Тема 1. Изучение имеющихся материалов

Перед началом геомеханических изысканий необходимо изучить весь объём имеющейся информации о месторождении. Это позволяет предварительно оценить степень неоднородности массива, масштаб структурных нарушений и возможные зоны риска, а также определить, каких данных недостаточно.

Основные источники предварительной информации:

• геологическое строение месторождения, сведения о литологическом составе, контактах между породами, тектонических зонах;
• структурное строение месторождения, наличие складок, разломов, сбросов и других нарушений массива;
• параметры систем трещин, ориентировка, густота, протяжённость и раскрытие трещин, полученные из наблюдений и описаний;
• строение рудного тела, форма, размеры, пространственное положение, внутреннее строение тела, а также его контакты с вмещающими породами;
• физико-механические свойства пород, плотность, прочность, упругие характеристики, данные о трещиноватости и водонасыщенности;
• проектные решения, расчётные параметры: углы откосов, ширина и высота уступов, ширина берм, параметры системы разработки, конфигурация выработок.

Важно понимать, что геологическая разведка ориентирована в первую очередь на поиски и оценку запасов. Геомеханические параметры при этом либо не собираются, либо представлены в виде оценок без чёткой пространственной привязки. Поэтому, чтобы получить достаточные для инженерных расчётов данные, необходимо проведение специализированных геомеханических исследований, в том числе бурения с ориентированным керном.

Тема 2. Бурение с ориентированным керном

Ориентированное керновое бурение позволяет получить наиболее полную и достоверную информацию о фактическом состоянии массива в точке на разных интервалах глубины. Оно классически применяется в геомеханических изысканиях.

Для бурения привлекается квалифицированная бригада, состоящая из бурового мастера, буровика и помощников буровика. Качество бурения и обращения с керном напрямую влияет на достоверность получаемых данных.

Наиболее надёжные результаты обеспечиваются при использовании колонковых буровых комплектов со съёмными керноприемниками. В российской и международной практике хорошо зарекомендовали себя комплекты фирмы Лонгир (США).

Ориентация керна выполняется с помощью механических или электронных ориентирующих устройств. Например, механическое устройство Ezy Mark или электронные устройства Reflex Act II и Act III позволяют фиксировать ориентацию керна в скважине при соблюдении определённых условий бурения.

Для аккуратного и надёжного извлечения керна из керноприемника может быть собрана простая установка. Один из распространённых вариантов — использование сваренного под углом 90 градусов металлического уголка или деревянного домка, в который вставляется трубка приёма керна.

Полученный керн должен быть задокументирован и оцифрован, а данные систематизированы. Это делается с помощью цифровых таблиц, фотографий, баз данных, специализированного ПО. Оцифровка позволяет обеспечить повторное использование материалов, быструю доступность и удобство использования.

Из отобранного керна производится выборка образцов для лабораторных испытаний. Отбираются цилиндрические образцы, из которых впоследствии определяются физико-механические свойства пород: предел прочности, модуль упругости, коэффициент Пуассона, пористость, плотность, сопротивление сдвигу.

Тема 3. Анализ архива геологического бурения

Анализ архива геологического бурения — важнейший этап на начальной стадии геомеханического обследования месторождения. Несмотря на то, что основная цель геологоразведочного бурения — изучение состава и мощности рудных тел, собранные при этом материалы могут содержать ценную информацию о состоянии массива.

На большинстве месторождений после завершения геологоразведки сохраняются:

• керн, хранящийся в зернохранилищах;
• геологические описания;
• журналы бурения;
• фотографии керна;
• графические материалы;
• акты отбора проб;
• лабораторные данные по физико-механическим характеристикам.

Особое значение для геомеханики имеет фонд керна. Даже если керн отбирался без ориентации, он позволяет:

• визуально оценить характер трещиноватости;
• определить наличие зон дробления;
• установить контакты между породами;
• выбрать участки для повторного бурения с ориентированным керном;
• отобрать остатки керна для повторных лабораторных испытаний;

Фонд керна может включать:

• архивный керн (хранящийся в коробках или лотках);
• фототаблицы керна;
• описания по литологии и трещиноватости;
• цифровые базы данных скважин.

Анализ архива начинается с ревизии: выявляется объём доступного керна, его физическое состояние, степень полноты и систематизации описаний. При необходимости организуется повторная съёмка и оцифровка керна

Тема 4. Сканирование стенок скважин

Сканирование стенок скважин — это дополнительный метод получения информации о состоянии массива в процессе геомеханического бурения. Он применяется после извлечения керна, в той же самой скважине, которая предварительно заполняется чистой водой без взвесей. Цель — зафиксировать геомеханически значимые неоднородности, не всегда видимые на керне, и уточнить пространственное положение структурных элементов.

