Горные породы. Их свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)

Политехнический институт

Факультет «Материаловедение и металлургические технологии»

Кафедра «Техника и технологии в металлургии»

КОНТРОЛЬНАЯ работа

по дисциплине «Горное дело»

Горные породы. Их свойства

В.С. Окороков

Челябинск 2018

Горные породы - естественные агрегаты минералов

Отличаются друг от друга химическим составом, размером и строением слагающих их частиц (структурой), расположением этих частиц в пространстве (текстурой) и другими физическими свойствами (цветом, плотностью, хрупкостью и т.д.).

Главным признаком разделения пород является их происхождение, или генезис, по которому породы делятся на осадочные, магматические и метаморфические. горная порода взрывчатый осадочный

Магматические породы

Магматические породы называют также первичными. Их формирование происходит путем остывания магмы в разных термодинамических условиях коры планеты и ее поверхности, обусловленных совокупным воздействием температур и давления, а также минеральным и химическим составом расплава. Породы данного типа имеют несколько собственных классификаций. Так, по глубине формирования их подразделяют на интрузивные и эффузивные. Первые образуются в недрах при медленном остывании расплава. Обычно отличаются хорошей раскристаллизованностью. Они включают гипабиссальные (до 3 км), мезоабисссальные (3 -- 10 км), абиссальные (от 10 км) варианты, дифференцируемые по глубине формирования. К тому же выделяют простые и сложные интрузивы. Первые образуются в ходе одного этапа внедрения магмы, а вторые являются результатом последовательного внедрения нескольких фаз. Причем во втором случае интрузивные тела могут включать несколько пород ввиду различного состава магмы разных этапов. Также учитывают соотношение складчатости и времени внедрения магмы. На основе данного критерия интрузивы дифференцируют на до-, со- и послескладчатые либо до-, син- и посторогенные соответственно. Наконец, для классифицирования интрузивных пород используют отношение к вмещающим толщам. По данному признаку выделяют согласные и несогласные тела (конкордатные и дискордатные соответственно). Эффузивные породы формируются при изливании на поверхность магмы. Менее известен тип гипабиссальных пород. Они отличаются от интрузивных меньшей глубиной формирования и обычно неравномернозернистой структурой. Следует отметить, что существуют магматические породы, формирующиеся осадочным механизмом. Это расслоенные основные интрузии, имеющие осадочные текстурные признаки. Они образуются путем гравитационного осаждения из расплава минералов. Кроме того, существует несколько классификаций магматических пород по составу. Одним из критериев разделения по данному принципу является содержание SiO2. В соответствии с этим выделяют кислые (>65% SiO2), средние (54 -- 65%), основные (45 -- 54%), ультраосновные (<45%). В другой классификации в качестве критерия используют содержание щелочей. Она подразумевает выделение щелочной, субщелочной, нормальной серий.

Осадочные породы

Осадочные породы образованы на поверхности планеты или вблизи нее в условиях малой температуры и давления. Их называют также вторичными ввиду того, что они представлены результатом переотложения продуктов разрушения ранее образованных прочих пород, выпадения химических элементов и соединений из воды и аккумуляции продуктов жизнедеятельности организмов. Данные тела характеризуются слоистостью и залеганием в виде пластов. Осадочные породы классифицируют по способу формирования на механогенные (продукты механического разрушения, сохранившие наиболее устойчивые ассоциации минералов), хемогенные (образуются в результате осаждения из растворов), органогенные (также формируются путем осаждения, но органических веществ), смешанные ( переходные типы осадочных пород, формирующиеся в результате смешения материалов различного генезиса). Нужно отметить, что механогенные породы называют также обломочными и терригенными. Первый термин, как было отмечено, отражает механизм формирования и переноса, второй -- состав, третий -- источник исходного материала (хотя такие породы образуются и в подводных условиях). Механогенные породы классифицируют на основе их признаков: по размеру частиц: псефитовая (>2 мм), псаммитовая (0,1 -- 2 мм), алевритовая (0,01 -- 0,1 мм), пелитовая (<0,01 мм) фракции, включающие более мелкие подразделения; по наличию связи обломков между собой: рыхлые, сцементированные; по форме обломков (псефитовой фракции): угловатые, окатанные. Три названных классификации взаимосвязаны. Так, псефитовая фракция рыхлых пород включает глыбы, щебень, дресву (угловатые) и валуны, гальку, гравий (окатанные). Среди сцементированных пород им соответствуют брекчии (угловатые) и конгломераты (окатанные). Более мелкие фракции представлены песками (псаммитовая фракция) и алевритами (алевритовая) для рыхлых пород и песчаниками и алевролитами соответственно для сцементированных. Пелитовая фракция включает лишь окатанные частицы: глину (рыхлая) и аргиллит (сцементированная). Хемогенные породы также классифицируют по размеру частиц: грубо- (>1 мм), крупно- (1 -- 0,5 мм), средне- (0,5 -- 0,1 мм), мелко- (0,1 -- 0,05 мм), тонкозернистая (0,05 -- 0,01 мм), пелитоморфная (<0,01 мм) структуры. По составу осадочные породы подразделяют на глинистые, обломочные, глауконитовые, марганцевые, глиноземистые, железистые, фосфатные, кремнистые, соли, карбонатные, каустобиолиты и др.

