Классификация физических свойств горных пород (по С.С. Сулакшину)

Модуль 1

1.Механіка гірських порід, як наука.

Механіка гірських порід – це наука про міцність, стійкість і деформування гірських порід, гірничотехнічних об’єктів і споруд в полі природних і спричинених гірничими роботами сил гірського тиску а також про процеси механічного руйнування гірських порід.

Є ще одне визначення наукової дисципліни “Механіка гірських порід”. Це наука про механічні властивості гірських порід, закономірності їх зміни при дії тих чи інших факторів.

Деякі фахівці, зокрема академік Турчанінов, вважають, що коло питань, пов’язаних з руйнуванням гірських порід слід відносити до розділу фізики руйнування гірських порід.

2.Мінеральні та гірські породи

Гірські́ поро́ди— природні агрегати однорідних або різних мінералів, утворених за певних геологічних умов у земній корі або на її поверхні. М. С. Шатський визначав гірську породу, як парагенезис мінералів. Як правило, гірськими породами вважаються тільки тверді тіла, хоча в широкому розумінні до гірських порід входять також рідкі речовини (вода, нафта тощо) та природні гази.

Природні скупчення мінеральних агрегатів вивчає петрографія— геологічна наука, яка вивчає мінеральний склад гірських порід, їх будову, походження, умови залягання, розповсюдження та утворення корисних копалин.

Мінерал - однорідне природне тверде тіло, що знаходиться або колишнє в кристалічному стані. Мінерали є складовою частиною гірських порід (породообразующие мінерали), руд, метеоритів.

Термін мінерал використовують для позначення мінеральних індивіда, виду і різновидності. Мінерал як мінеральний вид - це природна хімічна сполука, що має певний хімічний склад і кристалічну структуру. Якщо відмінності в хімічному складі при структурній ідентичності не дуже великі, то за забарвленням, морфологічних або іншим особливостям виділяють мінеральні різновиди - наприклад гірський кришталь, аметист, цитрин, халцедон є різновидами кварцу. Мінеральні індивіди - мінеральні тіла, між якими є поверхні розділу, наприклад, кристали і зерна.

3.Розподіл мінералів і гірських порід за характером звязків та генезисом

4.Найважливіші признаки будови гірських порід

Найважливішими ознаками будови порід є їх структура і текстура.

Структура – це ступінь кристалізації порід (їх кристалічна чи аморфна будова), розміри, форма мінеральних частин, з яки х складається порода, і характер зв’язків між ними.

За ступенем кристалізації порід розрізняють повнокристалічні, неповно кристалічні, склисті, порфірові, уламкові структури.

Повнокристалічним породам характерна повна розкристалізація всіх мінералів, що входять до їх складу. Неповнокристалічні породи складаються частково з кристалічних зерен (кристалітів), частково з аморфної склистої маси. В породах порфірової структури в загальну склисту або кристалічну масу вкраплені крупні зерна. Породи уламкової структури складаються із зцементованих уламків первинних порід, з яких вони утворилися. Із збільшенням ступеню розкристалізації порід зазвичай їх міцність зменшується.

Під текстурою (побудовою) розуміють взаємне розташування структурно однотипних частин породи (мінеральних зерен кристалічної породи чи уламків уламкової породи) в просторі, який вони займають.

Текстура породи може бути впорядкованою і невпорядкованою. З точки зору механіки гірських порід найважливішими є такі текстури

5.Класифікація фізичних властивостей гірських порід

Відповідно до класифікації, прийнятої у фізиці гірських порід, основними групами фізичних властивостей в залежності від виду зовнішнього фізичного поля вважаються: плотностние, механічні, теплові, електричні, магнітні, хвильові, радіаційні, гідрогазодинамічних. З метою зіставлення різних гірських порід, їх спільного розгляду та аналізу виділено 12 основних незалежних базових фізичних параметрів (табл.)

Классификация физических свойств горных пород (по С.С. Сулакшину)

6.властивостігірськихпорід, які виникають при дії механічного поля

Механічні властивості характеризують поведінку гірськихпорід в різних механічних силових полях. Їхподіляють на ряд груп:

а) міцнісні, щохарактеризуютьграничнийопірпорідрізного виду навантаженням;

б) деформаційні, щохарактеризуютьздатністьпоріддеформуватисяпіддієюнавантаження:

– пружні, щохарактеризуютьздатністьпорідпружнодеформуватисяпіднавантаженням;

– пластичні, щохарактеризуютьнезворотнезалишковедеформуванняпорід.

в) реологічні,щохарактеризуютьдеформуванняпорід в часі при заданихумовахнавантаження;

г) акустичні, щохарактеризуютьумовипередачі породами пружнихколивань.

7 Щільнісні властівості гірських порід та їхвизначення

Плотностные свойства горной породы - физические свойства, характеризующие взаимосвязь между массой и объемами горных пород или минералов.

Плотностные свойства горных пород проявляются в результате действия гравитационного поля Земли. Их в свою очередь можно подразделить на две группы: гравитационные и структурные. К гравитационным свойствам относят удельный g и объемный g вес пород, к структурным — их удельную массу r, плотность (объемную массу) r, общую П и открытую пористость П, коэффициент пористости Кп.

Плотность горной породы определяется как масса (кг) единицы ее объема (м3) со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами. В системе единиц СИ единицей плотности р является килограмм на кубический метр:

8 Міцнісні властивості гірських порід

Міцнісні властивості визначають здатність порід чинити опір руйнуванню під дією прикладених механічних напруг. Вони характеризуються межами міцності при стиску і розтягу, зчепленням і кутом внутрішньоготертя.

міцність на стиск порідхарактеризуєзначеннянапруги, яке витримуєзразок до руйнування при одновісномустисненні.

Міцність на розтяг гірськихпорідзначнонижчеїхміцності на стиск, визначаютьїхповедінку в полімеханічних сил.

Міцність на зріз (зсув) можебути охарактеризована двомафункціональнопов'язаними параметрами: зчепленням і кутом внутрішньоготертя породи.

Зчеплення характеризуєграничнеопірзрізу по майданчику, на якійвідсутнійнормальнийтиск, тобтонемає опору зрізатизусиллям за рахуноквнутрішньоготертя.

