Структурных неоднородностей

Методы изучения геометрических характеристик

Для правильных представлений о свойствах какого-то конкретного массива пород недостаточно располагать данными о механических характеристиках объёмов, вмещающих структурные неоднородности различного типа. Необходимо иметь представления о закономерностях пространственного расположения и степени распространения структурных неоднородностей, особенно это касается структурных неоднородностей низких порядков, для которых применяется дифференциальный путь изучения прочностных характеристик.

С физической точки зрения подавляющее большинство структурных неоднородностей (геологических нарушений, контактных зон, трещиноватости и др.) с достаточной для практических целей точностью может интерпретироваться плитчатыми телами, ограниченными двумя параллельными плоскостями при весьма небольших расстояниях (мощностях) между ними. В этом случае для их исчерпывающей геометрической характеристики необходимо определить пространственное положение ограничивающих плоскостей (азимут линии простирания или линии падения, угол падения), а также их видимую длину и мощность заполнения.

Изучение закономерностей пространственного расположения структурных неоднородностей должно сопровождаться изучением вида заполнения и характера контактирующих поверхностей структурных неоднородностей. Ведь именно от вида и состояния минералов - заполнителей трещин или других типов структурных неоднородностей, а также от степени шероховатости и извилистости поверхностей контактов зависят механические характеристики по поверхностям структурных неоднородностей.

Учитывая сказанное, методику определения геометрических характеристик неоднородностей необходимо дополнять специальными исследованиями, направленными на создание классификаций структурных неоднородностей рассматриваемого массива, в первую очередь по типу минералов-заполнителей.

Методы изучения геометрических характеристик структурных неоднородностей удобно рассмотреть на примере естественной трещиноватости, хотя всё изложенное в полной мере применимо и к любым другим видам структурных неоднородностей низких порядков.

Задача изучения геометрических характеристик структурных неоднородностей заключается в выявлении систем трещиноватости (или других неоднородностей) массива и их пространственной ориентировки, определении протяженности трещин различных систем по простиранию и падению, густоты (плотности) трещин с целью правильного истолкования наблюдаемых явлений и учета этих данных при решении практических вопросов геомеханики.

Выявление систем трещиноватости массива, определение их пространственной ориентировки и оценку степени постоянства этой ориентировки в пределах изучаемого массива производят посредством массовых измерений трещиноватости. Измерения ведут обычно горным компасом точно так же, как и измерения элементов залегания пластов пород.

Измерениям непременно должен предшествовать визуальный осмотр пород в выработках. В результате такого осмотра предварительно устанавливают общий характер и степень развития трещиноватости породного массива. При этом оценивают, насколько однородна и равномерно развита трещиноватость пород в пределах изучаемого массива.

Массовые измерения трещиноватости могут выполняться:

1. на отдельных представительных участках массива - наблюдательных станциях;

2. методом сплошной съёмки.

В первом случае если массив по данным визуального осмотра характеризуется относительно равномерным развитием трещиноватости, всю изучаемую площадь (шахтное поле, горизонт и т. д.) покрывают равномерной сетью наблюдательных станций, располагаемых в нескольких десятках метров одна от другой. Если развитие трещиноватости неравномерно, то расстояния между наблюдательными станциями выбирают дифференцированно для различных ее типов.

Наиболее полные и объективные данные могут быть получены при измерениях трещиноватости в трех взаимно ортогональных плоскостях. В этом случае для наблюдений доступны обнажения по трем граням пространственного прямоугольного параллелепипеда, и измерения трещиноватости по ним позволяют правильно охарактеризовать развитие трещин всех направлений в данной точке массива. Поэтому удобно использовать для измерений ниши или участки сопряжений выработок.

Размеры наблюдательных станций следует по возможности принимать такими, чтобы в пределах станции было не менее 8-10 трещин каждой системы. Однако возможности варьирования размеров станции в подземных условиях обычно ограничены высотой выработок, вследствие чего остается возможным лишь избрать протяженность наблюдательной станции вдоль выработки. В большинстве случаев размеры станций по протяженности и высоте принимают около 2 м.

На каждой наблюдательной станции измеряют элементы залегания всех без исключения трещин, фиксируют нормальные расстояния между трещинами одноименных систем, устанавливают характер трещин (открытые, закрытые), их раскрытие, заполнение трещинными минералами, характер поверхностей трещин (ровные, неровные стенки, наличие зеркал и штрихов скольжения и пр.), протяженность трещин, степень искривления их поверхностей.

