Горные породы как объект горных разработок
ВВЕДЕНИЕ
Горные породы, как и любое другое
тело, характеризуется различными физическими свойствами. На этих свойствах
основаны все методы разведочной и промысловой геофизики, так же они
используются и в горном деле. В данной работе мы рассмотрим основные физические
свойства горных пород, используемые в разведочной геофизике и горном деле. В
соответствии с классификацией
<#"887450.files/image001.gif">
При всестороннем
объемном сжатии (забой шпура, скважины) сопротивление пород увеличивается.
Сопротивление горных пород сжатию изменяется в зависимости от направления
действия сил по отношению к кристаллографическим осям, слоистости и
сланцеватости пород. Так, у сланцевых пород прочность вдоль плоскости
сланцеватости составляет 0,5-0,75 от прочности в направлении, перпендикулярном
к этой плоскости. Прочность при скалывании в 10-15 раз меньше прочности на
сжатие, а прочность при растяжении в 1,5-2 раза меньше, чем прочность при
скалывании. Твердостью называется способность пород оказывать сопротивление проникновению
в нее другого, более твердого тела и является частным случаем прочности при
местном приложении разрушающих нагрузок. Это очень важное свойство горных
пород, определяющее величину внедрения лезвия головки буров (резцов) и поэтому
существенно влияющее на скорость бурения шпуров, скважин. Различают агрегатную
твердость, т. е. твердость породы в целом, и твердость отдельных минералов, из
которых состоит порода. Агрегатная твердость зависит от твердости отдельных
минеральных зерен, цементирующего вещества и плотности горной породы. Она в
основном влияет на скорость разрушения породы при бурении шпуров. Твердость
отдельных минералов влияет на износ резцов породоразрушающего инструмента и
сказывается на интенсивности разрушения породы только во времени. Твердость
горных пород зависит также от способа приложения нагрузок, которые могут быть
статическими и динамическими. Динамическая твердость почти в 10 раз меньше
статической. Твердость можно определять различными методами: царапаньем,
затухающими колебаниями, вдавливанием штампа, истиранием, резанием, отскоком
бойка и др. Абразивностью называется способность горной породы изнашивать
контактирующие с ней поверхности горных машин или горного оборудования в
процессе их работы.
Абразивность пород
зависит от твердости породообразующих минералов, характера сцепления зерен друг
с другом, крупности и формы зерен, плотности пород и степени ее трещиноватости.
Чем тверже и крупнее зерна минералов, чем острее их ребра, тем выше
абразивность пород. Наибольшей абразивностью обладает порода с мягким цементом.
Абразивность горных пород имеет существенное влияние на технико-экономические
показатели проведения горноразведочных выработок (выбор более или менее
энергоемких и трудоемких средств бурения шпуров, погрузки породы, обмена
вагонеток и пр.).
Упругость горных пород - свойство
горных пород сопротивляться изменению их объема и формы под действием
приложенных сил. Если между деформацией и внутренними силами (напряжениями)
существует прямая пропорциональность, то тело называют абсолютно (идеально)
упругим, а возникающие изменения формы - упругими деформациями. Абсолютно
упругое тело восстанавливает свою первоначальную форму мгновенно после
прекращения действия внешних сил. Если после прекращения их действия тело
сохраняет новую форму или возвращается в исходное состояние лишь постепенно, то
его называют неабсолютно упругим или пластичным. В реальных геологических
средах под действием приложенных сил происходит как упругие, так и пластические
деформации. Когда внешние силы малы и действуют кратковременно, большинство
горных пород ведет себя подобно абсолютно упругому телу. Наоборот, при
длительном воздействии больших сил все горные породы становятся пластичными
В зависимости от целей использования упругих
параметров их определяют статическим или динамическим способом. Статические
свойства характеризуют породу при довольно длительных процессах воздействия на
нее нагрузки, в то время как динамические свойства характеризуют ее при
мгновенных воздействиях (взрывание, ударное бурение и т. п.).
. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Основными характеристиками магнитных свойств
горной породы являются общая намагниченность J, магнитная восприимчивость χ,
естественная
остаточная намагниченность Jп. Следует отметить, что при определении
намагниченности тела приходится учитывать его форму.
В общем случае связь между J и Т выражается
формулой
J=χT/(1+χN) (10)
где N - коэффициент размагничивания.
