Тепловые свойства горных пород

Передача тепла в пористых породах может происходить как путем теплопроводности, так и путем конвекции заполнителя порового пространства (теплоотдачи). Однако если размеры пор по сравнению с исследуемым объектом малы, то явление конвекции можно не учитывать. Например, доля конвективного теплового потока в порах с радиусом 3 мм составляет 0,13% от общего теплового потока. Можно не учитывать явление передачи тепла излучением, если температура нагрева породы не превышает 1000К.

В трещиноватых породах теплопроводность существенно снижается при расположении трещин перпендикулярно тепловому потоку. Существенен также состав газов, заполняющих поры. Водород обладает теплопроводностью в 7 раз большей, чем воздух, поэтому и теплопроводность пород, содержащих водород больше при одинаковой пористости.

Способность пород изменять свои размеры при изменении температуры характеризуется коэффициентом линейного (б) или объемного расширения (гТ) расширения.

Коэффициент объемного расширения (гТ) горной породы определяется значениямигТi, величинами модулей всестороннего сжатия Кi слагающих минералов и относительным их объемным содержанием Vi. Если порода при нагревании не разрушается, то

Для горных пород коэффициент линейного расширения с точностью до бесконечно малых величин гТ = 3. Кристаллы и слоистые породы являются анизотропными в отношении теплового расширения, т.к. имеют различное тепловое расширение в разных направлениях, т.е.

Тепловые свойства горных пород определяются методами стационарных и нестационарных потоков. Установлено влияние химического состава пород на их тепловое линейное расширение. Пористость, трещиноватость, пустоты в горной породе приводят к снижению коэффициента теплового расширения.

Зависимость коэффициента теплового расширения от пористости имеет вид:

тепловой горный анизотропия порода

где гТ.0 - коэффициент объемного теплового расширения минеральной фазы породы.

Методы определения плотностных свойств

Наибольший интерес в геомеханике из плотностных свойств представляют объемный вес, объёмная масса (плотность), удельный вес, и пористость.

В лабораторных условиях на образцах пород обычно определяют объемный вес g и удельный вес g₀. Далее рассчитывают плотность (объемную массу) r и удельную массу r₀. Общую пористость также определяют расчетным путем, используя полученные экспериментально значения удельного g₀ и объемного веса g.

(1)

Для экспериментального определения объемного веса породы требуется знать вес и объем образца. Если определения ведут на образцах правильной геометрической формы, то вес устанавливают путем взвешивания на лабораторных весах, а объем - путем измерения линейных размеров. В случае испытания образцов неправильной геометрической формы для определения объемного веса используют метод гидростатического взвешивания.

В последние годы для лабораторного определения плотности (и объемного веса) пород широко используют гамма-метод (в модификации узкого пучка). При этом испытуемый образец породы помещают между источником радиоактивного гамма-излучения и детектором (рис. 1).

Рис 1 Схема лабораторной установки для измерения плотности горных пород гамма-методом: 1 - источник гамма-излучения; 2 - детектор; 3 - образец породы; 4 - радиометр для регистрации гамма-излучения

Зная гамма-активность источника, расстояние r между источником и детектором и толщину d образца и регистрируя интенсивность гамма-излучения, прошедшего через образец породы, определяют по специальным номограммам плотность породы r. Гамма-метод определения плотности отличается простотой и высокой производительностью измерений с применением несложной серийной аппаратуры и обеспечивает точность 1-3 %.

Определение удельной массы r₀ (удельного веса g₀) в принципе не отличается от определений объёмного веса и плотности, но при этом необходимо обеспечить вскрытие всех пор и удаление газовой и жидкостной составляющих испытуемой породы.

В некоторых задачах геомеханики, и особенно при физической интерпретации результатов наблюдений, в ряде случаев требуются сведения о влажности пород. Влажность выражают процентным отношением веса воды, содержавшейся в образце породы, к весу образца после его высушивания. Для определения влажности образец сначала взвешивают в естественном состоянии, а затем доводят до постоянного веса в эксикаторе или в сушильном шкафу при температуре 105-110°С. Сопоставляя вес влажного образца G₁ и вес сухого образца G₂, влажность вычисляют по формуле

(2)

Методы определения деформационных и акустических свойств

Из деформационных свойств горных пород обычно определяют модуль деформации (для упругого участка деформирования - модуль упругости Е) и коэффициент поперечных деформаций (коэффициент Пуассона) n.

