Влияние трещиноватости на изменение физико-механических свойств горных пород

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение

1. Теоретические  положения

1.1 Значение трещиноватости в горном деле и геологии

1.2 Основные понятия

1.2.1 Типы трещин  в горных породах

2. Сведения об  объекте изучения

2.1 Инженерно – геологические условия месторождения

3. Влияние трещиноватости на изменение физико-механических свойств горных пород

Приложение

Заключение

Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

Введение

Развитие горно-промышленного комплекса невозможно без всестороннего изучения и учета геологических условий при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых, при опенке участков подземного строительства, при ведении буровзрывных работ и т.д.

Среди геологических условий одно из наиболее важных мест занимает трещиноватость горных пород.

Изучение трещиноватости горных пород не предусмотрено учебной программой в качестве самостоятельной лабораторной работы. Полученные теоретические знания по трещиноватости горных пород студенты горных специальностей закрепляют при прохождении учебной геологической практики, где одним из заданий является изучение и характеристика трещиноватости конкретного обнажения. В теоретических положениях работы изложены данные, касающиеся происхождения, классификации и влияние трещин на физико-механические свойства горных пород.

1. Теоретические  положения

1.1 Значение трещиноватости в горном деле и геологии

Ориентировка, частота, тип и вид трещин оказывают существенное влияние на важнейшие физико-механические свойства пород, определяющих устойчивость горных выработок, условия их обводнения (гидрогеологический режим рудничных вод), разрабатываемость месторождения. Поэтому трещиноватость является одним из главных показателей пород, определяющих организацию горно-технического производства. Детальное изучение трещиноватости способствует повышению безопасности и производительности труда. Трещиноватость может иметь положительное значение при разработке месторождений. В частности, она облегчает выемку углей из пластов. Рациональная ориентировка шпуров по отношению к трещинам при буро-взрывных работах способствует повышению коэффициента использования шпуров (КИШ).Однако, в большинстве случаев трещиноватость способствует развитию вредных для горного производства горно-геологических процессов и явлений (сдвижение пород, горные удары, обвалы и т.п.). В качестве примера рассматривается случай влияния трещиноватости на характер проявления вывалов горных пород в призабойном пространстве. Вывал - это локальное обрушение глыб пород в горную выработку преимущественно из кровли выработки. По взаимоотношению кровли выработки и систем трещин вывалы подразделяются на безупорные, упорные и полуупорные (рисунок 1). Вывалы упорного типа менее опасны, т.к. кровля выработки в этом случаи более устойчива.

 

Рисунок 2.1 – Схемы образования вывалов безупорного (а), упорного (б) и полуупорного (в) типов в подземных выработках

В процессе формирования месторождений полезных ископаемых значение трещиноватости состоит в том, что она определяет пространственную ориентировку и форму рудных столбов, рудных тел, влияет на особенности их внутреннего строения - распределение полезного компонента по рудному телу, распределение технологических и минералогических типов руд и др. Трещины служат путями миграции рудоносных растворов и вмещают рудную минерализацию, формируя месторождения полезных ископаемых жильного типа.Трещины служат путями миграции и являются коллекторами подземных вод, газа, нефти - более половины мировой добычи нефти производят из коллекторов нефти трещинного типа. Трещины используются для выявления и изучения складок, разломов, восстановления древних и современных полей тектонических напряжений.

Трещиноватость горных пород может возникнуть при образовании самих горных пород (первичная трещиноватость) или под воздействием более поздних экзогенных или эндогенных процессов. В осадочных горных породах первичные трещины образуются при диагенезе, сопровождаемом уплотнением и обезвоживанием осадка. В магматических горных породах возникают первичные контракционные трещины, компенсирующие уменьшение объёма охлаждающихся магматических тел. При экзогенных процессах развиваются трещины выветривания, трещины, связанные с расширением пород при снятии с них нагрузки (на склонах и в днищах речных долин и оврагов), трещины, сопровождающие образование оползней, обвалов и провалов. При эндогенных процессах образуются трещины отрыва и скалывания.По степени проявления трещины могут быть открытые, закрытые и скрытые. Блоки и глыбы, на которые горные породы делятся трещинами, называются отдельностями. По положению в пространстве различают вертикальные, наклонные и горизонтальные трещины. В слоистых толщах пород по отношению к слоистости трещины могут быть поперечными, диагональными или параллельными.Трещины отрыва развиваются в направлении максимальных нормальных растягивающих напряжений, перпендикулярно к растяжению пород или в направлении их сжатия; они коротки, имеют неровные шероховатые поверхности и широко распространены в замках складок на сводах куполов, крыльях разрывов. Трещины скалывания возникают в направлении максимальных касательных напряжений под углом около 45° к оси сжатия или растяжения; они ровные, прямые, нередко со следами притирания, вытянутые на десятки и сотни м на земной поверхности и в глубину. Особым видом трещин скалывания является кливаж.Существует несколько классификаций горных пород по трещиноватости, в основу которых положены генетические, морфологические, горнотехнические и другие признаки. В настоящее время при определении горного давления, расчетах крепи, определении удельного расхода взрывчатых веществ в горном деле пользуются классификацией, представленной в табл. 2.0

 

Таблица 2.0 Классификация пород по трещиноватости Межведомственного Совета.

