Трещиноватость горных пород реферат
Обновлено: 04.07.2024
ТРЕЩИНОВАТОСТЬ горных пород (а. rock jointing, rock fissuring; н. Zerkluftung der Gesteine; ф. fissuration des roches, fracturation des roches; и. fisuraciyn de rocas) — явление разделения горных пород земной коры трещинами различной протяжённости, формы и пространственной ориентировки. По происхождению трещиноватость горных пород разделяется на нетектоническую, тектоническую и планетарную. Нетектонические трещиноватости горных пород — следствие растрескивания горных пород в процессе охлаждения (для магматических пород), уплотнения, дегидратации, развития экзогенных процессов (гравитационного оползания, резких колебаний температуры), ведения горных работ ("технологическая" трещиноватость) и т.п. Тектоническая трещиноватость горных пород развивается в связи с напряжениями, возникающими в горных породах под влиянием глубинных тектонических сил. Выделяются трещины отрыва и трещины скалывания, которые образуют системы, закономерно ориентированные по отношению к крупным тектоническим структурам; в связи с развитием последних происходит растрескивание горных пород. При планетарной трещиноватости горных пород напряжения в земной коре возникают под действием планетарных явлений (например, изменения частоты вращения и формы Земли, "твёрдых приливов" и т.п.).
Трещиноватость горных пород в зависимости от методов измерения характеризуется: размером отдельности горных пород; интенсивностью (суммарной шириной раскрытия трещин на единицу длины скважины, мм/м); удельным водопоглощением (поглощением воды массивом на единицу длины скважины и единицу гидростатического напора в единицу времени, л/с•м 2 ); реометрической проницаемостью (падением давления воздуха при его растекании в скважине на единицу длины в единицу времени, Па/м•с) и другими параметрами.
Укрупнённая оценка трещиноватости горных пород даётся с помощью диаграмм трещиноватости, отражающих преимущественную ориентацию систем трещин, среднее их раскрытие, шероховатость и др.
Явление трещиноватости имеет как положительные, так и отрицательные практические следствия. Рассечение горных пород трещинами способствует проницаемости земной коры для глубинных растворов (флюидов), несущих рудные компоненты, которые, откладываясь в трещинах, формируют месторождения полезных ископаемых. Глубинные горизонты трещиноватых пород могут быть коллекторами пресной воды, нефти и газа. Трещиноватость горных пород обеспечивает хорошее дробление горных пород при отбойке, способствует применению экономичных систем разработки с самообрушением руды. Трещиноватые породы лишены склонности к динамическим проявлениям горного давления. Отрицательное влияние трещиноватости горных пород состоит в понижении устойчивости массивов горных пород. Прочностные характеристики массива трещиноватых горных пород повышают цементацией, силикатизацией, битумизацией и смолоинъекционным упрочнением (см. Упрочнение горных пород).
В настоящее время более 40% добываемой в мире нефти приурочено к карбонатным пластам – коллекторам, характеризующимся трещиноватостью. В связи с этим изучение трещинных коллекторов является важной задачей.
Трещиноватость горных пород (трещинная емкость) связана с наличием в них трещин, не заполненных твердым веществом. Залежи нефти, связанные с трещиноватыми коллекторами, приурочены в большинстве случаев к плотным карбонатным породам, иногда - к терригенным отложениям. Такие породы очень плотные, часто не пропускают жидкости и газы, практически плохо проницаемые. Вместе с тем наличие сети трещин, пронизывающих эти коллекторы, обеспечивает значительные притоки к скважинам.
По своему происхождению трещины подразделяются на диагенетическо – тектонические и тектонические. В большинстве случаев трещиноватость горных пород связана с тектоническими движениями, реже с процессами диагенеза.
Трещины диагенетического происхождения в известняках и доломитах обычно имеют разные направления.
Все же происхождение большинства трещин в горных породах связано с тектоническими процессами. Об этом свидетельствуют следующие факты:
1. объединение трещин в системы, образующие более или менее правильные геометрические сетки;
2. преимущественно вертикальный наклон трещин;
3. связь ориентировки систем трещин с направлением простирания тектонических структур.
Трещины, наблюдаемые в керне невооруженным глазом, это – макротрещины. В отличие от них трещины, наблюдаемые в шлифах под микроскопом, это - микротрещины. Верхний предел ширины (или раскрытости) микротрещин условно принят 100 мкм (микрометр).
