Лекции по ФГП(Физика горных пород). 1. Основные понятия предмета физики горных пород
 Скачать 0.93 Mb.
|
|
Метод интерференции основан на дифракции15 рентгеновских лучей, проходящих через кристаллическую решетку вещества. Каждый атом становится центром рассеивания рентгеновских волн. Эти волны, интерферируя между собой, дают по определенным направлениям максимумы. Если максимумы зафиксировать на фотопластинке, то кроме центрального пятна от луча на ней будут видны менее интенсивные закономерно расположенные пятна лучей, испытавших дифракцию. По их положению и относительной интенсивности можно составить представление о расположении рассеивающих центров в кристаллической решетке. Для каждого типа решетки и минерала наблюдается своя индивидуальная дифракционная картина. Это позволяет определить минералы и изучить их кристаллическую структуру. Установлено, что не только один большой кристалл, но и совокупность хаотично расположенных кристаллов при просвечивании вызывает появление на пленке резких интерференционных колец. Обычно просвечивается небольшой объем порошка исследуемого вещества. Порошковый метод применим для всех кристаллических тел. Отсутствие интерференционных колец показывает, что тело находится в аморфном состоянии. Этим методом можно изучать кристаллическую решетку минералов, упругие и пластические деформации в кристаллах, мгновенные напряжения и минеральный состав пород. Изучение минерального состава возможно потому, что рентгенограммы смеси минералов накладываются друг на друга без взаимных возмущающих эффектов. Сравнение полученной рентгенограммы с рентгенограммами чистых минералов позволяет судить о наличии примесей. На рентгенограмме могут отражаться лишь явления, которые вызывают изменение кристаллической решетки и, наоборот, не отражаются явления, не вызывающие ее изменения. Поэтому с помощью интерференционного метода можно диагностировать минералы независимо от огранения кристаллов. Если метод интерференции позволяет получить сведения о характере химической связи в минерале, то рентгенографический спектральный анализ дает возможность установить наличие всех находящихся в минерале элементов независимо от характера химического соединения. Рентгенографический спектральный анализ основан на том, что при определенных условиях все атомы испускают характерное рентгеновское излучение. Исследуемый минерал помещают в антикатод рентгеновской трубки, бомбардируют быстрыми электронами и наблюдают первичный спектр испускания лучей. Практически методом рентгенографического спектрального анализа можно обнаруживать элементы, обладающие большим атомным весом, чем у калия. Для исследования химического и минерального составов пород используют также оптический спектр сжигаемых минералов (эмиссионный метод), термографию (регистрация температурных изменений при нагреве минералов) и др. 9. Физико-технические параметры пород Под физическим свойством породы понимается ее специфическое поведение при воздействии определенных полей. Численно физическое свойство породы характеризуется одним или несколькими параметрами. Существует три основных способа воздействия на горные породы при их добывании и переработке, соответствующие трем основным видам энергии — механические, термические и электромагнитные. Соответственно выделяют три основные группы свойств. К механическимотносятся свойства, связывающие механические напряжения и деформации в горных породах: - упругие параметры, характеризующие связь между напряжениями и обратимыми деформациями; - прочностные параметры, характеризующие связь между напряжениями и необратимыми разрушающими деформациями; - реологические параметры, связывающие напряжения с необратимыми пластическими деформациями во времени; - технологические параметры, связывающие напряжения, возникающие в породе под воздействием определенного инструмента или технологического процесса с разрушающими деформациями. В результате воздействия на горные породы жидкостей или газов (статическое или динамическое) выявляются различные гидравлические и газодинамические свойства пород. К термическимотносятся свойства, проявляющиеся в породах под воздействием тепловых полей, к электромагнитным— свойства, проявляющиеся в породах при воздействии на них электрических, магнитных полей или электромагнитных колебаний. Условно к электромагнитным можно отнести также радиационные свойства, проявляющиеся при воздействии на породы потоков микрочастиц или электромагнитных волн значительной жесткости (рентгеновские, гамма-лучи). Физико-технические параметры пород подразделяются на два класса. Первый класс — параметры, характеризующие воздействие физических полей на породу: а) характеризующие обратимые воздействия: упругая деформация и соответствующие ей упругие параметры — модуль Юнга Е, модуль сдвига G; электрическое смещение (индукция) и соответствующий ему параметр — диэлектрическая проницаемость ε; энтропия S и соответствующий ей параметр — удельная теплоемкость с; магнитное смещение Ви соответствующий ему параметр — магнитная проницаемость μ; б) характеризующие необратимые (предельные и разрушающие) воздействия: пределы прочности: на сжатие σсжи растяжение σр и т. д.; температура плавления Tпл; пробивная напряженность Епрэлектрического поля. Второй класс — параметры, характеризующие способность пород воздействовать на