Все вещества, в том числе и породообразующие
минералы, по магнитным свойствам делятся на диамагнитные (χ<0,
µ<1),
парамагнитные (χ>0, µ>1) и
ферромагнитные (χ>0, µ>1).
Графики зависимости интенсивности намагничивания J от напряженности внешнего
намагничивающего поля Т называются кривыми намагничивания (рис.1).
Рисунок 1 - Графики намагничивания:
1-диамеагнетиков, 2-парамагнетиков, 3-5 петля гистерезиса (3-основная кривая)
Диамагнитные вещества (диамагнетики) 1 имеют
отрицательную намагниченность. Диамагнетики 1 и парамагнетики 2 намагничиваются
пропорционально напряженности внешнего магнитного поля. При снятии внешнего
поля намагниченность диамагнетиков и парамагнетиков исчезает (T=0, J=0).
Намагниченность, сохраняющаяся после прекращения
действия поля (Т = 0) называется остаточной намагниченностью Jr.
Магнитные свойства магматических пород зависят
от минерального и химического составов, размеров кристаллов ферромагнетиков, их
концентрации. Магнитная восприимчивость магматических пород зависит от типа и
размера структур, в которых они развиты: древние щиты, складчатые области, зоны
тектонической активизации; от степени проявления
гидротермально-метасоматических и гипергенных процессов, приводящих к
разрушению или образованию новых ферромагнетиков.
Метаморфические породы обладают различной
восприимчивостью, зависящей не только от содержания ферромагнитных минералов,
но и от первичного состава пород, условий их образования, типа и интенсивности
проявления метаморфизма. Относительно повышенные значения магнитной
восприимчивости могут иметь терригенные породы, заполняющие мульды, кальдеры.
У осадочных пород значения Jп, не
превышают 20-10-3А/м.
Магнитные свойства горных пород используются в
магниторазведке.
Благоприятными условиями для постановки
магнитной съемки являются: а) наличие крутых контактов между горными породами с
различными магнитными свойствами; б) значительные размеры намагниченных
объектов по сравнению с глубиной их залегания (покровы диабазов на правом крыле
антиклинали); в) наличие в магнитных породах слабомагнитных жил, даек, зон
тектонических нарушений; г) выдержанность магнитных свойств для каждой горной
породы. Этим далеко не исчерпывается большое многообразие факторов,
предопределяющих применение магнитных съемок для решения различных
геологических задач.
. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
К основным электромагнитным свойствам горных
пород относятся:
· удельное электрическое сопротивление
(ρ),
· электрохимическая активность (α),
· поляризуемость (η),
· диэлектрическая (ε)
и
магнитная (μ) проницаемости.
В электроразведке используют многие
электрические свойства пород, но важнейшим из них, измеряемым почти во всех
методах, является удельное электрическое сопротивление ρ.
Из
электрических характеристик горных пород наиболее полно изучена удельная
электропроводность среды или обратная ей величина - удельное электрическое
сопротивление ρ. Удельное
электрическое сопротивление это сопротивление, которое оказывает кубический
метр горной породы электрическому току:
где R-сопротивление вещества, Ом; l - длина
тела, м; s- поперечное сечение его м2.
Способность горных пород пропускать
электрический ток определяется их электропроводностью:
Процесс электропроводности обуславливается
направленным движением заряженных частиц (ионов, электронов, дырок) под
действием внешнего электрического поля. Единицей измерений удельной
электропроводности в системе СИ является См/м, а удельного электрического
сопротивления - Ом*м. Оно меняется в горных породах и рудах в очень широких
пределах: от 10-3до 1015Омм.
Диэлектрическая проницаемость характеризует
способность вещества изменять напряженность первичного электрического поля
вследствие явления поляризации, т.е. упорядоченной ориентировки связанных
электрических зарядов. При этом величина εпоказывает,
во сколько раз в данной среде сила взаимодействия (напряженность электрического
поля) между электрическими зарядами уменьшается по сравнению с вакуумом.
Абсолютная диэлектрическая проницаемость εа
определяется
отношением электрической индукции D к напряженности электрического поля E:
(Ф/м)
Если диэлектрическая проницаемость вакуума
обозначить через ε0,
то относительная диэлектрическая проницаемость среды:
(отн.Ед),
где диэлектрическая проницаемость вакуума 
Диэлектрическая и магнитная проницаемости играют
значительную роль лишь при электроразведке на высоких частотах. Относительная
диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличивается емкость
конденсатора, если вместо воздуха в него поместить данную породу.