Кут внутрішнього тертя або коефіцієнт внутрішнього тертя характеризує інтенсивність росту зрізати напружень зі зростанням нормальних напружень, тобто являє собою коефіцієнт пропорційності між приростами дотичних і нормальних напружень при зрізі.

Межеюміцності називаютьнапруження, при якомузразокруйнується:

де P – руйнівненавантаження;

F – площа, на яку дієприкладененавантаження.

9. Пружні властивості гірських порід як їх визначити
Пружнівластивості гірськихпорідхарактеризуються модулем пружності Е при одноосьовомунапруженомустані (модулем поздовжньоїпружностіабо, інакше, модулем Юнга), модулем зсуву G, модулем об’ємноїпружності К і коефіцієнтомпоперечнихдеформацій m (коефіцієнтом Пуассона).

.

Модуль пружностіЕ – це відношення нормальних напружень s_n до відносної лінійної деформації зразка e_l=Dl/l в напрямі дії прикладеного навантаження.

Модуль деформації при навантаженні дещо менший чим при розвантаженні, що у випадку швидкого зняття навантаження зумовлює залишкову деформацію е_зал. Це явище називають пружним гістерезисом. Однак, з часом набута таким чином залишковадеформаціязникає і твердетіловідновлюєсвоїрозміри. Цеявищеназивають пружноюпіслядією.

До деякоївеличининапруження породи, яку називають межеюпружності залишковінапруження при короткочасномунавантаженні в ній практично не проявляються; деформаціїмають чисто пружний характер і при зняттінавантаженнязникають. Якщо ж значеннянапруженьбільші за межу пружності, то наряду з пружнимидеформаціямивиникають і пластичні, котрізберігаються і післярозвантаження породи.

Пластичнівластивості можнаохарактеризувати коефіцієнтомпластичності, який є відношеннямроботи А_р, витраченої на руйнуванняпевногооб’ємуреальноїгірської породи до роботи А_{пр ,} потрібної для руйнування такого ж об’єму породи, з тим же значенняммежіміцності при стиску при умовіідеальноїпружності породи

10.Акустичні властивості гірських порід та їх визначення

Акустичні властивості гірської породи - властивості, щохарактеризують проходження через породу пружних коливань: інфразвукових, звукових та ультразвукових хвиль.

Акустична жорсткість гірських порід - властивість породи передавати звукові коливання. Залежить від структурних особливостей гірських порід та їх мінерального складу. Визначається як добуток густини гірської породи на швидкість розповсюдження в ній поздовжніх пружних хвиль. [кг/м²·с].

Визначають умови розповсюдження в гірських породах пружних коливань. Вони характеризуються швидкістю розповсюдження пружних хвиль v, акустичним опором Q і коефіцієнтом поглинання α.

Серед різних пружних коливань в твердих тілах найбільший інтерес становлять поздовжні, поперечні і поверхневі (релеєвські) хвилі. В поздовжніх хвилях напрям коливання частинок породи співпадає з напрямом розповсюдження хвилі; в поперечних напрям коливання частин перпендикулярно до напряму розповсюдження хвилі. Поверхневі хвилі – цеколивання поверхні середовища (поверхні зразка гірської породи).

Співвідношення між швидкостями поздовжніхv_P, поперечнихv_S і поверхневихv_R пружних хвиль характеризується такою нерівністю:

v_Р >v_S >v_R (23)

Швидкості розповсюдження пружних хвиль визначаються густиною і показниками пружностісередовища. Густинахарактеризуємасу, щозміщується, показникипружності – сили, котрівиникаютьіззміщеннямчастин, якіколиваються.

Твір щільності породи на швидкість відповідної хвилі називають акустичним опором або акустичноїжорсткістю, вонохарактеризуєвпливвластивостейсередовища на інтенсивність (частоту) коливань в цьомусередовищі, яка, крім того, визначаєтьсяще параметрами збудникаколивань.

11. Властивості гірських порід, які виникають при дії теплового поля

Виділяють два види впливу теплового поля:

Перший вид пов'язаний з виникаючими в породах термічними напруженнями через нерівномірність теплового розширення мінералів, другий обумовлений різними фізичними та термомеханічними перетвореннями мінералів породи при нагріванні. Термохім. і фіз. перетворення в ГП: висушування порід, плавлення, отвердіння, випаровування, сублімація, поліморфні перетворення (зміна кристалічної решітки), дегідратація (видалення хім. зв'язаної води з мінералів і ГП), дисоціація (руйнування мінералу з виділенням газоподібної фази), окислювально-відновні процеси. Всі параметри порід, що характеризують їх пластичність, повзучість, релаксацію напруг, з підвищенням температури збільшуються. В'язкість порід зменшується з нагріванням. Вплив негативних температур має протилежний нагріванню характер. Зниження температури викликає в більшості випадків підвищення міцності ГП, модулів пружності, твердості, фортеці, зниження пластичності і реологічних характеристик. Ефект розміцненності ГП після нагрівання або глибокого охолодження посилюється при швидкій динамічній дії, пов'язано з більшою неоднорідністю теплового поля в породі, що приводить до підвищення в ній термонапруження.

12. Властивості гірських порід, які виникають при дії електромагнітного поля

До електромагнітних властивостям гірських порід відносяться:

питомий електричний опір ρ, електрохімічна активність α, поляризованість η, діелектрична ε і магнітна μ проникності, а також п'єзоелектричні модулі d.

Питомий електричний опір ρ, - вимірюється в ом-метрах (Ом · м), є найбільш відомим електромагнітним властивістю і змінюється для гірських порід і руд в дуже широких межах: від 10-5 до 1015 Ом · м. Для найбільш поширених осадових, вивержених і метаморфічних гірських порід воно залежить від мінерального складу, фізико-механічних і водних властивостей гірських порід, а також від деяких інших факторів

(температури, глибини залягання, ступеня метаморфізму, техногенних впливів і ін.).