физическое поле: а) характеризующие способность передавать энергию поля: удельная теплопроводность λ; удельная электропроводность ζ; б) характеризующие способность поглощать энергию поля: пластичность пород, электрические потери, выражаемые тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ; удельная теплота плавления Qпл. Для горного производства большое значение имеют явления, приводящие к возникновению механических деформаций пород под воздействием теплового и электрического полей — тепловое расширение, электрострикция, пьезоэлектричество и др. Свойства пород и упомянутые параметры изменяются в зависимости от степени нагрева, давления и других факторов. Эти факторы, связанные с воздействием внешней среды на породы, называются внешними. К внешним факторам относятся различные поля, воздействующие на породу: механическое (давление), тепловое (температура), электрическое и магнитное, вещественное (жидкости, газы, инородные примеси). Физико-технические параметры пород можно разделить также на скалярные и тензорные параметры. Скалярные — это параметры статического, накопительного характера (удельный вес, теплоемкость, модуль всестороннего сжатия, коэффициент объемного расширения и др.). Тензорные — это параметры, характеризующие передачу энергии от одной части породы к другой (упругие, прочностные свойства, удельная теплопроводность, электропроводность и т. д.). В табл. 2 приведены основные (базовые) физические параметры горных пород, которые в значительной мере позволяют предопределить технологию производства.   Параметры пород должны устанавливаться с учетом строения и минерального состава пород при соблюдении наиболее характерного распределения минералов и их соотношения в породе. Для изучения следует применять стандартные образцы с максимально возможными размерами по принятой методике исследований; все частные неоднородности при этом усредняются и физические характеристики приближаются к истинным их значениям для данной горной породы. При наличии слоистости, сланцеватости и спайности параметры пород должны определяться как вдоль, так и поперек плоскостей напластования. Вследствие большого разнообразия горных пород, как по строению, так и по составу их изучение должно базироваться на основных положениях теории вероятностей и математической статистики. Для получения достоверных значений параметров по каждому типу пород необходимо провести большое число измерений на многих образцах, отобранных с учетом положений теории вероятностей. Необходимое число образцов находят по формуле  где tа— коэффициент Стьюдента при очень большом количестве образцов (для вероятности 0,95 tа =1,96); W — коэффициент вариации, %; ρ — требуемая точность, %. При проведении nопределений одного типа породы или минерала более близкое к истинному будет среднеарифметическое всех измеренных значений параметра Xi  Но данным эксперимента можно вычислить: среднеквадратичную ошибку единичного результата  ,коэффициент вариации  И доверительный интервал при соответствующей доверительной вероятности α (например, α = 0,95)  Окончательный результат записывается следующим образом:  при α = 0,95.Для более полной характеристики изменчивости параметров пород пользуются вариационными кривыми, которые строят по данным большого числа измерений. По оси абсцисс откладывают численные значения параметра, а по оси ординат — число образцов (в %) со значениями параметра, меньшими или равными данному (рис. 5, а).  Часто необходимо получить количественное выражение зависимости какого-либо параметра от различных признаков минерального состава (например, от содержания магнетита) и строения (например, от пористости) или взаимную связь между двумя параметрами, (например, между модулем Юнга и прочностью породы). Для этого проводят серию опытов. На основе полученных данных строят в соответствующих координатах точечный график зависимости между исследуемыми параметрами. Поскольку при определении параметров практически невозможно учесть все факторы, оказывающие влияние на свойства пород, на графике можно проследить только общую закономерность изменения одного параметра с изменением другого. Такой график можно обработать методами математической статистики. В результате обработки устанавливается корреляционная зависимость, т. е. зависимость, в которой одному значению аргумента соответствует несколько значений функции (рис. 5, б). Корреляционные зависимости не отличаются большой точностью, но они находят широкое применение на практике, поскольку позволяют с достаточной вероятностью определить по одному показателю другой. 