При этом методы их определения можно подразделить на статические и динамические.

Статические методы основаны на измерении деформаций образцов исследуемых пород под нагрузкой. Для измерения продольных и поперечных деформаций образцов при их нагружении применяют проволочные тензометры сопротивления, либо механические индикаторы часового типа.

В процессе нагружения и разгрузки с помощью автоматической записывающей аппаратуры ведут непрерывную запись деформаций, либо фиксируют деформации через определенные ступени нагружения и разгрузки.

Динамические методы определения деформационных (упругих) свойств пород основаны на измерении скоростей упругих колебаний, возбуждаемых в исследуемых образцах в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, т.е. фактически являются в то же самое время методами определения акустических свойств пород.

Эти методы разработаны значительно позднее, чем статические, но получают все большее распространение благодаря простоте, малой трудоемкости измерений и применению удобных в работе и надежных серийных измерительных приборов.

Наибольшее распространение в практике исследования свойств горных пород получил импульсный динамический метод, в основе которого лежит пропускание через образец исследуемой породы повторяющихся импульсов ультразвуковых колебаний, по значениям скоростей распространения которых рассчитывают упругие характеристики.

Определение акустических, а затем и упругих свойств импульсным динамическим методом обычно ведут путем прямого прозвучивания и продольного профилирования образцов горных пород. Для прозвучивания образца (рис. 6.3, а) к одному из его торцов прижимают ультразвуковой излучатель, а к другому - приемник (кристаллы кварца, сегнетовой соли, керамика титаната бария, магнитострикционные преобразователи и др.).

Для измерения скорости поверхностных волн V_R излучатели располагают правильно.

Следует заметить, что модуль упругости, определяемый динамическими методами, обычно бывает несколько выше, чем при статических измерениях. Это расхождение обусловлено неидеальной упругостью пород, оно минимально для весьма плотных разновидностей и возрастает по мере снижения плотности пород.

Экспериментально определив модуль продольной упругости Е и коэффициент поперечных деформаций v, можно вычислить значения модуля сдвига G и модуля всестороннего сжатия К.

Методы определения прочностных свойств

Наибольшее использование в задачах геомеханики имеют характеристики прочности при одноосных сжатии [s_сж] и растяжении [s_р], а также при срезе (сдвиге) [t_ср].

В своё время был разработан ГОСТ 21153.2-84, в соответствии с которым определение прочности пород при одноосном сжатии производится на цилиндрических образцах диаметром 40-50 мм с отношением высоты к диаметру, равным 0,9-1,1. Допускается также проводить испытания на кубических образцах со стороной размером 45?5 мм. Торцовые поверхности образцов шлифуют, их выпуклость (вогнутость) после шлифования не должна быть более 0,05 мм. Торцовые поверхности должны быть параллельны друг другу (отклонение не более 0,1 мм) и перпендикулярны к образующим цилиндра (отклонение 1,0 мм).

Для строго центрированного нагружения образца между ним и одной из плит пресса помещают шариковое центрирующее устройство. Нагружение образца производят с равномерной скоростью в пределах 1-30 кгс/(см^2.с), повышая нагрузку вплоть до разрушения образца и фиксируя значение разрушающей нагрузки.

Цилиндрические образцы пород стандартных размеров могут быть использованы и для определения предела прочности при растяжении. Определение производят методом диаметрального сжатия (рис. 6.5), так называемым “бразильским методом”.

Рис. 6.5 Определение прочности пород при растяжении методом диаметрального сжатия: 1 - испытуемый образец породы; 2 - плиты пресса

В результате диаметрального сжатия в образцах возникают растягивающие напряжения.

При массовых определениях прочностных свойств горных пород весьма удобен метод комплексного определения пределов прочности при многократном раскалывании и сжатии.

Из проб изготавливают породные пластины толщиной 20 мм со строго параллельными шлифованными гранями. Одну из граней расчерчивают на квадраты со стороной, равной толщине пластины. Затем пластину раскалывают по прочерченным линиям стальными клиньями, определяя прочность породы на растяжение.

Получаемые в результате раскалывания кубовидные образцы используют для определения предела прочности на сжатие. При этом образцы нагружают по двум параллельным шлифованным граням.

