Физика горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Вопрос № 1

2. Вопрос№ 2

3. Вопрос№ 2

4. Вопрос№ 2

5. Вопрос№ 2

Список литературы

Вопрос № 1

Свойства горных пород, определяемые их строением. Понятие пористости, плотности, трещиноватости. Основные определения

Как физические тела горные породы характеризуются плотностными, упругими, прочностными, тепловыми, электрическими, магнитными, радиационными и другими свойствами.

Свойства горных пород обусловлены их составом и строением, а также термодинамическими условиями. Увеличение пористости приводит к снижению плотности, прочностных и упругих свойств, теплопроводности, диэлектрической проницаемости, электропроводности, магнитной проницаемости и увеличению влагоёмкости, водопроницаемости. Такие свойства горных пород, как теплоёмкость, коэффициент объёмного теплового расширения, модуль объёмного сжатия и др., определяются минеральным составом пород; прочность, упругость, теплопроводность, электропроводность зависят от строения и минерального состава пород. Механические свойства в первую очередь обусловлены силами связей между частицами породы, тепловые и электрические -- ориентировкой минеральных зёрен, наличием непрерывных проводящих каналов в горных породах. Наличие преимущественной ориентировки зёрен, трещин, пор, слоев, прожилков приводит к анизотропии горных пород. При этом модуль продольной упругости, предел прочности при растяжении, теплопроводность, электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость больше вдоль слоистости, а предел прочности при сжатии -- поперёк слоистости.

На свойства горных пород оказывает влияние размер зёрен, из которых они сложены. У мелкозернистых горных пород выше прочностные и упругие свойства, ниже электропроводность и теплопроводность. Наличие аморфной, стекловидной фазы в породах снижает их прочность, теплопроводность. Горные породы, как правило, плохие проводники тепла и электричества. Большей теплопроводностью и электропроводностью обладают малопористые породы, содержащие минералы-проводники (рудные минералы, графит и т.п.). По магнитной восприимчивости большинство горных пород относится к диа- и парамагнетикам; ферромагнитные минералы -- магнетит, гематит, пирротин и др. Упругие свойства пород определяют величину параметров акустических свойств, электрические и магнитные свойства горных пород -- электромагнитные свойства.

Общая пористость пород Р количественно выражается через объем всех пор VП в долях единицы (часто в процентах) от общего объема породы (V0 + VП ).

Отношение объема пор к объему минерального скелета V0 породы называется коэффициентом пористости kп

,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.

Масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) породы называется плотностью породы д0.

Плотность минералов зависит от их химического состава и структуры. Они делятся на тяжелые (д0 > 4 г/см3), средние (д0= 4 - 2,5 г/см3) и легкие (д0 < 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 д0i и может быть рассчитана по формуле

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

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.

Вопрос № 2

Воздействие упругих волн различной интенсивности и частоты на горные породы

Упругие колебания - это процесс распространения в породе знакопеременных упругих деформаций ее частиц; частота этих колебаний может быть самой различной в зависимости от частоты генератора, возбуждающего их.

По частоте колебаний упругие волны подразделяются на

инфразвуковые - частота колебаний до 20 гц,

звуковые - 20 - 20 000 гц,

ультразвуковые - более 20000 гц,

гиперзвуковые - более 1010 гц.

Частота гиперзвуковых колебаний приближается к частоте тепловых колебаний молекул (1013 гц). Волны низкой частоты, быстро затухающие и распространяющиеся в земной коре, носят название сейсмических.

Упругие волны возникают в результате распространения деформаций в веществе. В зависимости от вида деформаций могут возникать волны различных типов (рис. 20).

Деформации попеременного объемного сжатия и растяжения обуславливают распространение в веществе продольных упругих колебаний.

Продольные упругие волны распространяются в любой среде - газах, жидкостях и твердых телах, так как все вещества обладают сопротивлением объемному сжатию. Продольные упругие волны вызывают звуковые явления. Волны второго типа, обусловленные распространением попеременных деформаций сдвига в среде, называются поперечными.

Поперечные волны характерны только для твердых тел, ибо сопротивление сдвигу в жидкостях и газах отсутствует. Эти два типа волн распространяются по всему объему породы и поэтому называются объемными.

