Инженерно-геологические изыскания

19.1. Инженерно-геологические изыскания
при разведке месторождений полезных ископаемых

Инженерно-геологические исследования проводят на разных стадиях геологической разведки месторождения полезного ископаемого. На стадии поисков специальных инженерно-геологических исследований не проводят. Инженерно-геологические условия в соответствующем разделе геологического отчета характеризуют на основе данных геологической съемки, дополненных сведениями, полученными в ходе анализа накопленной информации. Задачи геологоразведочных и инженерно-геологических работ, решаемые при изучении МПИ, приведены в табл. 19.1.

Таблица 19.1. Этапы геологического и инженерно-геологического изучения МПИ

Цель поисково-оценочных работ (МПИ) заключается в выявлении месторождения как объекта промышленности, в получении данных для разработки временных кондиций на полезное ископаемое и для проработок технико-экономического характера, определяющих возможность, сроки возведения и тип горного предприятия (способ добычи полезного ископаемого — открытый, подземный, геотехнологический).

Инженерно-геологические исследования, являющиеся частью геологических и выполняемые в рамках поисково-оценочных работ, должны дать информацию, нужную для укрупненной проработки технологических решений при составлении проекта временных кондиций; определить главные вопросы инженерно-геологического изучения МПИ на стадии его детальной разведки. Характеристику инженерно-геологических условий новых МПИ, расположенных в слабо освоенных районах, составляют на основе материалов комплексной геологической съемки среднего масштаба (1 : 100 000 — 1 : 200 000). Если материалы отсутствуют, то проводят инженерно-геологическую рекогносцировку района месторождения. Главная цель рекогносцировки заключается в обнаружении проявлений экзогенных геологических процессов, которые могут осложнить условия строительства горного предприятия и эксплуатации МПИ. В процессе рекогносцировки должна быть выявлена необходимость в проведении крупномасштабной инженерно-геологической съемки территории МПИ. Кроме маршрутного обследования района месторождения рекогносцировка может включать проведение в небольшом объеме горно-буровых работ специально для решения инженерно-геологических вопросов, инженерно-геологического опробования пород на участках проявления ЭГП.

При проведении исследований и анализе инженерно-геологических условий следует опираться на всю геологическую информацию, получаемую при предварительной разведке месторождения. Отчетные материалы, кроме обычно рассматриваемых компонентов инженерно-геологических условий, должны содержать данные о пространственной изменчивости главнейших компонентов инженерно-геологических условий, определяющих оценку территории и ее районирование применительно к условиям освоения МПИ, достаточные для заключения об оптимальном с инженерно-геологической точки зрения способе разработки месторождения (открытом, подземном, геотехнологическом); о возможном развитии в ходе строительства горного предприятия и эксплуатации месторождения инженерно-геологических и других процессов, результатом которых может явиться неблагоприятное изменение геологической среды. Эта информация необходима для разработки защитных мероприятий.

Цель геологической разведки состоит в получении данных, необходимых для разработки постоянных кондиций, обеспечивающих правильную геолого-экономическую оценку запасов минерального сырья в недрах и проведение проработок, связанных с проектированием горнодобывающих предприятий, планированием горно-эксплуатационных работ и охраной недр [20, 23].

Цели инженерно-геологических исследований на этапе детальной разведки МПИ таковы.

1. Обоснование условий вскрытия МПИ (открытым, подземным, комбинированным способом) и системы отработки полезного ископаемого (ПИ).

2. Оценка сложности условий разработки МПИ на основе инженерно-геологических и гидрогеологических исследований.

3. Типизация МПИ по степени сложности отработки.

4. Прогноз горно-геологических процессов при вскрытии и разработке МПИ.

5. Проведение проработок, связанных с проектированием горнодобывающих предприятий, планированием горно-эксплуатационных работ и охраной недр [20, 23].

Инженерно-геологическая информация, получаемая при детальной разведке МПИ, базируется прежде всего на данных геологических работ, а также на материалах специальных инженерно-геологических исследований. Это — инженерно-геологическая рекогносцировка территории месторождения; документация карьеров-аналогов и подземных выработок, геологоразведочных скважин; горно-буровые работы; геофизические методы исследований; опробование горных пород; скоростные (полевые) методы изучения их свойств; определение напряженного состояния массива пород; лабораторные методы изучения состава, состояния и свойств пород.

