Лекции по ФГП(Физика горных пород). 1. Основные понятия предмета физики горных пород

• Название: 1. Основные понятия предмета физики горных пород
• Анкор: Лекции по ФГП(Физика горных пород).docx
• Дата: 24.04.2017
• Размер: 0.93 Mb.
• Имя файла: Лекции по ФГП(Физика горных пород).docx
• Тип: Документы; #4538
• страница: 2 из 8

4. Пористость пород
Общая пористость пород Рколичественно выражается через объем всех пор V_П в долях единицы (часто в процентах) от общего объема породы (V₀ + V_П ).



Отношение объема пор к объему минерального скелета V₀породы называется коэффициентом пористости k_п

, следовательно

Поры в горных породах по происхождению делятся на первичные, формирующиеся при образовании пород, и вторичные, появившиеся в результате различных процессов метаморфизма, выщелачивания, перекристаллизации и т. п.

Поры по величине подразделяются на субкапиллярные (диаметр пустот менее 0,2 мк), капиллярные (0,2—100 мк) и сверхкапиллярные (более 100 мк). Принято выделять и рассматривать отдельно такие пустоты в породах, как трещины и каверны.

По форме поры могут быть самого различного типа — пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветвистые и т. п. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь определяют форму порового пространства породы.

Часто поры могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы. Общий объем таких пор, отнесенный к объему всей породы, называется открытой (эффективной) пористостью. При этом Р_эф < Р.

Пористость горных пород изменяется в значительных пределах — от долей процента до 90%. Высокой пористостью обладают осадочные породы, а магматические породы имеют незначительную пористость. Исключение составляют изверженные разности пород, такие, как туфолавы, трахит (Р = 55 - 60%). Выветрившиеся магматические породы также имеют высокую пористость.

Пористость зависит от формы и размеров зерен, слагающих породу, от степени их отсортированности, сцементированности и уплотненности.

Если породы сложены частицами одинакового размера, то наименьшей пористостью обладают породы с окатанными зернами, наибольшей - с угловатыми плоскими зернами. На величину пористости существенно влияет взаимное расположение зерен.

У равномернозернистых пород пористость больше, чем у неравномернозернистых, поскольку промежутки между крупными частицами заполняются более мелкими частицами; пористость сцементированных пород тем меньше, чем больше цементирующего материала заполняет промежутки между частицами и чем плотнее сам цемент.

Пористость снижается с увеличением глубины залегания, так как в результате давления происходит уплотнение горных пород.
5. Плотность пород

Масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) породы называется плотностью породы δ₀.

Плотность минералов зависит от их химического состава и структуры. Они делятся на тяжелые (δ₀ > 4 г/см³), средние (δ₀= 4 - 2,5 г/см³) и легкие (δ₀ < 2,5 г/см³); 13% всех минералов относятся к легким, 33,8% — к тяжелым, 53,2% — к средним.

Плотность горных пород определяется плотностью слагающих минералов δ_0i и может быть рассчитана по формуле



где n - число минералов, слагающих породу; V_i— доля объема, занимаемого каждым минералом.

Масса единицы объема породы в ее естественном состоянии отличается от массы той же единицы объема, заполненного только твердой фазой породы; такое отличие обусловлено в первую очередь пористостью породы.

Поэтому в горном деле наряду с плотностью широко пользуются понятием объемной плотности δ. Объемной плотностью называется масса единицы объема породы при данной пористости в ее естественном состоянии. Плотность пород всегда больше их объемной плотности.

Связь между объемной плотностью и плотностью выражается через пористость:

δ = δ₀(1 - Р); δ₀ = δ(1 +k_п ),

где Р — пористость в долях единицы.

Если порода сложена из минералов примерно одинаковой плотности, ее объемная плотность в основном зависит от пористости⁷.

Объемная плотность малопористых пород в основном зависит от их минерального состава⁸.

Объемная плотность большинства пород колеблется от 1,5 до 3,5 г/см³. Большой объемной плотностью обладают рудные полезные ископаемые, так как в их состав в значительном количестве входят тяжелые рудные минералы (гематит, магнезит, сидерит, киноварь).