Поскольку продольные волны являются наиболее быстрыми (обладают наибольшей фазовой скоростью) и приходят из точки излучения в точку приема первыми, то их принято обозначать буквой P (от слова prima - первый). Поперечные волны приходят в точку приема вторыми, так как их фазовая скорость меньше, чем у продольных. Эти волны принято обозначать буквой S (от слова secunda - второй).

Частицы тела, в частности горной породы, находящиеся на поверхности, испытывают особое состояние, так как встречают меньшее сопротивление своим перемещением в сторону свободной поверхности. В результате этого на поверхности возникает плоская поверхностная (рэлеевская) волна, которая характеризуется движением частиц, образующим траекторию в виде эллипса с большой осью, направленной перпендикулярно перемещению волны. В этом случае каждая частица породы совершает двойное колебание: вдоль и поперек направления движения волны. Для образцов пород типа стержней различают также крутильные и изгибные волны.

Вопрос № 3

Пластические свойства горных пород. Определения. Зависимость от внешних факторов

Часто разрушение горных пород происходит за пределами области упругих деформаций - в области пластического состояния, характеризуемого появлением в породах значительных остаточных деформаций. Пластические деформации возникают в результате перемещения дислокаций; они начинаются от мест нарушения структуры в кристалле и распространяются по плоскости скольжения постепенно, не нарушая кристаллической структуры и сплошности вещества. Наряду с этим в породах наблюдается взаимное перемещение довольно больших объемов, обжатие, смятие и т. д. (квазипластичность).

Максимальное напряжение, не приводящее к остаточным деформациям, называется пределом упругости данной породы. До достижения предела упругости зависимость между напряжением и предельной деформацией у породы прямо пропорциональная; наглядно она представляется механической моделью - пружиной (тело Гука).

В случае идеального пластического тела после достижения предела упругости тело начинает пластически течь - деформация возрастает при постоянном напряжении. Механическая модель, описывающая эту деформацию, представляет собой тяжелое тело, лежащее на горизонтальной плоскости и соединенное с пружиной (тело Сен-Венана).

Большинство горных пород относится к упрочняющимся телам; для поддержания в них пластических деформаций необходимо повышать напряжения; рост напряжений происходит с убывающей скоростью. Такое поведение породы моделируется комбинацией идеально упругого тела Гука и идеально вязкого тела Ньютона (поршень с отверстиями, движущийся в цилиндре, наполненном вязкой жидкостью). При параллельном соединении этих тел получается модель тела Кельвина - Фойгта, при последовательном - тела Максвелла (рис. 34).

Упрощенная связь между напряжением а и относительной деформацией е в области пластической деформации выражается коэффициентом Е' (секущий модуль деформации)

Предельный секущий модуль деформации - отношение величины прироста напряжений в пластической зоне (до момента разрушения породы) к величине полной относительной деформации в области пластической зоны (до момента разрушения), называемое модулем пластичности.

Если соединить прямой линией конечную точку графика «напряжение - деформация» (момент разрушения образца) с началом координат, то тангенс такого угла называется модулем полной деформации:

Пластическая деформация отличается от разрушающей: тем, что она происходит без явного нарушения сплошности породы. На дополнительное деформирование пластической породы с целью ее разрушения тратится большее количество энергии, чем на разрушение упругой (хрупкой) породы с тем же пределом прочности. Это видно из рис. 36, где площадь OCD равна работе Wр, затраченной на разрушение реального образца, а площадь OAB - работе, затраченной на разрушение идеально хрупкой породы,Wу с тем же усж. Отношение Wр к Wу представляет собой коэффициент пластичности kпл:

По величине kпл можно сравнивать относительную пластичность различных пород. Обычно с увеличением предела прочности одноосному сжатию коэффициент пластичности уменьшается.

Повышение предела прочности пород не всегда затрудняет их разработку. Высокопрочные, но хрупкие породы значительно легче поддаются динамическому разрушению (например, взрыванию), чем более слабые, но высокопластичные породы. Для характеристики высокопластичных пород существует понятие вязкости. Наиболее трудно разрушаются породы, имеющие высокое значение усж и значительную пластичность, например базальты.

Модуль упругости более пластичных пород обычно ниже, чем пород менее пластичных.