Метаморфические породы

Метаморфические породы (измененные) образуются из осадочных и магматических в результате их преобразования под воздействием давления, минерализованных растворов, температуры, раскаленных газов и т. д. Выделяют отличающийся большей температурой ультраметаморфизм. Данный процесс приводит к стиранию грани между метаморфическими и магматическими породами. Это объясняется плавлением подвергшихся его влиянию пород и взаимодействием образовавшегося расплава с магмой. Кроме того, существует неопределенность относительно типа мантийных пород. Прежде всего, это обусловлено неясностью исходного состояния самой мантии. К тому же при попадании туда пород из вышележащих слоев они в любом случае растворяются. Хотя по минералогии мантийные породы идентичны магматическим.

Метасоматические породы

Помимо названных типов, выделяют метасоматические породы. Метасоматизм (метасоматоз) - это процесс взаимодействия пород с фильтрующимися сквозь них жидкими фазами, представленными водными многокомпонентными растворами, карбонатными, силикатными и прочими расплавами. При этом породы сохраняют твердое состояние, а их химический состав изменяется ввиду замены растворенных ранее существовавших минералов отложениями новых минеральных фаз. Продукты метасоматизма называют метасоматитами или метасоматическими породами. Помимо этого, существует промежуточный вид пород, совмещающий признаки осадочных и магматических -- эффузивно-осадочные. По количеству агрегатов горные породы классифицируют на мономинеральные, т. е. состоящие из зерен одного минерала, и полиминеральные, сформированные путем срастания большего количества минералов.

Возраст горных пород

Одна из основных задач геологических наук состоит в определении возраста пород. С этой целью применяют две группы методов: относительные и абсолютные. Первые подразумевают определение возраста пород относительно друг друга. То есть таким способом выясняют, какие породы моложе, какие древнее. Данная группа включает два метода: стратиграфический и палеонтологический. Оба они основаны на том, что в земной коре породы залегают слоями. Стратиграфический метод подразумевает изучение их взаимного расположения. Если на протяжении геологической истории их последовательность не была нарушена тектоническими процессами, то самые верхние слои будут иметь наиболее молодой возраст. В палеонтологическом методе используют ископаемые органические остатки. Он основан на обнаруженных Смитом закономерностях: слои одного возраста содержат остатки идентичных видов, органические остатки расположены в вертикальном направлении в определенном порядке. Методы установления абсолютного возраста используют для выяснения точного возраста пород. Это осуществляют путём использования входящих в их состав радиоактивных элементов, которые подвергаются со временем распаду. Данный процесс протекает внутри породы постоянно и с одинаковой скоростью и никак не зависит от изменения внешней среды. Находящиеся в ней радиоактивные вещества распадаются природным путём на элементарные частицы. Точный возраст породы в сотнях, тысячах, десятках тысяч и миллионах лет определяется путем расчета отношения массы вновь образованного элемента к массе какого-либо используемого изотопа из ряда радиоактивных элементов (238U, 232Th, 235U, 87Sr, 40K, 3H, 14C). Выбор конкретного изотопа из них определяется периодом его полураспада. Так, чтобы рассчитать возраст молодых пород, применяют изотопа углерода 14С. С учетом его высокой скорости распада данный метод используют для древесины, торфа и т. д. в пределах 50 тыс. лет. Изотопы с длительным периодом полураспада (уран-свинцовый, свинец-свинцовый, торий-свинцовый, калий-аргоновый, самарий-неодимовый, рубидий стронциевый и др. методы) подходят для пород с диапазоном формирования более 3,5 млрд. лет. С применением рубидий-стронциевого и уран-свинцового методов выясняют возраст в пределе 100 млн. - 5 млрд. лет.

