Физика горных пород конспект

Работа добавлена:






Физика горных пород конспект на http://mirrorref.ru

ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра строительной геотехнологии и горных сооружений

В. А. Касьянов

Kонспект лекций по дисциплине

«Физика горных пород»

(основные понятия и термины

для студентов горных специальностей 6.0900300)

Алчевск - 2007

УДК 622.02(075.8)

Касьянов В.А. Kонспект лекций по дисциплине «Физика горных пород»(основные понятия и термины для студентов горных специальностей)

СОДЕРЖАНИЕ

Модуль 1 (ЗМ1л). Основные понятия о физических

свойствах горных пород4

Тема 1. Роль физики горных пород в развитии

технологий горного производства4

Тема 2. Горные породы6

Тема3. Классификация физических свойств горных

пород10

Модуль 2 (ЗМ2л). Механические свойства горных

пород13

Тема 4. Деформационные параметры горных пород13

Тема 5. Пластические и реологические25

Тема 6. Прочность горных пород25

Модуль 3 (ЗМ 3л). Горно-технологические пара-

метры горных пород30

Тема 7. Горно-технологические параметры горных по-

род30

Тема 8. Гидравлические свойства горных пород30

Тема 9. Тепловые свойства горных пород32

Модуль 4 (ЗМ 4л). Волновые и радиационные свой-

ства горных пород35

Тема 10. Акустические свойства горных пород35

Тема 11. Электромагнитные свойства горных пород37

Тема 12. Радиационные свойства горных пород43

Модуль 1 (ЗМ1л)

Основные понятия о физических свойствах горных пород

Тема 1. Роль физики горных пород в развитии технологий горного производства

Физика горных пород— это учение о физических, технологических свойст- вах, и физических процессах в горных породах.

Основные задачи, которые ставит и решает физика горных пород сводится к следующему:

  • Определение физико-технических параметров свойств горных пород, необходимых для расчета различных конструкций и режимов работы оборудования используемых в горной промышленности.
  • Исследование принципиально новых физических методов воздействия на горные породы, выявление их области применения, эффективности и создание, на этой основе, новых технологий горного производства.
  • Разработка новых методов контроля, прогноза и управления свойствами и состоянием массива горных пород.

(АРПУ, крепь "Монолит", контроль трещиноватости электроемкостным методом – разработки кафедры СГ и ГС).

Пример разработки новых технологий горного производства.

1 - датчик с ЭП; 2 - досылочное устройство; 3 - кабель; 4 - блок измерения; 5 - горная выработка; 6 - измерительные шпуры.

Тема 2. Горные породы

Подминераломпонимают любое химическое соединение, образованное ес- тественным путем и входящее в состав земной коры.

Горная порода- это агрегаты минералов более или менее постоянного со- става, образующие самостоятельные геологические тела.

Рыхлые породы- это механическая смесь различного минералогического состава, не связанного между собой (песок, гравий, галечник).

Связные(глинистые) породы с водно-коллоидными связями частичек меж- ду собой, К этой группе относятся продукты химического выветривания - гли- ны, бокситы, суглинки. При насыщении водой эти породы становятся высоко- пластичными.

Твердые(скальные) горные породы с жесткой упругой связью между час- тицами минералов (песчаники, граниты).

Структура- это размеры, форма и взаимное расположение минералов в по- роде. Структуры бывают:

  • кристаллическая (крупно-, средне-, мелкозернистая, афанитовая);
  • скрытокристаллическая;
  • стекловатая;
  • порфировая;
  • обломочная.

Текстура- это взаимное расположение и ориентировка более крупных со- ставных частей породы (минеральных агрегатов или структурно-однотипных частиц горной породы).

Текстуры бывают:

·Массивная- частицы горной породы плотно прилегают друг к дру- гу, не ориентированы,

·Пористая- частицы горной породы неплотно прилегают друг к другу, образуя множество пустот.

·Слоистая- частицы породы чередуются, образуя слои и напласто- вания.

По происхождению горные породы делятся на три большие группы:

Магматические породы- образуются путем застывания магмы. Эти поро- ды являются первичными (гранит, дунит, базальт, диорит, габбро, сиенит).

По содержанию кремнезема SiO2магматические породы условно подразде- ляются на:

  • кислые (SiO2> 65%) - гранит, липарит, кварцевый порфир;

  • средние (SiO2= 65% ... 52%) - диорит, андезит, сиенит, тра- хит;
  • основные (SiO2= 52% ... 40%) - габбро, базальт;
  • ультраосновные (SiO2< 40%) - перидотит, пироксенит, дунит.

Осадочные породы- возникают путем отложения (механического, химиче- ского, органического) из воды или воздуха, продуктов разрушения магматиче- ских и метаморфических пород. К осадочным породам относятся известняки, песчаники, ископаемые угли и т.д.

Метаморфические породы- возникли за счет глубинного преобразования осадочных пород под воздействием высоких давлений, температур и горячих газо-водных растворов, это - кварцит гнейсы, мрамор, сланцы.

Плотность породыэто масса единицы объема абсолютно сухой породы без учета пор и трещин. Плотность породы можно определить по формуле:

m

r0=,

V

гдеρ0- плотность породы, кг/м3;

m- масса породы, кг;

V- объем породы, м3.

Объемная массагорной породы это масса единицы объема породы с учетом пор, трещин и их заполнителей. Ее можно рассчитать по формуле:

r=m

VТ+VЖ

,

+VГ

гдеρ

  • объемная маса породы, кг/м3;

VТ- объем твердой фазы в единице объема породы, м3;

VЖ- объем жидкости в единице объема породы, м3

VГ- объем газа в единице объема породы, м3.