Прочность на срез (сдвиг) определяют в специальных стальных матрицах (рис. 6.7). Образец находится в условиях среза со сжатием. При испытаниях важно обеспечить равномерное распределение усилия пресса по сечению испытуемого образца. Испытания проводят на цилиндрических образцах указанных выше стандартных размеров. Зазор между разъемными половинами матрицы при вложенном в нее образце должен иметь постоянную ширину не более 2 мм.

Рис. 6.7 Схема определения прочности пород при срезе.

Методы определения запредельных характеристик

Поведение горных пород под нагрузкой в полной мере характеризуется так называемой полной кривой "напряжение-деформация", которая состоит из двух ветвей - восходящей до значения [s_сж], равного пределу прочности испытуемой породы, и ниспадающей от [s_сж] до [s_ост] - остаточной прочности (рис. 6.8).

Рис. 6.8 Типичные кривые "напряжение-деформация" для горных пород, получаемые на обычных испытательных прессах (а) и машинах с повышенной жесткостью (б). l-V - области: I - закрытия структурных дефектов, II - линейного деформирования, III - образования микротрещиноватости, IV - разветвления и слияния трещин, V - снижения грузонесущей способности

В процессе экспериментов на испытательной машине или прессе наряду с деформациями испытуемого образца деформируется и сама испытательная машина. При достижении образцом предела прочности и начале разрушения упругая энергия, накопленная испытательным оборудованием, сообщается образцу и реализуется обычно в виде очень быстрого (лавинообразного) его разрушения. При этом вид и характеристики восходящей ветви кривой деформирования практически не зависят от деформационных характеристик испытательного оборудования.

Если при испытаниях применять силовые устройства, не способные накапливать упругую энергию или исключающие ее передачу образцу после начала разрушения, то деформирование горных пород за пределом прочности будет происходить достаточно спокойно и может быть зафиксировано в виде ниспадающей ветви. Вполне естественно, что параметры ниспадающей ветви кривой деформирования в весьма существенной степени определяются деформационными характеристиками испытательного оборудования.

Деформационные характеристики силового оборудования - испытательных машин, прессов, нагрузочных приспособлений и установок - оцениваются показателем жесткости, представляющим собой отношение усилия, развиваемого оборудованием, к абсолютным деформациям, возникающим в нем. Обычные испытательные машины и прессы имеют жесткость в пределах (0,05 - 0,1) 10⁵ кгс/см.

В настоящее время разработаны многочисленные конструкции специальных компенсаторов, позволяющих увеличивать жесткость обычных испытательных машин до (1,5 - 2,5) 10⁶ кгс/см. Вместе с тем предложены и принципиально отличающиеся конструкции специальных прессов с весьма высокой степенью жесткости, позволяющие испытывать широкий круг пород в том числе и весьма хрупких. Одна из таких конструкций с жесткостью 2^.10⁷ кгс/см (автор - профессор А.Н. Ставрогин) приведена на рис. 6.9.

Рис. 6.9 Схема жесткого пресса А - плунжерный насос; Б, Г - самотормозящиеся клиновые пары; В - гидродомкрат: 1 - винт для возвращения клиновой пары Б в исходное положение; 2 - нутромер; 3 - испытываемый образец; 4 - экстензометр; 5 - жесткая рама; 6 - регулировочный винт; 7 - корпус; 8 - груз

При проведении испытаний образцы практически любых пород (вплоть до самых хрупких) деформируются без динамических явлений, спокойно, при этом, как правило, образец после испытаний сохраняет свою форму, хотя и не способен нести внешнюю нагрузку.

На рис. 6.10 представлены типичные кривые деформирования разнообразных пород, из которых следует, что остаточная прочность исследованных пород составляет не более 5% от максимальной, модули деформирования для различных ветвей кривой противоположны по знаку, причем крутизна спада всех кривых, характеризуемых модулями спада М, за исключением мрамора, превосходит модуль деформирования для восходящих ветвей деформационных кривых.

Рис.6.10 Полные кривые деформирования образцов горных пород. 1 мрамор; 2 - гранит биотитовый; 3 - плагио-гранит биотитовый; 4 - песчаник; 5 диабаз; 6 - тальк-хлорит

Методы испытаний пород при динамических нагрузках

В реальных условиях горные породы подвергаются воздействию различных нагрузок, при этом режимы нагружения могут быть самыми разнообразными - от статического до импульсного.