Електрохімічна активність - властивість порід створювати природні постійні електричні поля. Ці поля можуть виникати в силу окислювально-відновних реакцій, пов'язаних з наявністю і рухом в породах розчинів різної концентрації та хімічного складу. За електрохімічну активність іноді приймають коефіцієнт пропорційності між напруженістю природного електричного поля і основними

факторами, якими воно обумовлено

Поляризація - це складний електрохімічний процес, що протікає при пропущенні через породу постійного або низькочастотного змінного (до 20 Гц) струму. Найбільшою полярізуємостью (η = 6 - 40%) відрізняються руди з електронною провідністю (сульфіди, сульфосолі, деякі самородні метали і окремі оксиди). Виникнення викликаних потенціалів в цій групі порід пояснюють так званої електродної поляризацією руд в присутності підземних вод. Коефіцієнти поляризуемости до 2-6% спостерігаються над обводненими пухкими осадовими породами з домішкою глинистих часток. У цих породах при пропущенні струму відбувається перерозподіл і дифузія зарядів, адсорбованих на глинистих частинках.

Електрична і магнітна проникності. Відносна діелектрична проникність ε = εП / ε0 (де εП, ε0 - діелектричні проникності породи і повітря) показує, у скільки разів збільшується ємність конденсатора, якщо замість повітря в нього помістити дану породу. Значення ε змінюється від декількох одиниць (у сухих осадових порід) до 80 (у води) і залежить в основному від вмісту води і мінерального складу породи. У вивержених порід ε змінюється від 5 до 12, у осадових - від 2-3 (у сухих) до 16-40 (у повністю насичених водою). Діелектрична проникність відіграє значну роль у високочастотної електророзвідці. Як зазначалося вище, магнітна проникність величезної більшості порід приблизно дорівнює магнітної проникності повітря. Лише у феромагнетиків відносна магнітна проникність може досягати 10, тому параметр μ використовують при їх розвідці

Пьезоэлектрические модули. Пьезоэлектрическими модулями определяется

свойство минералов и горных пород создавать электрическую поляризацию, т.е. опре-

деленную ориентацию зарядов, при механическом воздействии на них. Пьезоэлектри-

ческими свойствами обладают лишь кристаллы, лишенные центра симметрии. У таких

кристаллов при механической деформации происходит взаимное смещение центров

электрических диполей и на соответствующих гранях кристаллов появляются электри-

ческие заряды. Интенсивность и знак зарядов q зависят от вида деформации (растяже-

ние — сжатие или сдвиг), величины и направления действующей механической силы F

и пьезоэлектрического модуля кристалла d, соответствующего данному виду деформа-

ции и направлению поляризации.

13. Технологічні показники гірських порід

Характеристики та гірничо-технологічні властивості гірських порід – твердість, міцність, абразивність, тривкість, буримість, висаджуваність (вибуховість), збагачуваність.

Твердість – опір породи вдавлюванню в неї іншого більш твердого тіла (індентора), пружною деформацією якого можна знехтувати

Міцністю - називається здатність порід чинити опір руйнуванню при стиску, сколюванні, розтяганні й інших видах деформації. Міцність порід залежить від багатьох факторів і коливається в широких межах. Випробування міцності порід на стиск проводиться на гідропресах з визначенням стискального зусилля в момент руйнування зразків породи, які виготовлені у вигляді куба з ребром 50 мм або циліндрів з таким самим діаметром і висотою. Непаралельність площин зразка не повинна перевищувати 0,01–0,03 мм.

Абразивність – здатність гірської породи зношувати при терті інстру- мент, що її руйнує (різці бурових коронок і доліт). Абразивність є однією з найважливіших властивостей порід, що визначають вибір породоруйнівного інструменту і режим буріння. При бурінні абразивних порід скорочується час роботи інструменту на вибої. Абразивність гірських порід значною мірою залежить від твердості поро- дотвірних мінералів. Підвищену абразивність мають породи, що складаються із зерен дуже твердих мінералів, пов’язаних менш твердим цементом. Для оцінки абразивності запропоновано багато способів, за основу в них прийнято один принцип – стирання еталонного предмета. Широко відомий спосіб Л.І. Барона й А.В. Кузнєцова, що полягає у ви- значенні втрати маси стрижня зі сталі-сріблянки при терті об гірську породу

Буримість — це величина поглиблення вибою свердловини за одиницю часу, протягом якого до породоруйнівного інструменту прикладені зовнішні навантаження. Буримість адекватна механічній швидкості буріння. Буримість залежить від застосовуваного способу руйнування і властивостей розбурюваних порід; зносостійкості породоруйнівного інструменту; техніки і технології бурових робіт; їхньої організації; а також від кваліфікації обслуговуючого персоналу. Навіть при бурінні тих самих порід буримість змінюється в часі, що пов’язано з абразивним зносом породоруйнівного інструменту. Чим твердіші і міцніші породи, тим менша їх буримість. У свою чергу, ці властивості порід залежать від їхнього мінерального складу, пористості, структури, текстури тощо.

Вибуховість(висаджуваність) – здатність порід руйнуватися під дією зовнішніх зусиль при вибуху зарядів вибухових речовин (ВР). Вона характеризується питомою витратою ВР, тобто кількістю ВР, яка необхідна для відбою 1 м3 породи від ма- сиву, або кількістю метрів шпурів, в яких може бути розташована необхідна для відбою і подрібнення 1 м3 породи кількість ВР.

14. Внутрішні та зовнішні чинники, що впливають на фізичні властивості гірських порід

Механічне поле. Механічні напруги (тиску) в значній мірі впливають на зміну фізичних властивостей гірських порід. Причиною цієї зміни є порушення початкового будови гірських порід. Залежно від характеру тиску (одновісне, двовісне, всебічне рівномірний - гідростатичний, всебічне нерівномірне) ці порушення пов'язані або з ущільненням породи, смятием пір і збільшенням площі контакту зерен, або з утворенням в породі системи тріщин, зменшенням зв'язку між окремими її ділянками і т. д.

Найбільше уплотняющее дію на породи надає гідростатичний тиск. Зі збільшенням ущільнення збільшуються площі каналів, по яких передаються напруги і енергія, і зростають все тензорні показники (міцність, пружні властивості, теплопровідність і т. Д.).

При дуже високих тисках відбувається перебудова не тільки макроструктури породи (ущільнення), але і збільшення внутрішнього потенціалу атомів і іонів, що, в свою чергу, також впливає на властивості порід.

Під впливом разупрочняющей механічних напружень відбувається, навпаки, зменшення внутрішніх зв'язків між частинками гірських порід. При цьому зміни властивостей, як правило, більш істотні.

