Классификации горных пород и массивов.

При проектировании горных работ и строительстве подземных сооружений необходим комплекс сведений о различных свойствах горных пород. Более того нужна определённая систематизация горных пород по свойствам с тем, чтобы без проведения специальных детальных исследований можно было априорно представлять основные особенности поведения какого-либо конкретного вида пород при заданных видах воздействий и тем самым прогнозировать те или иные процессы в массиве пород.

Систематизация пород по свойствам является, по сути, классификацией и это представляет собой весьма ответственную и, применительно к таким сложным физическим средам как горные породы, чрезвычайно сложную задачу. Ещё более сложную задачу представляет классификация массивов горных пород.

Вообще говоря, построение классификаций является методом и результатом изучения явлений, которые весьма многообразны вследствие большого числа факторов, их определяющих. При построении классификаций весьма важно определить так называемый фактор классификации, т.е. тот признак, по которому производится систематизация изучаемого материала. В зависимости от выбора фактора классификации могут быть созданы различные классификации, и тогда появляется возможность классифицировать сами классификации.

В частности, применительно к горным породам, известны две группы классификаций.

К первой группе относятся общие классификации, в которых породы разбиваются на классы в зависимости от комплекса факторов - происхождения, минерального состава, связности и строения:

* Генетическая классификация - породы подразделяются на осадочные, изверженные и метаморфические.

* Инженерно-геологические классификации, в которых породы подразделяются на рыхлые, связные и массивные.

* Классификации, в которых группы пород генетической классификации подразделяются по фактору состава и строения.

 

Из классификаций первой группы одной из самых значительных и широко применяемых на практике является геолого-генетическая классификация проф. И.В. Попова, которая в модифицированном виде была принята и в международных рамках как основа для подразделения реальных комплексов пород (выделение инженерно-геологических групп, формаций, геолого-генетических комплексов, петрографических типов, инженерно-геологических видов и подвидов).

Хорошо известна классификация акад. АН СССР Ф.П. Саваренского (1937), модифицированная позднее многими авторами. Её основное подразделение грунтов на скальные, полускальные, сыпучие, связные и особые уже упоминалось нами. Эта классификация широко использовалась в строительных стандартах (например, в СНиПах). Как уже говорилось, основным критерием этой классификации является общий характер структурных связей (кристаллизационные, ионно-электростатические, молекулярные, магнитные, электростатические и др.) в зависимости от условий образования и последующего развития горных пород и от их состава.

Основным преимуществом указанных подходов является строгий учёт геологических факторов, в частности, происхождения пород, всей истории их развития, минералогического состава и т.д. В то же время главным недостатком является отсутствие каких-либо количественных данных, характеризующих отдельные категории пород и массивов.

 

Ко второй группе относятся частные классификации, т.е. основанные на подразделении пород по какому-либо одному (но может быть и комплексному) показателю свойств или характеристике, Таких классификаций разработано очень много, назовём лишь некоторые, самые употребительные из них:

* Классификация М.М. Протодьяконова по коэффициенту крепости горных пород.

* Классификация по отдельным характеристикам свойств (пористости, объёмному весу, модулю упругости).

* Классификация по технологическим параметрам (буримости, взрываемости, дробимости, устойчивости).

Из классификаций второй группы в главе 4 уже упоминалась классификация проф. М.М. Протодьяконова по комплексному показателю - коэффициенту крепости ¦_кр. Здесь лишь отметим, что эта классификация имеет существенные недостатки. Самый основной из них заключается в том, что породы здесь разделяются на классы вне зависимости от вида приложенных нагрузок и режимов нагружения.

Наряду с классификацией М.М. Протодьяконова широко применялись и другие многочисленные классификации, в том числе ведомственного характера, разработанные для решения узких частных задач. Все они относились, главным образом, к характеристике пород, и лишь в небольшой степени характеризовали свойства массивов. В Приложении 2 сопоставлены различные частные классификации, которые используются в настоящее время при проектировании и проведении горных работ.

Вообще, сложность использования в геомеханике всех выше-перечисленных классификаций заключается в том, что одни из них (общие) не содержат в себе количественных показателей, а другие (частные) позволяют решать только сугубо конкретные узкие задачи. Следовательно, каждая отдельно взятая классификация не в состоянии полностью удовлетворить все требования геомеханики. Вообще попытки охарактеризовать горные породы одним, пусть и комплексным, показателем оказались не продуктивными. Что касается массивов пород, то, тем более, подобный путь не приемлем.

По-видимому, более целесообразен другой путь, когда из общего числа практически используемых показателей свойств горных пород выделяется несколько базовых, которые не зависят друг от друга, являются элементарными и широко используются в расчётах и уже на этой основе строится общая классификация пород.

Так член-корреспондент АН СССР В.В. Ржевский в качестве базовых предложил использовать 12, не зависящих друг от друга показателей. При этом в начале разделять породы качественно на основные генетические группы, затем на классы по минеральному составу и структуре и только после этого дополнять количественными данными об основных физических свойствах.

