Еще раз о трещинах!

Трещинами называют разрывы в горных породах, перемещения по которым совершенно отсут­ствуют или очень незначительны. Совокупность трещин, рас­членяющих тот или иной участок земной коры, называют трещиноватостью.

По степени проявления (по степени зияния) различают следующие три группы трещин: открытые, закрытые и скрытые. Открытые трещины имеют четко видимую полость, часто заполненную вторичными и гидротермальными минералами. Закрытые трещины характе­ризуются столь сближенными стенками, что хотя сам разрыв по ним хорошо прослеживается, полость по разрыву незаметна. Скрытые трещины, к которым, в частности, относится кливаж углей, визуально не видны, так как они очень тонки, но их можно обнаружить при разбивании или дроблении горных пород.

Естественные трещины обычно образуют в массиве системы или ряды. Трещины одной системы имеют параллельные или близкие к параллельным направления, но не могут пересе­каться и смещать друг друга. Если же трещины пересекаются даже под очень острым углом, то они должны быть отнесены к раз­личным системам.

Часто встречаются две или три системы трещин, причленяю­щихся друг к другу под углами, близкими к прямым. При этом изменение в ориентировке одной из систем сопровожда­ется соответствующим изменением ориентировки другой. Такие взаимосвя­занные системы трещин называются сопряженными систе­мами трещин.

Обычно в массиве горных пород можно выделить несколько систем трещин. В ряде случаев число систем до­стигает пяти, шести и более.

По ли­нейным размерам выделяют три группы трещин: крупные (крупноблоковая трещиноватость), мелкие (мел­коблоковая трещиноватость) и микротрещины (микротрещиноватость).

Крупные трещины имеют протяжен­ность, исчисляемую десятками и даже сотнями метров.

Про­тяженность отдельных мелких трещин исчисляется метрами и дециметрами.

Микротрещины невоору­женным глазом не прослеживаются, но отчетливо видны в шли­фах и аншлифах пород при их просмотре под бинокулярной лупой с восьмикратным увеличением или под микроскопом.

Различные массивы пород в разной степени расчленены тре­щинами. Среднее число параллельных трещин (отклонение эле­ментов залегания ±10° от среднего по азимуту и по углу паде­ния), приходящегося на единицу расстояния (в направлении, перпендикулярным к поверхностям трещин), часто называют густотой или плотностью трещин. Это же число называют также ли­нейным модулем трещиноватости соответствующей системы трещин. Линейный модуль является критерием сравнительной оценки степени выраженности в массиве трещин той или иной системы.

Сравнительная оценка развития общей трещиноватости различных мас­сивов или разных участков некоторого, массива может быть выражена объемным модулем трещиноватости W, представляющим собой безразмерное отношение единичного объема массива 1 м³ к среднему объему Vструктур­ного блока (блочной отдельности):

W= 1 / V.

При среднем объеме структурного блока в 1 м³ (L = 1 м) W = 1. При L = 2 м W = 0.13, при L = 0.5 м W = 8, а при L = 0.25 м W = 62.5.

Другим критерием для сравнительной оценки трещиноватости массивов горных пород может явиться акустический показатель трещиноватости Аi определяемый по формуле

Ai = (υ₂ / υ₁) ² ,

где υ₁и υ ₂ — скорость упругих колебаний в монолитном образце породы и в трещиноватом массиве.

В зависимости от степени развития трещиноватости массивов этот по­казатель может принимать значения от 0,9—1,0 для практически монолит­ных нетрещиноватых пород до 0,1 для весьма трещиноватых мелкоблоч­ных пород.

В результате расчленения поверхностями указанных видов структурных неоднородностей массивы горных пород имеют ярко выраженную блочную структуру.

4.1.2 Масштабы структурных неоднородностей

В существующих инженерно-геологических и горных клас­сификациях, исходя из размеров образуемых структурных бло­ков, выделяют несколько порядков (классов) структурных не­однородностей.

К неоднородностям нулевого порядка относят крупные стратоны (формации), крупные интрузии и вулканические постройки, крупные тек­тонические нарушения (разломы), связанные с региональными полями тек­тонических напряжений, разбивающие массивы пород на блоки с линейными размерами свыше 10 км.

К неоднородностям первого порядка относят среднего размера стратоны (свиты, пачки), интрузии и вулканы, тектонические нарушения протяженностью километры и несколько км, разбивающие массивы на блоки с линейными размерами в сотни метров (до 1 км).