У гірському виробництві зустрічаються як штучні механічні напруги, створювані в основному з метою руйнування гірських порід, так і природні - гірське тиск, обумовлений вагою верхніх шарів і бічним тиском вміщуючих порід; тиск газів і води в масивах порід; термічні напруги, що виникають під впливом тепла в масивах; тектонічні напруги, пов'язані зі сдвижением порід.

Речовие поле найбільш часто представлено у вигляді різних рідин (вода, нафта) і газів, що заповнюють пори, тріщини і порожнечі в породі. Вплив речового поля на властивості порід позначається у двох напрямках: як складова частина породи і як фізико-хімічно активна середу, що впливає на мінеральний скелет. У першому випадку властивості породи визначаються як інтегральний показник властивостей мінерального скелета, рідин і газів, що насичують породу. У другому випадку властивості породи, крім того, стають функцією ступеня взаємодії між зовнішнім речовим полем і породою. У зв'язку з цим при насиченні можуть спостерігатися зміни властивостей порід в різних напрямках.

Ступінь впливу рідин найбільша при пухких, зв'язкових і деяких слабосцементірованних скельних породах, решта породи малочутливі до гідравлічного впливу.

Вплив рідини на гірську породу може бути динамічним і статичним. Динамічний вплив, як правило, призводить до механічного руйнування і переміщенню гірських порід; статичне - до набухання, розм'якшення і розчиненню.

Теплове поле викликає зміни властивостей порід під впливом різних термодинамічних процесів, що відбуваються в них при підвищенні температури. Виділяють два види впливу теплового поля. Перший вид пов'язаний з виникаючими в породах термічними напруженнями через нерівномірний теплового розширення мінералів. Другий вид обумовлений різними фізичними та термохімічними перетвореннями мінералів породи.

Термонапруження виникають в результаті перетворення теплової енергії в механічну. Вплив термонапруженого на зміну властивостей порід аналогічно впливу механічних напруг.

Термохімічні та фізичні перетворення в гірських породах при нагріванні можуть бути наступними:

1) перехід породи з одного агрегатного стану в інший - плавлення - отвердевание; випаровування - скраплення; сублімація [16]. Плавлення породи характеризується її температурою і теплотою плавлення. Теплота плавлення - це кількість тепла, необхідного для розплавлення одиниці маси породи при постійних температурах і тиску;

2) перехід мінералів з однієї кристалічної форми в іншу без зміни їх хімічного складу - поліморфні перетворення. Поліморфні перетворення порід супроводжуються стрибкоподібними змінами деяких їх властивостей.

Поліморфні перетворення притаманні багатьом мінералам. Найбільш широко відомі поліморфні перетворення кварцу при підвищених температурах, що супроводжуються значним увеліченіемего обсягу (перехід β-кварцу в α-кварц при Т = 573 ° С);

3) дегідратація - видалення хімічно зв'язаної води з мінералів і гірських порід;

4) дисоціація - руйнування мінералу з виділенням газоподібної фази;

5) окислювально - відновні процеси, притаманні як правило, мідно-нікелевим і свинцево-цинковим сульфідних руд і кам'яним вугіллям.

Це явище призводить до самозаймання руд і вугілля в процесі їх добування та зберігання. Критичною температурою, при якій відбувається швидкий перехід до самозаймання, для бурого вугілля є температура 40 - 60 ° С, для жирного кам'яних вугілля - 60-70 ° С, для антрацитів - 80 ° С, для сульфідних руд - 40-60 ° С.

Під впливом низьких температур також відбувається зміна внутрішньої будови порід і сил зв'язків між окремими частинками. Таким чином, тепловий вплив призводить до зміни властивостей порід в різних напрямках.

15. Характеристики розпушених гірських порід

Розпушуваність – властивість гірських порід у розпушеному стані займати більший об’єм ніж у масиві. Ця властивість характеризується коефіцієнтом розпушуваності, який показує, у скільки разів об’єм підірваної породи більший ніж початковий її об’єм у масиві. Розпушуваність породи залежить від її міцності, в’язкості, тріщинуватості та інших факторів. Практикою гірничорудних і геологорозвідувальних підприємств установлено, що, чим більша міцність гірських порід, тим вищий коефіцієнт розпушуваності R0.

Коефіцієнт розпушення

Відношення об’єму гірської породи у розпушеному (насипному) вигляді до її об’єму у масиві. Розрізняють К.р.г.п. у вільному насипанні, після відбивання у затисненому середовищі (в рудних блоках), після ущільнення (гравітаційного, вібраційного) та у рухомому потоці подрібненої маси.

Значення коефіцієнта розпушення для даного блоку гірської породи знаходять дослідним шляхом. Для цього за даними маркшейдерської зйомки блоку визначають об’єм блоку в масиві (до вибуху) і об’єм висаджених порід блоку (після вибуху) і, розділивши друге на перше, одержують шукане значення коефіцієнта.

Коеф. розпушення деяких порід:

пісок 1,05–1,2,; вугілля буре 1,02–1,4,; скельні породи 1,4–2,5.

Гранулометри́чний склад — кількісний розподіл зерен (грудок, шматків) за класами крупності. Визначається для гірських порід, корисних копалин, ґрунтів інших матеріалів.

У геології, гірн. справі, збагаченні корисних копалин, ґрунтознавстві, технології буд. матеріалів і інш. галузях техніки застосовують різні класифікації і шкали класів (фракцій) крупності. Класи звичайно позначають в мм.

21. Оцінюючі критерії мыцності

Розрізняють міцність гірських порід:

· теоретичну — обчислену на основі обліку сил міжатомного зчеплення (вона відповідає приблизно 1/6 модуля поздовжньої пружності);

· статичну — властивість гірських порід сприймати короткочасні навантаження, прикладені з постійною швидкістю;

· динамічну — властивість гірських порід сприймати, не руйнуючись, динамічне навантаження;

· тривалу — міцність гірських порід, що знаходиться тривалий час під навантаженням; зменшення міцності породи в результаті збільшення тривалості дії навантаження характеризується коефіцієнтом розслаблення, що дорівнює відношенню миттєвої межі міцності на стиснення до певного значення тривалої міцності гірських порід (для глини цей коеф. дорівнює 1,5, для пісковика — 1,8, бетону — 1,7);

· залишкову — рівень несучої здатності зруйнованої гірської породи, що дорівнює мінім. напруженням при даній величині деформації, які порода витримує без подальшого деформування і руйнування;

· електричну — визначається значеннями напруги пробою;

· контактну міцність гірських порід — властивість приповерхневого шару гірських порід протистояти руйнуванню при місцевих контактних діяннях. Остання використовується як критерій руйнівної здатності порід різцями та шарошковим інструментом.

