Месторождения полезных ископаемых как природная система
Системный подход является общим методологическим принципом научного исследования материального мира. В последние годы он нашел широкое применение как методологическая основа решения задач механики грунтов, инженерной геологии, горного и геологоразведочного дела. Одним из плодотворных результатов системного подхода является универсализация научного языка, т. е. создание той основы, которая обеспечивает широкое применение математических методов к изучению столь сложного объекта, как недра Земли.
Применительно к задачам геолого-гидрологических исследований для целей геотехнологии целесообразно различать системы следующих уровней.
Горно-геологический массив — участок земной коры в сфере воздействия горных работ, характеризующийся специфическими особенностями геологического разреза, физико-геологического состояния и свойств горных пород.
Геологическое тело — некоторая часть горного массива, внутри которой непрерывны параметры, на основе которых выделена граница этой части горного массива.
Геотехнологический элемент — часть геологического тела, характеризующаяся определенными и однородными в соответствии с принятыми критериями характеристиками заданного набора параметров.
Блок (отдельность) — наибольшая часть геотехнологического элемента, свойства которой можно охарактеризовать по испытаниям образцов в лабораторных условиях, В пределах блока параметры непрерывны и, как правило, распределяются по нормальному закону.
Система макропустот — трещины и карстовые образования.
Горная порода, минеральный агрегат — твердая фаза блока.
Система мезо- и микропустот — поровое пространство горных пород.
Кристалл — часть минерального агрегата, однородная во всех точках по химическому составу и физическим свойствам и отделенная от других частей системы поверхностями раздела.
Свойства системы любого уровня можно вывести из изучения ее состава и структуры. Такой подход называют структурным, или структурно-динамическим. Другой подход — феноменологический, заключается в эмпирическом установлении связи между тем или иным воздействием и его результатом. При этом действительная структура системы нередко заменяется некоторой моделью, поведение которой эквивалентно поведению реальной системы. Оба эти подхода взаимно дополняют друг друга.
Месторождения могут рассматриваться как природная система, находящаяся в квазистатическом равновесии, так как время его эксплуатации во много раз меньше, чем время протекания геологических процессов. В основе эксплуатации месторождений геотехнологическими методами лежит смещение равновесия системы в нужную для нас сторону.
Неравновесность системы может быть вызвана только изменением потенциалов системы. К числу таких потенциалов относятся давление, температура, химический потенциал и др. В связи с этим необходимо рассмотреть распределение полей указанных потенциалов в естественных условиях.
Давление. Напряженное состояние горных пород определяется гравитационными силами (определяемыми массой вышележащей толщи пород) и тектоническими напряжениями; фазовым составом и строением пород; конструктивными параметрами выработок.
Для геотехнологических методов добычи полезных ископаемых большое значение приобретает учет влияния насыщающих породы жидкостей. При обычных методах добычи оно обычно не учитывалось, так как работы велись с полным осушением.
Вопросу оценки влияния насыщающих породы жидкостей на распределение в них напряжений посвящено большое число работ, из которых особо следует отметить книги В.А. Мироненко и В.М. Шестакова, Ю.П. Желтова.
Еще в 1925 г. К. Терцаги предложил фазовую модель грунта и ввел понятия об истинных (действительно действующих на каждое из зерен породы) и эффективных (осредненных) напряжениях.
Необходимость этих понятий обусловлена тем, что деформация образца грунта в целом зависит от среднего напряжения, получаемого делением прилагаемой нагрузки на всю площадь образца, включая и площадь пор.
Понятие об истинных и эффективных напряжениях в скрытом виде учитывает уровень систем, являющихся предметом исследования.
В зависимости от характера решаемой задачи нас может интересовать деформация отдельных зерен, образца породы, слоя, горного массива или земной коры в целом. Каждой такой системе соответствуют свои масштабы «истинных» и «эффективных» напряжений. Экстраполируя эти понятия на системы более высокого, чем образец, уровня, мы придем к выводу, что эффективное напряжение характеризует системы в целом, а истинные относятся к их составным частям.
Рассматривая двухфазную модель зернистого грунта, сжимаемого поршнем (рис. 6, а), Ю.П. Желтов показал, что для среды с развитой пористостью соотношение между эффективным напряжением oz, давлением поршня Sz и давлением поровой воды P выражается уравнением
из которого следует, что уменьшение внутрипорового давления приводит при прочих равных условиях к возрастанию истинного напряжения на ту же величину. Кроме того, oz=Sz—Р, т. е. эффективное напряжение с увеличением давления воды уменьшается и при Sz