Пластичность зависит от минерального состава горных пород. Наличие жестких кварцевых зерен и полевого шпата в породе уменьшает ее пластичность. Пластичность углей зависит от содержания в них углерода.

При превращении малометаморфизованных углей в антрациты пластичность углей уменьшается в 30 раз.

Пластические характеристики пород чувствительны к внешним воздействиям; они повышаются при увлажнении пород. Исключительно высокими пластическими свойствами обладают связные (группа пород по строению 3.п) породы. В зависимости от степени их увлажнения глинистые породы могут быть хрупкими, пластичными и текучими.

Пределы пластичности - это значения влажности породы (в %), при которых происходит переход породы из хрупкого состояния в пластическое и из пластического в текучее (соответственно нижний предел пластичности wп и верхний предел пластичности - предел текучести wт). Число пластичности Ф равно разности верхнего и нижнего пределов пластичности и характеризует диапазон влажностей, в пределах которого порода находится в пластическом состоянии. Характеристика некоторых пород по этим параметрам приведена в табл. 8.

С увеличением числа пластичности глин возрастает их сжимаемость и водонепроницаемость.

Пластичность скальных пород увеличивается с повышением температуры и всестороннего давления; количество дислокаций в породах при этом не изменяется, но значительно увеличивается их подвижность, что способствует пластической деформации. Породы, ведущие себя как хрупкие в обычных условиях, при повышенных давлениях и температурах приобретают явно выраженные пластические свойства. Это важно при разработке месторождений на больших глубинах. Например, способность к пластическим деформациям у известняков и алевролитов появляется уже при всесторонних давлениях около 500 кгс/см2, у ангидритов - около 1000 кгс/см2. Пластические деформации песчаника возможны при давлениях свыше 4000 ат.

Пластические деформации при больших всесторонних давлениях объясняются тем, что в этих условиях более легко могут проявиться внутризеренные движения и смещения, не приводящие к нарушению сплошности и возникновению трещиноватости, т. е. к разрушающим деформациям.

порода горный теплопроводность

Вопрос № 4

Теплопроводность горных пород. Зависимость теплопроводности от внешних факторов и строения породы

Теплопроводность пород определяет способность минералов, слагающих породу, проводить тепло.

Горные породы, как правило, являются плохими проводниками тепла (см. приложение 13) и имеют небольшие значения теплопроводности (0,1 - 7 ккал/м·ч·0С). Рудные минералы - магнетит, пирит гематит и другие - обладают большими значениями (10 - 40 ккал/м·ч·0С) теплопроводности, поскольку они имеют электронную теплопроводность. Из породообразующих минералов большими значениями теплопроводности (6 - 10 ккал/м·ч·0С) обладаем кварц и еще большими - алмаз. У плотных малопористых безрудных пород (группа пород по строению 1п.) наблюдается увеличение коэффициента теплопроводности л с увеличением содержания в них кварца. Сравнительно повышенную теплопроводность имеют гидрохимические осадки (каменная соль, сильвин, ангидрит), а пониженную - каменный уголь и асбест.

У чистых монокристаллов теплопроводность наибольшая, а при переходе их в поликристаллы она падает (табл. 10).

Наибольшие пределы изменения теплопроводности характерны для монокристаллов.

Для практических расчетов, теплопроводности пород, представляющих собой статистическую смесь минералов, пригодна формула логарифмического средневзвешенного

Где лi -теплопроводность минерала с относительным объемным содержанием в породе Vi .

Значения теплопроводности различных минералов, составляющих породу, имеют небольшие различия, поэтому для упрощения расчетов можно принять среднее значение теплопроводности

,

где - теплопроводность слоистой породы вдоль напластования;

- теплопроводность слоистой породы поперек напластавания.

Теплопроводности кристаллических и аморфных минералов имеют значительные отличия. Как правило, лкр > лам.

Теплопроводность аморфных минералов не превышает 1,5 ккал/м·ч·0С, поэтому наличие стекловатой массы понижает теплопроводность пород.