Свойства горных пород

Морфологические особенности пород объединены в текстуры и структуры. Структура представлена совокупностью параметров строения пород, обусловленных формой и размерами зерен, кристалличностью, соотношением цемента и частей минеральных компонентов. Магматические породы имеют три структуры, дифференцируемые по кристалличности: полнокристаллическую (порода представлена полностью кристаллическими зернами без стекла); неполнокристаллическую (включает и кристаллические зерна, и вулканическое стекло); стекловатую (состоит из вулканического стекла). По размеру кристаллических зерен выделяют явно и скрытокристаллическую (афанитовую) структуры. В первой минеральные зерна явно различимы, а во второй могут быть обнаружены микроскопом. По абсолютному размеру кристаллов структуры подразделяют на крупно- (>5 мм), средне- (2 -- 5 мм), мелкозернистую (2 -- 0,5 мм). По относительному их размеру -- на равномерно и неравномернозернистые (зерна примерно одинакового или разного размера соответственно).

Структуры осадочных пород дифференцируют по форме кристаллов:

- равномерно- и неравномернозернистая (на основе соотношения зерен по размеру);

- оолитовая (зерна в виде мелких шаровых стяжений);

- листоватая (листовато-слоистое сложение);

- волокнистая или игольчатая (определяется величиной и формой слагающих минералов);

- брекчиевидная (представлена сцементированными остроугольными обломками);

- органогенная (включает криноидную, пелиципоидную, коралловую, смешанные, мшанковую, водорослевую, фораминиферовую и др. варианты).

На основе сохранности выделяют следующие осадочные структуры:

-биоморфную (хорошо сохранившиеся органические остатки);

- детритовую или детритусовую (обломки скелетов) (включает крупно- и мелкодетритовый варианты);

- органогенно-обломочную (представлена окатанными близкими по размеру обломками раковин);

-пелиморфную (характерна для осадочных пород смешанного происхождения).

Метаморфические породы имеют структуры, формирующиеся в результате твердой перекристаллизации (кристаллобластеза), поэтому они называются кристаллобластовыми. В соответствии с формой зерен их подразделяют на:

-гранобластовую (изометрические зерна);

-нематобластовую (длиннопризматические или игольчатые);

- лепидобластовую (листоватые или чешуйчатые);

- фибробластовую (волокнистые).

К тому же метаморфические структуры классифицируют по размеру зерен:

- гомеобластовая (одинаковый размер);

- порфиробластовая (крупные кристаллы среди преобладающих мелких);

- гетеробластовая (разные размеры);

- ситовидная (мелкие вростки минерала в кристаллах другого);

- пойкилобластовая (мелкие минеральные вростки).

Текстура представлена совокупностью параметров, обусловленных взаимным расположением и распределением компонентов горных пород в объеме. Она отражает параметры облика, такие как слоистость, пористость, сланцеватость, массивность, расцветка. Выделяют однородную и неоднородную магматические текстуры. Первая состоит в равномерном распределении минеральных компонентов без ориентировки. То есть в любой части состав породы и ее строение идентичны. Это свидетельствует о стабильных кристаллизационных условиях. Неоднородная текстура включает несколько видов:

- такситовую (шлировая) (пятнистое распределение компонентов породы, отличия в составе и структуре);

- флюидальную (потокообразное расположение компонентов стекловатых и полустекловатых пород); пористую (пузыристая, пузырчатая) (наличие пустот от газов; включает губчатую, шлаковую и пемзовую разновидности);

- миндалекаменную (пустоты заполнены новообразованиями минералов).

Для осадочных пород выделяют текстуры поверхности слоя и внутрислоевые.

