Основы гидрогеомеханического анализа фильтрационной структуры скальных массивов

Скальные горные породы слагают основную часть геологической среды древних горно-складчатых регионов. Важнейшим фактором, определяющим инженерно-геологические, фильтрационные и, в значительной мере, геоэкологические свойства скальных массивов, является трещиноватость. Наличие взаимосвязанных открытых трещин обеспечивает проницаемость горных пород, а распределение трещин в скальном массиве предопределяет его геомеханическую и фильтрационную анизотропию.

Скальные горные породы характеризуются высокой прочностью, а их законы деформирования близки к законам деформирования упругих твердых тел. Трещины в горных породах образуются в процессе деформирования под действием внешних или внутренних сил. Следовательно, проницаемость этих пород формируется в результате геомеханических процессов. Можно считать, что основным предметом исследований, направленных на выявление закономерностей формирования фильтрационной структуры скальных массивов, являются гсомсханичсскис процессы, определяющие возникновение открытых и взаимосвязанных трещин.

Взаимная обусловленность инженерно-геологических и фильтрационных процессов в геологической среде рассматривается в рамках научной дисциплины, которая получила название «гидрогеомеханика». Предметом гидро геомеханики является изучение закономерностей механики земной коры, включая подземные воды, применительно к задачам гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии. Основы гидрогеомеханики были разработаны В. Л. Мироненко и В. М. Шестаковым путем совместного и взаимо увязанного рассмотрения основных проблем механики грунтов и фильтрации подземных вод в рамках одной научной дисциплины. Гидрогеомеханика объ^чиняет теоретические основы геомеханики и геофильтрации, которые рассматривают гидрогеологические и инженерно-геологические процессы с механических позиций на основе схематизации геологических условий [111].

В своих теоретических основах гидрогеомеханика, как и геомеханика в целом, представляет количественной описание процессов на основе их механических моделей, которые таким образом составляют инструмент геомеханических исследований, опирающийся на разработки механики пористых и трещиноватых сред. Вместе с тем, как считает В. М. Шестаков [310], гидро геомеханику следует рассматривать как науку геологического цикла, поскольку ее предметом является массив горных пород, представляющий собой весьма своеобразную среду, строение которой обусловлено геологической историей. Отражение этого своеобразия должно проявляться и в постановке геомеханических задач, и, особенно, в геомеханической схематизации, предусматривающей идентификацию геологической среды и механической модели.

Теоретические положения и основные практические приложения гидрогеомеханики были разработаны применительно к пористым дисперсным грунтам. Отличительной особенностью пористых дисперсных грунтов является то обстоятельство, что фильтрационные и емкостные свойства присущи им изначально, и определяются их генезисом. Скорость фильтрации, степень водонасыщения и гидростатический напор в этих грунтах играют роль факторов, предопределяющих инженерно-геологические свойства пористых массивов.

Инженерно-геологические свойства массивов скальных горных пород относительно слабо, по сравнению с пористыми грунтами, зависят от степени их водонасыщения. Внугренняя энергия скальных горных пород, связанная с их генезисом, в древних горноскладчатых регионах практически полностью растрачена. Остаточные напряжения, которые фиксируются в некоторых породных массивах, чаще всего являются реакцией упругих сред на внешние тектонические силовые воздействия. Следует полагать, что основным фактором образования трещин в скальных массивах древних горноскладчатых регионов являются тектонические силы. Таким образом, в отличие от гидрогеомеханики пористых грунтов, гидрогеомеханика скальных массивов имеет тесную связь с тектонофизикой и механикой скальных пород, и должна рассматривать процессы деформирования массивов горных пород с учётом, главным образом, тектонических напряжений.

Разнообразные исследования, выполненные в последние десятилетия, в различных регионах земного шара, убедительно показали, что земная кора находится в напряженно-деформированном состоянии. Основные источником напряженного состояния земной коры являются тектонические силы. Вектор действия главных максимальных напряжений имеет субгоризонтальную ориентировку. Значения главных напряжений, действующих в горизонтальной плоскости, в несколько раз превышают вертикальные напряжения от веса горных пород.

Массивы горных пород чаще всего находятся в предельно напряженном состоянии, т. е. максимальные значения напряжений ограничиваются прочностными характеристиками породных массивов. Состояние предельного равновесия поддерживается разгрузкой напряжений при развитии в массивах процессов хрупкой и хрупкопластичной деформации. В результате деформации образуются тектонические структуры разрушения и предразрушения.

