Гидравлические свойства ГП

 

Гидравлические свойства массива горных пород имеют наибольшее значение для геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых. Основной группой гидравлических свойств являются фильтрационные. Их иногда называют коллекторскими. В первую очередь фильтрационные свойства зависят от пористости, т.е. совокупности всех пустот в горных породах, заключённых между минеральными частицами или их агрегатами [4].

Общая пористость — отношение объёма пустот и пор к объёму горной породы.

Отношение объёма пор к объёму минерального скелета породы называется коэффициентом пористости.

Динамическая пористость учитывает только те поры, по которым может фильтроваться жидкость, иногда её ещё называют открытой (эффективной) пористостью.

Площадь поверхности, образуемая стенками пустот и пор, является одной из важнейших геотехнологических характеристик горной породы — проницаемостью.

Свойство горных пород пропускать через себя жидкости и газы характеризуется коэффициентом проницаемости и коэффициентом фильтрации.

Для целей геотехнологии проницаемость горных пород следует определять в натурных условиях, т.к. только при этом можно учесть всю гамму влияющих факторов.

Различают абсолютную, эффективную и относительную проницаемость.

Абсолютная проницаемость характеризует пропускную способность образца для воздуха при атмосферном давлении и вычисляется по линейному закону фильтрации.

Эффективная (фазовая) проницаемость характеризует пропускную способность для различных жидкостей.

Относительная проницаемость — отношение эффективной проницаемости к абсолютной.

В горных породах различают проницаемость межгранулярную и трещинную, причём последняя значительно выше.

Кроме фильтрационных, к гидравлическим свойствам массивов горных пород относятся:

§ влагоёмкостъ — способность горных пород вмещать и удерживать воду;

§ водоотдача — способность горных пород отдавать воду путём свободного вытекания;

§ водоустойчивость — способность горных пород сохранять связность, консистенцию и прочность при взаимодействии с водой;

§ капиллярность — способность горных пород поднимать влагу по порам под воздействием капиллярных сил;

§ набухание — способность горной породы увеличивать объём под воздействием влаги;

§ усадка — способность горной породы уменьшать объём при высыхании;

§ просадочностъ — способность горной породы уменьшать объём при замачивании;

§ смачиваемостъ — способность горной породы входить в молекулярное взаимодействие с жидкостями;

§ адсорбция — способность горной породы концентрировать на своей поверхности различные вещества из газов, паров и жидкостей;

§ абсорбция — способность горной породы поглощать пары, газы и жидкости;

§ липкость — способность горной породы прилипать к различным предметам

 

Тепловые свойства

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА горных пород — свойства, определяющие термодинамическое состояние и тепловые процессы, идущие в горных породах. К тепловым свойствам относятсятеплопроводность, теплоёмкость, термостойкость и др. Для расчёта тепловых процессов необходимо знать температуры плавления, кипения и разложения породы, а также — удельную теплоту плавления и испарения.

При температуре плавления твёрдая порода переходит в жидкое состояние (в расплав). Температура плавления от — 38,9°С для ртути и до 2050°С для корунда. При температуре кипения расплав закипает по всему объёму. Температура кипения не очень сильно отличается от температуры плавления: например, температура кипения расплава корунда 2250°С. Температуры плавления и кипения измеряют термометрами или термопарами, но наиболее точны бесконтактные оптические или радиационные пирометры. При температуре разложения минералов и горных пород изменяется химический состав минерала или породы (например, кальцит разлагается при температуре 825°С, выделяяуглекислый газ и превращаясь в оксид кальция). Температуру разложения минералов определяют на дереватографе, где получают диаграммы поведения вещества в заданном интервале температур. Контроль разложения минералов ведётся по изменению массы образца. Температуры плавления и кипения минералов и горных пород используют в расчётах режимов термической обработки полезных ископаемых, например, при окомковании железных руд. Температура разложения необходима для тех же целей. Температуры плавления, кипения и разложения минералов зависят от давления и при его увеличении возрастают. На величину данных температур оказывают влияние примеси, содержащиеся в минералах или горных породах. Удельная теплота плавления определяет количество энергии, необходимое для перевода единицы массы минерала или породы из твёрдого состояния в жидкое (для льда 334,4 Дж/г, для серы 39,29 Дж/г). Удельная теплота испарения указывает количество энергии, которое необходимо для перевода в пар единицы массы расплава породы или минерала (для воды 2253 Дж/г, для ртути 271,7 Дж/г). Удельная теплота плавления и испарения используется для расчёта затрат энергии в процессах обработки горной массы в высокотемпературных печах; для льда и воды — при расчётах технических средств разработки мёрзлых пород.

 

Акустические свойства.

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

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.

Акустические свойства тесно связаны с физико-механическими свойствами, термодинамическим состоянием и структурными особенностями среды. Например, для скальных пород коэффициент затухания приблизительно пропорционален первой степени частоты, для рыхлых — её квадрату. Скорости распространения упругих волн возрастают с увеличением модулей упругости и плотности пород и давления (глубины залегания); коэффициент затухания уменьшается с глубиной. Акустические свойства зависят также от температуры: при её увеличении скорость упругих волн уменьшается, а коэффициент затухания возрастает.

В практике горного дела приняты резонансный (по собственной частоте колебания образца) и импульсный (с использованием периодического импульсного взрывного или ударного источника упругих колебаний) методы измерений характеристик акустических свойств.

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.

 

Элеткромагнитные свойства

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА минералов и 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. Изменение концентрации ферромагнитных минералов в изверженных горных породах определяется тектоническими условиями их образования и составом магм. В одной тектономагматической зоне намагниченность статистически растёт от пород кислого состава к основным (минимальным значениям в гранитах складчатых зон). В целом с увеличением степени метаморфизма намагниченность уменьшается, хотя её значения сильно изменяются от типа метаморфизма. Например, серпентинизация перидотитов, в которых отсутствуют первичные магнитные минералы, приводит к образованию магнетита и росту намагниченности.

Радиационные свойства.

Свойства, характеризующие выделение, поглощение, распространение и воздействие на минеральные составляющие радиоактивного излучения и потоков микрочастиц в горной породе.

Радиационные свойства используют для определения плот-ностных показателей горных пород и создания безопасных условий разработки радиоактивных руд, а также для их сортировки и обогащения.

Радиационные свойства вещества проявляются при взаимодействии излучения с веществом.

Радиационные свойства материалов зависят от направления лучистого потока относительно поверхности тела.

Радиационные свойства горных пород - это естественная (собственная) радиоактивность и поглощающая способность. Естественная радиоактивность обусловливается наличием в составе пород минералов, содержащих радиоактивные элементы, либо их изотопы.

Радиационные свойства газомазутного пламени определяются радиационными свойствами топочных газов (СО2 и НаО) и частиц сажистого углерода. Данные о радиационных свойствах газов были приведены выше, в первой главе. В настоящей главе рассматриваются радиационные свойства частиц сажи и факела в целом.

Радиационные свойства материалов зависят от направления лучистого потока относительно поверхности тела.

Радиационные свойства частиц угольной пыли различных твердых топлив могут быть определены, если известны их оптические параметры п и х и их дисперсия в инфракрасной области спектра теплового излучения пламени.

Если радиационные свойства сильно зависят от частоты, при расчете переноса излучения необходимо учитывать несерость среды. К сожалению, в общем случае учет селективности представляет собой очень сложную зада-чу. Хауэлл и Перлмуттер [11] использовали метод Монте-Карло для решения задачи переноса излучения в плоском слое несерой среды. Для упрощенного описания зависимости радиационных свойств среды от частоты были предложены - различные модели. Например, поглощение излучения углекислым газом, водяным паром и стеклом происходит в ограниченных областях спектра, за пределами которых поглощение практически равно нулю. В таких случаях для описания зависимости коэффициента поглощения cv от частоты может быть использована модель полосы (фиг. Согласно этой модели, коэффициент предполагается постоянным в пределах каждой полосы Av и равным нулю в интервалах между соседними полосами.

Они подчеркивают высокие радиационные свойства лесостепи не только в летнее, но и в зимнее время.

Различия в радиационных свойствах золы разных топлив обусловливаются различиями в оптических характеристиках пик и распределениях частиц по размерам.