Под электрохимической активностью понимается
свойство пород создавать естественные постоянные электрические поля. За
электрохимическую активность α
условно принимается коэффициент пропорциональности между потенциалом U или
напряженностью естественного электрического поля и основными
потенциалобразующими факторами, которыми они обусловлены.
Такими факторами являются: концентрация
кислорода, водородный показатель кислотности подземных вод, отношение
концентрации подземных вод, давление и др.
Коэффициент α измеряется
в милливольтах.
Способность пород поляризоваться, т.е.
накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после отключения
этого тока оценивается коэффициентом поляризуемости η
("эта").
Величина η вычисляется
в процентах как отношение напряжения, которое остается в измерительной линии МN
по истечении определенного времени (обычно 0,5-1 с) после размывания токовой
цепи ΔUВПк
напряжению в той же линии при пропускании тока ΔU, т.е.:
Поляризация - это сложный электрохимический
процесс, протекающий при пропускании через породу постоянного или
низкочастотного переменного (до 10 Гц) тока.
Минералы по удельному сопротивлению можно
разбить на три группы:
1. плохие проводники ρ>
108
Ом.м
2. Средние проводники ρ
=102-107Ом.м
. Хорошие проводники ρ<10
Ом.м
Основные факторы, оказывающие влияние на
удельное сопротивление минералов и горных пород.
Удельное электрическое сопротивление горных
пород и минералов изменяется в очень широких пределах от 10-8до 1012Ом·м.
Численные значения удельного электрического сопротивления горных пород
определяются объемными соотношениями различных фаз, составляющих породу и
обладающих различной электропроводностью.
Наиболее часто приходится сталкиваться с
влиянием на величину удельного электрического сопротивления следующих факторов:
· водонасыщенность породы (влажность);
· минерализация поровой влаги (степень
засоленности);
· пористость, структура порового
пространства;
· водопроницаемость;
· литологический состав пород,
глинистость;
· температура;
· давление.
Несмотря на зависимость удельного электрического
сопротивления от множества факторов и широкий диапазон изменения у разных
пород, основные закономерности удельного электрического сопротивления
установлены достаточно четко.
Изверженные и метаморфические породы
характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 до 10000 Омм). Среди осадочных
пород высокие сопротивления (100 - 1000 Омм) у каменной соли, гипcов, известняков,
песчаников и некоторых других.
Величина диэлектрической проницаемости меняется
от нескольких единиц (у сухих осадочных пород) до 80 (у воды) и зависит, в
основном, от процентного содержания воды и от минералогического состава породы.
У изверженных пород ε меняется от
5 до 12 единиц, у осадочных - от 2-3 (у сухих) до 16-40 (у полностью насыщенных
водой пород).
Естественная электрохимическая активность горных
пород характеризует возникшие в горных породах электрические поля под действием
ряда физико-химических процессов. К числу таких процессов относятся:
диффузионные, диффузионно-абсорбционные фильтрация пластовых вод в пористой
среде, окислительно-восстановительные реакции, происходящие на контакте ионных
и электронных проводников.
Величина электрохимической активности
(коэффициент α) меняется от
-(10-15) мВ у чистых песков, близко к нулю у скальных пород, возрастает до
+(20-40 мВ) у глин и до сотен милливольт для руд с электронопроводящими
минералами (сульфиды, графит, антрацит). В целом α зависит
от многих природных факторов (минерального состава, глинистости, пористости,
проницаемости, влажности, минерализации подземных вод и др.).
Наибольшей поляризуемостью отличаются руды с
электронной проводимостью (сульфиды, сульфосоли, некоторые самородные металлы,
отдельные окислы, графит, антрацит). Коэффициенты поляризуемости до 2-6%
наблюдаются над обводненными рыхлыми осадочными породами, в которых имеются
глинистые частицы. Большинство изверженных, метаморфических и осадочных пород,
насыщенных минеральной водой, слабо поляризуются (меньше 2%).
5. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
До настоящего времени
теплофизические свойства горных пород изучены недостаточно, а прочностные и
теплотехнические расчеты производятся по очень упрощенным методам. Теплопроводность,
l 
;
теплоемкость, c
;
температуропроводность, а (м2/c); теплоусвояемость b
,
определяющие процессы распространения теплоты, зависят от их химического
состава, кристаллической системы составляющих минералов, их размеров,
содержания кристаллической и стекловидной (аморфной) фаз, пористости, степени
насыщения влагой, температуры, давления и т.д.).
