разлом, проходящий вдоль северных подножий Киргизского хребта и Заплийского Алатау (рисунок 8). Горизонтальное смещение северного крыла разлома относительно южного исчисляется величиной порядка 80–85 км [6]. Рисунок 8. Схема тангенциального сдвига по Северо-Тянь-Шанскому разлому, зоны 1 – Центрально-Киргизская; 2 – Киндиктасская; 3 – Восточно-Киргизская; 4 – Илийская; 5 – Кеминская; 6 – Северо-Тянь-Шаньский разлом 7 – генеральные простирания Календонских структур 8 – направление относительного Тангенциального сдвига Итак, породный массив находится в состоянии движения, а не покоя, и его стационарные состояния характеризуются потоком диссипируемой энергии. Отсюда вытекают новые задачи геомеханики во-первых, исследование стационарных состояний и их устойчивости во-вторых, анализ переходных процессов из одного стационарного состояния в другое. Значительные необратимые деформации обеспечивают интенсивный обмен энергией внутри породного массива, что должно приводить к возникновению диссипативных структур. ГЛАВА 2. ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ 2.1. Дефомированность породного массива земной коры Породные массивы земной коры сильно деформированы. Так, изучение породу вершины горы Эверест показало, что это осадочные породы с юрскими морскими аммонитами. Отсюда следует, что земная кора может подвергаться значительным поднятиями впредь. Построение разрезов показывают размеры коровых деформаций на 9 км выше уровня моря и на 10–15 км ниже уровня моря (рисунок 9). Глубинные, почти вертикальные разломы (например, Сан-Андреас, Грейт-Глен, Альпийский) испытали большие горизонтальные смещения, параллельные простиранию разломов. Горные системы со сложной складчатостью и надвигами убедительно свидетельствуют о сильном горизонтальном сжатии. Системы разломов, с которыми связаны грабены, и разделения континентов говорят о крупномасштабном (растяжении, сжатии) деформировании массива. О чем свидетельствует наличие крупных складок и разрывов в регионах. Рисунок 9. Гипсометрическая кривая поверхности Земли Например, на рисунке 10 представлена схема расположения осей мегантик- линалей (хребтов) и характер развития глубинных разломов систем гор Тянь- Шань, а на рисунках 11, 12 характер расположения складок и разрывных нарушений различного уровняв пределах одного месторождения и его участка. Широкое географическое распространение разрывных нарушений наряду с присутствием их во всех типах горных пород свидетельствуют о многообразии условий их генезиса. Характерные соотношения между направлениями деформирующего напряжения и элементами залегания трещин в условиях сжатия и растяжения установлены экспериментально, показаны теоретически и подтверждены целым рядом полевых наблюдений. Рисунок 10. Схема расположения осей мегантиклиналей Тянь-Шаня: 1 – мегантиклинали, поднятые дом мегантиклинали – от 3000 дом мегантиклинали – 5000 ми более 4 – глубинные разломы 5 – палеозойские породы 6 – линия профиля 7 – район орогенетического поднятия 8 – разломы Сжатие вызывает у хрупких пород либо проявление продольных разломов, ориентированных параллельно главным направлениям напряжения, либо деформацию скалывания по плоскостям, наклоненным под углом 45 0 (или меньше) к главным напряжениям. Растяжение действует на рассматриваемые породы таким образом, что их нарушения происходят либо с развитием трещин растяжения, перпендикулярных к направлению растягивающих усилий, либо скалыванием с образованием разломов, причем направление растяжения является биссектрисой тупых углов между их плоскостями. Вместе стем, трещины могут складываться сложные системы, возникая самым различным способом. Одни разрывы привносятся в породу внешним полем напряжений местного характера, исходящим, например, от складки или от сброса, другие не увязываются с внешними напряжениями и должны относиться к деформациям, вызываемым внутренними причинами некоторые серии трещин являются частью региональной системы разрывных нарушений, вопрос о происхождении которой остается открытым одни разрывы образуются в результате наложенной деформации, другие – генетически связаны с природой материала и типом его реакции на напряжение, и наконец, встречаются такие разрывные нарушения, которые возникают в граничных условиях, создаваемых местными неоднородностями. Для того чтобы интерпретация трещин была достаточно убедительной, рекомендуется тщательно их исследовать, учитывая при этом геометрию всей системы трещин и относительный возраст отдельных серий характерные особенности и поверхности трещин геометрические соотношения системы трещин со структурой геологического объекта, содержащего эту систему изменения системы трещин от участка к участку более хрупкой структуры, в которую она входит 21 связь трещиноватости со структурой породы физические параметры породы и весь комплекс тех ее особенностей, которые могут служить указателями условий, в которых создавались разрывные нарушения. Рисунок 11. Тектоническая схема (аи обобщенный геологический разрез по АВ (б) месторождения Хайдаркан: 1 – четвертичные отложения 2 – алудинские конгломераты 3 – песчанистые сланцы 4 – тонкослоистые известняки 7 – джаспероиды; 8 – субширотные разломы 1 – Северный, 2 – Кара-Арчинский, 3 – Южный, 4 – Долинный 10 – диагональные разломы А – Северный Б – Центральный В – Южный 11 – направление основной антиклинальной складки – направление мелкой складчатости 13 – дайки диабазовых порфиритов; 14 – меридиональные трещины отрыва 15 – знаки, указывающие а – блок опущен, б – блок поднят 16 – ишметаусский надвиг Рисунок 12. Структурная схема Северо-Восточного участка месторождения Хайдаркан с диаграммами простирания осей мелкой складчатости и ориентировки разрывных нарушений тектонические блоки I – Северо-Западный; II – Центральный III – Юго-Восточный; А – простирание осей мелких складок Б – простирание осей рудоносных складок В – диаграмма ориентировки разрывных нарушений Грозы диаграммы простираний осей мелкой складчатости на флангах а – на северном б – на южном крыле антиклинали 1 – зоны дробления 2 – тектонические нарушения различных порядков |