Маркшейдерия и недропользование

Перед проектированием и строительством производственных и социальных комплексов делают прогнозную оценку устойчивости исследуемой геологической среды. Оценивая эффективность изысканий инженерно-геологического характера, в качестве основных причин снижения их качества нужно отметить несоответствие масштаба изысканий масштабу прогнозных геомеханических оценок, определяемых мощностью проектируемых производственных и социальных комплексов.

В практике инженерно-геологических и горно-геологических исследований это явление принято называть "масштабным фактором" геологической среды. Методика учета масштабного фактора, основана на представлении об исходной и техногенной геологической среде как о совокупности разномасштабных элементов ослабления, связанных с конкретными трещинами и системами трещин в горном массиве. Считается, что с увеличением масштаба охвата горного массива степень его устойчивости уменьшается за счет дополнительного вовлечения более крупных систем трещиноватости (коэффициент структурного ослабления, являющийся переходным показателем устойчивости между крупным и более мелким масштабами, всегда меньше единицы).

Следовательно, образец всегда крепче массива. Это весьма упрощенное понимание исходной геологической среды в последнее время под влиянием развития исследований на стыке наук о Земле геолого-геофизического и горного профиля, а также опыта инженерно-геологических работ претерпело существенные изменения.

Согласно современным представлениям геомеханическая модель геосистемы естественного или техногенного горного массива представляет собой разноуровенную совокупность структурно-вещественных элементов, отличающихся друг от друга по геомеханическим показателям устойчивости. В качестве элементов изменяющих устойчивость горного массива является естественная и техногенная пустотность и трещиноватость. Современные модельные представления свидетельствуют о том, что системы трещиноватости могут не только снижать устойчивость горного массива, но и увеличивать её за счет высоких прочностных параметров наполнителя, что зачастую и происходит в природных геологических условиях при метаморфизме слабосцементированных горных пород.

Специальными исследованиями по непрерывному изучению физических свойств одного и того же горного массива разномасштабными базами измерений и последующей обработкой результатов методиками корреляционно-регрессионного анализа с использованием математического аппарата структурных и автокорреляционных функций показали:

во-первых, наличие, в изучаемом разрезе Уральской сверхглубокой скважины СГ-4, 4÷6 структурно-вещественных уровней организации вещества;

во-вторых, независимость распределения физических свойств пород разных уровней организации вещества друг от друга;

в-третьих, формы взаимосвязи между физическими параметрами, установленными внутри одного уровня организации вещества, одинаковы и могут быть использованы для пересчетов на любом другом уровне организации вещества;

в-четвертых, основой формирования уровенного строения природных и техногенных массивов является понятие элемента вещества и элемента структуры, которые в пределах характерного уровня организации вещества принято считать однородными. Элементы вещества - это статические параметры, характеризующие размеры структурно-вещественных субоднородных обособлений, элементы структуры - это граничащие области между обособлениями;

в-пятых, в пределах структурных элементов на границе между вещественными обособлениями наблюдаются наибольшие градиенты изменения практически всех физических параметров;

в-шестых, совокупности физических параметров, отражающих вещественную природу элементов горных массивов, являются объемно или вещественно чувствительными, а параметры, отражающие природу структурных элементов горных массивов, являются структурно-чувствительными. К числу объемно чувствительных относятся плотность, магнитная восприимчивость, скорости распространения упругих механических колебаний, естественная гамма-активность, теплоемкость и др. К числу структурно-чувствительных относятся электропроводность, теплопроводность, водопроводимость, геомеханические параметры, характеризующие прочность и устойчивость горных пород.

Статистические характеристики выявленных структурно- вещественных элементов в разрезе сверхглубокой скважины СГ-4 приведены в Таблице 1.

Приведенные в таблице 1 наиболее вероятные размеры структурно-вещественных элементов являются основными. На их фоне присутствуют еще некоторые подуровни. За пределами этих размеров делается резкий спад значений структурных и автокорреляционных функций, свидетельствующий об уменьшении вероятности встречи в разрезе неоднородностей других размеров. Подробная геологическая документация кернового, шлифового и аналитического (химанализы) материала позволяет найти выявленным размерам неоднородностей, описанных в общих чертах в таблице 1, геологическое истолкование.

Независимость уровней организации вещества подтверждена статистической обработкой методом корреляционно-регрессионного анализа результатов непрерывных разномасштабных электрометрических измерений одного и того же горного массива Уральской сверхглубокой скважины СГ-4 (рис.1).