Структуры разрушения нарушают сплошность массива и разделяют его на отдельные геомеханические блоки. В скальных массивах структуры разрушения представлены тектоническими нарушениями (разломами). Структурами предразрушения являются массовые трещины, которые генетически связаны с этапом хрупкой деформации. Отличительной особенностью гидро геомеханики является детальное рассмотрение процессов деформации на стадиях, предшествующих разрушению. Именно на этих стадиях возникают массовые трещины предразрушения, которые образуют сеть взаимосвязанных водопроводящих каналов и играют основную роль в формировании зоны приповерхностной трещиноватости. В других направлениях геомеханики (горная, строительная геомеханика), основное внимание уделяется процессу разрушающей деформации.

При изучении геомеханических процессов, определяющих формирование гидрогеологических структур в скальных массивах, необходимо рассматривать два аспекта. Следует различать естественные геомеханические процессы, происходящие в земной коре практически повсеместно, и техногенные геомеханические процессы, связанные с мощным воздействием на земную кору в результате отработки месторождений полезных ископаемых и возникновением крупных техногенных образований (карьеров, отвалов). Таким образом, следует разделять естественные и техногенные гидрогеомехаиические структуры земной коры.

В скальных массивах повсеместно протекают естественные геомеханические процессы, которые формируют и поддерживают существование зон открытой трещиноватости, которые в свою очередь, определяют наличие зон проницаемости. Геомеханические процессы приводят к формированию, как региональной приповерхностной зоны трещиноватости, так и локальных зон различной ориентировки, связанных с тектоническими нарушениями.

Деформация естественного поля напряжений в результате мощных техногенных воздействий вызывает активизацию и ускорение геомеханических процессов и, соответственно, изменение фильтрационной структуры и проницаемости геологической среды. Имеются данные, что техногенные структуры по своим размерам значительно, в несколько раз, превосходят глубину собственного техногенного воздействия (например, глубину карьера). Таким образом, кроме естественных геомеханических процессов, следует изучать техногенные гидрогеомехаиические процессы в районах, где геологическая среда испытывает значительные механические воздействия.

Урал является типичным горно-складчатым регионом. В связи с интенсивным развитием горной промышленности, имеющим к тому же длительную историю, регион хорошо изучен как в геолого-гидрогеологическом отношении, так и с позиций горной геомеханики. Кроме того, необходимо отметить, что техногенные изменения геологической среды на Урале имеют широкое распространение. Наиболее интенсивно техногенные изменения окружающей среды проявляются в районах расположения крупных горнодобывающих комплексов.

Геологическая среда (ГС), являясь многокомпонентной системой, включает в себя динамическую (подвижную) и квазистатическую (малоподвижную) часть. Непосредственное воздействие на экологию оказывают подвижные компоненты геологической средыподземные воды, газы, живое вещество. Горные породы (квазистатическая часть ГС) до недавнего времени рассматривалась как среда, в которой происходят техногенные взаимодействия подвижных компонентов.

В настоящее время стало очевидным, что даже в естественных, неизмененных техногенезом условиях, геологическая среда находится в постоянном движении. Непрерывное взаимодействие естественных экзогенных и эндогенных факторов в приповерхностном слое земной коры приводят к тому, что геологическая среда постоянно находится в условиях предельного равновесия. Неустойчивое равновесие всех компонентов ГС определяет чуткую реакцию всей сис темы на любое внешнее воздействие.

Основным источником техногенных реакций ГС является упругая энергия, которой обладают массивы горных пород в естественных условиях. Техногенные воздействия на горные породы приводят к разрядке природных напряжений. Многочисленными исследованиями установлено, что массивы горных пород Урала находятся в напряженно-деформированном состоянии (НДС). Горизонтальные напряжения фиксируются на относительно небольших глубинах и достигают нескольких десятков МПа. Эти напряжения оказывают всестороннее воздействие на состояние ГС, определяют многие аспекты как чисто хозяйственного, так и природоохранного использования верхней части земной коры. Необходимо признавать, что рациональное использование геологической среды в горноскладчатых регионах возможно только при глубоком понимании закономерностей образования и развития тектонических структур в скальных массивах.

Изложенные представления о содержании гидрогеомеханики и особенностях геоэкологических проблем Уральского региона позволяют сформулировать основную научную идею, цель и конкретные задачи научной работы.

Идея работы. Напряженное состояние земной коры формирует в скальных массивах иерархический ряд активных тектонических образований, определяющих гидро! еомеханические свойства и фильтрационную структуру геологической среды. Техногенные воздействия нарушают состояние геомеханического равновесия, что ведёт к изменению гидрогеомеханических свойств и естественной фильтрационной структуры скальных массивов.