Первые представлены:

- рябью (формируется под действием воды и ветра), включающей эоловую рябь (ветровая небольшая, несимметричная рябь с небольшими колебаниями), рябь волнений (параллельная водная), течений (водная, похожа на эоловую, но с большей амплитудой);

- знаками струй (извилистые желоба, образующиеся от стекающей приливной воды);

- знаками прибоя (маленькие хребты наносного материала);

-отпечатками кристаллов (полости от растворенных кристаллов солей);

-отпечатками капель дождя и следами выхода газа (округлые углубления с приподнятыми краями и гладкие углубления с ровными краями соответственно);

- трещинами высыхания (узкие желобки); оставленными животными отпечатками (окаменелые органические остатки и следы их перемещения);

-конкрециями и оолитами (неорганические включения); стилолитами (извилистые зоны растворения).

К внутрислоевым текстурам относят:

- массивную (беспорядочное расположение компонентов);

- слоистую (чередование слоев нескольких разностей пород: горизонтальная (параллельная ориентировка плоскостей напластования и элементарных слоев) и косая (имеет многообразные формы));

- флюидальную (подвергшийся механическому воздействию полувязкий осадок);

- текстуру замещения (замещение одного минерала другим);

- текстуру перекристаллизации и грануляции (включает брекчиевидную, обломочную, комковатую, игольчатую, волокнистую, радиальную, концентрическую).

Метаморфические породы имеют следующие текстуры:

- сланцевую (представлена тонкими плитками и пластинами);

- полосчатую (чередование полос, отличающихся минеральным составом, унаследованное от осадочных пород);

- пятнистую (пятна различного состава и свойств); массивную (без ориентировки);

- плойчатую (образовавшиеся под давлением складки);

- миндалекаменную (округлые или овальные включения в сланцеватой массе);

-катакластическую (деформированные и раздробленные минералы).

Свойства пород обусовлены строением и составом и взаимосвязаны друг с другом. Так, повышение пористости ведет к снижению прочности, плотности, тепло-, электропроводности, диэлектрической, магнитной проницаемости, но при этом возрастает влагоемкость и водопроницаемость. Многие характеристики обусловлены минеральным составом (теплоемкость, модуль объемного сжатия, коэффициент теплового расширения и др.). Прочность, тепло-, электропроводность, упругость зависят к тому же от строения. Механические параметры определяются, прежде всего, прочностью связей частиц, тепловые и электрические -- ориентировкой зерен и наличием проводящих непрерывных каналов. Кроме того, на многие свойства влияет ориентировка относительно слоистости: вдоль нее высше предел прочности при растяжении, электропроводность, модуль продольной упругости, теплопроводность, диэлектрическая проницаемость, в то время как предел прочности при сжатии лучше наоборот поперек слоистости. Также большое значение имеет размер зерен. Мелкозернистые породы более прочные и упругие но характеризуются меньшими тепло- и электропроводностью. Впрочем, последнее характерно и для многих других пород. Лучшими в этом отношении являются малопористые варианты, включающие минералы-проводники.

По магнитной восприимчивости большинство пород относятся к пара- и диамагнетикам. Упругие характеристики обуславливают акустические параметры, а магнитные и электрические -- электромагнитные. Помимо физических характеристик пород, используют и другие.

Так, для строительной и отделочной сферы актуальна декоративность, под которой понимают эстетическую привлекательность, определяемую, прежде всего, окраской и текстурой.

Далее рассмотрено значение воздействия на породы факторов метаморфизма: температуры, радиоактивности, давления, магнитного и электрического полей, радиоактивности, газов, жидкостей. Так, насыщение водой скальных пород ведет к возрастанию упругости, электро- и теплопроводности, теплоемкости. Аналогичное воздействие на включающие легкорастворимые минералы и глинистые породы ухудшает их упругость и прочность. Воздействие давления ведет к деформации пород, уплотнению, росту площадь контакта зерен. Это обычно приводит к повышению прочности, электро- и теплопроводности. Термическое воздействие обычно сокращает упругость, теплопроводность, прочность и повышает пластичность, теплоемкость, диэлектрическую проницаемость, электропроводность. К тому же это приводит к появлению внутренних термонапряжений в результате разного теплового расширения зерен разных минералов. Вследствие этого на основе направления результирующих напряжений изменяются упругость и прочность.

