Акустические параметры слагающих горную породу фаз

Фаза	Плотность Ро, кг\м3	Скорость продольной волны vp. М\с.	Коэффициент поглощения q, 1\м.
F=105Гц	F=107Гц
Вода Воздух Лед	1,29	3200-3300	8,5*10-5 1,24*103 -	8,5*10-1 1,24*103 -

 

Скорость продольных упругих волн в слоистых породах.

Порода	Скорость продольной волны nр, м\с.	Коэффициент анизотропии
Вдоль напластования v||	Поперек напластования v^
Известняк Песчаник Мергель Серпентинит			1,04 1,19 1,10 1,18

Поглощение упругих волн вдоль слоистости всегда меньше, чем поперек, а с увеличением пористости и размеров зерен пород происходит увеличение q. Неодинаково также поглощение различных типов волн.

Рыхлые породы практически не оказывают сопротивления сдвиговым усилиям, величина которых определяется внутренним трением, поэтому в них, подобно жидкостям, могут распространятся только продольные волны. В соответствии с этим, чем больше нарушенность массива пород (трещиноватость, выветрелость и т.д.), т.е. чем больше он приближается к рыхлому состоянию, тем меньше скорость поперечных волн и тем больше их поглощение.

 

 

Лекция № 6

Тема: ОБОБЩЁННЫЕ ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОРОД

План лекции (с.74-78/1/):

1. Крепость горных пород.

2. Хрупкость и пластичность пород.

3. Твёрдость горных пород.

 

1. Крепость горных пород.

Крепость горных пород – характеристика сопротивляемости пород их добыванию – технологическому разрушению. Для количественной оценки крепости предложен коэффициент крепости f, в первом приближении пропорциональный пределу прочности при сжатии. Разработана шкала горных пород по крепости (Протодьяконов М.М.), в соответствии с которой все горные породы подразделены на 10 категорий.

К первой категории относятся породы, имеющие наивысшую степень крепости (f=20), к десятой – наиболее слабые плывучие породы (f=0,3). Пределы изменения коэффициента крепости от 0,3 о 20.

Так как f связан с прочностью пород, его можно рассчитать по σ_сж в простейшем случае по формуле

 

f = σ_сж·10^-7

 

Существуют и другие формулы взаимосвязи коэффициента крепости пород с их прочностными параметрами. Коэффициент крепости можно определить также экспериментально.

Так как коэффициент крепости в наибольшей степени отражает только разрушение породы от сжимающих нагрузок, а в реальных условиях часто используются растягивающие и скалывающие усилия, возникает необходимость введения иных показателей трудности технологического разрушения пород.

 

2. Хрупкость и пластичность.

В качестве технологического показателя пластичности принимают параметр, определяющий во сколько раз удельная работа разрушения образца реальной породы А_р при одноосном сжатии выше удельной работы разрушения идеально упругой породы А_у с тем же пределом прочности при сжатии.

Удельную работу разрушения рассчитывают по площади диаграммы напряжение-деформация (рис. 1)

 

 

 

Рис.1 К расчёту коэффициентов пластичности и хрупкости пород (tgα, tgά - соответственно модули Юнга и полной деформации)

 

Коэффициент пластичности определяется по формуле

 

k_пл = пл. ОСD/ пл. ОАВ = 2Е/Е_деф – 1

 

Коэффициент хрупкости представляет собой отношение работы А_у, затраченной на деформирование образца в чисто упругой области, к полной работе А_п, затраченной на разрушение образца (см рис. 1)

 

k_хр = А_у/А_п = пл.OFG/пл.OCD ≤ 1

 

С ростом предела прочности при одноосном сжатии коэффициент хрупкости возрастает.

 

3. Твёрдость горных пород

Твёрдость горных пород определяет сопротивляемость пород внедрению в них острого инструмента, т.е. разрушению при точечном (контактном) нагружении. Твёрдость минералов принято оценивать по известной шкале Мооса. Так как породы состоят из многих минералов и их твёрдость является агрегатной, для её определения используют методы, основанные на вдавливании особых штампов в породу.

В зависимости от того, вдавливается ли инструмент в породу при постепенно увеличивающейся нагрузке или ударе различают статическую Н_ст и динамическую Н_д твёрдость, причём Н_ст ≠ Н_д.

Для большинства горных пород применяется метод определения статической твёрдости р _ш, основанный на хрупком выколе лунки в шлифованной поверхности породы под действием приложенной к специальному штампу нагрузки.

Если во время опыта фиксируется деформация, то попутно может быть определён модуль упругости породы.

Метод контактной прочности - производится вдавливание цилиндрического штампа с плоским основанием и диаметром 2-3 мм в нешлифованную поверхность образца. Контактная прочность р _к (твёрдость) образца определяется по величине нагрузки в момент хрупкого разрушения (выкола лунки под штампом), отнесённой к площади штампа.

р _ш ≈ (2,5 – 3,0) р _к

С увеличением пластичности пород твёрдость их уменьшается.

Твёрдость пород всегда выше предела прочности при одноосном сжатии, так как она соответствует прочности породы при сложном всестороннем сжатии, причём характер объёмного сжатия в значительной степени зависит от упругих и пластических свойств породы.

