Лекция 2. Способы учета трещиноватости при обосновании устойчивости техногенных обнажений
План лекции
2.1 Основные понятия о трещиноватости
2.2 Моделирование развития трещиноватости с учетом времени обнажения поверхности
2.3 Использование геотомографа при изучении трещиноватости массива вблизи горной выработки
2.4 Влияние трещин на прочность образцов
2.1 Основные понятия о трещиноватости
Трещиноватость является одной из важнейших характеристик горного массива, определяющих его прочность, устойчивость и поведение при ведении горных работ. В отличие от отдельного образца породы, который в лабораторных условиях может рассматриваться как сравнительно однородное тело, реальный массив почти всегда содержит трещины, разрывы, поверхности ослабления, зоны дробления и другие структурные нарушения. Именно поэтому при оценке устойчивости техногенных обнажений необходимо учитывать не только свойства самой породы, но и характер её нарушенности в массиве.
Под трещиной понимают нарушение сплошности горной породы, при котором отдельные части массива разделены поверхностью разрыва. Трещины могут иметь различное происхождение. Одни формируются в процессе образования и преобразования пород, другие возникают под действием тектонических напряжений, третьи развиваются в результате горных работ, взрывного воздействия, разгрузки массива или изменения напряжённого состояния вокруг выработки.
Трещиноватость может быть природной и техногенной. Природная трещиноватость связана с геологической историей массива: складчатостью, тектоническими нарушениями, процессами охлаждения, осадконакопления, метаморфизма и другими природными факторами. Техногенная трещиноватость возникает в результате деятельности человека: проведения выработок, буровзрывных работ, выемки полезного ископаемого, изменения условий нагружения и перераспределения горного давления.
Для инженерной оценки массива важно учитывать не только сам факт наличия трещин, но и их пространственное положение. Трещины могут быть ориентированы по-разному относительно горной выработки, поверхности обнажения, направления слоистости и действующих напряжений. Если трещины совпадают с направлением возможного смещения породных блоков, устойчивость обнажения может существенно снижаться. Если же трещины ориентированы таким образом, что блоки взаимно заклиниваются, массив может сохранять устойчивость даже при выраженной нарушенности.
В массиве часто выделяют системы трещин. Система трещин представляет собой группу разрывов, имеющих сходное направление и близкий характер залегания. При наличии нескольких систем трещин массив приобретает блочное строение. В этом случае устойчивость определяется уже не только прочностью породы, но и размерами блоков, характером контактов между ними, шероховатостью поверхностей трещин, степенью раскрытия и наличием заполнителя.
Особое значение имеют такие признаки трещиноватости, как густота трещин, их протяжённость, ширина раскрытия, шероховатость, степень заполнения, водонасыщенность и взаимная ориентировка. Чем выше степень нарушенности массива, тем меньше его способность воспринимать нагрузки как единое сплошное тело. В сильно трещиноватых породах разрушение часто происходит не через саму породу, а по уже существующим поверхностям ослабления.
При обосновании устойчивости техногенных обнажений трещиноватость рассматривается как один из главных факторов, определяющих форму и размеры возможных зон разрушения. В кровле выработки трещины могут способствовать отслоению пород и выпадению отдельных блоков. В бортах они могут вызывать образование клиньев и локальных обрушений. В почве наличие трещиноватых и ослабленных пород может усиливать процессы деформирования и пучения.
Следовательно, трещиноватость следует рассматривать не как второстепенный дефект массива, а как ключевой структурный фактор, определяющий его инженерно-геомеханическое состояние.
2.2 Моделирование развития трещиноватости с учетом времени обнажения поверхности
После проведения горной выработки массив вокруг неё переходит в новое напряжённое состояние. До образования обнажения породы находились в условиях естественного горного давления. После выемки части массива происходит перераспределение напряжений, и на контуре выработки формируются зоны разгрузки, концентрации напряжений и постепенного разрушения. Поэтому трещиноватость вокруг техногенного обнажения не является постоянной характеристикой. Она может развиваться во времени.
В первые моменты после образования обнажения в массиве активизируются уже существующие природные трещины. Часть из них раскрывается, часть соединяется между собой, а в отдельных участках появляются новые микротрещины. Если порода обладает выраженной слоистостью, трещины могут развиваться по контактам слоев. Если массив нарушен тектонически, разрушение чаще концентрируется в ранее ослабленных зонах.