Изучить по керну можно только микротрещиноватость. Изучение же макротрещиноватости проводят непосредственно в скважине, на основе визуального исследования ее стенок по фотографиям, полученным с помощью глубинных фото-телекамер, а также по данным гидродинамических исследований скважин совместно методами пробных откачек и восстановления давления.
В целом трещиноватость в горных породах характеризуется правильными геометрическими системами трещин. Геометрическая сетка состоит из двух основных систем вертикальных (по отношению к слоистости) трещин с взаимно перпендикулярными направлениями.
Установленная закономерность в ориентировке трещин в горной породе может рассматриваться как один из признаков, позволяющих определить интенсивность трещиноватости и направление главных систем трещин.
Интенсивность трещиноватости пласта зависит от литологического состава, степени метаморфизма пород, структурных особенностей залегания пласта и т.д.
Проницаемость трещиноватых пород обуславливается системами развитых в них трещин и в общем случае пропорциональна их густоте.
Густота трещин - Г - это число трещин, приходящих на единицу длины нормали к плоскостям этих трещин:
где N – число трещин; L – длина нормали.
Интенсивность трещиноватости оценивается объемной плотностью трещин Т, являющейся общим критерием степени растресканности горной породы.
О трещиноватости породы можно судить также по поверхностой плотности трещин Р, вычисленной для какого-либо сечения породы:
где l – длина следов трещин на произвольно выбранном участке, секущем породу; S – площадь этого участка.
Важным параметром трещиноватости горных пород является раскрытость (ширина) трещин. В зависимости от величины раскрытости микротрещины делятся на очень узкие (субкапиллярные) – 0,01 – 0,05мм и широкие – 0,05 – 0,15мм и более.
В песчаниках и алевролитах преобладают открытые микротрещины, реже появляются закрытые.
В глинах и аргиллитах развиты в основном открытые микротрещины.
В органогенных доломитовых известняках широко развиты закрытые микротрещины наряду с наличием открытых.
В карбонатных породах имеются пустоты, возникшие в породе вследствие процессов растворения (каверны).
Емкость трещиноватой породы можно разделить на межзерновую и трещинную. На коллекторские свойства пород в значительной степени оказывает влияние межзерновая пористость, а не трещинная емкость.
Трещинная проницаемость в отличие от трещинной емкости, фактически определяет величину общей проницаемости. Трещины играют решающую роль в процессах фильтрации жидкости и газа в трещинных коллекторах.
Нередко в карбонатных коллекторах отмечается развитие кавернозности. Каверны в карбонатных породах образуются либо в процессе отложения породы, либо после. Кавернозные известняки первого типа встречаются в рифовых массивах, в которых в результате распада органического вещества, первоначально заполняющего полости в породе, образуются каверны. Каверны второго типа образуются в результате растворения известняков при циркуляции подземных вод. Эти каверны, связанные с карстовыми явлениями, широко развиты в доломитах и известняках, особенно при наличии в них трещиноватости, способствующей проникновению подземных вод и движению их по трещинам.
Обычно кавернозность в карбонатных породах развита весьма неравномерно, что очень затрудняет изучение их пустотности.
Определяющим фактором изменчивости физико-механических свойств пород являются структурно-тектонические условия, обуславливающие в свою очередь развитие вторичных процессов. Гидротермальные метасоматические изменения приводят к существенному снижению величин прочностных показателей, а, следовательно, и снижению потенциальной устойчивости пород в горных выработках. Существенное влияние на физико-механические свойства горных пород оказывают также такие факторы как интенсивность трещиноватости, рассланцевание, брекчирование пород и руд.
Характеристика физико-механических свойств дается по основным петрографическим разностям пород месторождения, характеризующимся различной степенью вторичных преобразований и приуроченным к участкам с различной степенью трещиноватости пород.
Из водно-физических параметров определялись удельный вес (кг/см2), объемная масса (кг/см2), водопоглощение (%) и открытая пористость (%), морозостойкость, а из прочностных свойств – прочность на сжатие (МПа). Определение прочностных характеристик горных пород осуществлялось как в воздушно-сухом, так и в водонасыщенном состоянии, что позволило оценить снижение прочностных свойств горных пород при взаимодействии с водой. Расчетное значение σсж. по каждой керновой пробе определялось как среднеарифметическое по 6 предварительно подготовленным образцам.
Необходимо отметить, что сочетание такого многообразия факторов, как вторичные преобразования и различная степень трещиноватости пород предопределили изменчивость физико-механических свойств пород даже в пределах одной пробы.