Основные методы инструментального сканирования:

• высокочастотное акустическое зондирование;
• оптическое зондирование.

Методы зондирования позволяют получить непрерывное изображение стенок скважины, по которому далее выполняется интерпретация.

Для расшифровки данных необходимо:

• разработать и актуализировать специализированный интерпретационный словарь, адаптированный под условия конкретного месторождения;
• выполнить интерпретацию полученных изображений и логов с использованием этого словаря.

Результатом телеметрических исследований является следующий набор материалов:

• специализированный интерпретационный словарь, содержащий перечень типов трещин, текстур, каверн, зон выветривания и других структурных неоднородностей;
• проинтерпретированные логи телеметрии, включающие привязку к глубине, отметку типа и ориентации каждого зафиксированного элемента;
• таблица углов ориентировки выделенных неоднородностей (азимут и угол падения трещин, прожилков, плоскостей ослабления);
• таблицы инклинометрии (положение скважины в пространстве) и кавернометрии (изменения диаметра скважины), которые позволяют выявить зоны разрушения или расширения стенок.

По результатам телеметрии выделяются структурные неоднородности, такие как:

• отдельные трещины различной природы;
• зоны дробления и трещиноватости;
• контакты между разными породами;
• текстурные особенности (слоистость, прожилки).

Сканирование стенок скважин является высокоэффективным способом получения структурной информации, особенно в сочетании с ориентированным керном. Оно позволяет уточнить пространственную модель трещиноватости массива и повысить точность инженерно-геологических расчётов.

Тема 5. Геомеханическое документирование керна скважин

Для проведения геомеханического описания и получения представительных проб необходимо использовать керн с минимальными искажениями. В большинстве случаев для этого применяется диаметр бурения HQ. Диаметр скважины при этом составляет 96 мм, а диаметр извлекаемого керна — 63,5 мм (при использовании двухколонкового бурового снаряда). Этот диаметр обеспечивает оптимальное сочетание между прочностью керна, объёмом материала для испытаний и точностью интерпретации.

Бурение меньшими диаметрами, например NQ, может приводить к образованию большого количества дополнительных трещин в керне, особенно при извлечении и транспортировке. Такие трещины затрудняют геомеханическую интерпретацию, усложняют анализ естественной трещиноватости и снижают достоверность данных.

Переход на диаметр бурения NQ допускается только в исключительных случаях и обязательно согласовывается с контролирующей организацией. Такое решение принимается индивидуально для каждой скважины и не должно использоваться как систематическая практика.

Одной из наиболее распространённых ошибок при геомеханическом документировании является образование искусственных трещин в момент извлечения керна из керноприемника. Это происходит, если керн извлекают ударом, например, с помощью молотка. Чтобы избежать повреждений, керн необходимо извлекать мягко — под напором воды или бурового раствора, при этом аккуратно направляя поток внутрь керноприёмной трубки.

Правильная организация рабочего места также играет ключевую роль в качестве геомеханического описания. Рекомендуется следующая базовая инфраструктура:

• утеплённый и обогреваемый вагончик или ангар для работы;
• система ящиков или лотков для хранения и систематизации керна;
• рабочие столы с линейками, транспортиром, планшетами для ведения описаний;
• освещённое пространство с возможностью проведения фотосъёмки керна;
• отдельные зоны для описания, хранения, оцифровки и пробоотбора.

Такая организация позволяет исключить дополнительные повреждения керна, упростить логистику, обеспечить чистоту и порядок на рабочем месте и повысить общую достоверность геомеханического описания.

Тема 6. Определение упругих и прочностных свойств неоднородных трещиноватых массивов

Упругие и прочностные свойства массива в условиях природной трещиноватости и структурной неоднородности отличаются от лабораторных значений, полученных на монолитных образцах. Для инженерных расчётов необходимо определить параметры массива с учётом его реального состояния. Существует несколько подходов к оценке таких характеристик.

Методы определения:

• натурные эксперименты, включают полевые испытания на сжатие, сдвиг, деформацию пород в массиве, а также мониторинг реакций массива на искусственные воздействия (нагрузку);
• расчёты по аналитическим и эмпирическим формулам, используются упрощённые зависимости, связывающие свойства массива с параметрами трещиноватости, коэффициентами ослабления и масштабным эффектом;
• экспертные оценки, основаны на накопленном опыте геомехаников и сравнении с аналогичными месторождениями;
• обратные расчёты по фактам проявления горного давления, параметры массива подбираются по результатам деформаций выработок, обрушений, смещений, зафиксированных в натуре;
• лабораторные исследования образцов из ФЗМ, определяются модуль упругости, предел прочности, коэффициент Пуассона и другие параметры на монолитных и структурно нарушенных образцах.