10. Влияние минерального состава и строения пород на их свойства Влияние минерального состава наиболее полно изучено для плотных малопористых пород. В этом случае скалярные параметры породы могут быть представлены как арифметическое средневзвешенное параметров минералов, ее слагающих:  где Х0 — параметр породы при пори стости Р = 0; Xi— параметр минерала, слагающего породу; Vi — относительное объемное содержание данного минерала. Если порода сложена из минералов, параметры которых мало различаются между собой, то различное содержание их в породе практически не влияет на изменение ее свойств. Наоборот, если параметры одного из слагающих породу минералов существенно отличаются от параметров прочих минералов, то его содержание в породе будет заметно влиять на свойства породы в целом. Одни и те же минералы могут иметь примерно одинаковые механические свойства, но будут резко отличаться по электрическим или тепловым. Поэтому минерал, оказывающий влияние, например, на величину электропроводности, не всегда определяет прочность породы. Зависимость свойств пород от размеров зерен обусловлена тем, что с изменением размеров меняется площадь контактов между зернами на единицу объема породы. При этом контакты практически всегда имеют свойства, отличные от свойств внутризеренного вещества. В породах возможна анизотропия физических характеристик, которая характеризуется коэффициентом анизотропии  где Хпарал и Хперпен - значения параметра соответственно по напластованию и перпендикулярно напластованию. Анизотропия, обусловленная следующими факторами:
Сухая пористая порода состоит из минерального скелета и газов, заполняющих поры. Газы очень плохо передают механические напряжения, тепло и электричество. Поэтому в породах энергия передается лишь через минеральный скелет. В то же время с увеличением пористости, особенно крупной и открытой, увеличивается число каналов, по которым может передаваться вещество, например жидкости и газы. В этом случае пористость является показателем строения породы. Если свойства связаны с накоплением энергии (например, теплоемкость), то поры, заполненные газами или жидкостями, становятся показателем состава породы. Простейшая связь между каким-либо физическим параметром и пористостью Р может быть выражена формулой  где X — параметр породы при 0 < Р <1. С увеличением пористости параметры двух различных пород имеют более близкие значения независимо от степени различия исходных значений (т. е. с увеличением пористости снижается влияние минерального состава на свойства породы). При значениях Р, близких к нулю, влияние пористости на свойства становится незначительным. Поскольку параметры зависят не только от относительного объема пор в породе, но и от формы и характера их распределения, функциональная зависимость свойств пород только от их пористости не может быть установлена. 11. Влияние внешних факторов на физические свойства пород Механическое поле. Механические напряжения (давления) в значительной степени влияют на изменение физических свойств горных пород. Причиной этого изменения является нарушение первоначального строения горных пород. В зависимости от характера давления (одноосное, двухосное, всестороннее равномерное — гидростатическое, всестороннее неравномерное) эти нарушения связаны либо с уплотнением породы, смятием пор и увеличением площади контакта зерен, либо с образованием в породе системы трещин, уменьшением связи между отдельными ее участками и т. д. Наибольшее уплотняющее действие на породы оказывает гидростатическое давление. С увеличением уплотнения увеличиваются площади каналов, по которым передаются напряжения и энергия, и возрастают все тензорные показатели (прочность, упругие свойства, теплопроводность и т. д.). При очень высоких давлениях происходит перестройка не только макроструктуры породы (уплотнение), но и увеличение внутреннего потенциала атомов и ионов, что, в свою очередь, также влияет на свойства пород. Под воздействием разупрочняющих механических напряжений происходит, наоборот, уменьшение внутренних связей между частицами горных пород. При этом изменения свойств, как правило, более существенны. В горном производстве встречаются как искусственные механические напряжения, создаваемые в основном с целью разрушения горных пород, так и естественные — горное давление, обусловленное весом вышележащих слоев и боковым давлением вмещающих пород; давление газов и воды в массивах пород; термические напряжения, возникающие под влиянием тепла в массивах; тектонические напряжения, связанные со сдвижением пород. Вещественное поленаиболее часто представлено в виде различных жидкостей (вода, нефть) и газов, заполняющих поры, трещины и пустоты в породе. Влияние вещественного поля на свойства пород сказывается в двух направлениях: как составная часть породы и как физико-химически активная среда, воздействующая на минеральный скелет. В первом случае свойства породы определяются как интегральный показатель свойств минерального скелета, жидкостей и газов, насыщающих породу. Во втором случае свойства породы, кроме того, становятся функцией степени взаимодействия между внешним вещественным полем и породой. В связи с этим при насыщении могут наблюдаться изменения свойств пород в различных направлениях. Степень воздействия жидкостей наибольшая при рыхлых, связных и некоторых слабосцементированных скальных породах, остальные породы малочувствительны к гидравлическому воздействию. Воздействие жидкости на горную породу может быть динамическим и статическим. Динамическое воздействие, как правило, приводит к механическому разрушению и перемещению горных пород; статическое — к набуханию, размягчению и растворению. Тепловое полевызывает изменения свойств пород под влиянием различных термодинамических процессов, происходящих в них при повышении температуры. Выделяют два вида воздействия теплового поля. Первый вид связан с возникающими в породах термическими напряжениями из-за неравномерного теплового расширения минералов. Второй вид обусловлен различными физическими и термохимическими превращениями минералов породы. |