Категории по трещиноватости	Степень трешиноватости (блочности) массива	Среднее расстояние между трещинами, м	Цельная трешиноватость, м -1
1	Чрезвычайно трещиноватые (мелкоблочные)	До 0,1	Более 10
II	Сильнотрещиноватые (среднеблочные)	0,1-0,5	10-2
III	Среднетрещиноватые (крупноблочные)	0,5-1	2-1
IV	Малотрещиноватые (весьма крупноблочные)	1-1,5	1-0,65
V	Практически монолитные	Свыше 1,5	До 0,65

1.2 Основные понятия

Трещина - это разрыв сплошности горных пород, перемещение по которому" либо отсутствует, либо имеет незначительную величину. Форма трещин отличается от формы других полостей в породах (пор, каверн и др.) резким преобладанием протяженности во всех направлениях стенок трещин над расстоянием между стенками. Трещины образуются при действии на породу сил, превышающих предел прочности породы. Эти силы возникают в результате различных эндогенных, экзогенных геологических и антропогенных процессов и могут быть как внешними для породы (тектонические, гравитационные и др. силы), так и внутренними, возникающими при изменении температуры, влажности, плотности породы.

Трещиноватость или сеть трещин - это совокупность всех трещин, совместно развитых в конкретном объеме горной породы.

Система трещин - это совокупность трещин, совместно развитых в конкретном объеме породы и имеющих близкую пространственную ориентировку. Как правило, одновременно бывает развито несколько систем трещин. Но встречаются массивы горных пород с одной системой трещин (рисунок 2) или бессистемной (хаотичной) трещиноватостью.

Отдельность - это характерная форма блоков (глыб, кусков) горной породы, образующаяся при раскалывании породы. Размеры блоков различны - от нескольких сантиметров до сотен метров в поперечнике. Отдельность обусловлена наличием пересекающихся систем трещин. Поэтому вид отдельности и размеры блоков пород определяются ориентировкой, интенсивностью и частотой систем трещин (рисунок 3). В осадочных породах и. в частности, в угленосных толщах распространены кубическая, параллелепипедальная. плитчатая, призматическая, сферическая, чешуйчатая отдельности.

Рисунок 2.2 – Трещиноватость горных пород в обнажении

Рисунок 2.3 – Матрицевидная (а), плитчатая (б), шаровая (в) отдельность (начало рисунка)

 

Рисунок 2.3 – Матрицевидная (а), плитчатая (б), шаровая (в) отдельность (продолжение рисунка)

Зона трещиноватости – это линейно вытянутый участок земной коры, в пределах которого трещины развиты более интенсивно, чем в окружающих породах. Образуются обычно на небольшой глубине.Зона дробления (брекчировання) - это линейно вытянутый участок земной коры (независимо от размеров), в пределах которого горные породы разбиты трещинами на небольшие блоки, смещенные и повернутые относительно первоначального залегания. Образуются в условиях небольших глубин.Кливаж - способность породы раскалываться на отдельные элементы размером до 1 см в поперечнике по густо развитой системе параллельных поверхностей, секущих слоистость или согласных с ней. Кливаж возникает за счет ориентировки минералов или образуется независимо от такой ориентировки по сети параллельных трещин.

1.2.1 Типы трещин  в горных породах

Существуют различные классификации трещин: геометрические, генетические и специальные. Все они характеризуют трещины с различных точек зрения и потому не исключают, а дополняют друг друга:

а) По степени открытости и проявленности различают скрытые (микротрещины, не видимые невооруженным глазом и обнаруживающиеся лишь при раскалывании породы, которая ломается по этим трещинам), закрытые (хорошо заметные, но с плотно прижатыми стенками) и открытые (обладающие некоторой полостью) трещины.

б) По размерам выделяют малые или внутрипластовые трещины, когда они не выходят за пределы одного пласта, и большие трещины, секущие несколько пластов; абсолютная длина большинства трещин - метры и десятки метров, но она может колебаться от миллиметров до сотен метров.

в) По форме выделяют прямые, дуговидные, кольцевые, изломанные трещины с гладкими или неровными краями.

г) Угол падения трещин может изменяться от 0° до 90°. По углу падения выделяют горизонтальные (0-5°), пологие (5-20°), слабонаклонные (20-45°), крутые (45-80°). вертикальные (80-90°).

д) По отношению к залеганию слоев трещины могут быть продольными (параллельные простиранию породы), поперечные (рассекающие породу в направлении падения), косые (рассекающие породу в любом промежуточном направлении), согласные (следующие параллельно слоистости и сланцеватости) (рисунок 4).