С течением времени процесс трещинообразования может усиливаться. Это связано с постепенным перераспределением напряжений, влиянием влаги, изменением условий проветривания, вибрационными воздействиями, повторным нагружением массива и длительным действием собственного веса пород. Особенно заметно это проявляется в слабых, слоистых, глинистых, углистых и нарушенных породах, где устойчивость обнажения может снижаться не сразу, а постепенно.
Моделирование развития трещиноватости необходимо для прогноза устойчивости выработок. Если при расчётах учитывать только начальное состояние массива, можно недооценить опасность последующего разрушения. В реальных условиях обнажение может выглядеть устойчивым сразу после проходки, но через некоторое время в нём развиваются дополнительные трещины, расслоения, вывалы и деформации крепи.
При моделировании важно учитывать несколько факторов. Первый фактор — исходное состояние массива до проведения выработки. Чем выше природная нарушенность пород, тем быстрее может развиваться вторичная трещиноватость. Второй фактор — характер напряжённого состояния. В зонах концентрации напряжений вероятность развития трещин выше. Третий фактор — ориентация трещин относительно контура выработки. Если трещины создают условия для отделения породных блоков, устойчивость обнажения резко снижается. Четвёртый фактор — время существования обнажённой поверхности без крепления или с недостаточным креплением.
С практической точки зрения развитие трещиноватости можно рассматривать как последовательный процесс. Сначала происходит раскрытие отдельных микротрещин. Затем они объединяются в более выраженные поверхности ослабления. Далее формируются локальные зоны разрушения. При неблагоприятных условиях эти зоны переходят в обрушения, вывалы, отслоения или крупные деформации приконтурного массива.
При проектировании крепи необходимо учитывать не только прочность породы, но и время, в течение которого контур выработки остаётся незащищённым. Чем дольше поверхность находится в обнажённом состоянии, тем выше вероятность развития трещиноватости и снижения устойчивости. Поэтому своевременная установка крепи является важным условием сохранения устойчивости массива.
Моделирование развития трещиноватости может выполняться с использованием инженерно-геологических наблюдений, геофизических методов, лабораторных испытаний и численного моделирования. Наиболее полную картину даёт комплексный подход, при котором данные наблюдений в выработке сопоставляются с результатами расчётов и инструментального контроля.
Таким образом, учет времени обнажения поверхности позволяет перейти от статической оценки массива к более реалистичному прогнозу его поведения. Это особенно важно для подземных горных выработок, где устойчивость зависит не только от исходных свойств пород, но и от динамики изменения их состояния после проходки.
2.3 Использование геотомографа при изучении трещиноватости массива вблизи горной выработки
Геотомографические методы применяются для изучения внутреннего строения массива без его полного разрушения. Их основная задача заключается в выявлении неоднородностей, зон ослабления, нарушенных участков, трещиноватых областей и других элементов, которые невозможно надежно определить только визуальным осмотром поверхности обнажения.
Вблизи горной выработки массив имеет сложное строение. В приконтурной зоне формируются области разгрузки, концентрации напряжений, расслоения и трещинообразования. Внешне часть этих процессов может быть незаметна, однако внутри массива уже могут развиваться скрытые трещины и ослабленные зоны. Именно поэтому геотомографические методы особенно полезны при диагностике состояния пород вокруг выработки.
Сущность геотомографического подхода заключается в том, что через исследуемый участок массива пропускается физический сигнал, а затем анализируется его изменение при прохождении через породы. Если массив плотный и относительно однородный, сигнал распространяется более устойчиво. Если в массиве имеются трещины, пустоты, зоны дробления или водонасыщенные участки, характер прохождения сигнала изменяется. По этим изменениям можно судить о внутреннем состоянии массива.
Геотомограф позволяет получить представление о распределении нарушенных и относительно устойчивых участков в приконтурной зоне выработки. Это важно для выбора рациональной схемы крепления, определения зон, требующих усиления, и оценки эффективности уже применённых мероприятий по поддержанию выработки.
При изучении трещиноватости с помощью геотомографа особое внимание уделяют сопоставлению инструментальных данных с фактическим состоянием выработки. Результаты измерений необходимо сравнивать с визуальными признаками: раскрытием трещин, отслоением пород, деформацией крепи, появлением заколов, вывалов, нарушением слоистости и изменением состояния почвы. Только такое сопоставление позволяет правильно интерпретировать данные и исключить ошибочные выводы.
Геотомографические исследования могут применяться на разных этапах ведения горных работ. До проведения выработки они позволяют уточнить строение массива и выявить потенциально опасные зоны. После проходки они дают возможность оценить степень нарушения приконтурной области. При длительной эксплуатации выработки они используются для контроля изменения состояния массива во времени.