Показниками, що характеризують міцність гірських порід для різних випадків, є:

· границі міцності порід на стиснення σ_ст,

· розтягнення σ_р,

· зсув θ_зс,

· вигин θ_виг, а також

· текучості σ_т,

· повзучості σ_п та ін.

22 паспорт міцності

Совокупность показателей механической прочности породы, рассматриваемых в качестве критерия гюведения ее под воздействием мех. Нагрузок. Обычно паспорт представляют в виде кривой,которая является геометрическим местом точек, отображающих предельное значение касательных и нормальных растягивающих напряжений для различных напряженных состояний.

Модуль 2.

ВИКОРИСТАННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГІРСЬКИХ ПОРІД

1. АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА горных пород — определяют характер распространения упругих волн в горных породах.

Акустические свойства изучают для определения упругих, прочностных и вязкопластических характеристик пород при исследовании геологического строения, оценке напряжённого состояния и трещиноватости массива, эффективности ударного или взрывного воздействия на горные породы, при выборе звукоизолирующих материалов из природного камня. Необратимые потери энергии при распространении упругих волн связаны с акустическим поглощением горных пород, обусловленным в основном внутренним трением и теплопроводностью. В различных частотных диапазонах вклад этих механизмов в общее поглощение не одинаков, т.к. их параметры зависят от частоты волны. Акустическое поглощение — одна из причин дисперсии скоростей упругих волн и искажения импульсных сигналов, распространяющихся в горных породах Степень затухания колебаний оценивают с помощью коэффициента потерь g или добротности Q. Изменение амплитуды волны при распространении в горных породах определяет коэффициент затухания а [м^-1] — величина, обратная расстоянию, при котором амплитуда волны уменьшается в 2,718 раз.

К основным показателям акустических свойств относится также скорость распространения упругих (продольных, поперечных и поверхностных) волн. Скорость распространения продольных волн примерно в 1,7-1,9 раза больше, чем поперечных, и в 2 раза больше, чем поверхностных.

2. закономірності розповсюдження пружних хвиль

Основними чинниками що визначають пружні властивості гірських порід є їх мінеральний склад, склад порового наповнювача, текстурно-структурні особливості, агрегатний стан речовини. При ізохімічних перетвореннях в метаморфічних породах спостерігається зростання пружних характеристик порід при переході від нижчих стадій метаморфізму до вищих.Ріст швидкості пружних хвиль обумовлений утворенням під дією високого тиску та температури більш щільних і пружних мінеральних асоціацій. Водночас, процеси вторинних змін призводять, переважно, до формування структурно-рихлих.Анізотропія пружних властивостей, яка виявляється в залежності швидкості пружних хвиль від напрямку поширення хвилі, відзначається в більшості кристалічних порід. Вона обумовлена закономірним розташуванням порового простору, мінеральних зерен і будовою кристалічної гратки мінералів.

Коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением (сжимающим или растягивающим) и соответствующей ему относительной продольной деформацией и называется модулем упругости (модулем Юнга)

Коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и соответствующей деформацией сдвига носит название модуля сдвига G:

Модуль упругости Е и модуль сдвига G считаются основными упругими характеристиками породы

4. Використання акустичних властивостей гірських порід для рішення задач гірничого виробництва

Акустичні властивості гірської породи — властивості, що характеризують проходження через породу пружних коливань: інфразвукових, звукових та ультразвукових хвиль.

Акустичні властивості гірської породи використовують в гірничому виробництві при сейсморозвідці, акустичному каротажі, а також при контролі стану очисних і підготовчих вибоїв, прогнозуванні динамічних явищ у масивах гірських порід.

Акустичного каротажу - метод геофізичних досліджень в свердловинах, заснований на вивченні акустичних властивостей (швидкостей поширення і загасання пружних хвиль) гірських порід, пересічених свердловиною.

Використовується при пошуках і розвідці родовищ, контролі технічного стану свердловин, інтерпретації даних сейсмічної розвідки, а також при вирішенні інженерних геологічних завдань. При акустичному каротажі використовують звуковий (0,5-15 кГц) та ультразвукової (20-50 кГц, 0,3-2,0 МГц) діапазони частот. Акустичний каротаж проводять за допомогою глибинного датчика, пов'язаного каротажних кабелем з наземними вимірювальними і реєструючими приладами. Основні елементи глибинного приладу - випромінювачі і приймачі пружних хвиль, а також акустичні ізолятори, запобігають розповсюдженню пружних хвиль по корпусу глибинного приладу.

При проведенні акустичного каротажу електричні імпульси надходять з блоку синхронізації і управління в випромінювачі, де перетворюються в імпульси пружних коливань тривалістю 5-10 мс; переважаюча енергія цих імпульсів зосереджена в смузі частот 10-15 кГц. Вимірюють часи пробігу основних типів хвиль і коефіцієнт загасання. За результатами вимірювань будують геоакустических моделі розрізів свердловин для інтерпретації даних сейсморозвідки, проводять оцінку пористості продуктивних пластів, визначають пружні модулі гірських порід (модулі Юнга, зсуву, об'ємного розширення), виявляють зони підвищеної тріщинуватості і кавернозному.

Акустичні властивості гірських порід використовують для визначення зон, небезпечних за раптовими викидами вугілля та газу, стійкості ціликів, кордонів між вугільним пластом і вміщають породами, тріщинуватості і порушеності масиву.

5. Теплові властивості гірських порід

Тепловые свойства горных пород имеют важное значение при решении групп задач в нефтепромысловом деле:

1. при использовании геотермических методов решения геологических и тектонических задач (расчленение геологического разреза по тепловым свойствам горных пород; определение дебитов газа, поступающего в скважину; изучение тектонического состояния скважины, обсадной колоны и выявление затрубной циркуляции вод);

2. при разработке и реализации различных методов теплового воздействия на пласт (введение горячей воды или других теплоносителей, с целью увеличения притока нефти, прогрев забоев и стволов скважин для удаления парафина и др.)