На округлых складках могут быть выделены радиальные и концентрические трещины.

1- поперечная; 2- согласная; 3 – косая; 4 – продольная.

Рисунок 2.4 – Трещины в осадочных породах

е) По отношению к оруденению выделяют дорудные. внутрирудные и послерудные трещины.

ж) По характеру действия сил. приведших к возникновению тектонических трещин, все трещины горных пород, независимо от источника сил. делятся на трещины отрыва и трещины скалывания.

Трещины отрыва (раскола) образуются в плоскости, параллельной сжимающим силам и перпендикулярной растягивающим силам, когда величина последних превышает предел прочности породы на отрыв (рисунок 5). В момент образования эти трещины открыты. Вдоль стенок трещин отрыва наблюдаются только небольшие смешения, т.к. перемещение в породе направлено перпендикулярно к стенкам трещины (рисунок 6).

Размеры трещин отрыва колеблются в широких пределах - от микроскопических (не видимых глазом) до нескольких десятков и сотен метров в длину, при ширине открытия от мм до м.

Рисунок 2.5 – Трещины отрыва образующиеся при сжатии (а), растяжении (б) и сдвиге (в). Р- внешние силы; Стрелки – смещения блоков породы относительно трещин отрыва

К трещинам отрыва часто приурочены дайки магматических пород, рудные и нерудные жилы (рисунок 7). Они могут быть коллекторами нефти и газа, подземных вод. Открытые трещины отрыва часто водоносны и нередко они обуславливают большой приток подземных вод к горным выработкам, а также большие потери воды на фильтрацию из каналов, водохранилищ, из-под тела плотин.

 

Рисунок 2.6 – Конусообразный ряд трещин отрыва в природе

1-углистые сланцы; 2- граниты; 3- кварц-касситеритовые жилы; 4- метаморфические сланцы; 5- гранит  – аллиты; 6 – простирание оси антиклинали

Рисунок 2.7 – Схема строения оловянного месторождения, приуроченного к системе трещин отрыва

Морфологические признаки трещин отрыва. Трещины отрыва легко отличаются от трещин скалывания по изогнутой, непрямолинейной форме. Стенки их неровные, шероховатые, рваные. Ориентировка трещин отрыва зависит от физико-механических свойств пород: эти трещины обычно огибают участки более твердых пород (например, гальку в конгломерате (рисунок 8). часто меняют ориентировку при переходе из одного вида породы в другой или совсем затухают. По простиранию и падению трещины отрыва быстро выклиниваются. Жилы, приуроченные к трещинам отрыва, имеют неправильную форму с раздувами и пережимами.

 

Рисунок 2.8 – Трещины отрыва (1) и скалывания (2) в конгломерате

1.2.1.2 Трещины скалывания

Трещины скалывания возникают вдоль плоскостей, в которых действуют максимальные скалывающие напряжения, когда величина последних превышает предел прочности породы на сдвиг. Эта трещины теоретически располагаются под углом 45° к сжимающим и растягивающим силам, образуя сопряженные системы трещин скалывания. В верхней части земной коры этот угол меньше 45° и колеблется в пределах 35 - 45° к оси сжатия. Эта особенность используется для реконструкции направления сжимающих сил (ось сжатия располагается в остром углу между трещинами скалывания. В момент образования трещины скатывания были закрытыми. Вдоль стенок трещин скалывания при их образовании происходит некоторое смещение блоков пород, о чем свидетельствуют следы перемещения на стенках трещин: глинка трения (продукт тонкого перетирания породы), штрихи, борозды, ступени скольжения (они ориентированы в направлении скольжения), зеркала скольжения. В результате перемещения вдоль трещины может возникнуть тектоническая брекчия, могут смешаться геологические границы. Трещины скалывания часто имеют большую протяженность и обычно образуют системы трещин.Трещины скалывания, как правило, не водоносны или слабо водоносны, водопроницаемость по ним небольшая. При разработке горных пород, вскрытии их подземными и глубокими открытыми выработками по трещинам скола могут возникать значительные деформации - отслаивание и смешение больших масс пород. В процессе рудообразования и магматизма сколовые трещины могут приоткрываться и вмешать рудные жилы и дайки магматических пород.Морфологические признаки трещин скалывания. Типичные трещины скалывания, в отличие от трещин отрыва, прямолинейны, стенки их ровные, притертые, часто как бы отполированные. Их ориентировка не зависит от физико-механических свойств пород - они срезают зерна минералов, гравий, гальку и другие включения в породе. По трещинам скола фиксируются смешения соседних блоков пород. Если к таким трещинам приурочены жилы или дайки, то они имеют форму пластин более или менее постоянной мощности.Необходимо иметь в виду, что механизм образования трещин отрыва и скалывания одинаков, как для микротрещин, так для крупных трещин и даже разломов. Источник сил для образования трещин отрыва и скалывания может быть самым различным: тектонические силы, метеоритный удар, удар молотком по породе и т.д.