Для обобщённой оценки качества массива и перехода от лабораторных данных к массиву используются рейтинговые системы:

• рейтинг КУМ (коэффициент устойчивости массива) по Шуплецову;
• используется в отечественной практике, учитывает тип породы, трещиноватость, водонасыщенность и наличие разломов;
• рейтинг RMR по Бенявскому, международная система оценки устойчивости породного массива на основе пяти параметров: прочности породы, состояния дисконтинуитетов, расстояния между ними, состояния водонасыщенности и ориентации трещин относительно выработки;
• рейтинг Q по Бартону, используется для расчёта устойчивости выработок, особенно в подземных условиях. Учитывает трещиноватость, крепость породы, водонасыщенность и условия поддержки;
• геологический индекс прочности массива (GSI) по Хуку, применяется для перехода от прочности монолита к прочности массива. Основан на качественной оценке структуры и состояния массива.

Тема 7. Методика линейной съемки трещиноватости на обнажениях в карьере и в подземных горных выработках с помощью горного компаса

Линейная съёмка трещиноватости применяется для оценки геометрии трещин в массиве по доступным обнажениям — в бортах карьеров, откосах уступов, стенках и кровле подземных горных выработок. Цель съёмки — зафиксировать ориентацию, частоту и другие параметры трещин, что позволяет впоследствии построить структурную модель массива.

Измерения проводятся на прямолинейных участках протяжённостью 1–10 метров по поверхностям горных, расположенных вблизи фронта работ, транспортных коммуникаций и объектов капитального строительства.

Основные действия при линейной съёмке:

• фиксация координат;
• определяется угол падения, азимут простирания трещины;
• описание типа трещины (тектоническая, напластования, разрыв, выветривания);
• определение степени заполненности, состояния поверхности.

На каждой точке дополнительно производятся измерения амплитуды шероховатости плоскостей трещин и поверхностей сланцеватости. Этот параметр измеряется в миллиметрах с использованием контурного шаблона или контурной линейки. Полученные данные применяются для оценки коэффициента шероховатости трещин, влияющего на прочность и сдвигоустойчивость массива.

Для экспресс-оценки прочности породы в полевых условиях используется молоток Шмидта (Schmidt Hammer). Устройство наносит удар фиксированной силы по поверхности породы, и по величине обратного отскока определяется условная прочность. Метод широко используется для сопоставления относительной прочности пород в разных участках карьера или выработки.

Тема 8. Современные методы сбора структурных данных

Геолого-структурная съёмка в современных условиях может выполняться комбинированно с использованием ручных и цифровых методов. Это особенно актуально при работе с крупными обнажениями, борто́выми участками, уступами и подземными выработками, где требуется быстро и точно зафиксировать параметры трещиноватости.

К традиционным ручным измерениям с использованием горного компаса и визуальной фиксации добавляются современные цифровые методы:

• фотосъёмка с фиксированной точки, позволяет получить масштабные панорамы и фотофиксацию состояния массива для последующего анализа;
• фотограмметрическая съёмка, выполняется с земли или с дрона. Позволяет создать трёхмерные модели обнажений с точностью до миллиметров, на которых можно в последующем проводить картирование трещин, измерять их ориентировку, протяжённость, раскрытие;
• лидарно-фотограмметрическая съёмка, объединяет лазерное сканирование (лидар) с визуальной фотосъёмкой. Метод даёт облако точек высокой плотности и текстурированную модель поверхности. Преимущество — в высокой точности, возможности работать при плохом освещении и в закрытых пространствах (подземные выработки, штреки, камеры);
• съёмка с БПЛА (дрона), обеспечивает быстрый охват больших площадей, получение фотограмметрических моделей в труднодоступных или опасных местах;
• оценка качественных характеристик трещин, проводится по 3D-моделям: характер поверхности, непрерывность, наличие заделки, изменение раскрытия по длине.

Главные преимущества фотограмметрической и лидарной съёмки:

• высокая скорость получения данных по большим объёмам массива;
• отсутствие необходимости постоянного физического доступа к обнажению;
• возможность многократного возвращения к цифровой модели без повторного выхода на объект;
• снижение влияния человеческого фактора при измерениях;
• возможность интеграции данных в геомеханические блочные модели и расчётные комплексы.