Особенно ценными являются повторные наблюдения. Если исследования выполняются не однократно, а в разные периоды существования выработки, можно проследить развитие трещиноватости и выявить участки, где разрушение массива прогрессирует. Это позволяет своевременно принять меры: усилить крепь, изменить схему поддержания, выполнить дополнительное укрепление или ограничить опасные работы.
Преимущество геотомографического метода заключается в том, что он позволяет изучать не только видимые трещины, но и скрытую нарушенность массива. Визуальный осмотр фиксирует состояние поверхности, тогда как геотомография помогает оценить внутреннюю структуру пород. Поэтому данный метод является важным элементом комплексного геомеханического мониторинга.
Вместе с тем результаты геотомографических исследований нельзя рассматривать изолированно. Они должны интерпретироваться с учётом геологического строения, литологического состава пород, направления слоистости, наличия тектонических нарушений, условий обводнения и фактических проявлений горного давления. Только в этом случае данные геотомографии становятся полноценной основой для инженерных решений.
Таким образом, использование геотомографа при изучении трещиноватости массива позволяет повысить достоверность оценки устойчивости техногенных обнажений и своевременно выявлять зоны потенциального разрушения вокруг горной выработки.
2.4 Влияние трещин на прочность образцов
Трещины существенно влияют на прочность горных пород. Даже если минеральный состав породы указывает на её высокую прочность, наличие трещин может значительно снизить сопротивление разрушению. Это связано с тем, что трещина является готовой поверхностью ослабления, по которой разрушение развивается легче, чем через сплошной материал.
В лабораторных условиях образец с трещинами ведёт себя иначе, чем монолитный образец. При нагружении напряжения концентрируются вблизи концов трещин. В этих участках начинается развитие новых микроповреждений, которые постепенно объединяются между собой. В результате образец может разрушиться при меньшей нагрузке, чем образец без выраженных дефектов.
На прочность влияет не только наличие трещин, но и их ориентация. Если трещина расположена неблагоприятно относительно направления нагрузки, она может быстро раскрыться или стать поверхностью сдвига. Если же трещина ориентирована так, что её поверхности сжимаются и блокируются, её влияние на разрушение может быть менее выраженным. Поэтому одна и та же порода при разной ориентации трещин может показывать различное поведение.
Большое значение имеет характер поверхности трещины. Гладкие трещины создают более благоприятные условия для скольжения отдельных частей образца. Шероховатые поверхности могут частично препятствовать смещению, так как неровности зацепляются между собой. Если трещина заполнена слабым материалом, прочность образца обычно снижается. Если заполнение плотное и прочно связано со стенками трещины, его влияние может быть менее отрицательным.
Трещины также изменяют характер разрушения образцов. Монолитные породы часто разрушаются с образованием новых поверхностей разрыва. Трещиноватые образцы чаще разрушаются по уже существующим дефектам. При этом процесс разрушения становится менее однородным и более зависимым от внутренней структуры образца.
При переходе от образца к массиву влияние трещин становится ещё более значительным. В лаборатории исследуется ограниченный фрагмент породы, тогда как в массиве трещины могут образовывать протяжённые системы. Эти системы разделяют массив на блоки, создают условия для их смещения, раскрытия, поворота и выпадения в выработку. Поэтому прочность массива почти всегда отличается от прочности отдельного образца.
Для техногенных обнажений это имеет принципиальное значение. Если при проектировании учитывать только лабораторную прочность образцов и не учитывать трещиноватость массива, устойчивость может быть завышена. В реальных условиях разрушение часто происходит не потому, что разрушается сама порода, а потому, что отдельные блоки теряют связь с массивом по трещинам и поверхностям ослабления.
Таким образом, трещины снижают прочность и устойчивость пород, изменяют механизм разрушения и определяют характер поведения массива вокруг выработки. Поэтому при инженерной оценке техногенных обнажений необходимо учитывать не только физико-механические свойства пород, но и структуру трещиноватости, её ориентацию, густоту, раскрытие, заполнение и связь с действующим напряжённым состоянием.
Список использованной литературы
1. Протодьяконов М.М. О рациональной классификации горных пород // В кн.: Исследование физико-механических свойств и взрывного разрушения горных пород. - М.: Наука, 1970.
2. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра, 1964.
3. Турчанинов И.А., Медведев Р.В., Панин В.И. Современные методы комплексного определения физических свойств горных пород. - М.: Недра, 1967.
4. Панюков П.Н. Инженерная геология. - М.: Госгортехиздат, 1962.
5. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. – М.: Недра, 1970. – 164 с.