Тріщинуватість породних масивів

У результаті тектонічних рухів у земній корі виникають напруги, які досягнувши межі міцності порід приводять до утворення в ній розривів. Розриви сукупності порід виявляються, перш за все, у вигляді тріщин.

Тріщинами називають розриви в гірських породах, переміщення по яких абсолютно відсутні або незначні. Сукупність тріщин, що розчленовують ту або іншу ділянку земної кори, прийнято називати тріщинуватістю.

Випробовуване гірськими породами усестороннє стиснення або подальша цементація приводять до деякого відновлення зв'язності на поверхнях розриву сукупності, тому вони найчастіше володіють деяким зчепленням і опором відриву і називаються вже не тріщинами, а поверхнями послаблення. Проте вже в початковій стадії деформації масиву гірських порід на поверхнях послаблення виникають нові розриви сукупності – тріщини.

Тріщинуватість, як елемент структури, також є однією з харак-терних особливостей породного масиву.

Тріщини, простежені в гірських породах, прийнято ділити за ге-нетичною ознакою на:

- природні (вродженні, первинні), що виникають в процесі фор-мування геологічних тіл;

- тектонічні, що утворилися в результаті горотворчих процесів;

- штучні, що з'являються в процесі здійснення підготовчих і очисних робіт в шахтах, буропідривних робіт, а також внаслідок інших причин.

Природні тріщини є повсюдно поширеними, але найчіткіше вони виражені в осадових породах в областях з горизонтальним заля-ганням.

Тектонічні тріщини розвиваються в гірських породах під впли-вом тектонічних сил, що виявляються в земній корі в процесі її утворення. Виникаючі при цьому деформації майже завжди супро-воджуються розвитком в гірських породах тріщин, що утворю-ються, як на порівняно малих площах, так і на величезних. Відмі-нність їх від нетектонічних тріщин полягає, перш за все, у тому, що тектонічні тріщини володіють більшою витриманістю в орієнту-ванні і розвиваються однаково в різних за складом породах. Текто-нічні тріщини нахилені до площин нашарування під різними кута-ми; цим вони і відрізняються від тріщин вроджених (природних). Напрям тектонічних тріщин співпадає з напрямом основних розривних порушень даного району. Так, наприклад, для цілого ряду районів Донбасу вроджені тріщини мають меридіональний напрям з відхиленням 15…20°.

Тектонічні явища сприяють розкриттю раніше схованих природ-них тріщин. Поверхні тектонічних тріщин звичайно покриті боро-знами ковзання, оскільки дуже часто вони є площинами зсуву порід. При тектонічних переміщеннях може відбуватися зсовування блоків один відносно одного.

Кожна окрема тріщина характеризується довжиною, шириною, звивистістю стінок, а також положенням тріщини в просторі, який в геології прийнято характеризувати кутом падіння і азимутом напря-му падіння. Тріщини розрізняються також наявністю або відсутні-стю в них заповнювачів, відповідно до чого вони поділяються на відкриті і заповнені.

За розкритістю або потужністю заповнення виділяються наступ-ні види тріщин: видимі неозброєним оком (відкриті, закриті і «волосяні») і мікротріщини. Ширина відкритих тріщин або потуж-ність їх заповнення визначається безпосередніми вимірами, ширину закритих тріщин можна вважати рівною 0,8...0,5 мм, «волосяних» – 0,5...0,2 мм.

Заповнювач в тріщинах може бути представлений рихлими від-кладеннями типу піщано-глинистих ґрунтів або утвореннями, відмінними від порід масиву за мінералогічним складом, але схожи-ми з ними за структурними і фізичними властивостями.

Частота тріщин залежить від потужності і складу пласта. Наприклад, чим менша потужність пластів і міцність порід, тим частіші тріщини. За даними багатьох дослідників в карбонатних породах багатьох районів у пластах потужністю від 0,5 до 2,0 м цей зв'язок прямолінійний. М.В. Рац вважає його параболічним.

Залежно від того як тріщини орієнтовані розрізняють впорядко-вану (одно-, двох системну) і невпорядковану тріщинуватість. Перетинаючись, тріщини розбивають порідний масив з деяким характерним розміром Н на окремі структурні блоки з середнім розміром h_cp. Відношення H/h_cp називається інтенсивністю тріщи-нуватості. Крім того, для кількісної оцінки тріщинуватості викорис-товують лінійний, площадковий і об'ємний коефіцієнти інтенсив-ності тріщинуватості. Вони є відповідно відношенням одиниці дов-жини, площі, об'єму до середньої відстані між сусідніми тріщинами 1_ср, до площі S_cp і об'єму структурного блоку V_cp.