Современные методы структурной съёмки значительно повышают эффективность инженерно-геологических работ, позволяют выполнять объективную фиксацию трещиноватости, ускоряют принятие решений и обеспечивают достоверную основу геомеханических и геотехнических данных.

Тема 9. Анализ данных о структурном строении месторождений и о состоянии массива горных пород

Для формирования корректного инженерно-геологического понимания условий залегания рудного тела и устойчивости массива необходимо провести всесторонний анализ исходной информации. Такой анализ включает как обобщение геологических данных, так и систематизацию инженерной информации, полученной в процессе разведки, бурения, съёмки и испытаний.

Источники для изучения:

• геологическое строение месторождения, литологический состав, тектонические особенности, зоны выветривания, контакты между различными породами;
• структурное строение месторождения, наличие складчатости, разломов, сбросов, тектонических нарушений и их пространственная конфигурация;
• параметры систем трещин, углы простирания и падения, частота и протяжённость трещин, характер их пересечений и пространственная организация;
• строение рудного тела, форма, глубина залегания, углы падения, прерывистость и особенности границ рудных тел с вмещающими породами;
• физико-механические свойства пород, результаты лабораторных и полевых испытаний, включая прочность, модуль упругости, коэффициенты трения и сцепления, плотность;
• проектные решения, предусматриваемые углы откосов, ширина и высота уступов, ширина берм, параметры систем разработки, направление и порядок отработки.

В результате анализа формируется геолого-структурная модель, включающая:

• нарушенность массива на разных структурных уровнях, включает микротрещиноватость (внутри зерен и между зёрнами), макротрещиноватость (видимая в керне, на обнажениях), тектонические разломы разных рангов, глубинные разломы земной коры;
• типы трещин и их основные параметры, фиксируются ориентировка в пространстве (простирание и угол падения), длины трещин, расстояния между ними, состояние контактов (вскрытые, зацементированные, заиленные), величина раскрытия, наличие и тип заполнения;
• системы трещин, объединяются по схожей ориентировке, генезису или характеру проявления. Каждая система описывается статистически, включая среднее расстояние между трещинами, частоту и преобладающее направление.

Тема 10. Этапы камеральной обработки

После полевых работ по изучению трещиноватости и структурных особенностей массива выполняется камеральная обработка собранных данных. Основная цель — переход от разрозненных измерений к упорядоченной структурной модели массива, пригодной для инженерных расчётов.

Основные этапы:

• создание геолого-структурной модели, на основе полевых измерений, данных по керну, фотограмметрических или лидарных моделей создаётся пространственная модель обнажений и структуры массива. Включает рудные тела, контакты, зоны нарушения, литологические границы;
• обработка результатов съёмки трещиноватости с помощью программы Dips, данные о простирании и падении трещин вводятся в программу для построения стереографических проекций, диаграмм роз и анализа ориентировок. Это позволяет определить преобладающие направления трещиноватости и их распределение;
• выделение систем трещин и определение их параметров;
• по результатам кластеризации и визуального анализа трещины группируются в системы. Для каждой системы определяются тип, направление, угол падения, диапазон отклонений, характер заполнения и генетическая природа;
• расчёт средних расстояний между трещинами в системах, на основе линейной съёмки, фотограмметрии или анализа керна определяется средняя частота трещин. Показатель выражается в количестве трещин на погонный метр и используется для расчёта размеров структурных блоков, оценки трещиноватости и коэффициента структурного ослабления.

Тема 11. Результаты обработки геолого-структурной информации

Финальным этапом камеральной обработки данных о трещиноватости и структуре массива является пространственная интерпретация и укрупнение данных. Это позволяет перейти от точечных измерений к геомеханической модели массива, пригодной для инженерного анализа и расчётов.

Ключевым шагом является кластеризация массива на структурные домены.

Кластеризация месторождения на структурные домены (блоки):

• проводится на основе результатов полевой и камеральной обработки — анализа трещиноватости, литологической неоднородности, данных о разломах и других геологических элементах;
• под структурным доменом понимается участок массива, внутри которого характеристики трещиноватости и геологической структуры сохраняются примерно однородными;
• выделение доменов осуществляется с учётом пространственной привязки точек наблюдения, результатов фотограмметрии, керна и стенок скважин, а также данных с дронов и лидаров;
• каждый домен описывается: преобладающими направлениями трещиноватости, типами пород, наличием зон нарушенности, инженерно-геологическими условиями;
• домены служат основой для построения геомеханической блочной модели, расчёта устойчивости, подбора методов крепления и проектирования системы разработки.

Такой подход позволяет учитывать реальную неоднородность массива и избегать грубых обобщений, что особенно важно для безопасного ведения горных работ.