Инженерно-геологические исследования, входящие в состав геологических работ по детальной разведке, заключаются в проведении инженерно-геологической съемки района месторождения масштаба 1 : 10000 — 1 : 5000. Съемку проводят, если район по инженерно-геологическим условиям относится к сложным или средней сложности (при разработке месторождения ожидается развитие инженерно-геологических процессов, требующих применения специальных мероприятий по повышению устойчивости пород, их осушению или др.). Инженерно-геологическая съемка, помимо общей оценки инженерно-геологических условий освоения района, должна дать исчерпывающую информацию, требуемую для решения вопросов: о способах разработки полезного ископаемого — открытый, подземный способ или комбинированный; об устойчивости пород в стенках (кровле) выработок, откосах; об обводненности пород и ее пространственной изменчивости; об ожидаемых инженерно-геологических процессах; о реализации защитных мероприятий. Инженерно-геологическую съемку проводят на основе данных геологической и гидрогеологической съемок.

Обследование горных выработок (шахт, карьеров) эксплуатируемых месторождений одного рудного поля позволяет получить более наглядную и достоверную информацию об условиях залегания пород, пространственной структуре, тектонических нарушениях и трещиноватости пород, чем информация, получаемая в процессе бурения, в том числе по керну скважин. Обследование объектов — аналогов исследуемого месторождения (при разработке инженерно-геологического прогноза методом геологического подобия) позволяет получить представление об устойчивости пород в выработках и инженерно-геологических процессах, развивающихся при эксплуатации МПИ: о деформации дна карьера и откосов (оползни, обвалы, вывалы, осыпи, трещины); о связи деформаций пород в бортах с ослабленными зонами; о связи между степенью выветрелости пород и их деформируемостью; о водопроявлениях, дренированности и развитии деформаций; о формировании в ходе буро-взрывных работ техногенной трещиноватости. Работы сопровождаются замерами, зарисовками, фотографированием и отображаются на планах М 1 : 500 — 1 : 200.

Разведочные выработки, в том числе разведочные штольни, буровые скважины, пройденные в процессе геологической разведки месторождения, должны подробно документироваться.

Инженерно-геологическая документация поисково-съемочных и разведочных скважин иногда является главным и единственным источником информации, не только геологической, но и инженерно-геологической и гидрогеологической. Документация керна буровых скважин ведется поинтервально от 2–5 до 15–20 м в зависимости от однородности пород. В журнале фиксируют генетический тип и вещественный состав пород, их слоистость, сланцеватость, характер и интенсивность вторичных изменений, зоны смятия, дробления, трещиноватость (морфология трещин, их генезис, наличие и состав заполнителя). В ходе документации керна геологических скважин регистрируются: процент выхода керна и интервалы его дробления; кусковатость (RQD — суммарный выход керна в столбиках длиной более 1 м, выраженный в процентах от длины рейса бурения); дискование пород (признак повышенных локальных напряжений); устойчивость пород в скважинах; относительная скорость бурения разных пород; интервалы провала инструмента и поглощения промывочной жидкости; вскрытие водоносных горизонтов; колебания уровней воды; ее химический состав и температура. Эти данные позволяют установить ориентировку главных систем трещин, получить качественную и количественную оценку трещиноватости (модуль линейной трещиноватости), блочности массива.

Инженерно-геологической документации горно-разведочных выработок должно предшествовать тщательное изучение накопленной и оперативной (получаемой при эксплуатационной разведке) геолого-маркшейдерской и инженерно-геологической информации. Оно включает сбор данных об опыте ведения горных работ: погоризонтных планов рудника, паспортов крепежных работ, актов регистрации вывалов и деформаций горных выработок и др. На основании перечисленных документов и данных о структурно-тектонических особенностях МПИ и технологических особенностях горных выработок намечают интервалы и эталонные площадки (площадью от 1 до 10 м2) для проведения инженерно-геологической документации.

