ЛЕКЦИЯ №6
БАЗОВЫЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ ГОРНЫХ ПОРОД
Аннотация: Механические напряжения (давления) в значительной степени влияют на изменение физических свойств горных пород. Причиной этого изменения является нарушение первоначального строения горных пород.
Ключевые слова: механическое поле, вещественное поле, тепловое поле, термонапряжения
План:
1.Необходимость разделения на базовые физико-технические свойства горных пород. 2.Базовые физико-технические свойства горных пород
Влияние внешних факторов на физические свойства пород
Механическое поле. Механические напряжения (давления) в значительной степени влияют на изменение физических свойств горных пород. Причиной этого изменения является нарушение первоначального строения горных пород. В зависимости от характера давления (одноосное, двухосное, всестороннее равномерное — гидростатическое, всестороннее неравномерное) эти нарушения связаны либо с уплотнением породы, смятием пор и увеличением площади контакта зерен, либо с образованием в породе системы трещин, уменьшением связи между отдельными ее участками и т. д.
Наибольшее уплотняющее действие на породы оказывает гидростатическое давление. С увеличением уплотнения увеличиваются площади каналов, по которым передаются напряжения и энергия, и возрастают все тензорные показатели (прочность, упругие свойства, теплопроводность и т. д.).
При очень высоких давлениях происходит перестройка не только макроструктуры породы (уплотнение), но и увеличение внутреннего потенциала атомов и ионов, что, в свою очередь, также влияет на свойства пород.
Под воздействием разупрочняющих механических напряжений происходит, наоборот, уменьшение внутренних связей между частицами горных пород. При этом изменения свойств, как правило, более существенны.
В горном производстве встречаются как искусственные механические напряжения, создаваемые в основном с целью разрушения горных пород, так и естественные — горное давление, обусловленное весом вышележащих слоев и боковым давлением вмещающих пород; давление газов и воды в массивах пород; термические напряжения, возникающие под влиянием тепла в массивах; тектонические напряжения, связанные со сдвижением пород.
Вещественное поле наиболее часто представлено в виде различных жидкостей (вода, нефть) и газов, заполняющих поры, трещины и пустоты в породе. Влияние вещественного поля на свойства пород сказывается в двух направлениях: как составная часть породы и как физико-химически активная среда, воздействующая на минеральный скелет. В первом случае свойства породы определяются как интегральный показатель свойств минерального скелета, жидкостей и газов, насыщающих породу. Во втором случае свойства породы, кроме того, становятся функцией степени взаимодействия между внешним вещественным полем и породой. В связи с этим при насыщении могут наблюдаться изменения свойств пород в различных направлениях.
Степень воздействия жидкостей наибольшая при рыхлых, связных и некоторых слабосцементированных скальных породах, остальные породы малочувствительны к гидравлическому воздействию.
Воздействие жидкости на горную породу может быть динамическим и статическим. Динамическое воздействие, как правило, приводит к механическому разрушению и перемещению горных пород; статическое — к набуханию, размягчению и растворению.
Тепловое поле вызывает изменения свойств пород под влиянием различных термодинамических процессов, происходящих в них при повышении температуры. Выделяют два вида воздействия теплового поля. Первый вид связан с возникающими в породах термическими напряжениями из-за неравномерного теплового расширения минералов. Второй вид обусловлен различными физическими и термохимическими превращениями минералов породы.
Термонапряжения возникают в результате превращения тепловой энергии в механическую. Воздействие термонапряжений на изменение свойств пород аналогично воздействию механических напряжений.
Термохимические и физические превращения в горных породах при нагреве могут быть следующими:
1) переход породы из одного агрегатного состояния в другой — плавление — отвердевание; испарение — сжижение; возгонка[1]. Плавление породы характеризуется ее температурой и теплотой плавления. Теплота плавления — это количество тепла, необходимого для расплавления единицы массы породы при постоянных температурах и давлении;
2) переход минералов из одной кристаллической формы в другую без изменения их химического состава — полиморфные превращения. Полиморфные превращения пород сопровождаются скачкообразными изменениями некоторых их свойств.
Полиморфные превращения присущи многим минералам. Наиболее широко известны полиморфные превращения кварца при повышенных температурах, сопровождающиеся значительным увеличениемего объема (переход β-кварца в α-кварц при Т = 573°С);
3) дегидратация — удаление химически связанной воды из минералов и горных пород;
4) диссоциация — разрушение минерала с выделением газообразной фазы;
5) окислительно - восстановительные процессы, присущи как правило, медно-никелевым и свинцово-цинковым сульфидным рудам и каменным углям.
Это явление приводит к самовозгоранию руд и углей в процессе их добывания и хранения. Критической температурой, при которой происходит быстрый переход к самовозгоранию, для бурых углей является температура 40 — 60°С, для жирных каменных углей — 60—70°С, для антрацитов — 80°С, для сульфидных руд — 40—60°С.
Под воздействием низких температур также происходит изменение внутреннего строения пород и сил связей между отдельными частицами. Таким образом, тепловое воздействие приводит к изменению свойств пород в различных направлениях.
Рекомендуемая литература
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 о влиянии внешних полей на свойства пород).
2. Добрынин В. М. Петрофизика: учебник для геофизических специальностей вузов. – М.: Недра, 1991. – 368 с. (Разделы о механическом, тепловом и вещественном воздействии).
3. Ржевский В. В., Новик Г. Я. Основы физики горных пород. – М.: Недра, 1984. – 359 с. (Влияние давления и температуры на свойства пород).
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. (Практические аспекты изменения свойств под действием полей).
5. ГОСТ Р 50544-93. Породы горные. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1993.
6. Журавлёв В. И., Крюков В. Н. Физико-химическая механика горных пород. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2015. – 240 с. (Взаимодействие пород с жидкостями и газами).
Контрольные вопросы
1. Какие внешние факторы (поля) оказывают влияние на физические свойства горных пород? Перечислите их.
2. В чём заключается механизм влияния гидростатического давления на структуру и свойства породы?
3. Как влияют разупрочняющие механические напряжения на прочность, упругость и теплопроводность пород?
4. Какие виды естественных и искусственных механических напряжений встречаются в горном производстве?
5. В каких двух направлениях сказывается влияние вещественного поля (жидкости и газы) на свойства пород?
6. Чем отличается динамическое воздействие жидкости на породу от статического? Какие процессы они вызывают?
7. Что такое термонапряжения и как они возникают в горных породах?
8. Перечислите основные физические и термохимические превращения в породах при нагреве. Приведите примеры (плавление, полиморфные переходы, дегидратация, диссоциация, окислительно-восстановительные процессы).
9. Какие критические температуры самовозгорания характерны для бурых углей, жирных каменных углей, антрацитов и сульфидных руд?
10. Как воздействие низких температур изменяет строение и свойства горных пород?