Позже эти подходы фактически были реализованы в форме классификаций Н. Бартона и др., З.Т. Бенявского для целей подземного строительства, в которых использовался принцип подсчёта баллов и отнесения горных пород по получившейся сумме к той или иной категории. Дальнейшим развитием подобного подхода явилась классификация профессора Н.С. Булычёва, созданная для оценки пород по их устойчивости, где категорийность пород определяется по некоторому показателю, вычисляемому на основании ряда безразмерных коэффициентов, отражающих в баллах влияние различных факторов.

Классификациям, основанным на балльных подходах присущ основной недостаток - предположение о независимости действия тех факторов, которые оцениваются баллами. Это не всегда соответствует действительности, и поэтому указанные классификации приводят, главным образом, к качественным результатам. Преимуществом же данного подхода является возможность учитывать сколь угодно большое количество факторов, и таким образом, фактически это одни из первых успешных попыток создания классификаций уже не пород, а массивов.

Если рассматривать все указанные подходы создания классификаций с позиций иерархично-блочной модели массива пород, то можно заметить, что наблюдается большой разнобой в предлагаемых подходах с точки зрения иерархических уровней неоднородностей и массивов, к которым относятся те или иные предложения. В классификациях первой группы это уровни весьма низких порядков, в то время как в классификациях второй группы объектами являются массивы, вмещающие относительно высокие порядки структурных неоднородностей.

Проблема создания общетехнической классификации пород для нужд геомеханики пока не получила своего полного разрешения, однако определённая ясность в этих вопросах уже достигнута. Более того, предприняты и первые попытки разработки такой классификации, но пока только для массивов скальных пород. Так специалистами кафедры инженерной геологии Московского Государственного Университета (профессоры Г.А. Голодковская, Л.В. Шаумян и др.) разработана инженерно - геологическая классификация, в которой выделены две группы массивов, существенно отличных по своему генезису (табл. 6.1). Первая группа - литолого - структурные массивы, вторая группа - массивы дизъюнктивов тектонической природы.

Под литолого - структурными массивами понимаются объёмные геологические тела, образующие пространственно - обособленные структуры разных порядков, границами которых являются элементы литологических или структурно - тектонических неоднородностей. Другими словами, эти массивы соответствуют в иерархично-блочной модели элементам “структурных блоков”.

Массивы дизъюнктивов представляют собой вытянутые геологические тела, приуроченные к крупным дизъюнктивам и обладающие зональным строением за счёт включения зон различной степени нарушенности скального массива, образованных под влиянием тектонического нарушения. В иерархично-блочной модели массива пород они соответствует элементам “структурных неоднородностей”.

 

Принципиальная схема инженерно-геологической классификации

массивов горных пород

(по Г.А. Голодковской, Л.В. Шаумян и др.)

Таблица 6.1

Классифика-цион	Порядок массивов
ные признаки	Первый	Второй	Третий	Четвёртый
Размеры массива	n^.1000м-n^.100м	n^.100м-n^.10м	n^.10м-n^.1м	n^.1м-n^.0.1м
А. Литолого-структурные массивы
Границы массивов	Границы литологических формаций. Границы разрывных нарушений сложного и простого строения (I и II порядков)	Границы литологичес-ких комплексов. Границы разрывных нарушений сложного и простого строения (I и II порядков)	Границы литологических типов. Границы зон выветривания локальных разрывных нарушений	Границы изменения типов блочности.
Признаки однородности внутренней структуры массива	Однородность состава и сложения литологической формации	Однородность состава и сложения литоло-гических комплексов	Однородность литологического состава, характера, трещино-ватости	Однородность блочности
Элементы внутренней структуры массива	Локальные массивы II порядка с размерами n^.100м-n^.10м	Литологически однород-ные массивы и ограни-чивающие их дизъюнк-тивные элементы. Разме-ры n^.10м-n^.1м	Массивы однородной блочности и ограничива-ющие их дизъюнктивные элементы. Размеры n^.1м-n^.0.1м	Элементарные блоки и трещины с различным заполнителем. Разме-ры структурных эле-ментов n^.0.1м и менее.
Массивы дизъюнктивов
Границы массивов	Внешние границы крупных региональных сложно построенных тектоничес-ких нарушений.	Внешние границы ре-гиональных и локальных тектонических наруше-ний. простого зонально-го строения.	Границы отдельных зон тектонических наруше-ний.	Границы подзон по степени изменённости пород
Признаки однородности внутренней структуры массива	Сложное зональное строе-ние с несколькими смести-телями и оперяющими их зонами тектоической нару-шенности.	Простое зональное строение с одним смес-тителем и оперяющими его зонами тектоничес-кой нарушенности.	Однородность характера и степени трещиноватости и раздробленности.	Однородность степени изменённости пород.
Элементы внутренней структуры массива	Массивы дизъюнктивов простого строения. Размеры структурных элементов n^.100м-n^.10м	Отдельные зоны тектонических нару-шений. Размеры струк-турных элементов n^.10м-n^.1м	Отдельные подзоны текто-нических нарушений. Раз-меры структурных эле-ментов n^.1м-n^.0.1м	Элементарные блоки, обломки, раздроблен-ная масса. Размеры структурных элементов n^.0.1м