В процессе инженерно-геологической документации выработок описывают породы (их состав, условия залегания, вторичные изменения, структуру, текстуру), формы отдельности, литологические контакты поверхности, зоны ослабления (трещины, тектонические нарушения, дробления, брекчирования, катаклазирования, смятия и т. п.). Изучение тектонических нарушений включает определение их мощности, строения и состава слагающих их пород, пространственной ориентировки, ориентировки оперяющих трещин, штрихов, борозд и зеркал скольжения. При изучении трещиноватости отмечают: морфологию стенок, состав и мощность заполнителя, его физическое состояние, кинематический тип трещин (скол, отрыв), пространственную ориентировку, протяженность систем трещин. Определяется линейный (число трещин на один погонный метр стенки выработки) или площадной (число трещин на 1 м2 стенки выработки) модуль трещиноватости для каждой выделенной системы трещин. На эталонных площадках вычисляют коэффициент трещинной пустотности (отношение суммарной площади трещин к общей площади площадки). Оценивают блочность массива пород и влияние трещиноватости на поведение их в горных выработках. В ходе обследования и документации горных выработок в пределах отрабатываемых горизонтов месторождения фиксируют различия в устойчивости участков, обусловленные длительностью существования выработок и увеличением глубины горных выработок. Документация горных выработок сопровождается отбором проб пород для лабораторных исследований. Для получения дополнительных сведений об устойчивости пород во времени рекомендуется проводить повторные наблюдения в выработках.

К настоящему времени накоплен большой опыт использования геофизических методов при оценке состояния массива горных пород. Это различного вида каротажи (электро-, гамма-, гамма-гамма-каротаж, нейтронный, акустический), кавернометрия, резистивиметрия, термометрия, расходометрия. Наиболее перспективными для решения инженерно-геологических задач при разведке МПИ являются акустические методы. Они позволяют с высокой долей вероятности оценить состояние массива, выделить участки повышенной трещиноватости и рассланцевания, выявить тектонические зоны и зоны дробления, карстовые пустоты и линзы подземных льдов, ориентировочно определить напряженно-деформационное состояние пород. Путем межскважинного прозвучивания горных пород в их естественном залегании получают такие важные характеристики, как модуль упругости (Е) и коэффициент Пуассона (µ). По данным каротажей уточняют инженерно-геологический разрез и получают приближенные оценки физико-механических свойств, позволяющие с допустимой достоверностью судить об изменчивости состояния и свойств пород массива.

Полевые методы определения инженерно-геологических показателей свойств пород (экспресс-методы) при изучении естественных обнажений, бортов карьеров, керна скважин, стенок подземных выработок позволяют исследовать породы в условиях естественного залегания. Особенно важное значение эти методы приобретают при изучении рудных месторождений, находящихся в сложных геолого-структурных условиях и характеризующихся высокой анизотропностью свойств. Полевые методы дают возможность: быстро производить приближенную оценку, пользуясь несложным оборудованием, без предварительной механической обработки пород; осуществлять массовые определения показателей свойств пород по всему разрезу, а затем, опираясь на полученные результаты, целенаправленно отбирать пробы для лабораторных исследований; выявлять пространственное размещение пород различной прочности с целью последующего крупномасштабного инженерно-геологического районирования рудного поля. Особое внимание при этом должно уделяться испытаниям пород, свойства которых будут определять устойчивость выработок при эксплуатации месторождения.

В качестве экспресс-методов могут быть использованы эталонный молоток для определения динамической твердости (определяется по величине отношения диаметра отпечатка шарика, вдавливаемого в горную породу, — dобр., к диаметру отпечатка, получаемого на эталонном стержне, — dэт.); прибор ПОК для определения крепости методом толчения (основанного на положении о пропорциональности объема выхода мелких фракций дробимых пород их крепости) используемый приближенной оценки прочности пород на сжатие и разрыв; склероскоп Шора. Для исследования применяют образцы, имеющие две параллельные друг другу отшлифованные полосы. Боек прибора с постоянной массой, оснащенный алмазным или твердосплавным индентором со сферической рабочей поверхностью, сбрасывается с определенной высоты на поверхность образца. Высота отскока фиксируется и характеризует динамическую твердость — n. Количество ударов в одну точку колеблется от 5–10 до 20–40 в зависимости от свойств породы. Когда высотыа отскока бойка становится стабильной (nпр.), опыт прекращают. Показатель хрупкости Купл. определяют по изменению высоты отскока в сравнении с ее начальным значением:

Для определения предела прочности пород может использоваться переносной гидравлической пресс с осевым усилием 4 т (ГОСТ 2153.3-99) и прибор БУ-39 для определения прочности на разрыв, модуля остаточной деформации, модуля упругости (ГОСТ 21153.3-85).