Динамическая твёрдость может быть определена методом Шора – на поверхность испытуемой породы с определённой высоты сбрасывается боёк со сферическим алмазным наконечником. За показатель твёрдости принимается высота отскока бойка.

Твёрдость пород указывает на их сопротивляемость разрушению при воздействии бурового инструмента и поэтому определяет производительность буровых установок.

 

 

Лекция № 7

Тема: ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

План лекции (с.80-85/1/):

 

1. Содержание жидкостей и газов в породах.

2. Перемещение жидкостей и газов в породах

 

 

Содержание жидкостей и газов в породах.

 

Наиболее часто горные породы бывают насыщены водой, которая может содержаться в породах в разном виде. Различают химически связанную, физически связанную и свободную воду.

Химически связанная вода наряду с другими молекулами и ионами входит в состав кристаллической решётки минералов, например гипса CaSO₄·2H₂O. Удаление такой воды приводит к разрушению минерала, превращению его в другое – безводное соединение.

Физически связанная вода тесно соединена молекулярными силами притяжения с твёрдыми частицами пород, обволакивая их в виде плёнки. Её количество зависит от смачиваемости пород.

Смачиваемость – это способность горной породы покрываться плёнкой жидкости. Смачиваемость пород обусловлена адсорбционной способностью, т.е. способностью концентрировать на своей поверхности молекулы жидкости за счёт электростатического притяжения. Большинство пород относится к хорошо смачиваемым водой (гидрофильным). Частично или полностью несмачиваемы (гидрофобны) сера, угли, битуминозные песчаники и некоторые другие породы.

Физически (прочно) связанная вода не перемещается в породах, имеет высокую плотность (до 1,74·10³ кг/м³), низкую температуру замерзания

(-78ºC), малые значения теплоёмкости. Она удаляется из породы только нагреванием свыше 105-110ºC.

Максимальное количество связанной воды, которое способны адсорбировать породы, оценивается показателями максимальной гигроскопичности и максимальной молекулярной влагоёмкости.

Максимальная гигроскопичность ω_г – наибольшее количество влаги, которое способна адсорбировать на своей поверхности горная порода из воздуха с относительной влажностью 94%.

Молекулярная, или плёночная влагоёмкость ω_м – количество воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы:

 

ω_м = (m_м – m_c)/ m_c

 

где m_м- масса влажного образца породы; m_c –масса образца породы, высушенного при температуре 105-110˚С.

 

ω_м > ω_г

 

Влажные породы обладают способностью избирательно адсорбировать наряду с водой ионы из насыщающего породу раствора, т.е. обладают ионосорбционной способностью. Это явление важно при изучении электрохимических реакций в породах, электрической проводимости и электрических полей в массивах.

Свободная вода в породах может находиться в виде капиллярной воды, удерживаемой в мелких порах силами капиллярного поднятия, и в виде гравитационной воды, заполняющей крупные поры и передвигающейся в породах под действием сил тяжести или давления.

Количество капиллярной воды оценивается параметром капилярной влагоёмкости.

Максимальное количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое способна вместить порода, характеризуется её полной влагоёмкостью (массовой и объёмной).

Массовая полная влагоёмкость

 

ω_п = (m_n – m_c)/ m_c

 

Объёмная полная влагоёмкость

 

ω_п.об = V_ж/ V = ω_пρ/ρ_ж

 

где m_n – масса породы, максимально насыщенной водой; V_ж- объём воды, заполняющей породу [V_ж = (m_n – m_c)/ ρ_ж ]; V – объём породы; ρ_ж - плотность воды; ρ –объёмная масса породы.

По величине объёмная влагоёмкость примерно равна открытой пористости пород.

Для оценки породы в естественном состоянии пользуются параметром естественной влажности ω_е, равным относительному количеству воды, содержащейся в породах в природных условиях, и коэффициентом водонасыщенности k_вн, указывающим на степень насыщения породы водой.

 

k_вн = ω_е/ω_п = V_в/ V_п

 

где V_в и V_п – объём воды и пор в породе соответственно.

Извлечь всю воду из увлажнённой породы механическими средствами невозможно. При любом механическом воздействии в породе остаётся физически связанная вода. Способность породы отдавать воду при механическом воздействии характеризуется водоотдачей ξ:

 

ξ = ω_п – ω_м

 

Величина водоотдачи зависит от размеров частиц, образующих породу, величины и взаимного расположения пор. Слабая водоотдача пород обычно снижает производительность механической и гидравлической разработки пород, затрудняет осушение месторождения, транспортирование и дробление полезного ископаемого.

В породах кроме воды встречаются также нефть и газы.

Характер распределения в порах воды, нефти и газа предопределяет многие физические свойства этих пород, в частности очень сильно сказывается на их электросопротивлении.

В общем случае сумма объёмов нефти V_н, газа V_г и воды V_в в нефтегазоводонасыщенных породах равна объёму порового пространства пород V_п и, следовательно,

 

V_н/ V_п + V_г/ V_п + V_в/ V_п = 1

 

Отношение V_н/ V_п, V_г/ V_п,V_в/ V_п называются относительными коэффициентами соответственно нефтенасыщенности k_н,газонасыщенности k_г и водонасыщенности k_вн.