Низкую объемную плотность имеют гидрохимические осадки — гипс (объемная плотность 2,3 г/см³), каменная соль (2,1 г/см³). Весьма низкими значениями объемной плотности (0,72—2,0 г/см³) обладают каменные угли и торф. Объемная плотность углей определяется их пористостью, содержанием углерода и наличием минеральных примесей. Так как углерод имеет плотность 2,3 г/см³, увеличение степени углефикации приводит к росту объемной плотности углей. Этому способствует также тот фактор, что при переходе к более метаморфизованным углям (бурые угли — газовые угли — антрацит) наблюдается снижение пористости.

Повышенные значения объемной плотности углей одной степени метаморфизации указывают на увеличение в углях минеральных примесей и зольности, поскольку примеси имеют большие значения плотности, чем углерод.

Вес единицы объема твердой фазы породы называется удельным весом γ₀ породы, а вес единицы объема породы в естественном состоянии — объемным весом γ. Удельный вес породы и ее плотность связаны соотношением

γ₀ =g δ₀

где g— ускорение силы тяжести.



Рис. 3. Изменение плотности магматических пород в зависимости от минерального состава

На практике иногда пользуются коэффициентом плотности k_пл — отношением объемного веса пород к удельному весу (или отношением соответствующих плотностей), характеризующим степень заполнения объема горной породы минеральным веществом:



6. Трещиноватость пород

Трещиной называют плоский разрыв сплошности среды, величина которого на порядок и более превосходит межатомные расстояния в кристаллической решетке (10^-10 м). Разрывы сплошности, заполненные материалом, отличающимся по своим свойствам от основной среды, также относятся к трещинам.

Трещиноватость массива горных пород — одна из важнейших характеристик, влияющая практически на все процессы горного производства.



В зависимости от размеров трещины бывают трех порядков (табл. 1).
Трещины первого порядка - представлены внутрикристаллическими дефектами и трещинами. Размеры этих трещин колеблются от 10^-9 до 10^-5 м. Образуются в результате сложения кристаллов минерала отдельными блоками, которые смещены друг относительно друга. Это обуславливает мозаическую структуру кристалла с присущими ей внутрикристаллическими дефектами и трещинами.
Трещины второго порядка - представлены трещинами, находящимися между самими кристаллами, а также трещинами в межкристаллитном цементе. Размеры этих трещин имеют тот же порядок, что и размеры слагающих породу кристаллов, а величина раскрытия может достигать 0,1 мм и более.

Трещины первых двух порядков возникают в основном в процессе диагенеза осадков⁹ или кристаллизации магмы, их ориентирование в общем случае хаотично.

Эти трещины определяют сопротивляемость пород процессам бурения, измельчения в дробилках, выемке многочерпаковыми экскаваторами и комбайнами. Решающее влияние при этом оказывают трещины второго порядка. Они же до некоторой степени определяют эффективность выемки пород одноковшовыми экскаваторами и процессов механического и взрывного рыхления.

Трещины третьего порядка - трещины, возникающие в процессах метаморфизации пород за счет потери воды и летучих веществ, а также в процессе остывания за счет уменьшения объема пород. Эти трещины тесно связаны с отдельными пластами, потоками лав или интрузиями¹⁰. К этому порядку относятся тектонические трещины, развивающиеся в горных породах под воздействием тектонических сил, проявляющихся в земной коре в процессе ее развития. В их число входят трещины отрыва и скалывания, а также кливаж¹¹.

Тектонические трещины обычно образуют четко выраженные системы двух почти взаимно перпендикулярных крутопадающих рядов трещин, секущих пласты пород независимо от их состава и возраста.

К трещинам третьего порядка относят искусственные трещины, появляющиеся в породах при ведении горных работ.

К перечисленным видам трещин на обнажениях добавляются трещины выветривания, которые развиваются на глубину от 2 до 10 м по уже имеющимся трещинам или по нетронутому массиву.

Все трещины третьего порядка имеют значительное простирание, измеряемое сантиметрами, метрами и даже километрами.

По степени проявления трещины третьего порядка делятся на открытые, закрытые и скрытые. Эти трещины могут заполняться другими породами, продуктами выветривания, водой и нефтью или же оставаться незаполненными.

Характерной особенностью трещин третьего порядка является то, что они, пересекаясь, делят породы на отдельности более или менее правильной формы. Эти трещины оказывают наиболее существенное влияние на процессы разрушения пород при их выемке и рыхлении, при сдвижениях, оползнях и обвалах.

Наряду с размерами и густотой трещин большую роль играет и характер сети трещин в уступе — имеют ли они одно направление или составляют системы взаимно пересекающихся трещин.