Цель работы. На основе идеи о ведущей роли напряжённо-деформированною состояния в формировании гидрогеомеханических свойств геологической среды, следует разработать представления о закономерностях поведения и образования структуры массивов горных пород в этих условиях. Качественные представления необходимо реализовать в форме аналитических моделей. Аналитические зависимости, описывающие геомеханическое состояние ГС, должны лечь в основу методических приемов анализа и прогноза состояния среды и получения необходимых количественных характеристик по данным нолевых наблюдений и лабораторных исследований.

Задачи работы. Цель научных исследований определяет последовательность решения конкретных задач:

1. Анализ современных представлений о состоянии геологической среды в условиях силового воздействия, а также о стадийности развития и видах процессов деформации и разрушения.

2. Разработка и обоснование качественной физической модели развития процессов деформации и разрушения горных пород.

3. Обоснование аналитической модели, описывающей процесс хрупкой деформации горных пород.

4. Обоснование аналитической модели, описывающей основные закономерности развития процесса хрупкой деформации в массивах горных пород (в геологической среде).

5. Разработка представлений о гидрогеологической (фильтрационной) стратификации скальных массивов.

6. Разработка методических приемов определения геомеханических параметров по данным о вертикальной трещинной и фильтрационной зональности скальных массивов.

7. Обоснование представлений о вертикальной зональности и геодинамической этажности геологической среды с учетом характерных изменений поля напряжений и реологического состояния породных массивов с глубиной.

8. Уточнение известных и разработка новых методических приемов определения ориентировки в геологическом пространстве осей главных напряжений.

9. Обоснование представлений о фильтрационной структуре тектонических нарушений и анализ связи их водоносности с напряжённым состоянием геологической среды.

10. Анализ изменений гидрогеомеханических свойств и фильтрационной структуры скальных массивов в зонах техногенных преобразований геологической среды.

Методы исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием комплекса методов, применяемых в различных отраслях знаний. При обосновании физических представлений, качественных и количественных моделей, описывающих процессы деформирования и разрушения горных пород, анализировались и обобщались знания и методы геомеханики, гидрогеомеханики и тектонофизики.

Качественные и количественные модели, описывающие состояние массивов горных пород в условиях напряжённого состояния, обоснованы с помощью современных представлений и методов, получивших развитие в механике горных пород, геодинамике недр, геотектонике. Вывод базовых аналитических зависимостей выполнен на основе главных положений линейной теории упругости. Для получения данных и при анализе натурных материалов использованы методы структурой геологии, геофизики, гидрогеологии, инженерной геологии, математической статистики.

Методическая идеология диссертации базируется на убеждении, что достоверные научные результаты могут быть получены только на основе достаточно строгих экспериментально-теоретических моделей, которые адекватно описывают изучаемый процесс. Модели должны обосновываться, проверяться и подтверждаться разнообразными лабораторными и натурными данными, полученными в различных условиях и разными авторами.

Достоверность работы. Обоснованность и достоверность научных положений, ш. тодои и рекомендаций достигается:

• применением основополагающих теоретических положений механики горных пород, инженерной геологии и гидрогеомеханикиобобщением, на современном этапе, точно установленных и неоднократно проверенных экспериментальных результатов испытаний горных пород;

• теоретическим осмыслением современных знаний о закономерностях деформирования и разрушения массивов скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и других масштабных воздействиях на массивы горных пород, практики использования геологической среды;

• анализом многочисленных данных натурных исследований инженерно-геологических. гидрогеологических и геологических работ на различных месторождениях полезных ископаемых и объектах исследования геологической среды;

• теоретическим обоснованием и практической проверкой новых аналитических моделей и схем расчетов, описывающих гидрогеомеханические процессы в скальных массивах;

• практическим использованием разработанных методик и рекомендаций при проведении гидрогеологических, инженерно-геологических и эколого-геологических исследований.

Научная новизна работы.

• Уточнены и доработаны до уровня качественной модели представления о стадийности и физических механизмах деформации и разрушения горных пород. в Получили физическое обоснование и аналитическое выражение приделы применимости линейного критерия предельно напряженного состояния, описывающего этап хрупкой деформации. Процесс развития массовых трещин предразрушения аналитически увязан с этапом хрупкой деформации, поддается геомеханическому анализу и прогнозу.

• Разработана аналитическая модель, описывающая развитие процесса хрупкой деформации в верхней части земной коры.

• Приповерхностная зона трещиноватости впервые рассматривается как зона хрупкой деформации земной коры.

• Разработаны методы определения геомеханических параметров породных массивов по данным о вертикальной трещинной зональности.

• Выявлена, и получила геомеханическое обоснование, фильтрационная стратификация приповерхностной зоны скальных массивов.