Объемная масса зависит от минерального состава, строения породы и заполнителя порового пространства.

Плотность породы всегда больше ее объемной массы.

Объемную массу используют в расчетах:

  • запасов полезного ископаемого (в геологоразведке);

  • горного давления;
  • производительности горных предприятий и оборудования;
  • расхода взрывчатых веществ при буровзрывных работах;
  • при выборе крепи, транспортных средств;
  • при обогащении полезного ископаемого и других процессах горного производства.

В  практике  горного  дела  часто  пользуются  показателями  удельного  и объемного весов.

Удельным весомназываетсявесединицы объема абсолютно сухой породы без учета пор и трещин.

Пористостьэто совокупность всех пустот в горных породах, заключенных между минеральными частицами или их агрегатами в единице объема породы.

Объем закрытых пустот называютзакрытойили изолированной пористо- стью.

Общая пористостьопределяется суммой закрытых и открытых пор.

Фотографии угля пласта  m3ш.им. Румянцева (район внезапного выброса) и пласта gн2ш."Коммунист".

Фотографии сделаны электронным микроскопом в ДонГТУ 1975

г. (увеличение 25000х).

Трещинойназывают разрыв сплошности среды, величина которого на порядок и более превосходит межатомные расстояния кристалличе- ской решетки.

Трещиноватость- это совокупность трещин, имеющихся в породном мас- сиве.

Фотографии трещин в образцах угля сделанные оптическим микро- скопом с увеличением 300х.

Фотографии трещин (раскрытие 0,5 и 1,0 мм) в массиве гор- ных пород сделанные видеокамерой для интроскопии структуры горных пород окружающих скважину.

Объем разрыхленной породы всегда больше ее объема в не разрушенном состоянии. Отношение этих объемов называетсякоэффициентом разрыхле- ния пород:

V

Kp

p=V

лее.

Он зависит от многих факторов и меняется в пределах от 1,05 до 2,0 и бо-

Тема3. Классификация физических свойств горных пород

Под тем или инымфизическим свойствомгорной породы понимается ее специфическое поведение при воздействии каких-либо физических полей.

Физическое свойство характеризуется некоторым количественным показа- телем, определяющим это воздействие -параметром.

Горное производство и горная наука используют совокупность свойств гор- ных пород, относящихся к механике, термодинамике, электродинамике горных пород и технологические свойства.

Кмеханическим свойствам горных породотносятся все свойства, кото- рые проявляются при статическом и динамическом воздействии твердых тел на породу. В зависимости от величины и длительности воздействия могут про- явиться:

  • прочностные;
  • упругие;
  • реологические свойства горных пород.

Механические свойствагорных пород характеризуются следующими па- раметрами.

Предел прочности горных пород на сжатиеsсж.

Он характеризуется максимальным значением напряжения, выдерживаемо- го породой. Другие показатели прочности намного ниже этой величины, а ми- нимальное значение имеет предел прочности на растяжениеsр.

Частые знакопеременные нагрузки на горную породу вызывают появление в ней упругих колебаний. К основным упругим характеристикам породы отно- сятся:

  • модуль упругости - E, Па;
  • коэффициент Пуассона -n;
  • модуль сдвига G, Па.

Тепловые свойствагорных пород характеризуются такими параметрами:

  • удельная теплопроводность -l, Вт/м К;
  • удельная теплоемкость- с, Дж/кг К
  • коэффициент  линейного  теплового  расширения  -b,  1/К (град.-1).

Первые два определяют процесс распространения и накопления тепла в по- родах, третий - изменение размеров нагреваемых пород.

К основным параметрам, характеризующимэлектромагнитные свойства

горных пород относятся:

  • удельное электрическое сопротивление -r, Ом м ;
  • относительная диэлектрическая проницаемость -e;
  • тангенс угла диэлектрических потерь - tgd;
  • относительная магнитная проницаемость -m.

Они определяют поведение породы в постоянных и переменных электриче- ских полях и характер распространения электромагнитной энергии в горных породах.

Ктехнологическим свойствамгорных пород относятся следующие пара- метры:

  • крепость;
  • твердость;
  • буримость;
  • взрываемость;
  • сопротивляемость резанию;
  • термостойкость
  • и др.

Таблица - Параметры основных физико-технических свойств горных пород

Свойства

Основные параметры

Обозна- чение

Единицы измерения

Определение

Пределы изменения

Плотностные

Объемная масса

ρ

кг/м3

Масса единицы объема сухой горной породы с естественной ненарушенной структурой (с порами, трещинами и т. д.)

1500-3000

Пористость

Р

%

Относительный объем всех пор, заключен- ных в единице объема породы

1,5-30

Механические

Предел прочно- сти при сжатии

σ

Па

Критическое значение одноосного сжимаю- щего напряжения, при котором происходит разрушение породы

107-3-108

Предел прочно- сти при растяже- нии

σ

Па

Критическое значение одноосного растяги- вающего напряжения,  при котором про- исходит разрушение породы

0-2·107

Модуль продоль- ной упругости (модуль Юнга)

Е

Па

Коэффициент пропорциональности между действующим нормальным напряжением и соответствующей ему продольной упругой деформацией

109-3·1011

Коэффициент Пуассона

ν

-

Коэффициент пропорциональности между упругими продольными и поперечными де- формациями при одноосной нормальной нагрузке

(отношение относительных поперечных деформаций к продольным)

0,1-0,45

Тепловые

Коэффициент теплопро- водности

λ

Вт/(м·К)

Количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу сечения в направле- нии, перпендикулярном к сечению при пере- паде температур, равном 1° К, на единицу