Опробование. Проводят отбор образцов пород, особенно вмещающих тело полезного ископаемого, и руд из горных выработок и скважин для определения классификационных показателей и показателей прочности в лабораторных условиях. Все горные выработки (и керн буровых скважин) документируют с целью характеристики инженерно-геологических условий.

При детальной разведке горные выработки, проходимые в рамках инженерно-геологических исследований, размещают в соответствии с параметрами двумерного сппинфа, рассчитываемого по данным предварительной разведки. Отдельные выработки располагают в местах, интересных с точки зрения характеристики инженерно-геологических условий.

Изучение напряженного состояния горных пород и горного давления.

Постоянно возникающее нарушение естественного равновесия при вскрытии МПИ приводит к возникновению и развитию разнообразных горно-геологических процессов (табл. 19.2).

Таблица 19.2. Горно-геологические процессы,
возникающие при разработке МПИ

Нарушение естественного равновесия происходит под действием многих причин: перераспределения напряженного состояния с образованием пониженных и повышенных концентраций напряжений; влияния тектонических напряжений; действия нагрузки вышележащих пород отвалов, наземных сооружений; изменения гидростатического и гидродинамического напоров (при вскрытии различных водоносных горизонтов и формировании депрессионных воронок в процессе водоотлива); воздействия агрессивных шахтных и рудничных вод; способов вскрытия МПИ (буро-взрывной, выщелачивания, замораживания и т. д.); систем разработки МПИ (расстояния между горизонтами, направление, протяженность, геометрические параметры — форма, длина, сечение выработок), глубины отработки. Поэтому задача изучения напряженного состояния является одной из главных. На практике для этого используются различные методы и методические приемы: геофизические, деформационные, расчетные, моделирования. Геофизические методы (сейсмоакустический, ультразвуковой, радиометрический, электронометрический) основаны на измерении в исследуемом массиве искусственно создаваемых полей и регистрации параметров этих полей, меняющихся в зависимости от напряженного состояния. Деформационные методы основаны на измерении деформаций различными тензодатчиками. По техническому исполнению и приемам пересчета деформаций напряжения разработаны три варианта этого метода: измерение торцевых деформаций керна (способ ВНИМИ), измерение радиальных перемещений стенок центральной скважины при выбуривании керна (способ Хаста), измерение поверхности центральной скважины при выбуривании керна (способ Лимана). Из расчетных методов, позволяющих выявить общую картину распределения напряжений в массиве, рекомендуются так называемые сеточные методы — метод конечных элементов, метод конечных разностей.

Если месторождение обводнено и его освоение потребует осуществления специальных мероприятий (например, осушения), то проводят опытные откачки для получения данных, нужных при расчетах гидрогео­логических процессов и проектировании мероприятий.

Оценка сложности инженерно-геологических условий разработки МПИ выполняется на основе комплексной численной оценки инженерно-геологической системы [20]. При этом инженерно-геологические условия рассматриваются как формализованные системы, состоящие из отдельных взаимосвязанных и взаимообусловленных компонентов, обладающие эмерджентными свойствами, т. е. свойствами, не характерными для каждого компонента в отдельности, но присущими системе в целом. В качестве численной меры «эмерджентности» системы используется интегральный показатель инженерно-геологических условий, представляющий собой линейную аддитивную (суммарную) функцию взвешенных по вкладу нормированных значений компонентов ИГС. Для установления вклада каждого компонента системы в комплексную оценку используется множественный корреляционный анализ связи количественных характеристик компонентов ИГС и целевой функции. Использование метода комплексной оценки требует соответствующей инженерно-геологической информации (табл. 19.3).