Кроме того, термическое воздействие ведет к преобразованию кристаллической решетки путем полиморфных превращений. В результате образуются аномальные точки графика зависимости параметров от температуры. Наконец, под влиянием высокой температуры происходит спекание, дегидратация, плавление, возгонка некоторых минералов, что также ведет к изменению характеристик. Влияние электрических и магнитных полей вызывает соответствующую переориентировку (поляризация и намагничивание), электронное и ионное возбуждение. Так, вследствие повышения напряженности возрастают магнитная и диэлектрическая проницаемость

Хранение и транспортировка взрывчатых веществ

Правила перевозки и хранения взрывчатых веществ установлены правилами безопасности при взрывных работах.

Хранить взрывчатые вещества на шахте разрешается в специальных складах. Тип складов, количество взрывчатых веществ и средств взрывания для хранения в них определяются правилами безопасности при взрывных работах. На строящихся шахтах и карьерах взрывчатые вещества и СВ хранят в складах на поверхности. На действующих шахтах склады устраивают под землей. Взрывчатые вещества и средства взрывания хранят в отдельных помещениях склада. На шахтный склад, который является расходным складом, взрывчатые материалы (ВМ) завозятся с базисного склада. Базисный склад служит для снабжения взрывчатыми материалами нескольких близкорасположенных шахт и разрезов. Разрешается устраивать в шахтах, имеющих склады ВМ, отдельные раздаточные камеры, приближенные к месту основных горных работ.
С поверхности ВВ и СВ спускают по стволу клетевым подъемом и транспортируют до склада по рельсовым путям. При перевозке ВМ люди, не связанные с этой работой, должны быть удалены. Склад ВМ под землей находится под постоянным наблюдением и охраной. Переноска ВМ от подземных складов до забоев производится взрывником или обученными рабочими под наблюдением взрывника.

Система разработки сближенных пластов

Кривизна краевых зон сдвижения уменьшается с увеличением расстояния от пласта. Поэтому, чем больше мощность междупластья, тем создаются лучшие условия для выемки подработанного пласта. Влияние мощности междупластья на условия разработки части пласта, расположенной в зоне полной подработки, значительно меньше, чем в той части, которая находится в зоне опасных деформаций.

Пласты, для рациональной разработки которых необходимо учитывать их совместное залегание, называют сближенными.

Пласты в свите по сближенности разделяют на три категории: несближенные (одиночные), сближенные неподрабатываемые и сближенные подрабатываемые. К категории несближенных относят отдельные пласты, отрабатываемые как одиночные, и пласты, мощность междупластья которых (при креплении выработок податливой крепью) изменяется от 50 до 180 м и определяется с учетом Указаний по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. Разработка несближенных пластов, не опасных по горным ударам и выбросам угля и газа, допускается как в нисходящем, так и в восходящем порядке независимо друг от друга без ограничений по времени подготовки и отработки, пространственному расположению очистных забоев и выработок.

К категории сближенных неподрабатываемых пластов относят смежные пласты, мощность междупластья которых при отработке пластов с полным обрушением пород кровли превышает шесть мощностей нижележащего пласта (М ? 6 т). Их можно отрабатывать в нисходящем и восходящем порядке. При работе с обрушением восходящий порядок допускается при междупластьях более 12 м.

При последовательной разработке пластов, когда подготовка смежного пласта осуществляется после полной отработки предыдущего, на каждом из них допускаются любые, наиболее соответствующие горно-геологическим условиям системы разработки без оставления целиков, в том числе с любыми направлениями подвигания очистных забоев и фронта очистных работ.
При одновременной разработке сближенных неподрабатываемых пластов в нисходящем и восходящем порядках необходимо применять системы разработки с подвиганием фронта очистных работ в одном направлении и с регламентируемым опережением по простиранию и падению очистных забоев на смежных пластах: при нисходящем порядке на расстояние, равное ширине зоны опорного давления на нижележащем пласте, а при отсутствии данных о ее ширине -- не менее 100 м; при восходящем порядке на расстояние, равное трем шагам обрушения основной кровли нижележащего пласта, а при отсутствии данных о его величине -- не менее 200 м.

Размещено на Allbest.ru