0,2-12

Удельная теплоемкость

с

Дж/(кг·К

)

Количество тепла, необходимое для повы- шения температуры 1 кг вещества на 1° К

(0,5-1,5) 103

Коэффициент линейного теп- лового расшире- ния

β

К-1

Относительное удлинение тела при нагреве его на 1° К

2·10-6-10-4

Электромаг- нитные

Удельное элек- трическое сопро- тивление

ρэ

Ом·М

Величина, обратная силе тока, проходящего через 1 м2площади образца при напряженно- сти электрического поля в образце, равной 1В/м

10-3-108

Относительная диэлектрическая проницаемость

ε

-

Коэффициент, показывающий, во сколько раз уменьшается напряженность электриче- ского поля при внесении в него породы

2-30

Относительная магнитная про- ницаемость

µ

-

Коэффициент, показывающий, во сколько раз магнитная индукция поля изменяется

при помещении в него образца по сравнению с полем в вакууме

0,9998-6,5

Модуль 2 (ЗМ2л)

Механические свойства горных пород

Тема 4. Деформационные параметры горных пород

Напряжение

- это относительная величина равная по величине отношению

NF

AT

действующейсилыкплощадиобразца, на которой она действует.

F- сила действующая на образец горной породы.

N- нормальная составляющая силы F. Направлена перпен- дикулярно рассматриваемой площадке.

T- касательная составляющая силы F. Направлена вдоль рассматриваемой площадке.

A- площадь образца на которую действует сила F.

Нормальные напряжения равны:

o=N

A

Касательные напряжения равны:

t=T

A

Напряжения в системе СИ выражаются в паскалях (Па). 1 Па = 1 Н/м2

Напряжения, как и сила, величины векторные.

а)б)в)

а - одноосное напряженное состояние; б - плоское напряженное состояние;

в - объемное напряженное состояние.

Схема напряжений, отнесенная к произвольной системе коорди- нат X, Y, Z

Тензор напряжений

¡sx

¢

tyx

tzx¤

¥

[Ts]=

¢txy

oytzy¥.

¢

£xz

tyzz¥

Главные площадки напряжений:

Действующие на них напряжения называются главными напря- жениями:

txy

=tyx;txz

=tzx;tyz

=tzy.

Тензор напряжений в главных осях имеет вид:

¡sx00¤

¢¥

[Ts]= ¢0sy

0¥.

¢£0

0sz¥¦

123

Плоское напряженное состояние

s1

sn

3tns3

a

s1

t,Па

tn

a

s3sn

s1

s,Па

Взаимосвязь между нормальными и касательными напря- жениями для плоского напряженного состояния пород

В плоскости под угломaк главным осям будут действовать напряжения:

нормальные

sn=s1

Cos2

a+s3Sin2a

касательные

tn= 0,5 (s1-s3)

Sin 2a

Под действием внешних сил горная порода

испытывает изменениялиней-

ных размеров, объема или формы. Все эти изменения носят названиедефор- мации.

Деформация образца породы под действием нормальной (N) и касательной (T) сил

NT

g

LD

L-DL

D +DD

Линейные деформации

По направлению действующей силы называются продоль- ными, перпендикулярно ей - поперечными.

DL- изменение продольного размера образца (абсолютная продольная деформация).

DD- изменение поперечного размера образца (абсолютная поперечная деформация).

Относительные линейные деформации

eпр

= DL

L

eпоп

=DD

D

Деформация сдвига определяется по величинеtgg.

Гдеg- угол сдвига.

Так как уголgочень мал, то можно принятьtgg ~ g.

Эти деформации измеряются непосредственно в лабораторных опытах и на- зываютсяабсолютными деформациями. Измеряют их с помощью: линейки, микрометра, специальных измерителей деформаций и тензорезисторов.

Испытания образца породы на винтовом прессе

Гидравлический пресс для испытания образцов на прочность.

Деформации,

соответствующиенормальным напряжениям, выражаются

черезотносительное изменение линейных размеровобразца.

Деформации, соответствующиекасательным напряжениям, выражаются черезугол сдвига граней образца. Величина деформации сдвига определяется как.

Деформации, по действию, могут бытьразрушающиеинеразрушающие.

Разрушающие

части.

деформациивызывают разделение

породы  на  отдельные

Неразрушающие

– вызывают изменение размеров и формы образца поро-

ды без нарушения ее сплошности.

В случаеупругих деформацийнаблюдается прямая зависимость между на- пряжением и соответствующей деформацией

Максимальное напряжение, при котором еще не обнаруживаются ные деформации, называетсяпределом упругостиданной породы.

остаточ-

Коэффициент  пропорциональности  между  действующим

продольным на-

пряжением (растягивающим или сжимающим) и соответствующей ему относи- тельной деформацией называется модулем продольной упругости (модуль Юн- га):

s=E×e

Коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и со- ответствующей ему относительной деформацией сдвига носит название модуля сдвига:

t=G×g

На практике часто пользуются еще одним упругим показателем пород - ко- эффициентом Пуассона. В отличие от всех предыдущих, упругих параметров, он является коэффициентом пропорциональности только между деформациями

- относительными продольными и относительными поперечными:

DL= -n

L

  • DD

D

В случае идеально упругих тел достаточно знать лишь модуль Юнга и мо- дуль сдвига, так как другие параметры могут быть вычислены по определен- ным соотношениям теории упругости. Например, модуль сдвига:

G=E

2×(1+n)

В условиях равномерного упругого трехосного сжатия породы наблюдается прямая пропорциональная зависимость между действующим давлением и отно-

P=K

  • DV V

сительным изменением объема породы:

Соответствующий коэффициент пропорциональности (К) называется моду- лем объемного (всестороннего) сжатия. Он так же связан с модулем продоль- ной упругости и коэффициентом Пуассона зависимостью:

K=E

3(1-2×n)

Все модули имеют размерность Па (Н/м).