В принципе любые процессы нагружения являются динамическими, так как протекают в реальном времени, однако степень их динамичности различна, и в зависимости от того, насколько велик вклад сил инерции в общем балансе сил, действующих на образец или деформирующийся объем, тот или иной режим нагружения относят к категории статических или динамических.

В настоящее время не существует общепринятого критерия динамичности процесса, хотя были предложены различные классификации режимов нагружений.

По-видимому, наиболее общей характеристикой режима нагружения является скорость относительной деформации, поскольку эта характеристика определяет процесс деформирования в каждой точке деформируемого объема независимо от способа нагружения.

Различные технологические процессы в массивах горных пород можно соотнести с определенными скоростями деформации. Так, скорость деформации пород

·в выработках при длительных статических нагрузках составляет V_e = 10^-12 - 10^-10 с^-1 и менее (реологические процессы);

·при статическом режиме испытаний образцов горных пород со стандартной скоростью нагружения V_e = 10^-3 c^-1;

·при внезапных обрушениях пород кровли V_e = (10^-3 - 10¹) c^-1;

·при взрывах V_e = (10¹ - 10⁵) c^-1.

В соответствии с этим к статическому способу нагружения могут быть отнесены скорости деформации V_e <10^-3 с^-1; при скоростях деформирования 10^-3 < V_e <10² процесс нагружения может считаться квазистатическим и, наконец, скорости деформирования V_e >10² с^-1 характеризуют динамические режимы нагружения.

Для изучения закономерностей изменения деформационно - прочностных характеристик с увеличением скорости приложения нагрузок и возрастанием скорости деформирования пород наиболее рациональным является применение таких методов испытаний, которые без существенных изменений позволили бы в широком диапазоне изменять скорость деформирования пород от статических до динамических режимов приложения нагрузок.

С этой точки зрения к настоящему времени наиболее разработана методика, основанная на принципе разрезного (составного) стержня Гопкинсона. Она позволяет определять деформационно-прочностные характеристики горных пород при одноосном сжатии и растяжении (рис. 6.11).

Для автоматической регистрации усилий и деформаций на упругие элементы стержней-динамометров и боковую (или торцовую) поверхность образцов наклеивают тензодатчики, сигналы от которых фиксируются обычно светолучевыми осциллографами.

Рис. 6.11 Схема испытаний горных пород при динамическом сжатии (а) и динамическом растяжении (б). 1 - боек; 2, 3 - входной и выходной стержни-динамо-метры: 4 - образец горной породы; 5 - тензодатчики для регистрации деформаций в стержнях-динамометрах; 6 - тензодатчики для регистрации деформаций в образце

В зависимости от применяемых нагрузочных устройств испытания проводятся в различных режимах приложения нагрузок. В диапазоне статических скоростей (V_? <10^-3 с^-1) образец нагружается стационарной универсальной испытательной машиной (прессом) с усилием, необходимым для разрушения испытуемой породы. В диапазоне динамических скоростей деформаций применяют ударный способ нагружения с помощью вертикальных или горизонтальных механических или пневматических копров, пороховых или пневматических пушек, устройств взрывного типа, электрогидравлического удара и др.

Значение среднего напряжения ?_сж(t) в образце при сжатии определяется как полусумма напряжений, возникающих на контактных поверхностях образца и стержней. Максимальное значениеs_сж(t), зарегистрированное при разрушении образца, принимается в качестве его предела прочности при сжатии. Максимальное значение s_р(t) считают пределом прочности горной породы на растяжение.

Анализ экспериментальных данных показывает, что с увеличением скорости деформирования пределы прочности пород на сжатие и растяжение, а также соответствующие значения модуля упругости возрастают (рис. 6.12).

Рис 6.12 Зависимости прочностных (1) и деформационных (2) характеристик пород от скорости деформирования.a - [s_сж] и Е_сж; б - [s_р] и Е_p

Однако для прочностных характеристик, в отличие от деформационных (модуля упругости Е), изменение носит очень неравномерный характер. Так, до скоростей деформирования V_e = (10^-2- 10⁰) с^-1 коэффициент динамичности

K = s^Д/s^СТ

характеризующий возрастание динамических пределов прочности по отношению к статическим, составляет 0,4-1,2, а далее резко возрастает до 6-8. Значения коэффициента динамичности для модуля упругости плавно возрастают от К = 0,2 - 0,4 до К = 1,6- 1,8.