Кроме того, для детального изучения вещественного состава минералов-заполнителей трещин, от которого в первую очередь зависят прочностные характеристики по их контактам, необходимо специально отбирать пробы для изготовления шлифов. Практика выполнения подобных работ свидетельствует о том, что при изготовлении шлифов хрупкие и весьма непрочные минералы-заполнители зачастую выкрашиваются. В этих случаях применяют специальные приемы (проварка образцов в смеси ксилола и канифоли, пропитка пихтовым бальзамом и пр.). Если же и это не приносит успеха, то минералы определяются из соскобов со стенок трещин в иммерсионных жидкостях.

В случае, если исследуются закономерности развития крупноблоковой трещиноватости, расчленяющей массив на структурные блоки с линейными размерами более 1-2 м, выполняют сплошную съёмку трещин на протяжённых участках выработок. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы протяжённости выработок, где выполняется съёмка, во всех трёх ортогональных направлениях массива пород были сопоставимы. Обычно наибольшие трудности возникают с обеспечением этого условия в вертикальной плоскости, т.е. с организацией измерений в вертикальных выработках.

Результаты массовых измерений подвергают статистической обработке и представляют в виде графиков, характеризующих пространственную ориентировку и степень выраженности систем трещиноватости.

Пространственную ориентировку систем трещиноватости наглядно выражают с помощью различных диаграмм трещиноватости (рис. 6.20). Сопоставление диаграмм по смежным наблюдательным станциям позволяет легко сравнивать результаты измерений трещин и судить о степени изменчивости их пространственной ориентировки и степени выраженности на различных участках шахтного поля.

Рис 6.20. Типы диаграмм трещиноватости массива в изолиниях.

а - сферограмма на сетке Вальтер - Шмидта; б - прямоугольная диаграмма; в - прямоугольная диаграмма с произвольным выбором развертки.

Относительное число трещин, %: 1 - 0; 2 - <1; 3 - 1-2; 4 - 2-3: 5 - 3-4; 6 - 4-5;7 - 5-6; 8 - 6-7; 9 - 7-8; 10 - 8-9; 11 - >9.

I-IV - системы трещиноватости.

Для выражения в изолиниях полученных результатов массовых измерений трещиноватости данные всех измерений наносят по параметрам азимута линии падения А_пад и угла падения d на диаграмму в виде точек.

Затем методом скользящего статистического окна производят сглаживание и подсчет относительной плотности числа измеренных трещин. Размер статистического окна принимают равным 1% площади диаграммы. На полученном поле значений относительных плотностей проводят изолинии равных относительных плотностей, в результате чего наглядно выявляются преобладающие системы трещин. Средние параметры пространственной ориентировки этих систем непосредственно определяют по диаграмме.

В тех случаях, когда требуется проследить закономерности изменения одного какого-либо параметра, например только азимута или только угла падения трещин, по результатам массовых измерений составляют гистограммы частот (или частостей) данного параметра.

Весьма часто для решения практических вопросов, например оценки устойчивости обнажении пород, кроме относительных характеристик степени распространенности тех или иных систем трещин в исследуемом массиве требуются абсолютные значения указанных параметров, т. е. вероятностей появления тех или иных структурных неоднородностей в рассматриваемой точке выработки. С этой целью на каждой наблюдательной станции число трещин (или других структурных неоднородностей) отдельных систем относят к общему числу измеренных трещин и таким образом оценивают частоту (в пределе - вероятность) появления той или иной системы. Однако при этом возможны существенные погрешности вследствие того, что наблюдательные станции не в равной степени охватывают все пространство изучаемого массива. Например, при расположении наблюдательных станций в горизонтальных выработках слабо отражается распространение пологих и горизонтальных трещин.

Более корректно определять степень распространенности тех или иных систем трещин, основываясь на статистическом анализе расстояний между отдельными трещинами в каждой системе.

Кроме того, расстояния между трещинами служат исходными данными для установления средних размеров и формы структурных блоков, образуемых трещинами различных систем.

В качестве примера на рис. 6.21 представлены результаты обработки натурных измерений геометрических параметров естественных трещин в дистен-гранат-биотитовых гнейсах массива одного из месторождений слюдоносных пегматитов Северной Карелии.

Рис. 6.21. Геометрические параметры трещиноватости дистен-гранат-биоти-товых гнейсов месторождения "Плотина".

а - диаграмма трещиноватости; б - гистограммы распределения расстояний между трещинами.

Системы трещин: I - меридиональная, II - северо-западная, III - субширотная, IV - широтная, V - наклонная, VI - пологая, грубо совпадающая со сланцеватостью гнейсов.

1-8 - число трещин на единицу площади диаграммы.

Дата добавления: 2014-01-05