Обобщенная зависимость модуля Юнга пород от пористости может быть выражена формулой:

E=E0

×(1-a×P)2

ss

1

3

22

1ee

Области деформации породВиды пород

  1. упругая; 2 - пластическая;1 - упругие (кварциты); 3 - разрушающая;2 - пластичные (мрамор).

Зависимость упругих и пластических деформаций от действующих напряжений и времени

e, (деформации)e'

De

De

e

ee

De

s

sуs

s

A

s, (напряжения)B

C

De

e't,

(время)

Тема 5. Пластические и реологические

Пластичность- свойство горной породы в результате силового воздействия давать остаточные деформации без разрушения.

Глинистые породы могут быть хрупкими, пластичными и

текучими в

зависимости от влажности.Зависимость пластичности глинистых пород от влажности характеризуется их пределами пластичности.

Пределы пластичности- это значения влажности породы (в %), при кото- рых происходит переход породы из хрупкого состояния в пластическое и из пластического в текучее.

Впервом случае, т.е. значение влажности в %, при которых происходит переход породы из хрупкого состояния в пластическое называетсянижним пределом пластичности.

Значения влажности в %, при которых происходит переход из пластическо- го состояния в текучее называетсяверхним пределом пластичности.

Подреологическими параметрамипонимают параметры, характеризую- щие изменение всех механических характеристик породы при длительном воз- действии на нее нагрузок, в том числе ине превышающих предела упруго- сти.

Реология- наука о течении вещества, "рео" в переводе означает "теку".

Реологияустанавливает общие законы образования, и развития во времени деформаций любого вещества, т.е. оно может быть твердым, жидким и газооб- разным.

Ползучесть

  • это явление постепенного роста деформаций породы

во вре-

мени при постоянном напряжении.

Релаксацией напряжений- называется постепенное снижение напряжений в породе во времени при постоянной деформации.

Тело Гука

  • идеально упругое тело (пружина).

Тело Ньютона

  • идеально вязкое тело (поршень с отверстиями в цилиндре за- полненном вязкой жидкостью).

Тело Сен-Венана

  • абсолютно пластичное тело (модель сухого трения тяжелого те- ла, лежащего на горизонтальном основании и сдвигаемого внеш-

ними силами). Смещение возможно лишь при достижении внеш- ними силами определенной величины.

Модель МаксвеллаМодель Кольвина-Фойта

Опыт показывает, что при воздействии длительных напряжений происходит постепенное снижение прочности горных пород. Прочность соответствующая той или иной длительности воздействия нагрузки, называетсядлительной прочностью.

Предел длительной прочности - это максимальное напряжение, при ко- тором порода никогда не разрушается.

Тема 6. Прочность горных пород

За величину предела прочности породы принимают величину напряжений, при которых происходит ее разрушение.

Nc

  • c=

A0

Np

  • p=

A0

Nc, - величина разрушающей сжимающей силы при которой происходит разрушение породы, Н;

Np, - величина разрушающей растягивающей силы при которой происходит разрушение породы, Н;

A0- исходное поперечное сечение испытуемого образца, м2.

Теория нормальных напряжений, предложенная Галилеем

omax

=s0

Теория максимальных деформаций Сен-Венана.

emax

=e0

Теория максимальных касательных напряжений, созданная Кулоном.

tmax

=t0

Так как максимальные касательные напряжений при сложном напряженном состоянии равны:

tmax

=smax

  • smin

2

то условие разрушения по этой теории будет следующим:

omax

-smin

=2×t0

Максвеллпредложил теорию прочности, в основу которой по- ложил величину работы по изменению формы образца при его де- формировании без изменения объема- энергетическая теория прочности

(s

s=1

-s2)

+(s2

-s3)

2

+(s1

-s3)

гдеs1,s2,s3- напряжения по соответствующим осям коор- динат,

причемs1>s2>s3.

Теория хрупкого разрушения, разработанная А. Гриффит- сом, согласно которой решающее значение для начала разруше- ния имеют критические трещины в объеме твердого тела.

Концентрация напряжений на краях трещины:

а— при нагруженин перпендикулярно трещине; б — при нагружении параллельно ей

Согласнотеории Мора, разрушение наступает тогда, когда-либо касательные напряжения превысят величину, ограниченную огибаю- щей, либо нормальные растягивающие напряжения превысят опреде- ленный предел при касательных напряжениях равных нулю.

Паспорт прочности может быть представлен аналитически в виде параболы:

t=(sp

+s)×[2×sp

-2×

sp×(sp

+sc)

+sc]

Приняв за паспорт прочности параболу и зная пределы прочности пород на сжатие и растяжение можно вычислитьjи С, по формулам:

t, МПа

Порода разрушена

j

Порода

не разрушена

с

s,МПа

sрsс

B=sc

+1-1

op

j=2×[arctg

B+2

2

-45]

C=B×sp

Главным принципиальным отличием предлагаемой новой теории прочности разработанной заведующим кафедрой Строительной геотехно- логии и горных сооружений ДонГТУ проф. Литвинским Г.Г. является:

  1. оперирование при формулировке условий прочности вместо алгебраиче- ских-дифференциальными соотношениями;

  1. учет сухого и жидкостного нового параметра хрупкости α;

трения на площадках

разрушения введением

  1. отказ от понятия «угол внутреннего трения» как параметра свойств мате- риала;
  2. учет трещиноватости строения горных пород и массивов с помощью но- вого параметра сплошности ψ.