По данным лабораторных исследований, объемная масса основных горных пород, распространенных на площади месторождения, составила
- базальты – 2,53-2,74 г/см3 (в среднем 2,63 г/см3), конгломераты – 2,53-2,66 г/см3,
песчаники – 2,59-2,7 г/см3, сиенит-порфиры – 2,29-2,57 г/см3.
Объемная масса измененных базальтов составляет 2,3-2,71 г/см3.
Для руд месторождения с общими рядовыми содержаниями свинца и цинка (в сумме 4,6%) объемная масса составляет 3,4-3,5 т/м3. Рудам с суммарным содержанием свинца и цинка равным 2,2 % (что составляет 92 % от всех руд месторождения) соответствует объемная масса на уровне 3,05-3,1 т/м3.
Таб. 4. 0 Физико-механические свойства пород Нойон-Тологойского месторождения
Плотность частиц грунта, г/см 3
Плотность породы, г/см 3
Примечание: *-в числителе минимальное и максимальное значения, в знаменателе – среднее.
** - данные характеризуют породы массивной текстуры.
Расчетная пористость пород изменяется от 0,4 до 9,1 %. Максимальные вариации водных свойств в зонах дробления с наложенными процессами, где влажность может составлять 9-17%.
Водопоглощение горных пород изменяется от 0,1 до 4,7 % и составляет в среднем 1,7 %. Наименьшее водопоглощение характерно для плотных и слаботрещиноватых пород, что обусловлено их невысокой пористостью. Влажность руд в среднем колеблется в пределах 0,4-2,5% и лишь единичные пробы увлажнены до 4,4%.
Руды и вмещающие породы месторождения относятся к средним и, частично, низким категориям крепости. Коэффициент крепости пород и руд по шкале проф. М. М. Протодьяконова, определенный расчетным способом, колеблется от 6 до 12, категория пород по по буримости VIII-IX. Руды характеризуются коэффициентом крепости от 6 до 10. Колебания коэффициента крепости одних и тех же пород происходят из-за разной степени их гидротермальных изменений, степени дробления и трещиноватости. Высокой прочностью пород и руд обусловлено извлечение керна хорошей сохранности. Так, процент выхода керна в большинстве скважин, пробуренных на площади месторождении, составил не менее 80-90%. Лишь при проходке зон интенсивной нарушенности и глинистых швов целостность керна существенно нарушалась.
Сопротивление одноосному сжатию неизмененных базальтов, в зависимости от степени их трещиноватости, изменяется от 75 до 199 МПа (до 199 МПа) и в среднем равно 105-155 МПа. При этом коэффициент размягчаемости их обычно составляет более 0,75 (неразмягчаемые породы). Более низкими прочностными свойствами характеризуются породы с порфировой структурой. Так, сопротивление одноосному сжатию миндалекаменных базальтов составило: в воздушно-сухом состоянии – 66-122 МПа (в среднем – 87 Мпа); в водонасыщенном состоянии – 27-97 МПа (в среднем 49 МПа). Измененные базальты в большинстве случаев классифицируются как размягчаемые породы средней прочности и малопрочные (σсж. – менее 60МПа).
Прочностные свойства пород дайкового комплекса, вследствие структурных особенностей, несколько ниже, чем у базальтов. В зависимости от состояния пород сопротивление одноосному сжатию (σсж.) сиенит-порфиров меняется от 37-92 МПа до 157 МПа (среднее – 90 МПа). Данные породы практически не снижают прочность в водонасыщенном состоянии.
Наибольшей способностью к размоканию, набуханию и снижению прочностных свойств во влажном состоянии обладают конгломераты верхнегазимурской свиты. При взаимодействии с водой их прочностные свойства (70-144 МПа) снижаются на 25-35 % (до 40 %). Существенное снижение прочностных свойств в водонасыщенном состоянии характерно и для метасоматически измененных базальтов (коэффициент размягчаемости 0,29-0,65). Интенсивно каолинизированные породы при замачивании размокают и становятся рыхлыми.
Прочностные характеристики руд не определялись в связи с отбором кернового материала для основных видов опробования. Принимая во внимание идентичные условия образования и во многом схожие геолого-структурные особенности полиметаллических месторождений Восточного Забайкалья, о прочностных свойствах полиметаллических руд можно судить по результатам разведочных работ и эксплуатации некоторых из ранее разведанных месторождений. Исследование прочностных характеристик базальтов, включающих прожилки и вкрапления сульфидов (штокверковое оруденение на Центральном участке), свидетельствует об их соответствии неизмененным эффузивным породам (σсж. среднее – 143 МПа).