• Разработаны методические приемы взаимного дополнения и использования гидрогеологических и геомеханических данных.

• Обоснованы представления о гсодинамичсской этажности верхней части земной коры.

• Разработана методика определения ориентировки осей главных напряжений на основе представлений об иерархической подчиненности структур разрушения и предразрушения, относящихся к разным геодипамическим этажам.

• Установлены закономерности фильтрационной структуры тектонических нарушений, обоснована связь гидрогеомехапических свойств разломов с напряжённым состоянием геологической среды.

• Выявлены основные закономерности техногенных геомеханических процессов в скальных массивах, изменяющих естественную фильтрационную структуру геологической среды.

Практическая ценность работы состоит в использовании разработанных представлений и методов для решения следующих задач: количественный прогноз мощности и структуры зоны приповерхностной трещи, но ватости;

• оценка геомеханических параметров по данным о вертикальной трещинной зональности;

• прогноз фильтрационной структуры и миграционных параметров скальных массивов;

• определение ориентировки осей главных напряжений по геолого-струоурным данным;

• оценка прогнозной активности геологических структур в поле современных напряжений;

• оптимизация выбора участков при планировании строительства опасных объектов и полигонов захоронения отходов;

• упорядочение состава работ при ведении гидрогеологических, изыскательских и экологических исследований скальных массивов;

• уточнение методики исследований при изучении структуры рудных полей;

• повышение уровня безопасности различных видов деятельности, при которых используется геологическая среда горно-складчатых регионов.

Реализация работы. Научные положения, выводы и методические разработки использованы при проведении эколого-гидрогеологических и инженерно-геологических исследований на Гороблагодатском, Высокогорском, Волковском месторождениях. Результаты работ явились составной частью исследований, позволивших обосновать возможность использования Главного карьера ВРУ в качестве хвостохрапилища. Выполненный анализ фактических данных по районам Ново-Шемурского, Воронцовского и Северопесчаного месторождений существенно дополняет сведения о состоянии массивов горных пород вблизи этих месторождений. Разработанные в диссертации положения и методы анализа геологических материалов используются в настоящее время при проведении эколого-гидрогеологических работ вблизи пос. Билимбай, направленных на изыскание подземного источника водоснабжения г. Первоуральска. Предлагаемая методика оценки фильтрационной (миграционной) структуры скальных массивов реализуется при изучении вопросов, связанных с использованием геологической среды для захоронения отходов.

Для внедрения новых научных сведений в учебный процесс и ознакомления студентов с последними теоретическими и методическими разработками, подготовлена программа повой учебной дисциплины «Гидрогеомеханика скальных массивов», которая включена в учебный план и преподаётся студентам гидрогеологической специальности УГГТА как дисциплина по выбору.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (г. Киев, 1988 г.), III Всеуральском совещании по охране и рациональному использованию подземных вод Урала (г. Челябинск, 1989 г.), конференциях НТО «Горное» (г. Екатеринбург, 1989, 1990 гг.), Всесоюзном семинаре по геостатистике (Петрозаводск, 1990 г.), Всесоюзном совещании «Тектонофизические аспекты разломообразования в литосфере» (г. Иркутск, 1990 г.), региональных семинарах УралТИСИЗа (г. Екатеринбург, 1992 — 2000 гг.), юбилейной конференции кафедры гидрогеологии КПТИ (Г. Алма-Ата, 1992 г.). Международных конференциях «Экологические проблемы горного производства (г. Москва, 1993, 1995 гг.), Всероссийской конференции по гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии (г. Екатеринбург, 1994 г.), Всероссийской конференции «Управление НДС массива горных пород» (г. Екатеринбург, 1994 г.), Международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (г. Белгород, 1995, 1997 гг.), Международном симпозиуме «Математические методы в геологии» (г. Прага, 1995 г.). Международной конференции «Геомеханика в горном деле» (г. Екатеринбург. 1996 г.), Международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения» /Мелышковские чтения/ (г. Екатеринбург, 1998 г.), научно-методических конференциях «Толстихинские чтения» (г. С.-Петербург, 1998, 1999, 2000 г. г.), технических совещаниях Гороблагодатского РУ, Высокогорского ГОКа, Билимбаевского рудника, научных семинарах геологического факультета УТТТА и Института горного дела УрО РАН. а также на ряде других международных, Всероссийских, региональных, отраслевых и ведомственных конференциях и совещаниях.

Публикации. Материалы работы опубликованы в научной печати в виде тезисов и статей — всего 92 работы, в том числе 32 статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав и заключения, излагаемых на 260 страницах машинописного текстасодержит 87 рисунков, 35 таблиц, список литературы из 372 наименований.