Модуль 3 (ЗМ 3л)

Горно-технологические параметры горных пород Тема 7. Горно-технологические параметры горных пород

Крепость горных пород— характеристика сопротивляемости пород их до- быванию — технологическому разрушению.

Твердость горных породопределяет сопротивляемость пород внедрению в них острого инструмента, т. е. разрушению при точечном (контактном) нагру- жении.

Технологический показательвязкости горных породпри разрушении про- порционален сопротивлению породы силам, стремящимся разъединить ее час- тицы. Он определяется пластическими свойствами породы, отношением преде- лов прочности при растяжении и сжатии, а также значением предела прочности породы при сдвиге.

Дробимостьвыражает энергоемкость процесса дробления породы прило- жением к ней динамической нагрузки и. Как показали исследования, этот пока- затель лучше коррелирует с динамическими методами разрушения пород, чем предел прочности при одноосном нагружении образцов под прессом.

Абразивностьхарактеризует способность пород изнашивать при трении инструмент.

Тема 8. Гидравлические свойства горных пород

В массиве горных пород практически всегда находятся поры и трещины.

Они могут быть заполнены жидкостями и газами (вода, нефть, метан и др.).

Наиболее часто в них присутствует вода. При этом выделяют следующие ее виды:

  1. Химически связанная вода.
  2. Физически связанная вода.
  3. Свободная вода.

  1. Химически связанная водавходит в состав кристаллической решетки минералов. Удаление этой воды приводит к разрушению минерала, превращая его в другое безводное соединение.

Если вода находится в виде молекул, в кристаллической решетку, то такая вода называетсякристаллизационной. Кристаллизационная вода, как правило, удаляется при температуре 200-600°С.

Вода образующаяся при нагреве из входящих в кристаллическую решетку гидроксильных ионов (OH-и H+)называетсяконституционной.

  1. Физически связанная водасоединена молекулярными силами сцепле- ния (притяжения) с твердыми частицами породы. Она обволакивает их пленкой воды.

3.Свободная водав породах может находиться в виде:

  1. капиллярной воды, удерживаемой в мелких порах силами капиллярного притяжения;
  2. гравитационной воды, заполняющей крупные поры и передвигающейся в породах под действием сил тяжести и напора.

Полной влагоемкостьюназывается максимальное количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое способна вместить в себя порода.

Водоотдача- способность породы отдавать воду под механическим воздей- ствием. Она представляет собой разность между полнойWnи молекулярнойWmвлагоемкостями.

Способность пород пропускать сквозь себя воду характеризуетсякоэффи- циентом проницаемости Кпр.Его можно определить из уравнения Дарси:

V=Knp

× DF×1

DLh

откуда

Knp

=Q×

S

DL×h

DF

гдеV=Q/S– скорость фильтрации;Q– расход воды через площадьSв еди- ницу времени;∆F– перепад давления на пути фильтрации;∆L– толщина фильтруемого слоя;η- вязкость жидкости (пуаз кг сек/м2).

Практической единицей измерения проницаемости являетсядарси- это ве- личина проницаемости, присущая образцу породы площадью 1см2, длиной I см,

через который, при перепаде давления в 1 ат, проходит в 1 сек 1см3жидкости с вязкостью в 1 пуаз.

В горном деле чаще всего используют коэффициент фильтрации:

r

Kf=

Knp×h

гдеρв– плотность воды.

на:

В зависимости от величины коэффициента фильтрации породы разделяют

  1. водоупорные (Кф<0,1 м/сутки);
  2. слабопроницаемые (0,1 < Кф< 10 );
  3. среднепроницаемые ( 10 < Кф< 500 );
  4. легкопроницаемые (Кф> 500 м/сутки ).

Посверхкапилярным порамжидкость движется под действием сил тяже- сти или напора по обычным законам гидродинамики.

Вкапиллярныхпорах движение жидкости происходит вследствие сил ка- пиллярного притяжения.

Субкапиллярныепоры практически жидкость не пропускают.

Тема 9. Тепловые свойства горных пород

Амплитуда колебаний молекул и ионов с ростом температуры увеличивает- ся. При этом наблюдается прямо пропорциональная зависимость между коли- чеством теплоты поглощаемой породой и приростом температуры.

dQ=

C×dT

гдеdQ– количество теплоты переходящее во внутреннюю энергию тела;dT– изменение температуры породы;Степлоемкость породы(показатель, характеризующий изменение тепловой энергии при изменении температуры на один градус Кельвина).

ВеличинаС, отнесенная к единице массы нагреваемого объема породы, на- зываетсяудельной теплоемкостью породыи выражается в Дж/(кг·К). Опре- деляется по формуле:

c=C

m

Коэффициент теплопроводности пород λ,Вт/(м К).- это количество тепла, проходящего через единицу площади в единицу времени при градиенте темпе- ратуры равном единице:

l=q

=DQ× DX

gradT

DS× DT

×dt

Теплопроводность породопределяется способностью минералов, из кото- рых состоит данная порода, проводить тепло.

Если тепло переходит через какую-то граничную поверхность из одной по- роды в другую, имеющей отличные от первой тепловые свойства, то такой про- цесс называетсятеплопередачей.

Если горная порода обладает более высокой температурой, чем соприка- сающаяся с ней внешняя среда, то явление теплопередачи называюттеплоот- дачей.

Количество тепла, отдаваемого в нагреваемую среду единицей поверхности тела в единицу времени, при  разности температур, равной  одному градусу, называетсякоэффициентомтеплоотдачи:

k=dQ

Вт/м2К

toDS

  • DT
  • dt

Коэффициент температуропроводности а (м2/час) характеризует скорость изменения температуры горной породы вследствие поглощения иди отдачи те- пла.

Температуропроводность - параметр, зависящий от значений коэффициента теплопроводности, теплоемкости и плотности (λ, с, ρ0) пород.

a=l

c×r0

Связь между повышением температуры dT и расширением породы dL мож- но выразить уравнением:

dL=b

  • L×dT

где L - первоначальная длина образца;

β - коэффициент линейного расширения (град-1), характеризующий способ-

ность горной породы изменять свои линейные размеры при изменении темпе- ратуры.

Аналогичная формула описывает объемное расширение пород.

dV=w×V

  • dT

где ω - коэффициент объемного расширения; V - первоначальный объем образца.

Теплота сгорания- количество тепла, выделяемого при полном сгорании 1

кг угля (для антрацитов она равна 35 МДж/кг).

Термохимическая стойкость- свойство углей сопротивляться химическо- му разложению при их нагревании.

Спекаемость- свойство размягчаться при нагревании без доступа воздуха, переходить в пластическое состояние в интервале температур 350-470 град. С и образовывать твердый спекшийся кусок.

Коксуемость- свойство образовывать при нагревании без доступа воздуха кокс.

Выход летучих веществ- количество выделенных газов при нагреве 1 кг угля без доступа воздуха.

Термостойкость- это свойство породы сопротивляться разрушению от терможапряжежий при ее нагреве.

Морозостойкость- характеризует стойкость влажной горной породы и оценивается числом циклов замораживания и оттаивания, в результате которых образец теряет свою механическую прочность. Этот показатель учитывается при возведении инженерных сооружения.

Модуль 4 (ЗМ 4л)

Волновые и радиационные свойства горных пород Тема 10. Акустические свойства горных пород

ет);

Почастоте упругие волны подразделяютсяна:

инфразвуковые - частота колебаний до 20 Гц (человек их не слышит); звуковые - 20-20000 Гц;

ультразвуковые более 20000 Гц (человек органом слуха их не воспринима-

гиперзвуковые - более 1010Гц.

Волны низкой частоты, распространяющиеся по породам земной коры, по- лучили названиесейсмических волн.

Деформации объемного переменногосжатия и растяженияобуславливают распространение в веществе упругихпродольных колебаний.

Продольные волны распространяются в любой среде - газах, жидкостях и твердых телах, так как все вещества обладают сопротивлением объемному сжа- тию.

Звуковые явления обязаны продольным волнам.

Второй тип воли, обусловленный распространением переменныхдеформа-

ций

сдвигав среде, получил название

поперечных волн. Поперечные волны

присущи только твердым телам, ибо в жидкостях и газах отсутствует сопро- тивление сдвигу.

Третий тип волн обусловлен тем, что частицы горной породы, находящиеся на поверхности, испытывают особое состояние, так как встречают меньшее со- противление своим перемещениям в сторону свободной поверхности. В резуль- тате на свободной поверхности породы возникаетплоская поверхностная (рылеевская) волна. Поверхностные волны присущи толькотвердым телам.

Характер распространения упругих колебаний в горных породах определя- ется акустическими параметрами пород. К ним относятся:

  • скорости распространения упругих волн;
  • коэффициенты поглощения, отражения и преломления упругих волн;
  • волновое сопротивление.

Скорости распространения упругих волн в неограниченной упругой среде можно определить по формулам, выведенным из волновых уравнений.

Такскорость продольной волны в массиве:

V=E×1-n

pr(1+n)×(1-2×n)

Скорость распространения поперечной волны

VS=

E×1=G

r2×(1+n)r

Скорость поверхностнойволны может быть выражена через скорость по- перечной волны:

VL=0,92×VS

При этом всегда наблюдается следующее соотношение скоростей:

VP>VS

>VL

Скорость распространения упругой продольной волны в тонкой пла- стине породы

P=E

Pr×(1-n)2

Скорость распространения упругой волны в тонком стержне породы

cE

Pr

Таким образом,скорость распространения упругих волнв горных поро- дах определяется ихупругими свойствами и плотностью.

Она практически не зависит от

частоты волн, что позволяет использовать

для исследований волны с любыми частотами колебаний.

Отношение  скорости  продольных  волн  к  скорости  поперечных  является функцией только коэффициента Пуассона породы

VP=

VS

2×1-n

1-2×n

Поэтому это отношение может служить упругой характеристикой породы.

Коэффициент поглощенияупругих колебаний зависит от свойств породы (упругих, тепловых, коэффициента внутреннего трения) и от частоты колеба- ний.

В расчетах часто используется произведение плотности породы на скорость распространения упругой волны в ней. Этот показатель носит названиеудель- ного волнового сопротивления(удельный акустический импеданс)

Z=r0×V

Тема 11. Электромагнитные свойства горных пород

Электрическое поле проявляется в силовом воздействии на заряженные час- тицы и тела. Величина и направление действия электрических сил в любой точке пространства определяется напряженностью электрического поляЕ.

Напряженность- это векторная величина, равная отношению силы, с ко- торой поле действует на заряд к величине этого заряда:

.

E=F

q

Потенциалом φэлектрического поля называется работа, которую нужно совершить для переноса единичного заряда из точки, где силы действия равны нулю, в данную точку.