Теплопровідність - це властивість середовища передавати кінетичну теплову енергію його молекул, що передусім залежить від різновиду породи (мінерального складу, структури), поруватості і тріщинуватості, типу рідини, що заповнює пори і порожнини і ступеня їхньої наповненості, температури (особливо від’ємної)

Основные тепловые свойства горных пород включают следующие параметры:

1. с – удельную массовую теплоемкость пород (количества тепла Q, необходимого для единицы массы породы на 1 градус:

где M – масса образца, кг.

2. l - коэффициент теплопроводности, определяемый из закона Фурье распространения тепла в твердом теле:

где q – плотность теплового потока [Вт/м²], grad T – и

3. а – коэффициент температуропроводности пород:

где r - плотность пород ; С – объемная теплоемкость пород ;

4. коэффициент теплового расширения пород:

А. a - коэффициент линейного теплового расширения:

где dL – удлинение породы при ее нагревании на dT градусов; L – начальная длина образца.

Б. g_Т – коэффициент объемного теплового расширения породы:

где dV – увеличение породы при ее нагревании на dT градусов; V – первоначальный объем породы.

Стационарное и нестационарное распределение температуры t в горных породах подчиняется дифференциальному уравнению теплопроводности (при отсутствии конвенции):

где t – температура пород; t – время; а – коэффициент температуропроводности пород; Q_ВН – мощность внутренних источников тепла (количество тепла, выделяемое в единице объема за единицу времени); с – удельная теплоемкость породы; r - плотность породы.

Пределы изменения основных свойств различных осадочных горных пород и флюидов, заполняющих поры (нефти, воды, воздуха) видны из таблицы 1.

Таблица 1.

Удельная теплоемкость минералов и пород изменяется от 0,4 до 2 кДж/(кг*К). Обычно она выше удельной теплоемкости металлов. Теплоемкость пород зависит от их минерального состава и температуры(дисперсного состава минералов). Наибольшая теплоемкость у воды – 4,15 Дж /(кг*К) поэтому с увеличением влажности теплоемкость горных пород возрастает.

Так как удельная теплоемкость горной породы зависит только от минерального состава, то она (с) может быть рассчитана по формуле

где m_i- массовая доля минерала удельной теплоемкостью С_i

Коэффициент теплопроводности горных пород [l~7¸12 Вт/(м*к)]

Повышенную по сравнению с другими нерудными минералами теплопроводность имеют также гидрохимические осадки – каменная соль, сильвин, ангидрит, пониженную – каменный уголь, асбест и др. породы.

Теплопроводность обладает анизотропией (l вдоль слоистость на 10-50%, больше чем теплопроводность поперек слоистости).

Теплопроводность пористых горных пород является сложной функций составляющий фаз – твердой, жидкой, газообразной.

Эффективная теплопроводность коллекторов, заполненных нефтью и водой значительно повышается за счет конвективного переноса тепла флюидом.

Однако, если размеры пор малы, то конвекцией можно пренебречь. Например, в коллекторе с радиусом пор 3 мм доля конвективного потока составляет 0,13% общего теплого потока.

В этом случае наличие флюида с низкой теплопроводностью [воздух - l=0,023 Вт/(м*К),нефть - l~ 0,139 Вт/(м*К)] понижает теплопроводность пористой породы.

Теплопроводность сухой пористой породы всегда ниже, чем водонасыщенной (т.к. l_вода=0,023 Вт/(м*К) а l_вода=0,582 Вт/(м*К)].

Пределы изменения коэффициента температуропроводности пород – порядка 10^-6-10^-7 м/с.

Температуропроводность пород снижается с увеличением их пористости и, как и теплопроводность, обладает анизотропией.

Коэффициент линейного теплого расширения пород a лежит в пределах a~10^-6-10^-5

К^-1 (рис).

Теплопровідність - це властивість середовища передавати кінетичну теплову енергію його молекул, що передусім залежить від різновиду породи (мінерального складу, структури), поруватості і тріщинуватості, типу рідини, що заповнює пори і порожнини і ступеня їхньої наповненості, температури (особливо від’ємної)

6. Основні показники ГП

7. Джерела тепла Землі та їх вплив на технологічні процеси

8. Термічні напруження та їх використання в гірничій справі

Напруги в породах можуть виникати під впливом не тільки зовнішніх сил, але і різних фізичних полів. Напруги бувають термічні, усадочні, обумовлені нерівномірним охолодженням обсягу, залишкові, що виникають в результаті нерівномірного розподілу напружень через місцеву текучості матеріалу, та ін

Термічні напруги в гірських породах виникають за рахунок неоднорідного нагріву або відмінності в значеннях коефіцієнта теплового розширення і пружних властивостей складають породу мінералів і агрегатів.

В загальному випадку температура промивальної рідини, що заповнює свердловину, відрізняється від температури гірських порід, розкритих нею. Охолодження чи нагрівання стінок свердловини спричиняють виникненню термічних напружень в гірських породах.

Рівняння для розрахунку термопружних напружень для випадку мають такий вигляд:

(8.4)

(8.5)

(8.6)

де a – коефіцієнт теплового лінійного розширення;

Е – модуль Юнга;

m – коефіцієнт Пуассона;

Т_С – температура на стінці свердловини;

Т₀ – температура породи до розкриття її свердловиною;

r_c − радіус свердловини;

r_c – радіус теплового впливу свердловини, який визначається так:

(8.7)

де a – коефіцієнт температуропроводності;

t – час з початку нагрівання чи охолодження.

Байдюк Б.В. та Яремійчук Р.С. вказують, що при перепаді температури більш ніж 10°С термічні напруження мають той же порядок, що і напруження, зумовлені різницею між боковим тиском і гідростатичним тиском у свердловині. При охолодженні величина усіх компонентів напружень зменшується, змінюється і співвідношення між компонентами.

У зв'язку з тим, що термічні напруги залежать від модуля лінійної (або об'ємної) деформації і лінійного (або об'ємного) коефіцієнта теплового розширення, їх залежність від внутрішніх чинників обумовлена ​​залежність модулів пружності від цих чинників. Наприклад, зі збільшенням пористості порід термічні напруги зменшуються. Якщо весь зразок породи нагріти рівномірно, то в ньому можливі внутрішні, межзеренное термонапруженого, зумовлені відмінністю в пружних властивостях і коефіцієнтах теплового розширення окремих мінеральних зерен.

