В геотехнологии неприемлемо рассмотрение отдельно взятых горных пород. Необходимо исследовать массив горных пород, представляющий собой гетерогенную систему, включающую различные компоненты в твердой, жидкой и газообразной фазах. Исследование массива горных пород заключается в изучении состояния (положение залежи, мощность, обводненность, условия питания и разгрузки), состава (минеральный, химический, гранулометрический, состав рН пластовых вод), строения (структура и текстура руд, пористость и трещиноватость, неоднородность в разрезе и плане) и свойств (фильтрационные – проницаемость, водопроводимость; размываемость, вязкость, пластичность, размокаемость, влагоёмкость и т.д.).
Вопросы состояния, состава и строения массивов горных пород изучаются в курсе геологических дисциплин. Частично уже изучены и свойства массивов в курсе «Физика горных пород». Ниже рассмотрены только специфические свойства массивов, важные при геотехнологии.
Гидравлические свойства массива горных пород имеют наибольшее значение для геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых. Основной группой гидравлических свойств являются фильтрационные. Их иногда называют коллекторскими. В первую очередь фильтрационные свойства зависят от пористости, т.е. совокупности всех пустот в горных породах, заключённых между минеральными частицами или их агрегатами [4].
Общая пористость — отношение объёма пустот и пор к объёму горной породы.
Отношение объёма пор к объёму минерального скелета породы называется коэффициентом пористости.
По величине поры подразделяются на субкапиллярные (диаметр пустот менее 0,2 мкм), капиллярные (0,2-100 мкм) и сверхкапиллярные (более 100 мкм). Поры часто могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы.
Динамическая пористость учитывает только те поры, по которым может фильтроваться жидкость, иногда её ещё называют открытой (эффективной) пористостью.
Площадь поверхности, образуемая стенками пустот и пор, является одной из важнейших геотехнологических характеристик горной породы — проницаемостью.
Свойство горных пород пропускать через себя жидкости и газы характеризуется коэффициентом проницаемости и коэффициентом фильтрации.
Для целей геотехнологии проницаемость горных пород следует определять в натурных условиях, т.к. только при этом можно учесть всю гамму влияющих факторов.
Различают абсолютную, эффективную и относительную проницаемость.
Абсолютная проницаемость характеризует пропускную способность образца для воздуха при атмосферном давлении и вычисляется по линейному закону фильтрации.
Эффективная (фазовая) проницаемость характеризует пропускную способность для различных жидкостей.
Относительная проницаемость — отношение эффективной проницаемости к абсолютной.
Практической единицей измерения проницаемости является дарси (Д) — величина проницаемости, присущая образцу породы площадью 1 см2, длиной 1 см, через который при давлении 9,8∙104 Па проходит в 1 с 1 см3 жидкости вязкостью 10-3Па∙с.[4].
В практике горного производства широкое распространение получил другой параметр — коэффициент фильтрации Кф. Практически он представляет собой скорость фильтрации газа или жидкости через породы. Коэффициент фильтрации не учитывает влияние напора пластовых вод и их вязкости на изменение количества фильтрующейся воды. В случае фильтрации воды между коэффициентами пористости и фильтрации существует соотношение [4]: 1 Д = 1см/с = 864 м/сут.
В зависимости от значения коэффициента фильтрации породы подразделяются на водоупорные (Кф<0,1м/сут), слабопроницаемые (0,1<Кф<10), среднепроницаемые (10<Кф<500) и легкопроницаемые (Кф>500) [4].
В горных породах различают проницаемость межгранулярную и трещинную, причём последняя значительно выше.
Кроме фильтрационных, к гидравлическим свойствам массивов горных пород относятся:
§ влагоёмкостъ — способность горных пород вмещать и удерживать воду;
§ водоотдача — способность горных пород отдавать воду путём свободного вытекания;
§ водоустойчивость — способность горных пород сохранять связность, консистенцию и прочность при взаимодействии с водой;
§ капиллярность — способность горных пород поднимать влагу по порам под воздействием капиллярных сил;
§ набухание — способность горной породы увеличивать объём под воздействием влаги;
§ усадка — способность горной породы уменьшать объём при высыхании;
§ просадочностъ — способность горной породы уменьшать объём при замачивании;
§ смачиваемостъ — способность горной породы входить в молекулярное взаимодействие с жидкостями;
§ адсорбция — способность горной породы концентрировать на своей поверхности различные вещества из газов, паров и жидкостей;
§ абсорбция — способность горной породы поглощать пары, газы и жидкости;
§ липкость — способность горной породы прилипать к различным предметам
Тепловые свойства лежат в основе геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых, использующих для перевода их в подвижное состояние нагревание до определённой температуры.
Способность горных пород к фазовым превращениям подразделяется на плавление, испарение, сублимацию, кристаллизацию и конденсацию.
Плавление — способность полезного ископаемого переходить в жидкое состояние при нагревании. Оно характеризуется температурой плавления и удельной теплотой плавления. Под температурой плавления понимается температурный интервал, определяющий температуру начала плавления горной массы и полного перехода её в жидкое состояние. Удельная теплота плавления -— количество тепла, необходимого для плавления единицы горной массы.
Испарение (парообразование) — способность полезного ископаемого переходить из твёрдой или жидкой фазы в газообразную. Оно оценивается количественно — теплотой испарения, — количеством тепла, необходимого для преодоления сил связи между молекулами и их «отрыва» с поверхности.
Сублимация — способность полезного ископаемого переходить из твёрдого состояния в газообразное. Количественно она оценивается теплотой сублимации.