7. Содержание воды в породах

В пористых и трещиноватых породах всегда имеется то или иное количество воды. При этом различают химически связанную, физически связанную и свободную воду.

Химически связанная воданаряду с другими молекулами и ионами входит в состав кристаллической решетки минералов; удаление такой воды приводит к разрушению минерала, превращению его в другое, безводное соединение.

Вода, находящаяся в кристаллической решетке в виде молекул, называется кристаллизационной. Она характерна, например, для гипса (СаSO₄ ·2Н₂O), опала (SiO₂ nH₂O), карналлита (KCl·MgCl₂·6Н₂O) и многих других минералов. Кристаллизационная вода, как правило, удаляется при температуре 200—600° С.

Воду, образующуюся при нагреве из входящих в кристаллическую решетку гидроксильных ионов (ОН^- и Н⁺), называют конституционной, температура ее выделения до 1300°С. Она характерна для таких минералов, как тальк, малахит, каолинит и др.

Наличие в породе химически связанной воды проявляется только при ее нагревании; она обуславливает изменение свойств породы при высоких температурах. Вследствие нарушения кристаллической решетки минералов при выделении из них химически связанной воды происходит ослабление и разрушение пород, а в ряде случаев их упрочнение (глины).

Физически связанная водатесно соединена молекулярными силами притяжения с твердыми частицами породы, обволакивая их в виде пленки. Физически связанная вода не перемещается в породах, имеет высокую плотность (до 1,74 г/см³), низкую температуру замерзания (—78°С), низкие теплоемкость, диэлектрическую проницаемость, электропроводность и не является растворителем. Она удаляется из породы только нагреванием до температуры 110°С. Поэтому наличие такой воды значительно изменяет физические свойства пород.

Количество физически связанной воды зависит от смачиваемости пород. Смачиваемость — способность горной породы покрываться пленкой жидкости¹².

Большинство горных пород относится к хорошо смачиваемым водой (гидрофильным).

Частично или полностью несмачиваемы (гидрофобные) — сера, угли, битуминозные песчаники и некоторые другие породы.

Адсорбционная способность пород возрастает при наличии в них растворимых солей, глинистых минералов, а также с увеличением удельной поверхности твердой фазы. Наблюдается увеличение адсорбционной способности с уменьшением размеров частиц рыхлой породы и увеличением их угловатости.

Количество физически связанной воды в породах оценивается показателями максимальной гигроскопичности и максимальной молекулярной влагоемкости¹³. Максимальная гигроскопичность w_г — наибольшее количество влаги, которое способна адсорбировать на своей поверхности горная порода из воздуха с относительной влажностью 94%.

Молекулярная (или пленочная) влагоемкостъ w_м— количество воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы:



где G_м — вес влажного образца породы; G_с— вес образца породы, высушенного при температуре 105—110° С.

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 напора.

Количество капиллярной воды оценивается величиной капиллярной влагоемкости, которая зависит от среднего размера поровых каналов, перпендикулярных зеркалу грунтовых вод в изучаемом объеме.

В зависимости от минерального и гранулометрического состава пород и формы частиц соотношение количества видов воды в породах различно. Так, пески содержат в основном гравитационную воду, а глины, лёсс и суглинки — молекулярную и капиллярную. Относительное содержание капиллярной воды в глинах составляет 18—50%.

Капиллярная вода, находящаяся в породе в оторванном от зеркала грунтовых вод состоянии (подвешенная вода), способствует увеличению связности породы, увеличивает допустимые нагрузки и углы откосов в отвалах. Если капиллярная вода связана с ее источником, она становится напорной и понижает устойчивость откосов. Вид воды определяет возможные способы осушения месторождения. Наиболее легко поддаются дренажу гравитационные воды, значительно труднее (отжатием, электродренажом) — капиллярные.

Максимальное количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое способна вместить порода, характеризуется ее полной влагоемкостью:

Весовой , Объемной

где G_п — вес породы, максимально насыщенной жидкостью; G_с— вес образца породы, высушенного при температуре 105—110° С; V_ж — объем жидкости, заполняющей породу (V_ж≈ G_п - G_с); V_п — объем породы.

Величина объемной полной влагоемкости примерно равна пористости породы. Если поры в породах не имеют свободного сообщения друг с другом, то в них может остаться некоторое количество защемленных газов даже при полном насыщении пород водой. Тогда .

