стью, развитием особого рода мерзлотных геологических явлений и необычными условиями распространення, залегания подземных вод, их режима, а также режима поверхностных вод (рек, озер и др.) и большой заболоченностью территорий. Это особые факторы инженерно-геологических условий территорий распространения многолетней мерзлоты, с которыми связаны определенные трудности вскрытия и разработки месторождений полезных ископаемых, как и строительство и эксплуатация различных сооружений.
Сложность этих условий определяется прежде всего суровостью климата, для оценки которого служит условный пока- затель—жесткость климата, равный произведению среднемесячной температуры воздуха в январе на скорость ветра за три холодных месяца. Наиболее жестким является климат месторождений Норильского района, где этот показатель достигает 222, для района угольных месторождений Чульманского и Сингарского Якутии он равен 115, а для Эльгенского и Джаба- рикн-Хаянского Магаданской области примерно 102, в то время как в Подмосковном бассейне его значения не превышают первых десятков. Мощность многолетней мерзлоты на месторождениях достигает 500 м, а температура горных пород —от —3 до —10,5 "С. Вообще же, например в Якутии, мощность многолетней мерзлоты изменяется от 120 до 1500 м, а в южных районах она имеет островной характер, мощность 30—50 м и температуру горных пород от —0,1 до —0,3 °С.
Распространение мерзлоты неравномерно не только в региональном, но и локальном плане. В западных районах СССР,
включая и Западную Сибирь, мощность многолетнемерзлых пород на водораздельных пространствах больше, чем в долинах рек. Также и температура горных пород на водоразделах более низкая, чем в долинах. В Восточной Сибири, Забайкалье
и на Северо-Востоке страны в результате инверсии |
темпера- |
|
туры воздуха наиболее обычен долинный |
характер |
распро- |
странения мерзлоты, т. е. в долинах рек ее |
мощность |
больше, |
чем на водоразделах. При этом северные склоны долин (сивера), как правило, проморожены больше и температура горных пород здесь ниже, чем на склонах южной экспозиции (солнопеках). На территории распространения многолетней мерзлоты встречаются и крупные участки талых пород — талики, например Талнахский на Таймыре, Тенкели и Маркова впадина в Якутии и др. Чаще они приурочены к долинам рек и их подрусловым потокам. Талнкн могут быть как вертикальными сквозными, так и горизонтальными, обусловливающими слоистое строение многолетнемерзлых пород.
Многолетнемерзлое состояние горных пород существенно сказывается на их физнко-механических свойствах, распространении подземных вод, условиях их залегания, режиме и на развитии геологических процессов. Все это рассмотрено в курсах «Инженерной петрологии» [19], «Инженерной геодинамики»
8* |
227 |
[21], «Инженерном мерзлотоведении» [15] и в другой литературе. Поэтому здесь остановимся только на вопросах, связанных с разведкой, вскрытием и разработкой месторождений твердых полезных ископаемых.
При инженерно-геологической оценке месторождений полезных ископаемых и условий их освоения надо знать следующие конкретные мерзлотные условия,
1.Строение толщ горных пород, которые будут являться средой для горных выработок и основанием для всех наземных сооружений.
2.Содержание в мерзлых породах (особенно в разнообразных песчаных и глинистых) льда не только в виде крупных форм как породы, но и в тонкодисперсном состоянии как породообразующей составляющей, в виде цемента, мелких кристаллов и других форм. Такие формы льда существенно изменяют состав и строение самих пород и их физико-механические свой-
ства как в мерзлом состоянии, так и особенно при оттаивании. 3. Температурный режим многолетнемерзлых пород, по которому следует различать участки с устойчивым режимом многолетней мерзлоты (значительная мощность мерзлоты, отсутствие таликов, температура ниже минус 1,5—2 активное развитие мерзлотных процессов) и с неустойчивым (малая мощность мерзлоты, наличие таликов надмерзлотных и межмерзлотных вод, температура пород выше минус 1—1,5 °С и приближается к нулю, развитие термокарстовых и других явлений, свидетельствующих о неустойчивом режиме мерзлоты). 4. Возможный характер и интенсивность искусственного воздействия на мерзлые породы строительства шахт и карьеров и производства горных работ при разработке полезных ископаемых. В одних случаях эти воздействия могут способствовать сохранению и развитию мерзлоты, а в других, наоборот, вызывать ее деградацию и развитие неблагоприятных геологических процессов и явлений. Наибольший практический интерес Б этом плане представляют: а) изменение прочности, деформируемости, устойчивости, водопроницаемости и водоносности горных пород; б) оплывание и оползание горных пород в откосах карьеров и отвалов; в) осыпание и образование обвалов горных пород из бортов карьеров; г) оплывание и обрушение горных пород, образование куполов в подземных выработках, а иногда и внезапные их завалы; д) увеличение горного давления на крепи, целики, предохранительные слои, стенки горных выработок и другие их конструктивные элементы, их деформация, разрушение и нарушение устойчивости выработок в целом; е) выдавливание горных пород в основании откосов карьеров и отвалов, на откосах отвалов и по почве подземных выработок; ж) появление и увеличение притока подземных вод в горные выработки, а иногда и их прорывы; з) появление и увеличение поступления газов в горные выработки и их газообильность; и) неравномерное оседание поверх-
228
ности земли, заболачивание территорий, сток дождевых и та-
лых вод |
в |
карьеры, |
размыв их |
откосов |
и др.; |
к) образование |
|
наледей, |
а |
в условиях горного |
рельефа — снежных обвалов и |
||||
лавин. |
|
|
|
|
|
|
|
В условиях устойчивого режима многолетней мерзлоты и |
|||||||
выполнения |
мероприятий |
по ее |
сохранению наблюдается по- |
||||
вышение |
прочности |
и |
устойчивости |
горных |
пород почвы, |
||
кровли, в стенках горных выработок и в целиках, отсутствие притока воды и газов. Наряду с этим увеличивается сопротивление пород разработке, интенсивнее развивается явление смерзания руд, углей, пород в процессе их перегрузки и транспортировки. При вскрытии горизо'нтов и зон межмерзлотных и подмерзлотных вод возникают мощные наледные явления, ледяные пробки, создающие большие трудности для нормальной работы водоотливных средств, воздухопроводов, пневматического оборудования и других механизмов. Ухудшаются сани- тарно-гигиенические условия Б горных выработках, возникают простудные заболевания и др. Обогрев горных выработок вызывает оттаивание мерзлоты со всеми вытекающими последствиями.