Кристаллизация — способность полезного ископаемого к образованию и росту кристаллов из расплавов, растворов или газов. Она возникает в результате нарушения равновесия исходной фазы (пресыщение или переохлаждение). В количественном отношении она характеризуется степенью кристаллизации и температурой кристаллизации. Степень кристаллизации — количество вещества, выделившегося в твёрдую фазу из раствора или расплава. Температура кристаллизации — температура, соответствующая началу образования твёрдой фазы.
Конденсация — способность полезного ископаемого переходить из газообразного в твёрдое или жидкое состояние.
При расчёте технологических параметров геотехнологических методов, основанных на нагреве полезного ископаемого, также используются следующие тепловые свойства массивов горных пород: теплопроводность, теплоёмкость, тепловое расширение или сжатие.
Теплопроводность — способность горной породы передавать тепловую энергию при возникновении разности температур. Она характеризуется коэффициентом теплопроводности и коэффициентом конвекции.
Теплоёмкость –– способность горной породы повышать своё теплосодержание при повышении температуры. Она характеризуется удельной, средней и истинной теплоёмкостью, а также коэффициентом темперотуропроводности.
Тепловое расширение или сжатие — способность горной породы изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Оно характеризуется коэффициентами объёмного и линейного расширения.
При наложении на массив горных пород электрических, магнитных или радиационных полей в ряде случаев достигается интенсификация химических и физических процессов геотехнологии. В отдельных случаях удается даже привести полезное ископаемое в подвижное состояние этими воздействиями. Широко используются эти методы воздействия при разведке месторождений, для контроля за ходом геотехнологических процессов, при предварительной переработке добытого полезного ископаемого.
К электрическим свойствам относятся: электропроводность, электрическая прочность, поляризация.
Электропроводность характеризуется количественно удельной электропроводностью или удельным электрическим сопротивлением и коэффициентом электрической анизотропии.
Электрическая прочность — способность горной породы сопротивляться разрушающему действию электрического напряжения. Количественно она измеряется пробивным напряжением.
Поляризация — способность горной породы взаимодействовать с окружающим электрическим полем. Она оценивается относительной диэлектрической проницаемостью и углом диэлектрических потерь.
К магнитным свойствам горных пород относятся магнитная восприимчивость и остаточная намагниченность.
Магнитная восприимчивость — свойство горных пород намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля.
Остаточная намагниченность — способность горной породы сохранять намагниченность.
К радиационным свойствам горных пород относятся: естественная радиоактивность и способность поглощать α-, β-, γ- и нейтронное излучение.
Естественная радиоактивность — способность горной породы создавать радиоактивное излучение.
При геотехнологических способах разработки месторождений полезных ископаемых необходимо учитывать и использовать некоторые специфические механические а также акустические свойства массива горных пород.
К этим специфическим механическим свойствам относятся: тиксотропность, прочность, твёрдость, вязкость разрушения, упругость, пластичность, компрессионная способность, хрупкость.
Тиксотропность — способность горных пород, содержащих коллоидные фракции, под воздействием динамических нагрузок к обратимым переходам из твёрдого состояния в жидкое. Тиксотропность зависит от вида воздействия, его интенсивности и длительности.
Показателями способности горной породы к разрушению являются чувствительность и предел структурной прочности.
Прочность — способность горной породы сопротивляться разрушению под воздействием внешних сил. Она характеризуется количественно: пределом прочности при одноосном сжатии или растяжении, сопротивлением срезу, пределом прочности при изгибе, коэффициентом крепости.
Твёрдость — способность горной породы оказывать сопротивление локальному воздействию. Количественно она характеризуется показателем статической и динамической твёрдости.
Вязкость разрушения — способность горной породы сопротивляться развитию в ней трещин.
Упругость — способность горной породы восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры Количественно она характеризуется модулем Юнга, коэффициентом Пуассона, модулем сдвига, коэффициентом всестороннего сжатия.
Пластичность — способность горной породы изменять форму без разрыва сплошности при силовом воздействии и сохранять эту форму при снятии действующей нагрузки. Количественно она характеризуется степенью пластичности, коэффициентами пластичности и уплотнения.
Компрессионная способность — способность горной породы сжиматься при вертикальной нагрузке и невозможности бокового расширения. Она характеризуется количественно: коэффициентами уплотнения и консолидации, модулями осадки и полной деформации.
Хрупкость — способность горной породы к внезапному разрушению при нагрузке без заметных пластических деформаций. Она количественно характеризуется коэффициентом хрупкости.
Акустические свойства используются и учитываются при разрушении массивов ультразвуковыми волнами, а также при геофизических методах контроля. Они оцениваются акустической проводимостью и поглощением.
Список основной литературы
1. Пучков Л. А., Жежелевский Ю. А. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. – М.: Изд-во МГГУ, 2009. – 562 с.
2. Егоров П.В. и др. Подземная разработка пластовых месторождений: Учебное пособие для вузов –4-е изд. – М.: Изд-во МГГУ, 2012. – 224 с.
3. Ломоносов Г. Г. Производственные процессы подземной разработки рудных месторождений. – М.: Изд-во МГГУ, 2011. – 517 с.
Список дополнительной литературы
4. Килячков А.П. Технология горного производства: Учеб. для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1992.
5. Егоров П.В. и др. Основы горного дела: Учебник. – М.: Изд-во МГГУ, 2006. – 408 с.
6. Демин В. Ф. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых. – Караганда: КарГТУ, 2007. – 352 с.
7. Дрижд Н. А. и др. Процессы подземных горных работ : учебное пособие. – Караганда: КарГТУ, 2009. – 136 с.
8. Жигалов М.Л., Ярунин С.А. Технология, механизация и организация подземных горных работ: Учеб. для вузов. – М.: Недра, 1990. -423 с.