Таблица 19.3. Компоненты инженерно-геологических условий,
определяющие оценку сложности условий разработки МПИ,
и их численные характеристики

19.2. Инженерно-геологические изыскания
при проектировании горных предприятий

Добыча полезного ископаемого, ведущаяся открытым или подземным способом, сопровождается первичной его переработкой и обогащением. Поэтому горное предприятие обладает сложной структурой, включающей: шахты и подземные горные выработки (штольни, штреки, орты, квершлаги и т. д.); отвалы пустой породы и склады ПИ; обогатительную фабрику; хвостохранилища и пруды-отстойники; наземные и подземные транспортные пути; сети энергообеспечения и водоснабжения; жилые поселки с культурно-бытовыми комплексами, коммуникации. Вследствие этого комплекс задач, решаемых при проектировании горного предприятия, весьма разнообразен.

Проектирование горнодобывающего предприятия ведут в две стадии: проект и рабочая документация.

Изыскания для обоснования проекта заключаются в проведении предварительной инженерно-геологической разведки территории месторождения и той части территории вне его границ, которая будет осваиваться в связи с разработкой месторождения (этап IIб). В результате проведения горно-буровых работ, опытных инженерно-геологических и гидрогеологических работ и опробования должны быть получены данные для решения инженерной задачи, которая заключается в: установлении типа и конструкции сооружений на основании проведения расчетов инженерно-геологических процессов; разработке компоновочного решения, определяющего размещение сооружений горного предприятия (карьеров, подъездных путей, эксплуатационных шахт, квершлагов, подъемных сооружений, отвалов, околошахтных сооружений и др.); разработке проекта строительных и горных работ и проекта защитных мероприятий, проекта мониторинга состояния окружающей среды.

На стадии рабочей документации инженерная задача состоит в окончательном расчете сооружения, разработке детальных конструктивных решений каждого сооружения; окончательном составлении проекта строительных работ и проекта защитных мероприятий. Изыскания для обоснования РД заключаются в проведении детальной инженерно-геологической разведки в пределах предполагаемой сферы взаимодействия каждого сооружения (этап III). Работы размещают по расчетным сечениям сферы взаимодействия сооружений. Методика инженерно-геологических работ рассмотрена выше (см. параграф 9.7).

Инженерно-геологические результаты должны включать: инженерно-геологическую характеристику территории; инженерно-геологическую типизацию МПИ по сложности отработки; обоснование расчетных показателей физико-механических свойств пород; прогноз изменения состояния литогидросферы; прогноз развития горно-геологических процессов (см. табл. 19.2); обоснование мероприятий, обеспечивающих оптимальное ведение горных работ.

Гидрогеологический раздел должен включать: оценку обводненности МПИ, определение величин водопритоков к шахтному или рудному полю; проект дренажной сети осушения МПИ; прогноз изменения гидрогеологических и гидрохимических условий на прилегающей к МПИ территории; прогноз изменения экологической обстановки (сработки запасов питьевых подземных вод, загрязнения окружающей среды).

В особо сложных условиях применяют специальные методы инженерно-геологических и гидрогеологических исследований, позволяющие получить более достоверную информацию о поведении массива горных пород при его разработке. Это вскрытие опытно-эксплутационных карьеров (ОЭК) и опытно-производственное водопонижение (ОПВ). Их местоположение выбирается на участках первоочередного освоения, и по сути они являются начальным этапом эксплуатации МПИ.

Вскрытие ОПК должно ответить на вопросы о достоверности инженерно-геологических прогнозов (положения ослабленных зон, карстовых полостей, условий залегания пород, степени активности процессов). Опытно-производственное водопонижение (являющееся начальной стадией строительного водопонижения) позволяет определить: эффективность и темпы осушения массива; степень активности гидравлических связей водоносных горизонтов (для обоснования выбора основных дренируемых горизонтов); характер распространения депрессионной воронки и ее влияние на режим подземных вод; прогноз осушительного эффекта во времени; влияние изменения динамики и химизма подземных вод на физико-механические свойства пород и активизацию инженерно-геологических процессов.