Как видно из краткой характеристики вмещающих пород и руд на площади месторождения распространены скальные породы с прочностью более 50 МПа. Коэффициент размягчения их изменяется от 0,5 до 0,9. Существенное снижение прочных свойств пород возможно лишь в интервалах интенсивно трещиноватых гидротермально измененных пород. Наряду с геологическими факторами, существенную роль в инженерно-геологических процессах играет и тектоническая обстановка на месторождении.
Породы подвержены морозному выветриванию, после испытаний на морозостойкость прочностные характеристики их снижались. При проведении цикла испытаний (10-15 испытаний) в насыщенном растворе сернокислого натрия, потеря в весе составила: базальты – 5,4-10,5 % (у интенсивно трещиноватых пород до 24,5 % и более); конгломераты - 12,0-20,3 %.
Горные породы и руды месторождения довольно устойчивы, что подтверждается опытом горных работ при проходке наклонных стволов. Проходка производилась с использованием патронированного аммонита при среднем расходе его 16-18 кг на 1 п.м. проходки. Разрушенные взрывом горные породы представляют собой глыбы и куски неправильной формы. При проходке горных выработок больших обрушений и значительных вывалов горных пород не отмечалось. Мелкие вывалы с кровли обусловлены пониженной механической прочностью и связностью гидротермально переработанных пород, а также трещинами напластования. При ведении горных работ отставание крепления от забоя достигало 50 и более метров. Углы естественного откоса вмещающих пород в отвалах изменяются от 40 до 55о.
С поверхности и до глубины предполагаемой отработки породы и руды не радиоактивны.
Основное внимание при проведении дальнейших инженерно-геологических исследований следует сосредоточить на характеристике наиболее слабых разновидностей пород, их пространственному распределению, как по площади, так и в разрезе. Особое внимание следует обратить на тектоническое строение, так как сочетание этих факторов может привести к существенному усложнению инженерно-геологической обстановки на месторождении.
Из современных геологических процессов, наиболее активно проявленных в данном районе, необходимо выделить плоскостной смыв, струйчатую эрозию, морозное растрескивание. В пределах участков, приуроченных к межсопочным понижениям и характеризующимися худшими условиями дренирования – заболоченность, вторичное засоление и пучение грунтов, а также проявление термокарстовых явлений на участках развития многолетнемерзлых пород. При ведении наземного строительства необходимо учитывать значительную глубину сезонного промерзания грунтов и их просадочные свойства, особенно при замачивании. Учитывая слабую естественную дренированность территории, особое внимание при разработке месторождения необходимо уделить организации водоотлива и объектов водного хозяйства (очистные сооружения, хво-стохранилища, отстойники и т.п.).
Для количественной оценки интенсивности трещиноватости массива горных пород применяется площадной коэффициент трещинной пустотности, предложенный Л. И, Нейштадт (1969). Под коэффициентом трещинной пустотности понимается отношение площади трещин (в любой плоскости) St к площади S той площадки, на которой произведено измерение этих трещин, выраженное в процентах:
В обнажении трещиноватых горных пород выбирается площадка квадратной формы, величина которой определяется характером, размером и густотой трещин. Площадка зарисовывается или фотографируется, а все встреченные в ее пределах трещины нумеруются и описываются . Все трещины подразделяются по генезису, ширине и характеру выполнения на несколько групп, для каждой из которых указываются количество трещин, их средние ширина и длина. Площади трещин, вычисленные по группам, суммируются, берется отношение (%) общей площади трещин к площади площадки подсчета, что дает площадной коэффициент трещинной пустотности.
Площадной коэффициент трещинной пустотности является приближенной количественной характеристикой интенсивности трещиноватости массива пород. Однако этот способ не дает полного представления о трещиноватости горных пород, так как коэффициентом трещинной пустотности не полностью учитываются такие качественные показатели, как их ширина, протяженность, изменчивость с глубиной, пространственное распределение н т. д., существенно влияющие на общую трещиноватость массива.
