ЛЕКЦИЯ №4
ТРЕЩИНОВАТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД
Аннотация: Объекты изучения состава и строения по степени нарастания трудности можно расположить последовательно в следующем порядке: минерал (монокристалл) — минеральный агрегат (поликристалл) — порода: однофазная (плотная) мономинеральная; многофазная (пористая) полиминеральная; нарушенная; - массив разнородных горных пород (нарушенный и многофазный).
Ключевые слова:массив,горны породы,шлиф,твердость.
План:
1.Свойства горных пород
2.Трещиноватость горных пород
Объекты изучения состава и строения по степени нарастания трудности можно расположить последовательно в следующем порядке: минерал (монокристалл) — минеральный агрегат (поликристалл) — порода: однофазная (плотная) мономинеральная; многофазная (пористая) полиминеральная; нарушенная; - массив разнородных горных пород (нарушенный и многофазный).
При изучении горных пород в первую очередь определяют их минеральный состав и строение. Простейшее качественное определение минералов проводят по ряду внешних признаков: форме, цвету, блеску, спайности, твердости, горючести, запаху, шероховатости и т. д.
Если внешних признаков недостаточно для точной диагностики минерала, пользуются характерными реакциями некоторых минералов с кислотами, щелочами или «методом паяльной трубки», который заключается в наблюдении изменений минералов при воздействии на них высокой температуры в различной химической среде.
Для более глубокого исследования пользуются микроскопическим методом. В этом случае из породы изготовляют шлиф (пластинку толщиной 0,02 ÷ 0,03 мм), который изучают под поляризационным микроскопом. При этом определяют минеральный состав шлифа, очертания отдельных минералов, трещины, спайности, включения стекла, жидкостей, газов и т. д.
Микроскопический метод позволяет не только определить наличие в породе тех или иных минералов, но и подробно описать ее строение. Подобные исследования проводят также на электронном микроскопе.
Для горного производства нет необходимости выделять большое число различных групп по строению пород, так как значение имеет лишь такое строение, которое в практически важных пределах способно изменить физико-технические характеристики пород. Поэтому строение минерального и порового объемов образца может оцениваться одними и теми же параметрами: размером и формой зерен и пор; неоднородностью размеров и формы; относительным содержанием составляющих минералов по размеру и форме; взаимной ориентацией зерен и пор; степенью связи между частицами породы и порами.
Размер минеральных зерен и пор оценивается по средней их величине dср, а форма минеральных зерен и пор — коэффициентом формы kф, являющимся отношением их максимальных размеров l к минимальным d.
Отношение максимального размера зерен, занимающих 90% площади образца (d90), к максимальному размеру зерен, занимающих 10% площади образца (d10), называется коэффициентом неоднородности размеров зерен породы
.
Отношение
называется коэффициентом неоднородности формы зерен породы.
Характеристикой строения, указывающей на степень анизотропности горной породы, является преимущественная ориентация минеральных зерен относительно друг друга или пор относительно минеральной фазы.
В пределах пород одного вида связь между частицами породы может быть ослаблена из-за наличия между зернами пор, трещин или тонких прослойков выветривания минералов. Эти характеристики близки понятию «пористость породы», причем значение имеет не сама величина пористости, а наличие плоскостей ослабления, т. е. пористость вытянутая, плоскостная. В качестве численного параметра степени ослабления связи минеральных зерен kсв удобно использовать произведение
,
где Р — пористость в долях единицы;
- средний коэффициент формы порового пространства.
Для определения относительного количества минералов, слагающих породу, пользуются разделением минералов (сепарацией) и методом химического анализа, заключающимся в количественном определении содержащихся в породе элементов. Зная химический, состав породы, можно расчетным путем перейти к ее количественному минеральному составу.
Для полуколичественной диагностики минералов широко используются методы рентгеноструктурного (метод интерференции[1]) и рентгеноспектрального анализа.
Метод интерференции основан на дифракции[2] рентгеновских лучей, проходящих через кристаллическую решетку вещества.
Каждый атом становится центром рассеивания рентгеновских волн. Эти волны, интерферируя между собой, дают по определенным направлениям максимумы. Если максимумы зафиксировать на фотопластинке, то кроме центрального пятна от луча на ней будут видны менее интенсивные закономерно расположенные пятна лучей, испытавших дифракцию. По их положению и относительной интенсивности можно составить представление о расположении рассеивающих центров в кристаллической решетке. Для каждого типа решетки и минерала наблюдается своя индивидуальная дифракционная картина. Это позволяет определить минералы и изучить их кристаллическую структуру.
Установлено, что не только один большой кристалл, но и совокупность хаотично расположенных кристаллов при просвечивании вызывает появление на пленке резких интерференционных колец. Обычно просвечивается небольшой объем порошка исследуемого вещества. Порошковый метод применим для всех кристаллических тел. Отсутствие интерференционных колец показывает, что тело находится в аморфном состоянии. Этим методом можно изучать кристаллическую решетку минералов, упругие и пластические деформации в кристаллах, мгновенные напряжения и минеральный состав пород.