В случае, когда вода способна проникнуть между пакетами кристаллических решеток некоторых минералов (монтмориллонит, вермикулит, галлуазит), наблюдается . Последнее явление характерно для связных (глинистых) пород.

Для характеристики породы в естественном состоянии пользуются параметром естественной влажности w_е, равном относительному количеству воды, содержащейся в породах в природных условиях, и коэффициентом водонасыщения k_вн, указывающим на степень насыщения породы водой:

.

Если w_eзаменить w'_п, а w_п — пористостью Р, то коэффициент водонасыщения будет характеризовать степень максимального заполнения норового пространства водой.

Из максимально увлажненной породы извлечь механическими средствами всю воду невозможно. Весьма трудно отдают воду лёссы, глины, очень мелкие пески (плывуны).

Способность породы отдавать воду под механическим воздействием и под действием гравитационных сил характеризуется водоотдачей ξ:

ξ = w_п - w_м

Таким образом, чем больше молекулярная влагоемкость пород, тем меньше их коэффициент водоотдачи. Коэффициент 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.

8. Методы изучения состава и строения пород

Объекты изучения состава и строения по степени нарастания трудности можно расположить последовательно в следующем порядке: минерал (монокристалл) — минеральный агрегат (поликристалл) — порода: однофазная (плотная) мономинеральная; многофазная (пористая) полиминеральная; нарушенная; - массив разнородных горных пород (нарушенный и многофазный).

При изучении горных пород в первую очередь определяют их минеральный состав и строение. Простейшее качественное определение минералов проводят по ряду внешних признаков: форме, цвету, блеску, спайности, твердости, горючести, запаху, шероховатости и т. д.

Если внешних признаков недостаточно для точной диагностики минерала, пользуются характерными реакциями некоторых минералов с кислотами, щелочами или «методом паяльной трубки», который заключается в наблюдении изменений минералов при воздействии на них высокой температуры в различной химической среде.

Для более глубокого исследования пользуются микроскопическим методом. В этом случае из породы изготовляют шлиф (пластинку толщиной 0,02 ÷ 0,03 мм), который изучают под поляризационным микроскопом. При этом определяют минеральный состав шлифа, очертания отдельных минералов, трещины, спайности, включения стекла, жидкостей, газов и т. д.

Микроскопический метод позволяет не только определить наличие в породе тех или иных минералов, но и подробно описать ее строение. Подобные исследования проводят также на электронном микроскопе.

Для горного производства нет необходимости выделять большое число различных групп по строению пород, так как значение имеет лишь такое строение, которое в практически важных пределах способно изменить физико-технические характеристики пород. Поэтому строение минерального и порового объемов образца может оцениваться одними и теми же параметрами: размером и формой зерен и пор; неоднородностью размеров и формы; относительным содержанием составляющих минералов по размеру и форме; взаимной ориентацией зерен и пор; степенью связи между частицами породы и порами.

Размер минеральных зерен и пор оценивается по средней их величине d_ср, а форма минеральных зерен и пор — коэффициентом формы k_ф, являющимся отношением их максимальных размеров l к минимальным d.

Отношение максимального размера зерен, занимающих 90% площади образца (d₉₀), к максимальному размеру зерен, занимающих 10% площади образца (d₁₀), называется коэффициентом неоднородности размеров зерен породы

.

Отношение



называется коэффициентом неоднородности формы зерен породы.

Характеристикой строения, указывающей на степень анизотропности горной породы, является преимущественная ориентация минеральных зерен относительно друг друга или пор относительно минеральной фазы.

В пределах пород одного вида связь между частицами породы может быть ослаблена из-за наличия между зернами пор, трещин или тонких прослойков выветривания минералов. Эти характеристики близки понятию «пористость породы», причем значение имеет не сама величина пористости, а наличие плоскостей ослабления, т. е. пористость вытянутая, плоскостная. В качестве численного параметра степени ослабления связи минеральных зерен k_св удобно использовать произведение

,

где Р — пористость в долях единицы; - средний коэффициент формы порового пространства.

Для определения относительного количества минералов, слагающих породу, пользуются разделением минералов (сепарацией) и методом химического анализа, заключающимся в количественном определении содержащихся в породе элементов. Зная химический, состав породы, можно расчетным путем перейти к ее количественному минеральному составу.

Для полуколичественной диагностики минералов широко используются методы рентгеноструктурного (метод интерференции¹⁴) и рентгеноспектрального анализа.