Если бы уровни организации вещества были зависимы друг от друга, то значимость корреляции распространялась бы на весь диапазон изменения удельного электрического сопротивления.

Что касается форм зависимости физических параметров внутри выявленных структурно-вещественных уровней организации вещества, то они зависят от геометрии соотношения вещественных и структурных элементов в горном массиве любого уровня.

Рис. 1.
Динамика изменения коэффициента парной корреляции результатов измерений удельного электрического сопротивления пород СГ-4 друг с другом, измеренных базами размерами 0,01; 0,1; 1,0; 10 метров.

Геометрические модели распределения систем пустотности и трещиноватости в горном массиве не зависят от конкретного уровня организации вещества и могут быть типовыми для всех уровенных состояний. Контрастность изменения параметров на границах структурно-вещественных элементов зависит от соотношений свойств вещественных элементов и вещества наполнителя пустот и трещин. Формы взаимозависимости физических параметров в горном массиве могут быть изучены моделированием и лабораторными методами. Так, статистическими исследованиями установлены логарифмически нормальный закон распределения для таких параметров как электропроводность, водопроницаемость, геомеханические свойства (устойчивость, прочность), теплопроводность и нормальный закон распределения для плотности, скоростей упругих механических колебаний, радиоактивности и магнитной восприимчивости. Линейная форма связи характеризует взаимоотношения плотности, магнитной восприимчивости, естественной гамма-активности и др. Линейная форма связи характерна для логарифмов таких параметров как электропроводность, водопроводимость, прочность, устойчивость и т.д. Соотношения между группой вещественных и структурных параметров имеют графики насыщения.

Рис. 2.
Схема уровенного строения природного и техногенного комплекса горных массивов.

Структурно-вещественная модель уровенного строения горного массива представляется как совокупность структурных и вещественных элементов исходного (первого) крупного масштабного уровня, формирующих субоднородные элементы вещества более мелкого уровня.

Субоднородные структурные элементы более мелкого (второго) уровня организации вещества также формируются за счет структурно- вещественных элементов исходного (первого) уровня. Далее вторичный уровень организации вещества формирует следующий еще более низкий (третий) уровень, в котором второй уровень является показателем однородности вещественных и структурных элементов третьего уровня и т. д. Схема формирования уровенного строения представлена на рис. 2.

Поведение физических параметров на примере удельного электрического сопротивления пород СГ-4 на границах вещественных и структурных элементов различных уровней организации вещества показан на рис. 3.

Как видим на рис. 3, контрастность удельного электросопротивления на границах вещественных и структурных элементов с увеличением размера элементов уменьшается.

Рис. 3.
Поведение удельного электросопротивления пород СГ-4 I, II, III уровней организации вещества на границах между вещественными элементами и наполнителем пустотно-трещинного пространства.

В качестве альтернативного методического подхода к инженерно-геологическим предпроектным исследовательским работам перед строительством и эксплуатацией промышленных и техногенных комплексов предлагается реализовать следующие этапы работ:

1. Выполнить анализ исходных архивных и фондовых материалов по объекту, оценив возможности выявления структурно-вещественных уровней организации вещества в соотношении с масштабом строительных работ.
2. Выполнить комплекс физического и математического моделирования и лабораторных работ для установления формы взаимосвязи между физическими параметрами горного массива изучаемого природного или техногенного комплекса.
3. Выполнить мелкомасштабные геофизические работы, на основе которых сформировать мелкомасштабную сопоставимую с масштабом строительных работ геофизическую модель изучаемого природного и техногенного комплекса.
4. Выполнить пересчеты геофизических мелкомасштабных моделей в отчетные геомеханические и гидрогеологические модели на основе форм взаимосвязи изученных на физических, математических моделях и по лабораторным работам.
5. Выполнить анализ геомеханического состояния горного массива на предмет его устойчивости.

Предлагаемый методический подход учитывает соотношение геомеханических явлений разных уровней организации вещества в изучаемом горном массиве приводя в соответствие масштаб явления с масштабом ведения горных и строительных работ. Ошибки за счет перехода от лабораторного уровня организации вещества (образец) на массив в этом случае исключаются. Применение понижающих коэффициентов (коэффициент структурного ослабления) не требуется. Методика реализована на некоторых железорудных месторождениях Ангаро-Илимского района Восточной Сибири, а также на Среднем, Южном и Северном Урале.