В настоящей статье рассматривается на практике метод изучения трещиноватости горного массива по кернам геотехнических скважин при колонковом бурении с помощью программы Dips Rocscience Inc. Одной из задач являлся сопоставительный анализ между непосредственными измерениями трещиноватости на участках обнажений горных пород и методом изучения кернов геотехнических скважин.
Ключевые слова: трещиноватость горного массива, керн, геотехнические скважины.
This article discusses in practice a method for studying rock mass fracturing in cores of geotechnical wells during core drilling using the Dips Rocscience Inc. program One of the tasks was a comparative analysis between direct measurements of fracturing at rock outcrops and the method of studying core samples of geotechnical wells.
Keywords: fracturing of the massif, core, geotechnical wells.
Наличие трещин в массиве приводит к существенному снижению его прочности по сравнению с прочностью образцов. Для определения прочности массива используют расчетные значения физико–механических свойств, которые получаются путём ведения корректирующих (понижающих) коэффициентов в данные лабораторных испытаний.
Трещиноватость массива скальных и полускальных пород является одним из основных факторов, которые необходимо учитывать при определении устойчивых параметров бортов и уступов карьера. Наличие в прибортовом массиве поверхностей ослабления в виде трещин резко снижает прочностные свойства скальных пород.
Целью изучения трещиноватости является:
– надежная оценка свойств массива;
– получение исходной информации для количественной оценки свойств массива расчетным путем;
– определение объема полевых работ, необходимых для оценки прочностных, деформационных, фильтрационных и других свойств массива.
Существующие методы изучения трещиноватости массива делятся на пять групп:
- непосредственные измерения на участках обнажений горных пород;
- изучение кернов геотехнических и геологоразведочных скважин;
- наблюдения за протеканием воды в горном массиве или сжатого воздуха по трещинам при проведении специальных исследований;
- геофизические методы;
- методы, использующие ультразвук.
Описание трещиноватости по данным колонкового бурения обладает рядом особенностей. Оно может быть произведено путем обзора или фотографирования стенок скважины либо путем описания керна. В обоих случаях неизбежно снижается точность и повышается трудоемкость работ в сравнении с измерением на обнажениях и в выработках, доступных для непосредственного наблюдения. Следует отдавать предпочтение изучению трещиноватости на керне. Фотографирование стенок рекомендуется применять для изучения раскрытия трещин.
Для получения количественной характеристики трещиноватости по керну должны соблюдаться следующие условия:
– выход керна не менее 95 %;
– наличие в породе маркирующих поверхностей, с помощью которых может быть восстановлена естественная ориентировка керна.
Описание трещиноватости по керну колонковых скважин следует выполнять непосредственно после его подъема. На керне измеряется ориентировка трещин и расстояние между ними в системах.
На рисунке 1 представлен полевой стол для описания керна.
Рис.1. Полевой стол для описания керна, позволяющий производить обработку высокого качества и ориентирование керна на участке
Рис.2 Электронный керноориентатор Reflex
Документация керна при геотехническом бурении с использованием керноориентатора делится на три этапа (рис. 3):
Первый этап: описание геолого-структурного строения пород
Второй этап: детальное геолого-структурное описание
Третий этап: выделение разновидностей тектонических структур
Рис.3. Этапы документирования керна
Каждый из вышеперечисленных этапов документировался в специализированный полевой журнал (рис. 3).
В качестве основного инструмента для исследования и моделирования структуры массива месторождения, при камеральной обработке результатов полевых работ, использовалось ПО Dips Rocscience Inc (рис. 4).
Рис.4. Данные по геотехническим скважинам в ПО Dips Rocscience
Последующим этапом обработки данных изучения структурно-тектонического строения массива является анализ данных замеров, выполняемый на стереорамах с их последующим ранжированием и группировкой в системы (Определение систем трещин). Требования отнесения единичной трещины к той или иной системе состоят в том, что трещины должны быть одного направления (границы по азимутам и углам падения от предполагаемого центра масс не выходят за пределы 25–30°; трещины с углами падения 75–90°, азимут которых отличается на 180°, принадлежат одной системе) и генезиса. В результате обработки данных съемки получают средние значения параметров трещиноватости по системам трещин. Центры масс систем фиксируют средние значения азимута и угла падения трещин данной системы.
Результаты обработки в Dips Rocscience представлены на рисунке 5.
Рис.5. а) Диаграмма трещиноватости по кернам скважин
б) Простирание систем трещин
Характеристика основных параметров систем трещин по результатам анализа кернов геотехнических скважин приведена в таблице 1:
Читайте также: