Влияние теплового поля на механические свойства пород

 

В массивах пород существуют как естественные тепловые поля, так и искусственные поля, вызванные различными процессами горного производства.

Верхний слой горных пород подвержен сезонным колебанием температур. Тепловое поле вызывает изменения свойств пород под влиянием различных термодинамических процессов, происходящих в них при повышении температуры. Выделяют два вида воздействия теплового поля. Первый связан с возникающими в породах термическими напряжениями из –за неравномерного теплового расширения минералов. Второй обусловлен различными физическими и термохимическими превращениями минералов породы.

 

Термохимические и физические превращения в горных породах при нагреве могут быть следующими:

1) высушивание породы- удаление свободной воды при нагреве;

2) переход породы из одного агрегатного состояния в другое – плавление, отвердевание; испарение или сжижение; возгонка

3) переход минералов из одной кристаллической формы в другую без изменения их химического состава – полиморфные превращения

4) дегидратация – удаление химически связанной воды из минералов и горных пород (нагрев серпентина до 500^о С, талька до 765^о С и т.д.)

5) диссоциация – разрушение минерала с выделением газообразной фазы (например, декарбонатизация известняков)

6) окислительно- восстановительные процессы.

 

Тепловое воздействие приводит к изменению свойств пород в различных направлениях.

Модуль Юнга большинства кристаллических пород с повышением температуры непрерывно уменьшается.

Модуль сдвига G пород с ростом температуры постепенно уменьшается и при температурах плавления становится равным нулю, так как вещества в жидком состоянии практически не оказывают сопротивления касательным нагрузкам.

Коэффициент Пуассона с повышением температуры увеличивается и приближается к 0,5.

Если нагрев породы не приводит к необратимым изменениям в ее составе или структуре, то при ее охлаждении восстанавливаются исходные упругие параметры.

Температура влияет и напрочность пород. Большинство термохимических явлений (выгорание, окисление, диссоциация) приводит к снижению прочности пород. Наоборот, спекание глинистых пород приводит к повышению их прочности.

В случае, когда минералы при повышении температуры не разрушаются, возможен различный характер изменения прочности с повышением температуры в зависимости от величины и направленности возникающих внутренних термических напряжений.

Повышение температуры изменяет также характер разрушения пород – в большей мере проявляется пластическое разрушение, поэтому при нагреве пород возрастает их сопротивляемость хрупкому разрушению – увеличивается вязкость.

Понижение температуры пород ниже нуля (до минус 20-30^о С) существенно меняет прочностные свойства только у рыхлых, водонасыщенных пород. Последние вследствие замерзания воды упрочняются и переходят в категорию скальных пород. Это обстоятельство отрицательно влияет на разработку рыхлых пород в зимнее время. Если прочность мерзлых песков, супесей и суглинков при влажности 20-25% и температуре минус 1^о С составляет (5-6) *10⁵ Па, то при температуре минус 40^о С она возрастает до (5-6)*10⁶Па. У глин величина достигает 4*10⁶ Па.

У скальных пород глубокое охлаждение до минус 100-196^о С вызывает явления, противоположные нагреву – пластические деформации уменьшаются, хрупкость увеличивается, удельная работа разрушения уменьшается, а прочность возрастает. Так, при динамических нагрузках охлажденные породы разрушаются легче, чем в условиях обычных температур. Так, удельная работа разрушения габбро- диабаза и различных песчаников при температурах ниже минус 150^о С в 4-6 раз меньше работы разрушения при нормальной температуре.В то же время статическая прочность пород с понижением температуры возрастает.

Упругие колебания низкой частоты достаточной мощности чаще всего приводят к тем же последствиям, что и механическое напряжение. При этом происходит усталостное разрушение пород. Возможен эффект уплотнения и сортировки рыхлых горных пород.

Особые явления наблюдаются при распространении в горных породах и жидкостях высокочастотных упругих колебаний, в том числе и ультразвука. Малая длина волн позволяет их концентрировать в узкий пучок. Это способствует получению колебаний высоких интенсивностей с предельными амплитудами смещения и проявлению механических, тепловых, электрических и химических эффектов. Например, при прохождении ультразвука через жидкость возникает кавитация. Когда в некоторых участках жидкости, оказавшихся в фазе деформации растяжения, внутреннее давление р становится ниже статистического ее давления р_о, происходит разрыв жидкости. Жидкость испаряется и образуются кавитационные пузырьки, которые захлопываются сразу же, как только р станет больше р_о, что происходит в фазе сжатия.

Кавитация является причиной возникновения некоторых эффектов, важнейшим из которых следует считать диспергацию (разрушения) твердых тел, расположенных в области распространения упругих колебаний. При этом скорость разрушения пород под воздействием ультразвука определяется прежде всего их хрупкостью. Чем больше хрупкость, тем при прочих равных условиях выше скорость разрушения, поэтому легко диспергируются ультразвуком такие минералы, как гипс, слюда, графит и сера. Эффект диспергирования усиливается при добавке к воде поверхностно- активных веществ в количестве менее 0,2%.

Кавитация вызывает также дегазацию жидкостей и расплавов. Дегазация связанна с понижением давления жидкости в фазе растяжения и выделением вследствие этого газа.

Кавитация обуславливает возникновение также электрических и химических эффектов ультразвука. Из электрических эффектов основным является люминесценция жидкости. Химические эффекты ультразвука проявляются в ускорении реакции окисления, восстановления и конденсации веществ.

Ультразвук, проходя через жидкость, в которой взвешены частицы породы, заставляет их совершать колебания, частота и амплитуда которых зависят от массы частиц. Это приводит к увеличению частоты соударений частиц, их слипанию, укрупнению и осаждению. Это явление называется коагуляцией.

Упругие колебания звуковой инфразвуковой частоты способны вызвать тиксотропию (разжижение) влажных глинистых пород. Упругие колебания снижают также внутреннее трение рыхлых скальных пород, так как в результате вибрации связь между частицами становится менее устойчивой.

Кавитация обуславливает возникновение также электрических и химических эффектов ультразвука. Из электрических эффектов основным является люминесценция жидкости. Химические эффекты ультразвука проявляются в ускорении реакции окисления, восстановления и конденсации веществ.

 

 

Лекция №14

 

Тема: ГОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОД

План лекции (с.178-200/1/):

 

1. Горные породы как объект разработки.

2. Скальные и полускальные породы.

3. Плотные, мягкие и сыпучие породы.

4. Разрушенные породы Классификация горнотехнологичских параметров пород