Разность  потенциалов  между  двумя  точками  поляАиВназывается

напряжением U:

U=jA

-jB

В зависимости от того, какими частицами вызывается поляризация породы, выделяют 4 ее вида:

  1. Электронная поляризация, возникающая в атомах при воздейст- вии внешнего поля в результате смещения электронных орбит внутри мо- лекулы (атома) против, поля, и положительно заряженных ядер по на- правлению внешнего поля. Электронная поляризация присуща всем ато- мам и молекулам и является наиболее быстрым видом поляризации (воз- никает за время 10-16-10-14с.).

  1. Атомная (ионная) поляризация, образующаяся за счет смещения в электрическом поле ионов или частей кристаллических решеток с кова- лентной связью. При этом сдвигаются по направлению действия поля по- ложительные ионы, а отрицательные ионы против поля. Скорость уста- новления атомной поляризации несколько меньше, чем электронной и со- ставляет 10-14-10-12с.

  1. Дипольная ориентационная поляризация, наблюдается при на- личии в породах полярной связи ионов. В случае полярной связи между ионами каждая молекула с момента своего возникновения уже имеет не- который дипольный момент, не зависящий от напряженности внешнего поля. Тем не менее, в некотором объеме породы, состоящем из таких мо- лекул, из-за хаотического расположения последних, суммарный диполь- ный момент равен нулю при отсутствии внешнего поля. Если такую по- роду внести во внешнее электрическое поле, то диполи будут стремиться ориентироваться согласно внешнему полю, т.е. возникает поляризация всего объема породы. Причем, чем больше напряженность электрическо- го поля, тем больше поляризация. В жидкостях ориентация диполей бу- дет полной и не зависит от напряженности внешнего электрического по-

ля. Дипольная ориентационная поляризация зависит от температуры, чем она выше, тем меньше поляризация. Дипольная ориентационная поляри- зация завершается в течении 10-10-10-7с.

  1. Макроструктурная (объемная) поляризация, возникает в многофазной системе, состоящей из кристаллов, обладающих раз- личными свойствами, и пустот, заполненных жидкостью и возду- хом. При внесении породы в электрическое поле свободные элек- троны и ионы, содержащиеся в проводящих и полупроводящих сис- темах, начинают перемещаться в пределах каждого включения. В результате каждое включение приобретает дипольный момент и ве- дет  себя  подобно  большой  молекуле.  Время  завершения  макро-

структурной поляризации составляет 10-8-10-3с.

В горных породах имеет место также медленнаяэлектрохимическая по- ляризация, причиной которой являются процессы, возникающие при прохож- дении тока через многофазные породы. К таким процессам относятся:

  • окислительно-восстановительные процессы, характерные для сульфидов, окислов и высококарбонизованных углей;
  • процессы, характеризующиеся появлением в местах входа и выхода тока продуктов электролиза, газов;
  • электрросмос, т.в. перемещение молекул жидкости, имеющих заряд одного знака, к электроду противоположной полярности, и электрофорез - смещение твердых частиц, имеющих обратный знак заряда, к другому электроду;
  • перераспределение концентрации растворов, например, в ре- зультате прохождения тока через  кварцевый песок, насыщенный раствором NaCl, на положительном электроде появляется повы- шенная концентрация раствора. Такие процессы могут быть обра- тимыми и необратимыми.

Электрохимическая поляризация происходит значительно медленнее, чем другие виды поляризации (до нескольких десятков минут).

Под действием электрического поля в породах возникает явлениеэлектро- стрикции. Оно заключается в деформировании диэлектриков электрическим полем и присуще всем породам. Причинами электрострикции являются, с од- ной стороны, давление на породу заряженных частиц, создающих поле и притя- гивающихся друг к другу, с другой стороны - смещение ионов и электронов в породе, вызываемое полем. Т. е. электрострикция - явление, сопутствующее поляризации.

Механические напряжения, возникающие в результате электрострикции,

прямо пропорциональна квадрату напряженностиэлектрического поля.

Напряженность поля зависит от свойств среды, в которой имеется электри- ческое поле. Влияние среды устанавливается законом Кулона о силе взаимо- действияF(двух зарядовq1иq2).

.

F=q1×q2,H

4×p

×ea×r

где,F- сила взаимодействия двух зарядовq1иq2;

( - коэффициент ,

учитывающий электрические

свойства среды и называе-

мыйабсолютной диэлектрической проницаемостью; r - расстояние между зарядами.

Величинуεaможно представить какεa= ε·ε0, гдеε0- некоторый коэффици-

ент пропорциональности

между силой и взаимодействующими

зарядами, рас-

положенными в вакууме. Этот коэффициент называетсяэлектрической посто- янной вакуума ε0= 8,85·10-12Ф/м.

Тогдаε– это относительная диэлектрическая проницаемость исследуемого

e=ea

e0

вещества. Она показывает, во сколько раз уменьшается напряженность элек- трического поля в породе по сравнению с вакуумом. Относительная диэлектри- ческая проницаемость пород зависит от числа поляризующихся в единице объ- ема частиц и от их среднего коэффициента поляризуемости.

Диэлектрические потери в диэлектрике характеризуютсятангенсом угла диэлектрических потерьи равны отношению активной и реактивной состав- ляющих тока:

tgd

=Ia=1

Ip2×p×f

  • C×Ra

Полная величина диэлектрических потерь является суммой потерь, вызван- ных сквозным током проводимости (не зависящих от частоты) и релаксацион- ных потерь, связанных с переориентацией диполей и другими явлениями.

Пьезоэлектрический эффект, открытый в 1880г. заключается в том, что при приложении к кристаллу в определенном направлении механической на- грузки он поляризуется (турмалин, сегнетова соль, кварц). Этот процесс обра- тим, т.е. если приложить к кристаллу электрическое поле, то оно вызывает его деформацию. При переменном поле кристалл начинает вибрировать.