Методы определения реологических параметров

Как отмечалось выше, реологические свойства горных пород описывают обычно на основе теории линейных наследственных сред с использованием в качестве функции ползучести степенной зависимости.

Для такого описания необходимо экспериментально определить значения параметров ползучести a_п и d. Эти параметры определяют в лабораторных условиях при простейших напряженных состояниях испытываемых образцов - поперечном изгибе или одноосном сжатии.

В режиме поперечного изгиба испытания ведут, как правило, на образцах-балочках, размещая их на двух опорах и нагружая сосредоточенной нагрузкой в середине пролета. Для испытаний в условиях одноосного сжатия образцы, как обычно, изготавливают в виде призм или цилиндров.

При испытаниях по схеме поперечного изгиба в условиях неизменной нагрузки в течение значительного промежутка времени (многих месяцев) фиксируют изменения прогиба образцов-балочек. При испытаниях образцов в условиях одноосного сжатия измеряют продольные деформации образцов.

Результаты определения параметров a_П и d обоими способами удовлетворительно согласуются между собой.

Обычно параметры ползучести горных пород определяют в два этапа. На первом этапе устанавливают пределы прочности и общий характер деформирования испытываемых образцов. С целью экономии времени испытания на этом этапе ведут в режиме последовательного ступенчатого нагружения серии из 4-5 образцов равными нагрузками, причем ступень нагружения составляет около 20 % от разрушающей нагрузки.

На втором этапе устанавливают характер развития реологических процессов и определяют собственно параметры ползучести образцов пород во всем диапазоне изменения нагрузок, вплоть до разрушающих. На этом этапе каждый образец испытываемой серии нагружают определенной нагрузкой (20; 40; 60 или 80 % разрушающей) и измеряют деформации образца во времени до момента стабилизации процесса ползучести, либо до момента разрушения образца.

Реологические испытания отличаются, прежде всего, своей длительностью и непрерывностью. Обычно их проводят в течение нескольких тысяч часов (нескольких, а иногда и многих месяцев). Это накладывает жесткие требования к надежности и стабильности работы нагружающих устройств и регистрирующей аппаратуры.

Наиболее часто в качестве нагружающих устройств применяют механические и пружинные прессы либо нагружение осуществляют фиксированными грузами (гирями).

Заключение

На любой стадии ведения горных работ необходимо знание значительного количества данных о физических параметрах пород и их состоянии. При этом на подготовительном этапе к проектированию и в период проектирования разработки месторождений полезных ископаемых свойства пород нужны для оконтуривания месторождения, подсчета запасов и оценки качества полезного ископаемого, оценки состояния разрабатываемых массивов горных пород, а также для выбора и расчета оптимальных схем вскрытия, систем разработки, водоотлива, проветривания, крепления, перемещения, складирования и отвалообразования, выбора соответствующих машин, механизмов и агрегатов.

При ведении горных работ свойства горных пород используются при нормировании труда горнорабочих, определения необходимого количества и производительной мощности машин и механизмов, при оперативном управлении горным производством и всеми его составляющими с целью обеспечения максимальной производительности, безопасности ведения горных работ и высокого качества добываемого продукта.

Отсюда следуют те основные задачи, которые необходимо решать при изучении свойств горных пород:

-установления природы физических свойств горных пород;

-установление закономерностей изменения свойств пород от внешних воздействий;

-определение закономерностей изменения свойств пород с увеличением степени их нарушенности

-определение закономерностей пространственного распределения физических свойств пород

-установление временного изменения физических свойств пород горных пород.

Все практические исследования свойств горных пород направлены на разработку системы физико-технического обеспечения горного производства.

Список использованной литературы

1 Н.Н. Михайлов. Физика нефтяного и газового пласта. M.:MAKS.

2 Гиматудинов Ш. К., Ширковский А. И. Физика нефтяного и газового пласта. М.: Недра, 1982. 311 с.

3Физика пласта, добыча и подземное хранение газа/ О. М. Ермилов, В. В. Ремизов, Л. И. Ширковский., Л. С. Чугунов. М.: Наука, 1996. 541 с.

4 Котяхов Ф. И. Физика нефтяных и газовых коллекторов. М.: Недра, 1977. 287 с.

5 Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1978. 359 с.

Размещено на Allbest.ru