Роль природних тріщин у зміні механічної характеристики маси-ву гірських порід була предметом багаторічних досліджень колек-тивів вчених різних країн.

М.М. Протодьяконов, вказуючи на відмінність між міцністю лабораторних зразків і міцністю масиву, в якості основної причина розглядав саме тріщинуватість порід і вугілля.

Слід зазначити, що тріщинуватість приводить до істотного зни-ження міцнісних характеристик порідного масиву. Відмінність міцності порід в зразку і масиві може бути досить значною. У зв'язку з цим при виконанні геомеханічних розрахунків обліку тріщинуватості масиву надається особливе значення.

Класифікація гірських порід

Класифікація гірських порід за характером внутрішніх зв’язків. Стосовно кола задач, вирішуваних механікою гірських порід, поро-ди зручно класифікувати за характером зв'язків між складаючими її мінеральними частинками. За цією ознакою виділяють наступні класи порід.

Тверді, в яких вміщуючі їх тверді мінеральні частинки зв'язані між собою жорстким зв'язком, що забезпечує збереження форми. До них відносяться магматичні, осадові зцементовані і метаморфічні породи. У цьому класі звичайно виділяють скельні і напівскельні породи. До скельних відносять міцні породи із структурними або пружними аморфними зв'язками кристалізацій. При насиченні водою сили зчеплення у таких порід не слабшають. Прикладами скельних порід служать граніти, діабази, базальти, міцні пісковики вапняки. У напівскельних порід в присутності води зв'язки слаб-шають, або зникають повністю. Зв'язок між мінеральними частин-ками може бути не тільки жорстким, але і пластичним. Прикладами таких порід є слабо зцементовані пісковики, слабкі вапняки, доломіт, мергелі. При деформації породи цього класу поводяться як пружні тіла.

У зв'язаних, або глинистих, порід зв'язок між мінеральними частинками забезпечується за допомогою обвиваючих їх тонких плівок води. При цьому можлива також слабка цементація. Гли-нисті породи містять велику кількість глинистих мінералів (каолі-ніт, монтморилоніт, гідрослюди і т.д.). Глинисті мінерали надають зв'язним породам цілий ряд специфічних властивостей, перш за все, пластичність. Їм характерна здатність до набухання і усадки. Таким чином, властивості зв'язаних порід значною мірою визначаються співвідношенням твердих, рідких і газоподібних складових, а також зерновим і мінералогічним складом. Залежно від цього глиниста порода може знаходитися в твердому, пластичному або текучому стані. За вмістом глинистих частинок у масі породи розрізняють глини (більше 30%), суглинки (30…10%) і супіски (до 10%).

Сипкі породи характеризуються повною відсутністю зв'язків між мінеральними частинками.

Окремо слід виділити клас порід, у яких мінеральні частинки роз'єднані водою. Це, перш за все, плавуни, а так само піски, насичені водою.

Дрібнодисперсні сипкі породи при насиченні водою проявляють властивості плавучості, тобто при оголенні укосу розпливаються подібно в'язкій рідині. Для з'ясування природи плавучості породу доцільно розглядати, як ту, що складається з двох фаз: твердої і рідкої.

Твердою фазою є мінеральні частинки крупністю більше 0,005 мм, що тимчасово знаходяться у зваженому стані.

Рідка фаза – це ґрунтова вода із зваженими найдрібнішими мінеральними частинками. Тут важливу роль виконує зв'язана вода, що складається з молекул, утримуваних дрібнодисперсними частин-ками. Підвищена густина зв'язаної води і велика поверхня частинок додають рідкій фазі особливі властивості: рідка фаза набуває великої густини, що досягає 1,5 г/см³, що збільшує її зважуючу дію. Завдяки цьому тертя між частинками твердої фази зменшується, а стійкість всієї системи знижується. Така система виявляється значно чутливою до динамічних дій і інших імпульсів (вибухи, землетруси, вібрація, гідродинамічна дія). При силових діях може наступити розрідження піску, іноді на великих площах, з втратою несучої здатності, що супроводжується деформацією розташованих на них споруд. Схильними до переходу в стан плавучості є добре зкочені дрібнозернисті піски, що мають пористість більше 43% і ефективний діаметр менше 0,1 мм. Грубозернисті і середньозер-нисті піски навіть при вищій пористості не піддаються розрідже-нню.