Электропроводность горных пород может осуществляться:

  • с переносом вещества (ионная и ионно-электронная проводи- мость);
  • без переноса вещества (электронная и дырочная проводимо- сти).

Признаком электронной проводимости являетсяэффект Холла, заключаю- щийся в том, что при внесении образца в поперечное магнитное поле перпен- дикулярно направлению тока, возникает разность потенциалов.

По величине электропроводности все вещества делятся напроводники,по- лупроводникиидиэлектрики.

Как известно, при малых напряжениях для диэлектрика соблюдается закон Ома:

dU=const=R dI

При переходе к большим напряжениям закон Ома перестает соблюдаться, и ток начинает быстро расти - сопротивление диэлектрика убывает.

Напряжение, при котором сопротивление становится равным нулю, называ- етсяпробивным напряжением, а соответствующая этому напряжению напря- женность электрического поля -пробивной напряженностью.

Притепловом пробоеток, проходящий через породу, нагревает ее.

Отличительные черты теплового пробоя:

  • нагрев горных пород;
  • относительная длительность процесса;
  • зависимость пробивной напряженности от температуры.

Электрический пробойпроисходит, когда в горной породе образуются и накапливаются под непосредственным воздействием электрического поля сво- бодные носители тока (ионы, электроны). В тот момент, когда лавинообразное нарастание носителей тока достигает предела, происходит нарушение свойств диэлектрика, сопротивление породы резко падает.

При электрическом пробое главным фактором, обуславливающий пробой, являетсянапряженность электрического поля. Электрический пробой в от- личие от теплового пробоя происходит практическимгновенно. Для осуществ- ления электрического пробоя необходимо напряжение в сотни раз больше, чем для теплового (106– 107В/см и более).

Химический пробой,когда пробой породы происходит в результате опре- деленных химических изменений в ней. Строго говоря, химические изменения сопровождают любой тепловой пробой, а в ряде случаев и электрический, по- этому довольно чисто химическую форму не выделяют как отдельный вид про- боя.

Способность вещества к намагничиванию, выраженная отношениемнамаг- ниченности, кнапряженностивнешнего магнитного поля, называетсямаг- нитной восприимчивостью

Im

cm=

H

Магнитные свойства вещества характеризуются еще и магнитнойпрони- цаемостью, которая показывает, во сколько раз внешнее магнитное поле изме- няется вследствие намагничивания среды.

B=ma×H

m=ma

m0

µ0=4·π·10-7Гн/м - магнитная постоянная вакуума.

По значению относительной магнитной проницаемости все вещества делят- ся на три группы:

-диамагнетики (µ<1,0,999836-1,0);

-парамагнетики (µ>1,1,0-1,0064);

-ферромагнетики (µ>>1, 1,0064-5,0) и меняется в зависимости от напря- женности внешнего поля (104-4·106).

Электромагнитное поле- это особый вид материи, характеризуемый нали- чием электрического и магнитного полей, связанных непрерывным взаимным превращением.

Электромагнитное поле, возникшее в некотором месте пространства, рас- пространяется во все стороны со скоростью, зависящей от свойств среды.

Распространение электромагнитных волн зависит от электрических и маг- нитных свойств породы и частоты самого поля.

Увеличение диэлектрической и магнитной проницаемости и проводимости пород уменьшает скорость ее прохождения, за счет увеличения их поглощения. Практическое значение имеет показательглубины проникновения элек- тромагнитных волн– это расстояние в породе, на котором теряется 86,5 %

электромагнитной энергии.

При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую, часть вол- ны отражается, а прошедшая волна испытывает преломление.

Соотношение между значениями падающих, отраженных и преломленных волн определяетсяволновым сопротивлением сред.

но:

Волновое сопротивление неограниченной среды в простейшем случае рав-

m

Z=Z0×e

где Z0=120·π, Ом – волновое сопротивление вакуума.

Тема 12. Радиационные свойства горных пород

К радиационным свойствам горных пород относят их естественную радио- активность, а также параметры, определяющие рассеяние и поглощение гор- ными породами внешнего излучения: γ-лучей, нейтронов и других частиц.

Естественная радиоактивность пород обусловлена наличием в их составе либо минералов, содержащих радиоактивные элементы (уран U, торий Th, ра- дий Ra), либо радиоактивных изотопов калия (К40), кальция, рубидия, цирко- ния, олова, теллура, вольфрама, кобальта, рения и висмута.

Проходя через вещество, γ -лучи теряют энергию вследствие поглощения и рассеяния

Поглощение- γ -кванта происходит в результате того, что γ -квант вырыва- ет электрон из электронной оболочки атома, передавая ему всю свою энергию (фотоэлектрический эффект).

Рассеяние— это передача γ-квантом электрону атома только части своей энергии (Комптон-эффект). В результате уменьшается энергия кванта, меняется направление его движения.

В горных породах преобладает рассеяние — доля энергии, идущей на рассеяние, составляет около 90 % общих потерь.

Физика горных пород конспект на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. Способы разрушения горных пород. Механические разрушение горных пород

2. Деформационные характеристики горных пород, их влияние на процессы деформирования горных массивов при нагружении

3. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

4. Разрушение горных пород взрывом

5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД

6. Управление состоянием массива горных пород

7. ПРОЧНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД - ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

8. ГЕОПОЛИМЕРНЫЕ ВЯЖУЩИЕ НА ОСНОВЕ ЗОЛ-УНОСА И ГОРНЫХ ПОРОД

9. Методы определения относительного возраста горных пород

10. Общая характеристика Земли. Структура и текстура горных пород