Таким образом, тепловой режим многолетнемерзлых пород в горных выработках является одним из важных и специфических факторов, определяющих их устойчивость и условия производства горных работ. Этот режим, сложившийся в недавнем и современном геологическом времени, при строительных и гор-
ных |
работах |
изменяется к поэтому возникает задача управ- |
лять |
им так, |
чтобы создавать оптимальные условия для раз- |
работки месторождений полезных ископаемых. Управлять этим режимом сложно, так как одни и те же мероприятия в одних
случаях повышают |
показатели условий производства работ, |
в других понижают |
их. |
Сохранение горных пород в мерзлом состоянии обеспечивает их большую устойчивость, но одновременно при этом создаются более суровые условия для выполнения горных работ. Оттаивание мерзлых пород облегчает их разработку, но сказывается на устойчивости горных выработок, их обводнении, газоносности и т. д. Поэтому и возникает задача выбора оптимальных и безопасных условий, что возможно на основе учета главных факторов в конкретных геологических и горнотехнических условиях.
При этом важно учитывать, что промышленные запасы полезного ископаемого на месторождениях в районах распространения многолетней мерзлоты сосредоточены в одних слу-
чаях полностью в сплошной |
толще мерзлых |
пород, в других — |
|
в мерзлых породах с таликами, в условиях |
слоистой мерзлоты |
||
или невыдержанной по |
мощности и по |
простиранию и |
|
в третьих — в талых породах, расположенных |
под толщей мно- |
||
голетнемерзлых пород. Следовательно, в одних случаях все горные выработки и горные работы выполняются только в мерз-
229
лых породах, в других — в очень неоднородных и сложных геологических условиях, в третьих — часть горных выработок будет проводиться в мерзлых породах, а другая часть и все добычные работы — в талых породах.
Все это показывает, что выбор системы разработки месторождения, условий производства строительных и горных работ, управление развитием геологических явлений и горным давлением на месторождениях в районах распространения мно-
голетней мерзлоты |
сложные |
и решаются различными |
путями |
в зависимости от |
конкретных |
инженерно-геологических |
усло- |
вий, определяющие факторы которых названы выше. Практика показывает, что наибольшие сложности возникают на месторождениях, где горные породы вскрыши и вмеш,ающие полезное ископаемое представлены разностями, значительно и резко изменяющими свое физическое состояние и свойства при оттаивании. Это обычно различные песчаные и глинистые по-
роды и сильно льдистые, В таких |
условиях возникают |
разно- |
|
образные геологические явления, |
нарушающие |
устойчивость |
|
горных выработок и безопасность |
производства |
горных |
работ. |
В скальных н полускальных породах при оттаивании также происходят изменения их свойств и устойчивости горных выра-
боток, но |
в большинстве случаев не настолько резкие, как |
в льдистых |
песчано-глинистых. |
Глава VII
МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
V1I-1, Оценка и прогноз устойчивости горных выработок и отвалов
Обшие положения методики инженерно-геологического анализа, оценки и прогноза в инженерной геологии. Непосредственное изучение инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых возможно только после их открытия, т. е. на стадиях предварительной и детальной разведки и разработки. Геологические исследования, выполняемые на предшествующих стадиях (геологосъёмочные и поисковые), направленные на изучение геологического строения территории СССР, выявление перспективных площадей и участков для предварительной разведки и отбраковки проявлений полезных ископаемых, не имеющих промышленного значения, выходят за пределы задач, решаемых инженерной геологией месторождений полезных ископаемых, хотя и служат важной основой для этого. Необходимо учитывать, что инженерно-геологические условия любой территории таковы, какова их геологическая история, и главным образом в новейшую и современную эпоху. Поэтому изучение инженерно-геологических условий месторождений необходимо начинать с выяснения условий их формировнаия. Местом инженерно-геологических исследований при освоении месторождений полезных ископаемых должны быть площади и отдельные участки их распространения, шахтные и карьерные поля и их части и, наконец, шахты и карьеры.
Эти исследования представляют собой процесс получения новых знаний, необходимых для обоснования проектов шахт и карьеров н условий разработки полезных ископаемых. В их состав входят: 1) наблюдения, измерения и описание инженер- но-геологических условий месторождений; 2) систематизация полученных материалов, их обработка, инженерно-геологиче- ский анализ и объяснение установленных закономерностей или аномальных явлений; 3) оценка инженерно-геологических услов[и"1 месторождений и прогноз возможных их изменеиий в связи с развитием тех или иных неблагоприятных геологичеciCHX явлений, т. е. функционирования бинарной системы геологическая среда—сооружения и инженерные работы; 4) принятие решений, разработка рекомендаций и предложений по управлению неблагоприятными геологическими явлениями для
231