9. Електромагнітні властивості гірських порід

К электромагнитным свойствам горных пород относятся удельное электрическое сопротивление ρ, электрохимическая активность α, поляризуемость η, диэлектрическая ε и магнитная μ проницаемости, а также пьезоэлектрические модули d.

Удельное электрическое сопротивление. Удельное электрическое сопро­тив­ление (УЭС), измеряемое в омметрах (Ом*м), характеризует способность пород оказывать электрическое сопротивление прохождению тока и является наиболее универсальным электромагнитным свойством. Оно меняется в горных породах и рудах в очень широких пределах: от 10^-3до 10¹⁵Ом*м.

УЄС минералов зависит от их вну­три­кристаллических связей. Рудные минералы (самородные, некоторые окислы) отличаются электронной проводимостью и очень хорошо проводят ток (ρ< 1 Ом*м). Первые две груп­пы минералов составляют "жесткий" скелет большинства горных пород. Гли­ни­с­тые минералы создают "пластичный" скелет, способный адсорбировать связанную воду, а породы с "жесткими" минералами могут насыщаться лишь растворами и свободной водой, т.е. той, которая может быть выкачана из породы.

Электрохимическая активность. Под электрохимической активностью понимается свойство пород создавать естественные постоянные электричес­кие поля. За электрохимическую активность (α) условно принимается коэффициент пропорциональности между потенциалом (U) или напряжен­ностью естественного электрического поля (E = ΔU/MN, где ΔU - разность потенциалов в двух точках измерения М и N) и основными потенциал-обра­зующими факторами, которыми они обусловлены. Такими факторами явля­ются:

1. концентрация кислорода, который выражается в показателеEh;

2. водородный показатель кислотности подземных вод (pH);

3. отношение концентрации подземных вод, давления и др.

Коэффициент α измеряется в милливольтах и меняется от -(10-15) мВ у чистых песков, близко к нулю у скальных пород, возрастает до +(20-40 мВ) у глин и до сотен милливольт для руд с электронопроводящими минералами (сульфиды, графит, антрацит).

Потенциал естественной активности горных пород является составной величиной от трех компонент:

1. окислительно-восстановительный потенциал (пример – окисление подзем­ными водами сульфидных руд), величина этого потенциала достигает единиц вольт;

2. диффузионно-адсорбционный потенциал, обусловленный разностью кон­цен­трацией на границе раздела сред (пример – проникновение фильтрата бурового раствора в горные породы – метод ПС в скважинах), десятки милливольт;

3. фильтрационный потенциал – при движении жидкости с ионной проводи­мостью возникает электрический ток, который на поверхности создает поля порядка до десяти милливольт.

Поляризуемость горных пород. Способность пород поляризоваться, т.е. накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после отклю­чения этого тока оценивается коэффициентом поляризуемости η. Величина η = ΔUвп*100%/ΔU (проценты отношения напряжения, которое остается в измерительной линии МN по истечении определенного времени (обычно 0,5-1 с) после размывания токовой цепи (ΔUвп) к напряжению в той же линии при пропускании тока (ΔU).

Поляризация - это сложный электрохимический процесс, протекающий при пропускании через породу постоянного или низкочастотного перемен­но­го (до 10 Гц) тока. Наибольшей поляризуемостью (η = 10 – 40 %) отличаются руды с электронной проводимостью (сульфиды, некоторые самородные мета­л­лы, отдельные окислы, графит, антрацит). Природа этих потенциалов ВП связана с так называемой концентрационной и электродной поляризацией рудных минералов. Коэффициенты поляризуемости до 2-6% наблюдаются над обводненными рыхлыми осадочными породами, в которых имеются глинистые частицы. Поляризуемость их обусловлена деформациями внешних обкладок двойных электрических слоев, возникающих на контакте твердой и жидкой фазы. Большинство изверженных, метаморфических и осадочных пород, насыщенных минеральной водой, слабо поляризуются (η <2%).

Диэлектрическая и магнитная проницаемости. Диэлектрическая (ε) и магнитная (μ) проницаемости играют значительную роль лишь при электро­разведке на высоких частотах. Величина ε меняется от нескольких единиц (у сухих осадочных пород) до 80 (у воды) и зависит, в основном, от процент­но­го содержания воды и от минералогического состава породы. У изверженных пород ε меняется от 5 до 12 единиц, у осадочных - от 2-3 (у сухой) до 16-40 (у полностью насыщенной водой породы).

Магнитная проницаемость громадного большинства пород равна магнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость может возрастать до 10 единиц

. Пьезоэлектрические модули. Пьезоэлектрическими модулями определяется свойство минералов и горных пород создавать электрическую поляризацию, т.е. определенную ориентацию зарядов, при механическом воздействии на них. Пьезоэлектрическими свойствами обладают лишь кристаллы, лишенные центра симметрии. У таких кристаллов при механической деформации происходит взаимное смещение центров электрических диполей и на соответствующих гранях кристаллов появляются электрические заряды. Интенсивность и знак зарядов q зависят от вида деформации (растяжение — сжатие или сдвиг), величины и направления действующей механической силы F и пьезоэлектрического модуля кристалла d, соответствующего данному виду деформации и направлению поляризации.

10.Поляризація гірських порід. Види поляризації

Поляризаціягірських –зміщенняцентрівпозитивнихінегативнихвнутрішніхзв’язаних зарядів у кристалах принакладаннінапородуел. поля. Наповерхніпородиприцьомуз’являютьсязаряди, якістворюютьел.поле, направленепротилежнозовнішньомупо-лю. П.г.п. відбуваєтьсязарахунокзміщенняабоповоротузв’язанихзарядів, уроліякихможутьвиступатиякатоми, такійоникристалічноїґраткизгомео-ігетерополярнимзв’язком, атакожсуцільніоб’ємипорід, яківиявляютьсявособливихструктурнихумовах.

Залежновідмеханізмуполяризаціїічастинок, виділяють 5 видівполяризації:

1. Електронна. Рэ., виникаєпридіїзовнішньогополяватомахврезультатізсувуелектроннихорбітвідноснопозитивнозарядженихядер.

2. Іоннаполяризація. Р_и., утворюєтьсязарахунокзсувувелектричномуполііонівабочастинокелектричнихгратзковалентнимзв'язком. Прицьомупіддієюнапругизсовуютьсявженеелектрони, апозитивніінегативнііони.