Коэффициент теплопроводности численно равен
количеству теплоты, проходящему в единицу времени через две противоположные
грани единицы объема породы, на которых поддерживается разность температур в
один градус.
Теплоемкость горной породы сп может
быть рассчитана как сумма относительных теплоемкостей сi
составляющих ее минералов
где ni - относительное массовое
содержание минерала в породе. В пористой горной породе ni
соответствует значению пористости, а сi - теплоемкости воздуха.
Удельная теплоемкость каждого из минералов сi,
входящих в состав породы, рассчитывался по формуле
где сА - атомная теплоемкость, равная
произведению относительной атомной массы на удельную теплоемкость минерала.
Установлено, что сА практически для всех минералов постоянна и равна
25 Дж/(моль×К).
Температуропроводность горной породы
характеризует скорость выравнивания температуры и определяется как отношение
теплопроводности к объемной теплоемкости
ап = lп/спrп,
Теплоусвояемость горной породы характеризует ее
теплоаккумуляционные свойства. Величина теплоусвояемости вычисляется по формуле
. ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем
больше концентрация в них естественных радиоактивных элементов семейств урана,
тория, а также калия-40. По радиоактивности (радиологическим свойствам)
породообразующие минералы подразделяют на четыре группы.
. Наибольшей радиоактивностью отличаются
минералы урана (первичные - уранит, настуран, вторичные - карбонаты, фосфаты,
сульфаты уранила и др.), тория (торианит, торит, монацит и др.), а также
находящиеся в рассеянном состоянии элементы семейства урана, тория и др.
. Высокой радиоактивностью характеризуются
широко распространенные минералы, содержащие калий-40 (полевые шпаты, калийные
соли).
. Средней радиоактивностью отличаются такие
минералы, как магнетит, лимонит, сульфиды и др.
. Низкой радиоактивностью обладают кварц,
кальцит, гипс, каменная соль и др.
В этой классификации радиоактивность соседних
групп возрастает примерно на порядок.
Радиоактивность горных пород определяется,
прежде всего, радиоактивностью породообразующих минералов. В зависимости от
качественного и количественного состава минералов, условий образования,
возраста и степени метаморфизма их радиоактивность изменяется в очень широких
пределах. Радиоактивность пород и руд по эквивалентному процентному содержанию
урана принято подразделять на следующие группы:
. породы практически нерадиоактивные (U< 10-5
%);
. породы средней радиоактивности (U< 10-4
%);
. высокорадиоактивные породы и убогие руды
(U< 10-3 %);
. бедные радиоактивные руды (U< 10-2
%);
. рядовые и богатые радиоактивные руды (U<
0,1 %).
К практически нерадиоактивным относятся такие
осадочные породы, как ангидрит, гипс, каменная соль, известняк, доломит,
кварцевый песок и др., а также ультраосновные, основные и средние породы.
Средней радиоактивностью отличаются кислые
изверженные породы, а из осадочных - песчаник, глина и особенно тонкодисперсный
морской ил, обладающий способностью адсорбировать радиоактивные элементы,
растворенные в воде.
Радиоактивные руды (от убогих до богатых)
встречаются на урановых или ураново-ториевых месторождениях эндогенного и
экзогенного происхождения. Их радиоактивность изменяется в широких пределах и
зависит от содержания урана, тория, радия и других элементов. С
радиоактивностью горных пород тесно связана радиоактивность природных вод и
газов.
Кроме общей концентрации радиоактивных
элементов, важной характеристикой радиоактивности сред является энергетический
спектр излучения или интервал распределения энергии. Энергия альфа-, бета- и
гамма-излучения каждого радиоактивного элемента либо постоянна, либо заключена
в определенном спектре. В частности, по наиболее жесткому и проникающему гамма-излучению
каждый радиоактивный элемент характеризуется определенным энергетическим
спектром.
Например, для урано-радиевого ряда максимальная
энергия гамма-излучения не превышает 1,76 МэВ (меггаэлектрона-вольт), а
суммарный спектр 0,65 МэВ, для ториевого ряда аналогичные параметры составляют
2,62 и 1 МэВ. Энергия гамма-излучения калия-40 постоянна (1,46 МэВ).
Таким образом, по суммарной интенсивности
гамма-излучения можно оценить наличие и концентрацию радиоактивных элементов, а
анализируя спектральную характеристику (энергетический спектр), можно
определить концентрацию урана, тория или калия-40 в отдельности.
