Трещиноватость горных пород в массиве

Прочность горных пород при прочих равных условиях зависит от их монолитности. С нарушением монолитности (появлением трещин) прочность пород неизменно снижается.
Трещиноватость — общее свойство твердых и полутвердых горных пород. Природа трещиноватости горных пород различна. Часть трещин возникает в процессе породообразования. Таковы так называемые «первичные» трещины, к которым относятся литогенетические осадочных пород, контракционные магматических пород и кливажные метаморфических пород. На последующих этапах изменения породы могут появиться «вторичные» трещины. К ним относятся тектонические, сопряженные с разрывными и складчатыми дислокациями и соответственно называемые приразрывными и соскладчатыми трещинами, экзогенные, представленные трещинам выветривания и разгрузки, и искусственные, возникшие при буровзрывных, горнопроходческих и других работах.
Перечисленные генетические типы трещиноватости горных пород составляют системы трещин с характерными для каждой из них пространственно-геометрическими и другими характеристиками.
При изучении трещиноватости пород обращается внимание на:
1) ориентацию трещин данной системы относительно друг друга и по отношению к граничащим поверхностям (контактам с вмещающими породами) и тектоническим нарушениям;
2) изменения характеристик трещиноватости (элементов залегания трещин, степени раскрытости и протяженности, интенсивности развития, степени шероховатости стенок трещин и наличия на их поверхности примазок) на плане и с глубиной;
3) заполнение («залечивание») трещин минеральными новообразованиями.
Различают микро- и макротрещиноватость горных пород. Микротрещиноватость визуально не наблюдается. Протяженность микротрещин несколько превышает линейные размеры минеральных зерен. В твердых породах микротрещины обычно пересекают границы зерен, реже проходят по ним. Нередко микротрещины сопряжены с микротекстурой горной породы — упорядоченной ориентацией кристаллографических осей некоторых породообразующих минералов. В этом случае микротрещины развиваются по направлениям спайности и, таким образом, усиживают анизотропность свойств пород. Протяженность микротрещин может быть значительной и нередко (например, в коре выветривания) по ним развивается макротрещиноватость породы.
Макротрещины наблюдаются визуально. Наиболее развитые из них пронизывают породу на значительную (или всю) мощность, расчленяя ее на отдельные структурные блоки. В результате порода в массиве приобретает блочное строение, а в зонах коры выветривания превращается в «разборную» толщу. При малой степени раскрытости макротрещины обусловливают легкую «делимость» породы в массиве.
Степень раскрытости и интенсивность развития макротрещин обычно снижается с глубиной. На больших глубинах макротрещины сменяются микротрещинами.
Макро- и микротрещиноватость вместе с пустотами других морфогенетических типов образуют так называемую внешнюю фазовую поверхность горной породы. Изменения физических (в первую очередь прочностных) свойств горных пород тесно связаны с удельной площадью этой поверхности. Естественно, что с возрастанием удельной площади этой поверхности следует ожидать активизацию взаимодействий твердой фазы (минерального скелета) с подвижными фазами, заполняющими поровое пространство.
Под влиянием тангенциальных напряжений в поверхностном слое кристаллических решеток минералов развивается с у б -микроскопическая трещиноватость породы. В результате появляется внутренняя фазовая поверхность, образованная сложной паутинной сетью сообщающихся между собой субмикроскопических трещин и дислокаций; микроскопическая и субмикроскопическая трещиноватости оказывают большое влияние на показатели стойкости горной породы, в частности, на ее размягчаемость (т. е. на величину снижения прочности породы при водонасыщении), морозостойкость, выветриваемость и др.
При инженерно-геологических исследованиях обычно ограничиваются изучением микро- и макротрещиноватости горной породы, и основное внимание обращается на: а) установление главных направлений развития макротрещин; б) интенсивность развития трещин различной ориентировки; в) определение величины снижения прочности породы в массиве за счет трещиноватости.
В результате статистической обработки данных натурных измерений определяется объемный коэффициент макротрещиноватости и коэффициент структурного ослабления породы в массиве Kосл.
Объемный коэффициент макротрещиноватости

где V — объем элементарного структурного блока, м3, равный

где а1, а2, ..., а6 — средние расстояния между трещинами 1, 2, 3, ..., 6 систем.
Среднее расстояние между трещинами каждой данной системы

где P — периметр исследованного объема породы в массиве (в целике); а — средний угол падения трещин; п — число трещин данной системы.
Для оценки влияния трещиноватости на прочность породы в массиве предложены различные методы, в том числе основанные на:
а) лабораторных испытаниях образцов пород двух резко различных размеров и построении данных этих испытаний паспортов, вычисленного масштабного эффекта и средней прочности породы в массиве (М.М. Протодьяконов);
б) данных лабораторных испытаний образцов пород и испытания отдельных блоков породы в массиве (ВНИМИ).
В том и другом случае размеры испытываемых объемов горной породы, как правило, не являются представительными, так как в этих объемах не могут быть представлены крупномасштабные явления трещинной расчлененности и макротекстуры горной породы. Иными словами, названными методами нельзя полностью избежать нарушения условий геометрического и структурно-механического подобия образцов пород и массива породы.