3. Дипольнаполяризація. Р_dСпостерігаєтьсязанаявностівпородахполярнихзв'язківіонів; вцьомувипадку, кожнамолекуламаєдеякийдипольниймомент, незалежнийвіднапруженостізовнішньогополя. Якщотакупородувнестивзовнішнєелектричнеполе, тодиполіорієнтуватимутьсяпосиловихлініяхзовнішньогополя, іприцьомуполяризуватиметьсявесьоб'ємпороди.

4. Макроструктурна (об'ємна). Рм. Поляризаціявиникаєвбагатофазнійсистемі, щоскладаєтьсязкристалів, щоволодіютьрізнимиелектричнимивластивостями, іпустокзаповненихрідиноюіповітрям.

Привнесенніпородивелектричнеполевільніелектрониііони, щомістятьсяпровіднихінапівпровіднихвключеннях, починаютьпереміщатисявмежахкожноговключення. Врезультатікожневключенняпридбаваєдипольниймоментіповодитьсяподібновеликіймолекулі.

5. Вгірськихпородахмаємісцетакожповільна електрохімічнаполяризація. Рэх. причиною, якоює:

1. окислювально-відновніпроцеси;

2. процеси, характерніпоявоювмісцяхвиходуівходуструмупродуктівелектролізу, газівіін.

11 Особливіелектричніявища в гірських породах.

Як відомо, існує 32 кристалографічнихкласимінералів.

З них 11 мають центр симетрії. Цімінерали не володіютьніякимиособливимиелектричнимивластивостями і підкоряютьсярозглянутимзакономірностям. Ним, як і всім твердим тілам, властиваелектрострикція. Мінералирештикристалографічнихкласівацентричны – для них характернийп'єзоелектричнийефект.

Явищеп'єзоелектрикиполягає в поляризаціїкристаладодатком до ньогомеханічнихнапруження. Так, навантажившимонокристал кварцу, одержуютьрізнойменні заряди на йогопротиставленихплощинах. Цейефект, на відмінувіделектрострикції, обернемо: додаток до кварцу електричного поля викликаєдеформаціюкристала (значнобільшу, ніж при електрострикції).

Десять кристалографічнихкласів з числа п’езоелектриківмаютьособливіосі, в позитивному і негативноїнапрямах, якихвластивостікристаліврізні. Цікристалимимовільнополяризовані. Величина їхполяризаціїзалежитьвідтемператури. Вониназиваютьсяполіелектриками.

При нагріваннікристалаполіелектрика один йогокінецьзаряджає позитивно, а інший – негативно.

У частинокпіроелектриковнапряммимовільноїполяризаціїможназмінитизовнішнімелектричним полем. Цягрупамінералів носить назву сегнетоэлектриков. Сегнетоелектрічеськієвластивостіможутьпроявлятимінераликубічної, тетрагона, ромбічної і моноклінноюсингонії.

Практично всімінерали – діелектрики і слабінапівпровідникиздатніполяризуватися при терті. Цеявищеназиваєтьсятрибоелектричностю.

Існуєзагальназакономірність, згідноякоїпритертідвохдіелектриків один об одного позитивний заряд придбає той діелектрик, у якогодіелектричнапроникністьбільше.

12 природні електричні поля в гірських породах

Природніелектричні поля (ПП), щоспостерігаються на поверхніЗемлі над руднимипокладами, над товщамирізного складу і у свердловинах, породжуютьсяелектрохімічнимипроцесами, щопротікають у гірських породах. Розрізняютьдвігрупипроцесів: яківідбуваються на контактіелектроннихпровідників з іоннимсередовищем, і, такі, щоутворюються в іонномусередовищівнаслідокдифузійних, фільтраційних і іншихявищ. Перші одержали умовнуназву "рудних ПП", другі – "без рудних ПП".

Електронно-іонніелектричні поля утворюються в присутностіелектроннихпровідників (сульфідних, магнетитових і інших руд; графітистих, піритизованих і піритизованихтовщ; шарівантрацитів і шунгітів) при змініхімічного складу чиконцентрації солей у пластових і поровихводянихрозчинах. Безпосередньою причиною утворенняелектронно-іонних ПП є розходження в стрибкупотенціалу на різнихділянкахграниціелектронногопровідника з іоннимсередовищем. Величина DU_еП залежитьвідвластивостейдотичнихсередовищ і відзовнішніхфізичних умов. Величина потенціалу природного електричного поля значноюміроюзалежитьвіделектронноїпровідностіруднихтіл (товщізвкрапленимелектроннимимінералами).

13. Магнітні властивості гірських порід

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА горных пород — совокупность свойств, характеризующих способность минералов и горных пород намагничиваться во внешнем магнитном поле. Минералы подразделяются на диамагнетики (например, кварц, кальцит, полевые шпаты, самородное серебро и золото, флюорит и др.), парамагнетики (железосодержащие силикаты, хлорит, слюды и др.), антиферромагнетики (гематит, гётит и др.), ферромагнетики (самородное железо, никель и др.) и ферримагнетики (магнетит,титаномагнетит, магномагнетит, хромит и др.). К слабомагнитным относятся диа- и парамагнитные минералы, к сильномагнитным — ферромагнитные и ферримагнитные минералы.

Термин "ферромагнитные" (вещества, минералы) нередко употребляют для обозначения ферро- и ферримагнитных материалов. Кривая намагничивания для ферро- и ферримагнетиков приведена на рис. Полный цикл намагничивания (при намагничивании образца до насыщения I_s) характеризуется максимальной петлей магнитного гистерезиса. Если ферромагнетик не намагничивается до насыщения, получаем частный цикл гистерезиса (петля IRS).

К основным характеристикам магнитных свойств относятся магнитная восприимчивость (k), намагниченность (I_s), точки Кюри (T_c) и Нееля (TN) и коэрцитивная сила (H_c).
Магнитные свойства горных пород определяются содержанием в них главным образом ферромагнитных минералов, зависят также от их состава, кристаллической структуры, текстурно-структурных особенностей и характера распределения. В связи с этим различают свойства структурно-нечувствительные к текстурно- структурным особенностям горных пород (но не к кристаллической структуре минералов): намагниченность насыщения, точка Кюри; и структурно-чувствительные, которые, кроме того, зависят от размера и структуры ферромагнитных минералов: магнитная восприимчивость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: