Физические процессы в горных породах

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Екибастузский инженерно-технический институт им. Академика К.Сатпаева

Кафедра Разработка месторождений полезных ископаемых

 

 

Конспект лекций

по дисциплине:

Физика горных работ

 

Специальность:

5В070700 Горное дело

^{(код, наименование)}

 

Екибастуз

 

Конспект лекций для студентов специальности 5В070700 «Горное дело» составлен в соответствии с требованиями рабочей учебной программы

Конспект лекций составил:

 

Доцент ВУЗа

Джекибаева Д.С.

^{(должность, звание) (подпись) (Фамилия И.О.)}

на основании рабочей учебной программы

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Лекция № 1 Физика горных пород. Минералы и горные породы Лекция № 2 Общие понятия о физико-технических свойствах пород и физических процессах   Лекция № 3 Общие понятия о физико-технических свойствах пород и физических процессах (продолжение)   Лекция № 4. Механические свойства образцов горных пород   Лекция № 5 Механические свойства образцов горных пород (продолжение)   Лекция № 6 Обобщённые горно-технологические параметры пород   Лекция № 7 Гидравлические свойства образцов горных пород   Лекция № 8 Тепловые свойства образцов горных пород   Лекция № 9 Тепловые свойства образцов горных пород (продолжение)   Лекция № 10Электромагнитные свойства образцов горных пород Электрические свойства и процессы Лекция № 11Электромагнитные свойства образцов горных пород. Электропроводность. 2. Магнитные свойства.3. Радиоционные свойства горных пород (продолжение)   Лекция № 12Взаимосвязь и паспортизация свойств горных пород   Лекция № 13Воздействие внешних физических полей на горные породы   Лекция №14Горнотехнологические характеристики пород   Лекция № 15 Физические процессы горного производства   СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

Модуль 1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

 

Лекция №1.

 

Тема: ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД. МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

План лекции (с.9-17/1/):

1. Физика горных пород

2. Строение и состав минералов и горных пород

 

1. Физика горных пород

Физика горных пород – это прикладная наука о физико-технических свойствах и физических процессах в горных породах, закономерностях изменения свойств и принципах их использования при решении задач горного производства.

ФГП для своих исследований использует данные у геологических наук – такие как состав, строение, генезис, залегание горных пород и т.д.

ФГП подразделяется на следующие разделы:

1. механика горных пород – изучает механические свойства горных пород и механические явления, происходящие в горных породах в процессе разработки МПИ;

2. акустика горных пород – изучает распространение упругих колебаний в горных породах и все физические процессы, с ними связанные.

3. термодинамика – изучает тепловые свойства и тепловые процессы в горных породах;

4. электродинамика и радиационная физика – исследования по электрическим, магнитным, радиоволновым и ядерным свойствам и явлениям в горных породах.

2. Строение и состав минералов и горных пород.

Минерал – природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в земной коре. Известно около 3000 минералов.

Горные породы - устойчивые агрегаты (парагенетические ассоциации) одного или нескольких минералов, образующие самостоятельные геологические тела.

Тип и название горных пород определяются их минеральным составом и строением.

Минеральный состав – объёмное относительное содержание в горных породах различных минералов.

Строение горных пород –вид сложения горных пород из минералов и минеральных агрегатов.

В строении горных пород различают структуру и текстуру. Структура – размеры, форма и взаимное расположение минералов в породе. Текстура – особенности, взаимное расположение и ориентировка более крупных составных частей породы (минеральных агрегатов).

Практически любая горная порода состоит из минерального и порового объёма. Поровый объём оценивается относительным объёмом всех пор (пустот), заключённых в породах между минеральными частицами или их агрегатами. Относительный объём всех пор называется общей пористостью Р (%)

 

Р = [Vп / (Vо + Vп)] 100, (1.1)

 

где Vп – объём пор, м³; Vо – объём минерального скелета, м³.

Коэффициент пористости – отношение объёма пор к объёму минерального скелета породы

 

kп = Vп /Vо (1.2)

 

Из формул (1.1) и (1.2) вытекает, что

 

Р = [kп / (1+ kп)] 100 (1.3)

 

По происхождению поры делятся на первичные, сформировавшиеся при образовании пород и вторичные, в результате процессов метаморфизма, выщелачивания, перекристаллизации и т.п.

По величине поры подразделяются на:

- субкапилярные (диаметр пустот менее 0,2 мкм);

- капилярные (диаметр пустот 0,2 – 100 мкм);

- сверхкапилярные (диаметр пустот более100 мкм).

Форма (самого различного типа) и размер отдельных пор и их взаимная связь определяет форму порового пространства породы, которая, в свою очередь, обуславливает различные физические процессы, например перемещение воды и газов.

Открытая (эффективная) пористость Рэф – соединение пор с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы. Рэф<Р.

Пористость горных пород изменяется в значительных пределах: 0-90%. В среднем же пористость горных пород составляет 1,5-30%.

Минеральный объём породы описывается следующими параметрами строения:

- размером и формой зёрен (крупно-, средне- и мелкозернистые, скрытокристаллические и стекловатые);

- неоднородностью зёрен по размерам и форме;

- относительным содержанием составляющих зёрен каждого размера и каждой формы;

- взаимной ориентацией зёрен;

- степенью связи между зёрнами породы.

Отдельные частицы горных пород могут иметь различную степень взаимного сцепления, обусловленного силами структурных связей между ними.

В зависимости от характера связей выделяют следующие основные типы пород:

- рыхлые (раздельно-зернистые) – связи между зёрнами молекулярные и часто практически отсутствуют, породы представляют механические смеси частиц одного или нескольких минералов (пески, гравий галечник);

- твёрдые (скальные) – связь между частицами минералов жёсткая, химическая (песчаники, граниты, диабазы, гнейсы);

- связные – связи между дисперсными частицами породы сильно меняются в зависимости от влажности (глинистые породы, лёссы суглинки).

Наибольшее значение среди горных пород органического происхождения имеют ископаемые угли. Состав углей характеризуют отдельно по органической массе и минеральным включениям.

Органическая масса углей оценивается по содержанию микрокомпонентов, различимых под микроскопом: витрена (однородная чёрная блестящая и хрупкая разновидность угля), кларена (полублестящий уголь), дюрена (вязкий матовый и зернистый уголь) и фюзена (волокнистый рыхлый серовато-чёрный уголь)

Неуглеродные составляющие угла присутствуют в виде минеральных включений и элементов примесей. Относительное массовое содержание этих минеральных компонентов, переходящих при сгорании в золу, называется зольностью углей.

Объектами горных разработок являются все виды горных пород: коренные и покрывающие их наносы. При разработке породы подвергаются различного рода воздействиям, главным образом механическим: ударам, сдвигу, уплотнению, перемещению, в результате чего изменяется их состояние.

Для ведения горных работ в забое необходимо знать характеристики горных пород в их естественном состоянии. Для других целей (погрузки, перемещения, складирования, дробления и др.) определяют и учитывают свойства пород в искусственно изменённом состоянии.

Цели воздействия на породы различны, и они определяют пределы знаний тех или иных свойств пород. Характеристики свойств пород в различных объёмах могут отличаться друг от друга, например из-за блочной трещиноватости.

Поэтому при изучении горных пород выделяют понятия породного массива, горных пород в массиве, разрыхленных горных пород (горных масс) и отдельных изолированных кусков (образцов) горных пород.

Породный массив – это геологическое тело, состоящее из совокупности горных пород, сформировавшееся в определённой геолого-структурной обстановке и характеризующееся присущими ему физическими и геологическими особенностями.

Горная порода, находящаяся в массиве в естественном состоянии, называется горной породой в массиве.

Разрушенные горные породы – это разрыхленные, раздробленные искусственно или в результате сдвижений массивов твёрдые или связные горные породы. Естественно рыхлые породы также могут перейти в группу разрушенных вследствие нарушения их первоначальной укладки и сцепления в результате, например, погрузочных работ.

Отдельные части скальных или связных пород, а также малые объёмы рыхлых пород представляют собой образцы горных пород.

Основные физические закономерности наиболее чётко проявляются при изучении образцов горных пород и минералов.

Отличия в свойствах и поведении пород в образце и в массиве, а также массива горных пород и горной массы обусловлены:

-различием в составе (в образце минеральный состав не всегда соответствует составу породы в массиве или разрыхленной породы; массив сложен разнородными по составу породами);

-различием в строении – расположении основных структурных элементов. Их формы, ориентировки (так, в образце может отсутствовать слоистость, в то время как массив горных пород слоистый);

-различными внешними условиями, в которых находится порода;

-силами связей, контактными условиями и степенью нарушенности пород - образец чаще всего менее нарушен трещинами и пустотами, чем порода в массиве, массив горных пород или разрушенная горная порода.

Нарушенность горных пород проявляется в их трещиноватости.

Трещиноватость – это совокупность трещин, имеющихся в породном массиве. Как правило, все горные породы имеют ту или иную степень трещиноватости.

Трещина –плоский разрыв сплошной среды величина которого на порядок больше межатомного расстояния в кристаллической решётке (10^-10м). Трещины бывают трёх порядков: 1) 10^-9-10^-5м – внутрикристаллические;

2) 0,1мм и более – межкристаллические;

3) пересекаясь делят горные породы на отдельности более или менее правильной формы, оказывают наиболее существенное влияние на процессы РГП при их выемке и рыхлении, при сдвижении, оползнях и обвалах.

Наличие пор, пустот и трещин в породах предопределяет их многофазность, так как все пустоты в естественных условиях обычно бывают заполнены газами, жидкостями или инородными телами, что обуславливает возникновение в породах множества физических эффектов, отличающих их поведение от классических твёрдых те

 

Лекция №2.

Тема: ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ПОРОД И ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

 

План лекции (с.17-39/1/):

 

1. Классификация физико-технических свойств пород. Базовые физико-технические параметры.

2. Влияние минерального состава и строения пород на их свойства

1. Классификация физико-технических свойств пород. Базовые физико-технические параметры.

Под физическим свойством породы понимают её особое поведение (ответную реакцию) при воздействии на неё определённых физических полей или сред.

Численно каждое физическое свойство породы оценивается одним или несколькими параметрами (показателями, характеристиками), являющимися количественной мерой свойств.

Свойства пород и соответствующие им параметры, характеризующие ответную реакцию пород на воздействие определённых инструментов, механизмов или технологических процессов (например, взрыва), называют горно-технологическими.

Всю совокупность физических и горно-технологических параметров пород, описывающих их поведение в процессах разработки, принято называть физико-техническими параметрами.

В ФГП под понятием «внешнее поле» подразумевают тот вид энергии или вещества, под воздействием которого в данный момент находится порода.

Физико-технические параметры подразделяют по виду соответствующих внешних полей, вызывающих ответную реакцию породы. Механическое поле, тепловое поле, электрическое, магнитное и радиационное поля и соответственно свойства – механические, тепловые и т.д. Кроме того, существует вещественное поле (флюиды) и соответствующие ему гидравлические и газодинамические свойства.

Известно более ста физико-технических параметров пород, измерить такое количество их для всех видов и разновидностей пород не представляется возможным.

С целью сопоставления разных пород, совместного их рассмотрения, анализа и классификации выделяют некоторую ограниченную группу физико-технических параметров, являющуюся минимально необходимой и достаточной для характеристики породы как физического и геологического тела и объекта горной разработки одновременно. Такие параметры горных пород носят название базовых.

К базовым отнесено 12 элементарных, исходных и независимых физических параметров, позволяющих вычислить максимальное количество других параметров пород.

Базовые физические параметры служат общим фундаментом для изучения всех пород. Поэтому их определение является обязательным.

 

Таблица 1. Базовые физико-технические параметры горных пород

Свойства	Основные параметры	Обозначение	Единицы измерения	Определение
Плотностные	Объёмная масса	ρ	кг/м3	Масса единицы объёма сухой горной породы с естественной ненарушенной структурой (с порами, трещинами и т.д.)
Пористость	Р	%	Относительный объём всех пор, заключённых в единице объёма породы.
Механические	Предел прочности при сжатии	σсж	Па	Критическое значение одноосного сжимающего напряжения, при котором происходит разрушение горной породы
Предел прочности при растяжении	σр	Па	Критическое значение одноосного растягивающего напряжения, при котором происходит разрушение горной породы
Модуль продольной упругости (модуль Юнга)	Е	Па	Коэффициент пропорциональности между действующим нормальным напряжением и соответствующей ему продольной упругой деформацией
Коэффициент Пуассона	υ	_	Коэффициент пропорциональности между упругими продольными и поперечными деформациями при одноосной нормальной нагрузке (отношение относительных поперечных деформаций к продольным)
Тепловые	Коэффициент теплопроводности	λ	Вт/(м·К)	Количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу сечения в направлении, перпендикулярном к сечению при перепаде температур, равном 1К, на единицу расстояния.
Удельная теплоёмкость	с	Дж/(кг·К)	Количество тепла, необходимое для повышения температуры 1кг вещества на 1К.
Коэффициент линейного теплового расширения	α	К-1	Относительное удлинение тела при нагреве его на 1К.
Электромагнитные	Удельное электрическое сопротивление	ρ	Омּм	Величина, обратная силе тока, проходящего через 1м2 площади образца при напряжённости электрического поля в образце, равной 1В/м
Относительная диэлектрическая проницаемость	εr	_	Коэффициент, показывающий, во сколько раз уменьшается напряжённость электрического поля при внесении в него породы
Относительная магнитная проницаемость	μ		Коэффициент, показывающий, во сколько раз магнитная индукция поля изменяется при помещении в него образца по сравнению поля в вакууме

 

 

Лекция №3

 

Тема: ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ПОРОД И ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ (продолжение)

 

План лекции (с.17-39/1/):

 

1. Физические процессы в горных породах.

2. Экспериментальное определение физико-технических параметров пород

3. Воздействие внешних полей на свойства горных пород

 

Физические процессы в горных породах

Наряду с минеральным составом и строением физико-технические свойства пород определяются внешними условиями, в которых порода находится, - внешними полями.

Каждое поле оценивается рядом величин – напряжённостью, интенсивностью и т.д.

Механическое поле - величина нагрузок, напряжений, длительность их действия, характер изменения во времени, направление (растягивающие, сжимающие, сдвигающие нагрузки), распределение в горной породе – сосредоточенное, линейное, плоское, объёмное.

Особый случай механического поля – акустическое поле – распространение в породах упругих волн, по существу тех же механических нагрузок, быстро меняющихся по направлению, во времени и характеризующиеся интенсивностью, амплитудой и частотой колебаний.

Тепловое поле – температура, градиент температуры, тепловой поток, направление теплового потока, изменение его во времени, распределение температур и теплового потока в объёме породы.

Электрическое и магнитное поля – напряжение и напряжённость, величина магнитной и электрической индукции и плотности тока.

Электромагнитное поле - те же параметры и дополнительно частота колебаний.

Радиационное поле - интенсивность, тип микрочастиц, частота колебаний (в случае волновой природы поля), энергия квантов.

Вещественное поле – вода или природные газы, давление, создаваемое полем, градиент давления, вязкость, химический состав.

Физические поля в породах могут быть естественными (природными) и искусственными.

Естественные поля – исходное горное давление, тепловое поле, водонасыщенность горных пород, радиационное поле.

Искусственные внешние поля возникают при ведении горных работ (блуждающие электрические токи, повышенные температуры в забое скважины при бурении, динамические нагрузки на ближайшие массивы при взрывании и т.д.) либо их создают преднамеренно с целью воздействовать на состояние породы и её свойства.

Физические процессы в горных породах – это явление взаимодействия физического поля с горной породой, в результате которого в горной породе возникают и протекают различные изменения её состава, строения и состояния.

Физические свойства и параметры пород, характеризующие эти процессы, можно разделить на три большие группы.

1.Параметры, оценивающие обратимые изменения количества энергии или вещества внутри породы – модуль объёмного сжатия К, диэлектрическая проницаемость ε_r, удельная теплоёмкость с, влагоёмкость ω и т.д.

2. Параметры, оценивающие необратимые превращения данного вида энергии в породах в другой вид – коэффициент пластичности k_пл, удельная теплота плавления Q_пл, пределы прочности σ_сж, σ_р, коэффициент теплового расширения α и д.р.

3. Параметры, описывающие процессы передачи энергии, а также перемещения жидкости и газов в породах - коэффициент теплопроводности λ, удельная теплопроводность σ_э, магнитная проводимость σ_м, коэффициенты преломления п и отражения k_отр волн и т.д.