19.3. Инженерно-геологические изыскания
при строительстве и эксплуатации
горного предприятия

При разработке месторождения ведут эксплуатационную разведку, в которую входит проведение инженерно-геологических и гидрогеологических работ. По содержанию и методике проведения эти работы полностью соответствуют оперативной инженерно-геологической разведке и режимным инженерно-геологическим наблюдениям, проводимым при строительстве и эксплуатации ответственных, например гидротехнических, сооружений. Напомним, что их главная цель — получение инженерно-геологической и гидрогеологической информации, нужной для уточнения прогнозов и разработки мероприятий, обеспечивающих оптимизацию методов разработки месторождения и охрану геологической среды.

Разработка МПИ вызывает кардинальные изменения природной среды: атмо-, лито-, гидро-, биосферы, приводя к негативным экологическим последствиям. Поэтому одной из главных задач данного этапа является организация системы мониторинга состояния окружающей среды.

Источниками негативного воздействия на окружающую среду в горнодобывающем производстве являются:

· карьеры, подземные горные выработки (шахты, штольни, скважины, канавы, шурфы);

· отвалы пустых горных пород, полигоны рекультивации земель, склады ПИ;

· шламохранилища, хвостохранилища, гидроотвалы, пруды-отстойники, накопитель, испарители и т. д.;

· трубопроводы и каналы отвода шахтных и рудничных вод, жидких отходов обогащения;

· полигоны обратной закачки или захоронения вод;

· системы водопонизительных и дренажных сооружений;

· склады ГСМ и реагентов по обогащению ПИ.

Мониторинг в зоне ведения горных работ заключается в перманентном наблюдении за состоянием литосферы: за устойчивостью бортов карьеров и состоянием подземных горных выработок, напряженным состоянием горных пород и горным давлением, сдвижением и обрушением подработанных толщ и деформациями земной поверхности (мульдами проседания); нарушениями температурного (теплового) режима лито­сферы; состава газов подземной атмосферы.

В подземной гидросфере оцениваются: снижение напоров и уровней подземных вод; развитие депрессионной воронки; изменение химического состава подземных вод (смешение вод разных горизонтов, формирование рудничных и шахтных вод, подтягивание вод высокой минерализации); размеры осушаемых, заболачиваемых, затопляемых территорий; прогноз истощения запасов подземных вод; нанесение ущерба малым рекам.

Изменение состояния поверхностных вод оценивается по масштабам ущерба речному стоку за счет сокращения его питания грунтовыми водами и инфильтрации речных вод в подстилающие отложения (трансформация области разгрузки в область питания); загрязнения поверхностных вод вследствие: 1) сброса недостаточно очищенных рудничных вод и промстоков; 2) инфильтрации вод из прудов отстойников, накопителей, хвостохранилищ; 3) выщелачивания атмосферными осадками отвалов, терриконов; 4) смыва атмосферными осадками вредных веществ с промплощадок, складов.

Оценка изменений в почвенном слое и зоне аэрации включает: учет уменьшения площади территории в результате полного уничтожения почв в пределах горного отвода; изъятия территории из сельскохозяйственного пользования вследствие переосушения (при дренировании), заболачивания или затопления при оседании земли; степень загрязнения почв (и зоны аэрации) и снижение их продуктивности в результате поступления минеральных и органических соединений с пылью, атмосферными осадками, сточными водами.

Оценка состояния атмосферного воздуха учитывает основные компоненты, присущие горнодобывающему производству: пыль, образующаяся в результате ветровой эрозии отвалов и хвостов; газы и пыль, возникающая при буровзрывных работах; газы, выделяемые из отвалов, при проветривании глубоких горизонтов, мигрирующих из массивов горных пород и полезного ископаемого.

На основании результатов мониторинга оценивается текущее состояние территории, уровень загрязнения, степень нарушения компонентов природной среды путем:

1) сравнительного анализа техногенно-нарушенного состояния с начальным состоянием территории (качественная и количественная характеристика);

2) сопоставления фактических показателей состояния почв, пород, вод, воздуха с государственными стандартами, санитарными нормами, ПДК;

3) экономической оценки ущерба, определяемой исходя из затрат на предупреждение отрицательных техногенных воздействий (освоение малоотходных технологий); реабилитацию сельскохозяйственных и лесных угодий, природных вод, ландшафтов; лечение людей; компенсацию за потерю пахотных земель.