По відношенню до води плавуни іноді підрозділяють на дві групи: типові, або істинні, плавуни, що не віддають воду, і осушу-вані плавуни, що віддають воду при утворенні поверхні порідного оголення. Типові плавуни значною мірою насичені дрібнодисперс-ними фракціями і містять зв’язану воду.

В осушуваних плавунах переважаючими є крупніші фракції: >0,005 мм, які схильні до осідання.

Найбільший об’єм всіх гірських робіт припадає на тверді породи, тому їх вивчення представляє основний інтерес в механіці гірських порід.

Класифікація гірських порід за М.М. Протодьяконовим.

М.М. Протодяконов, один з основоположників аналітичних ме-тодів в механіці гірських порід, розглядав гірські породи як тіла деякою мірою незв'язані. Це дозволило йому знайти загальну осно-ву для вирішення різних задач, як для сипких тіл, так і для зв'язних.

М.М. Протодьяконов знайшов загальну основу для вирішення задач механіки гірських порід, зокрема, склавши класифікацію гірських порід за міцністю (табл. 1), яка знайшла широке практичне застосування.

Таблиця 1

Класифікація гірських порід за М.М. Протодяконовим

Кате-горія	Ступінь міцності	Породи	Коефі-цієнт міц-ності
I	У вищому ступені міцні породи	Найбільш міцні, густі і в’язкі квар-цити і базальти. Виключні за міцні-стю інші породи.

Продовження табл. 1

II	Дуже міцні породи	Дуже міцні гранітові породи. Квар-цевий порфір, дуже міцний граніт, кременистий сланець, менш міцні ніж вказані вище кварцити.
III	Міцні породи	Граніт і гранітові породи. Дуже міц-ні піщаники і вапняки. Кварцові ру-дні жили. Міцний конгломерат. Ду-же міцні залізні руди.
Ша	Те саме	Вапняки (міцні). Не міцний граніт. Міцні піщаники. Міцний мармур, доломіт. Колчедани.
IV	Досить мі-цні породи	Звичайний піщаник. Залізні руди.
1Уа	Те саме	Піщані сланці. Сланцеві піщаники.
V	Середні породи	Міцний глинистий сланець Неміч-ний піщаник і вапняк, м’який конг-ломерат.
Уа	Те саме	Різноманітні сланці (не міцні). Гус-тий мергель.
VI	Досить м’які породи	М’який сланець, дуже м’який вап-няк, крейда, кам’яна сіль, гіпс. Мер-злий ґрунт, антрацит. Звичайний мергель. Зруйнований піщаник, зцементована галька і хрящ, каме-нистий ґрунт.
У1а	Те саме	Щебенистий ґрунт. Зруйнований сланець, злежана галька і щебінь, міцне кам’яне вугілля, затвердівша глина.	1,5
VII	М’які породи	Глина (густа). М’яке кам’яне вугі-лля, міцний нанос – глинистий ґрунт.	1,0
УПа	Те саме	Легка піщана глина, гравій.	0,8
VIII	Земляні породи	Рослинна земля. Торф. Легкий суг-линок, сирий пісок.	0,6

 

Продовження табл. 1

IX	Сипучі породи	Пісок, осипи, дрібний гравій, наси-пана земля, видобуте вугілля.	0,5
Х	Плавучі породи	Пливуни, болотяний ґрунт, розлиже-ний лес і інші розжижені ґрунти.	0,3

Як видно з табл. 1, породи розбиті за міцністю на десять кате-горій, п'ять з яких мають підкатегорії. Для того, щоб віднести поро-ду до тієї або іншої категорії, необхідно знати коефіцієнт міцності. Для визначення цього коефіцієнта М.М. Протодьяконов корис-тувався результатами випробувань зразків гірських порід на одновісне стиснення. При визначенні коефіцієнта міцності прий-мається, що кожна одиниця міцності відповідає 10 МПа міцності на стиснення, тобто:

(1)

де f – коефіцієнт міцності; R_c – одновісне стиснення зразка породи, кг/см².

Для сипких порід коефіцієнт міцності приймається як числове значення коефіцієнта внутрішнього тертя.

Лекція 4.