К неоднородностям второго порядка относят неоднородности структуры и состава пород в пределах одной пачки или слоя, а также естественную трещиноватость (крупную и мелкую) Эти неоднородности расчленяют массив на блоки раз­мерами от десятков см. до десятков метров.

К неоднородностям третьего порядка относят микротрещииоватость, а также контакты между отдельными зернами и кристал­лами. При этом размеры блоков, образуемых неоднородностями данного типа, варьируют в пределах от единиц до де­сятков сантиметров.

Наконец, поскольку горные породы в большинстве пред­ставляют собой многокомпонентные поликристаллические агре­гаты, выделяют четвертый порядок неоднородностей, связанных с границами зерен породы и с дефектами структуры в решетке породообра­зующих минералов. Размеры структурных элементов в этом случае колеблются от долей миллиметра до нескольких санти­метров.

При этом необходимо подчеркнуть, что у выделяемых по­рядков структурных неоднородностей в пределах одного мас­сива горных пород, как правило, наблюдается довольно четкое соответствие в пространственной ориентации. Кроме того, экс­периментальные исследования показывают, что между размерными и механическими характеристиками структурных неоднородностей массива также существует определенная связь: крупным, но более редким поверхностям неоднородно­стей соответствуют, как правило, более низкие значения проч­ностных характеристик.

Выше изложенное позволяет представить схему строения массива горных пород с учетом структурных неоднородностей различ­ных порядков в виде некоторой пространственной конструкции, состоящей из плотно прилегающих друг к другу блоков с раз­личной степенью связи между ними (рис. 24).

Естественно, что влияние неоднородностей различных по­рядков на деформирование и разрушение каких-либо конкрет­ных объектов далеко не равнозначно. Например, неоднородно­сти нулевого и первого порядков на устойчивость горных выра­боток практически не влияют, поскольку размеры структурных блоков, образуемых неоднородностями этих классов, больше размеров выработок во много раз (это не касается тех случаев, когда выработка попадает непосредственно в зону разлома, которая сама состоит из неоднороднстей 2–го и 3-го порядков). В то же время неоднородно­сти второго порядка, в частности естественная трещиноватость, оказывают на устойчивость выработок весьма существенное влияние, обусловливая вывалы пород из стенок и кровли вы­работок.

Рис. 24. Структурная схема массива горных пород.

а — г — деформирующиеся объекты различных линейных размеров.

1 — 4 — неоднородности соответственно первого — четвертого порядков.

На рис. 24 деформации объекта а определяется лишь дефор­мационными характеристиками материала среды (т. е. с уче­том неоднородностей только четвертого порядка); деформация объекта б определяется деформационными характеристиками материала среды (породы) и структурными неоднородностями 3-го порядка; деформация объекта в определяется деформационными характеристиками материала среды и структурными неоднородностями 3-го и 2-го порядков; а объекта г — суммарным влиянием неоднородностей всех порядков.

Следует иметь ввиду, что в целом породный массив деформируется с использованием неоднородностей всех рангов, в нем нет деформируемых объектов размерами а, б, в и г. Это исследователи данной схемойпоказывают различия в характере деформации объектов разного ранга – у мелких –однородная деформация, у объектов крупнее – неоднородная, а у крупных объектов – еще более неоднородная.

Вообще, обобщенных численных показателей, характе­ризующих степень влияния структурных неоднородностей раз­личных порядков на деформирование горных пород и массивов, пока не имеется. Это объясняется сложностью проведения круп­номасштабных экспериментов, а также трудностью интерпре­тации получаемых результатов, поскольку при испытаниях не­посредственно в местах залегания пород влияние на изучаемые процессы помимо неоднородностей оказывают и другие фак­торы: напряженное состояние массива, способ подготовки ис­пытуемых объемов к эксперименту, влажность и др.

Кроме неоднородностей разных порядков и напряженного состояния массива на характер деформирования массива в целом влияют:

1 - масштабный эффект;

2 – степень различия свойств переслаивающихся пород;

3 – степень выветрелости пород;

4 – степень литификации пород;

5 – влажность пород;

6 – температурные условия;

7 – неравномерность распределения напряжений около горных выработок (от ориентировки слоистости относительно стенок горных выработок).

Дата добавления: 2014-12-07