Под ядерно-физическими (гамма- и нейтронными)
свойствами горных пород понимают их способность по-разному рассеивать,
замедлять и поглощать гамма-кванты или нейтроны разных энергий.
Эти свойства вытекают из физических явлений,
которые сопровождают взаимодействие гамма-квантов с электронами и ядрами атомов
или нейтронов с ядрами атомов.
Наиболее вероятные процессы взаимодействия
гамма-излучения с веществом являются:
· фотоэлектрическое поглощение;
· неупругое рассеяние на свободных электронах
(комптоновское взаимодействие)
· полное поглощение излучения в поле ядра
(образование электронно-позитронных пар).
К взаимодействию нейтронного излучения с
веществом относится неупругое и упругое рассеяние и поглощение,
сопровождающееся захватом тепловых нейтронов ядрами атомов и вторичным
гамма-излучением.
Основным гамма-лучевым свойством породы является
ее способность поглощать и рассеивать гамма-лучи. Количественно это свойство
описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения μγ
или суммарным (полным) макроскопическим сечением взаимодействия гамма-лучей с
единицей объема горной породы.
На изменении этих свойств основаны методы
изучения химического состава и плотности горных пород по интенсивности
вторичного (рассеянного) гамма-излучения.
При этом комптоновское рассеяние зависит от
плотности, а фотоэффект - от химического состава и концентраций химических
элементов
Основным нейтронным свойством горных пород и
сред является их способность поглощать и рассеивать нейтроны. Количественно это
свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения μп
или суммарным (полным) макроскопическим взаимодействием нейтронов с единицей
объема горной породы.
Процесс захвата нейтронов сопровождается
излучением вторичных гамма-квантов. Способность горных пород поглощать тепловые
нейтроны выражаются через среднюю длину диффузии L д или
пропорциональное ей среднее время жизни тепловых нейтронов τтп
. Наименьшими значениями этих параметров (L д < 5 см, τтп
<5 мкс) отличаются руды, содержащие химические элементы с высоким сечением
поглощения нейтронов (редкоземельные, кадмий, бор, ртуть, железо, хлор и др.),
и рыхлые осадочные породы, насыщенные минерализованными водами.
Важным параметром среды является также
коэффициент диффузии
(7.10)
Постоянными величинами диффузионных параметров
характеризуются неглинистые и незагипсованные карбонатные отложения.
Доломитизация известняков, сопровождающая повышенным содержанием магния,
увеличивает значение τ.
На изменении перечисленных нейтронных свойств
химических элементов основаны нейтронные методы поэлементного анализа горных
пород и их водонефтегазонасыщенности. Они сводятся к изучению плотности
(интенсивности) тепловых нейтронов I пп или вторичного гамма-излучения
I пγ
.
. ВОЛНОВЫЕ (АКУСТИЧЕСКИЕ) СВОЙСТВА
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 <http://www.mining-enc.ru/t/treschinovatost-/> массива,
эффективности ударного или взрывного воздействия на горные породы, при выборе
звукоизолирующих материалов из природного камня.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Горная порода, или как чаще говорят, порода,
представляет собой сочетание минералов естественного происхождения.
Свойства горных пород. обусловлены их
минеральным составом и строением, а также внешними условиями. Важными
параметрами, определяющими свойства, являются её плотность. Такие свойства, как
теплоёмкость, коэффициент объёмного теплового расширения и др. определяются в
первую очередь минеральным составом, прочностные же и упругие свойства горных
пород, их теплопроводность и электропроводность зависят главным образом от
строения пород и особенно сил связей между зёрнами. Свойства горных пород
зависят также от воздействия механического. (давление), теплового
(температура), электрического, магнитного, радиационного (напряжённости) и вещественного
(насыщенность жидкостями, газами и т. д.) полей.
Как объект горных разработок горные породы
характеризуются различными технологическими свойствами - крепостью,
абразивностью, твёрдостью, буримостью, взрываемостью и т. д. Крепость оценивает
сопротивляемость пород механическому разрушению, абразивность - способность
пород истирать режущие кромки рабочих механизмов и т. д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коллектив А.В Словарь по геологии
нефти и газа 1988 с 608.
2. Физические свойства горных пород
и полезных ископаемых (Справочник) Москва, «НЕДРА» 1984 с 201, с 189, с
112-140.
3. Добрынин В.М., Вендельштейн
Б.Ю., Кожевников Д.А. - Петрофизика (2004)