Теплопроводность пород зависит от размеров зерен, из которых сложены породы. Как правило, происходит уменьшение теплопроводности пород с уменьшением размеров зерен. Влияние размеров зерен наиболее существенно только при небольших их средних размерах dср. Это объясняется тем, что длина свободного пробега фононов определяется двумя факторами: рассеиванием фононов на фононах и рассеиванием фононов на границах кристаллов и зерен. Какой фактор будет преобладать, зависит от соотношения длины свободного пробега фононов и размеров зерен dср. Если l<<dср, длина свободного пробега не зависит от размеров зерен, а зависит от температуры. Длина свободного пробега фононов при l ? dср зависит от размеров зерен. В частности, для мрамора и керамики экспериментально установлена следующая формула:

где л0 - коэффициент теплопроводности монокристалла; B - отношение температурного градиента на одном контакте зерен к среднему температурному градиенту всего образца (для мрамора при температуре 0 0C B= 0,0027).

Теплопроводность слоистых пород, как это было показано выше, зависит от направления теплового потока: вдоль слоистости она всегда больше, так как в этом случае л¦ определяется теплопроводностью наиболее проводящего слоя, а в другом случае - теплопроводностью наименее проводящего слоя. Отношение л¦/ л+ в среднем для слоистых пород составляет приблизительно 1,1 -1,5 (табл. 11). У слюды вдоль спайности теплопроводность в 6 раз выше, чем поперек спайности; для графита это отношение составляет 2 и более.

При этом анизотропия объясняете тем, что частицы, входящие в кристаллическую решетку минерала, вдоль слоистости взаимодействуют интенсивнее; молекулярное движение перпендикулярно плоскости спайности передается значительно хуже.

Теплопроводность пористых пород является сложной функцией составляющих их фаз (табл. 12). При этом передача тепловой энергии может происходить как посредством теплопроводности, так и путем конвекции заполнителя порового пространства. Если размеры пор сравнительно малы, явление конвекции можно не учитывать, так же как и явление передачи тепла излучением, когда температура нагрева породы не превышает 1000° С.

Теплопроводность газов очень низка, поэтому л сухих пористых пород всегда ниже теплопроводности непористых пород. Например, теплопроводность песка в 6 - 7 раз меньше теплопроводности плотного песчаника.

Большую роль играет форма пор в породе; теплопроводность пород, имеющих удлиненные поры (типа трещин), значительно меньше в направлении, перпендикулярном направлению теплового потока. В этом случае можно использовать формулу последовательного соединения звеньев.

Так как коэффициент теплопроводности воздуха лв ? 0,02 ккал/м·ч·0С

Если тепловой поток направлен вдоль трещин, то

Поскольку

Эти уравнения определяют предельные зависимости теплопроводности пород от пористости и трещиноватости (рис. 41). В зависимости от формы пор тип конкретного уравнения может быть различным.

Для практических целей при Р около 20% можно пользоваться уравнением типа

Увлажнение пористых пород приводит к увеличению их теплопроводности (рис. 42); поскольку теплопроводность воды ниже, чем минералов, то л пористой влажной породы никогда не становится близким или равным л0 такой же, но малопористой породы.

Исследования показывают, что теплопроводность заполняющего поры вещества (вода и воздух) может быть выражена следующей приближенной формулой (см. рис. 42):

,

где w - объемная влажность породы; 0,5 - коэффициент теплопроводности воды; 0,023 - коэффициент теплопроводности воздуха. Теплопроводность насыщенной водой глины в 6 - 8 раз больше, чем теплопроводность сухой.

С повышением температуры (рис. 43, а) теплопроводность почти всех кристаллических минералов и пород снижается, а теплопроводность аморфных и скрытокристаллических минералов и пород (обсидиан, аморфные разновидности SiO2) повышается. Некоторый рост теплопроводности наблюдается также у анортозитов, глин и углей.

Наиболее значительное снижение л, с повышением температуры характерно для пород, обладающих исходными его значениями. Эта закономерность хорошо согласуется с известной зависимостью (рис. 43, 6)

,

где Т - абсолютная температура; A - коэффициент (для кварцитов, гранитов и пегматитов A = 900 - 1600).

Такая закономерность четко соблюдается только в области температур до 4000 С. При более высоких температурах л > const, у некоторых пород наблюдается даже возрастание л, с повышением температуры, так как при высоких температурах возникает дополнительная теплопроводность, обусловленная излучением.

Теплопроводность пород, обладающих повышенной пористостью (известняков и др.) с увеличением температуры изменяется мало, что также связано в основном с радиационной составляющей теплопроводности. В практических расчетах можно принять, что теплопроводность этих пород не зависит от температуры.