Изучение минерального состава возможно потому, что рентгенограммы смеси минералов накладываются друг на друга без взаимных возмущающих эффектов. Сравнение полученной рентгенограммы с рентгенограммами чистых минералов позволяет судить о наличии примесей.
На рентгенограмме могут отражаться лишь явления, которые вызывают изменение кристаллической решетки и, наоборот, не отражаются явления, не вызывающие ее изменения. Поэтому с помощью интерференционного метода можно диагностировать минералы независимо от огранения кристаллов.
Если метод интерференции позволяет получить сведения о характере химической связи в минерале, то рентгенографический спектральный анализ дает возможность установить наличие всех находящихся в минерале элементов независимо от характера химического соединения.
Рентгенографический спектральный анализ основан на том, что при определенных условиях все атомы испускают характерное рентгеновское излучение.
Исследуемый минерал помещают в антикатод рентгеновской трубки, бомбардируют быстрыми электронами и наблюдают первичный спектр испускания лучей.
Практически методом рентгенографического спектрального анализа можно обнаруживать элементы, обладающие большим атомным весом, чем у калия.
Для исследования химического и минерального составов пород используют также оптический спектр сжигаемых минералов (эмиссионный метод), термографию (регистрация температурных изменений при нагреве минералов) и др.
Рекомендуемая литература к лекции №4 «Трещиноватость горных пород»
1. Ерофеев Л. Я., Вахромеев Г. С., Зинченко В. С., Номоконова Г. Г. Физика горных пород: учебник для вузов / под ред. Л. Я. Ерофеева. – Томск: Изд-во ТПУ, 2006. – 520 с. (Главы, посвящённые строению пород, методам исследования и трещиноватости).
2. Добрынин В. М. Петрофизика: учебник для геофизических специальностей вузов. – М.: Недра, 1991. – 368 с. (Разделы о пористости, трещиноватости и методах их изучения).
3. Болотнев А. Ю., Авдеев А. Н., Сосновская Е. Л. Физика горных пород: учебное пособие: в 2 ч. – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2021. – Ч. 1. – 112 с. (Материалы о структурно-текстурных особенностях и трещиноватости).
4. Сергеев Е. М. (ред.). Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород: в 2 т. – 2-е изд. – М.: Недра, 1984. – Т. 1. – 423 с. (Методы изучения трещиноватости в массиве).
5. Марков С. И., Штанько Е. И., Кутищева А. Ю. Многомасштабный численный метод определения физических свойств образцов горных пород по томографическим данным // Математическое моделирование. – 2025. – Т. 37, № 4. – С. 3–17. (Современные подходы к оценке строения и нарушенности).
6. ГОСТ 25100-2020. Грунты. Классификация. – М.: Стандартинформ, 2020. (Раздел о трещиноватости скальных грунтов).
7. Шаров А. А. Рентгеноструктурный анализ минералов и горных пород. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. – 180 с.
Контрольные вопросы
1. Какова последовательность объектов изучения состава и строения по степени нарастания трудности (от минерала до массива)?
2. Перечислите основные внешние признаки минералов, используемые для их качественной диагностики.
3. В каких случаях применяют «метод паяльной трубки» и в чём его суть?
4. Что такое шлиф и для каких целей его используют в поляризационном микроскопе?
5. Какие параметры используются для количественной оценки строения горных пород (размер, форма, неоднородность, ориентация зёрен и пор)?
6. Дайте определение коэффициента формы зерна (*k*ф) и коэффициента неоднородности размеров зёрен (*k*н.р).
7. Как оценивается степень анизотропности горной породы по её строению?
8. Что характеризует коэффициент ослабления связи минеральных зёрен (*k*св) и как он рассчитывается?
9. Какие методы используются для определения количественного минерального состава пород?
10. В чём суть рентгеноструктурного метода (метода интерференции) и для каких задач он применяется?
11. Что можно определить по дифракционной картине (рентгенограмме) при изучении порошка минерала?
12. Чем рентгенографический спектральный анализ отличается от рентгеноструктурного анализа?
13. Какие ещё методы исследования состава пород упоминаются в лекции (оптическая спектроскопия, термография)?
14. Дайте определение трещиноватости горных пород и укажите, почему она важна для горного дела.
15. По каким признакам классифицируют трещины в породах (происхождение, размер, ориентировка, заполненность)?
16. Какие трещины называют трещинами первого, второго и третьего порядка? Приведите примеры.
17. Как трещиноватость влияет на прочность, деформируемость и водопроницаемость пород?
18. В чём отличие открытых, закрытых и скрытых трещин?
19. Какие процессы в горном производстве в наибольшей степени зависят от трещиноватости массива (бурение, взрывание, выемка, устойчивость откосов)?
20. Как трещиноватость связана с другими физическими свойствами пород (пористостью, плотностью, анизотропией упругих свойств)?