Уменьшение теплопроводности пород с повышением температуры объясняется усилением хаотичности движения молекул в кристаллической: решетке и их взаимодействием (рассеиванием одного фонона другим), что в свою очередь, снижает длину свободного пробега фононов.

Кривая теплопроводности влажной породы при нагреве до 1200С (вследствие испарения влаги) имеет точку максимума: вначале (так как теплопроводность воды с повышением температуры увеличивается) л, всей породы возрастает, а затем при усилении процесса испарения влаги происходит уменьшение теплопроводности. С понижением температуры теплопроводность скальных пород увеличивается; в области абсолютных температур 5 - 30К наблюдается максимум л.

Понижение температуры влажных пород ниже нуля приводит к замерзанию воды и, следовательно, к резкому возрастанию теплопроводности пород (так как лльда>> лв). Теплопроводность пористых пород под воздействием давления обычно увеличивается, непористых пород - увеличивается незначительно.

Вопрос № 5

Понятие диэлектрической проницаемости горных пород. Определение и основные соотношения. Влияние состава, строения горной породы и внешних факторов. Особые случаи поляризации

Диэлектрическая проницаемость большей части горных пород в общем выше, чем у минералов (табл. 3.3). Это объясняется повышенной влагонасыщенностью горных пород.

Величина также зависит от минерального состава породы, ее температуры, в меньшей степени - от структурных особенностей и давления.

У изверженных пород растет с ростом плотности. увеличивается с ростом основности пород и степени метаморфизма.

Таблица 3.3 - Диэлектрическая проницаемость пород

Диэлектрическая проницаемость осадочных пород определяется главным образом влагонасыщенностью (рис. 3.5).

С повышением минерализации вод растет.

Рисунок 3.5 - Зависимость диэлектрической проницаемости от влажности песков и суглинков

С повышением температуры до 200300 С влагонасыщенных пород падает, так как снижается воды. При более высоких температурах для всех разновидностей пород характерно увеличение с ростом температуры, причем при t>700-800C наблюдается весьма резкий рост .

С ростом частоты питающего тока пород падает (рис. 3.6).

Рисунок 3.6 - Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты поля F

В горных породах имеет место также медленная электрохимическая поляризация, причиной которой являются следующие процессы, возникающие при прохождении тока через многофазные среды:

- окислительно-восстановительные процессы (характерны для сульфидов, окислов и высококарбонизированных каменных углей);

- процессы, характеризующиеся появлением в местах выхода и входа тока продуктов электролиза, газов;

- электроосмос, т. е. перемещение молекул жидкости, имеющих заряд одного знака, к электроду противоположной полярности;

- электрофорез - смещение твердых частиц, имеющих обратный знак заряда, к другому электроду;

- перераспределение концентрации растворов - например, в результате прохождения тока через кварцевый песок, насыщенный раствором NaС1, на положительном электроде появляется повышенная концентрация раствора.

Такие процессы бывают как обратимые, так и необратимые.

Электрохимическая поляризация происходит значительно медленнее, чем другие виды поляризации. У углей она достигает наибольшего значения в течение нескольких десятков минут.

При отключении напряжения в образце возникает ток деполяризации, направленный против приложенной разности потенциалов. Наиболее активными в этом отношении минералами являются пирит, пирротин, халькопирит и графит. Активны также магнетит, гематит и другие окислы, имеющие металлическую проводимость.

Список литературы

1. В. В. Ржевский, Г. Я. Новик. Основы физики горных пород.

2. Добрынин В.М., Петрофизика (Физика горных пород). /Б.Ю. Вендельштейн, Д.А. Кожевников// - М.: Изд. Нефть и газ, 2004.-368 с.

Зинченко В.С. Петрофизические основы гидрогеологической и инженерно-геологической интерпретации геофизических данных: Учебное пособие для студентов ВУЗов. - М.: Тверь: Изд. АИС, 2005.-392 с.

3. Росбах А.В. Физика горных пород (физико-механические свойства). /А.В. Росбах, А.Н. Холодилов, Г.И. Коршунов//: Учебное пособие. - СПб.: Изд. МАНЭБ. -2009, 272 с.

Размещено на Allbest.ru