Основные свойства горных пород

2.1. Физические свойства горных пород
Число физических свойств горных пород, проявляющихся в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. Однако для практики горного дела представляют интерес лишь те свойства, которые непосредственно связаны с процессами современной горной технологии. В геомеханике требуется знание, в первую очередь, механических и плотностных свойств, но вместе с тем могут представлять интерес и некоторые другие свойства, показатели которых достаточно чётко отражают состояние пород или отчетливо коррелируют с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки напряженного состояния пород и массивов. Кроме того, некоторые физические характеристики пород могут быть достаточно тесно взаимосвязаны с механическими и плотностными показателями свойств горных пород, но при этом более просто определяются на образцах или в массиве.

В качестве основного признака классификации физических свойств пород наиболее целесообразно принять внешние поля или воздействия, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства. На основе этого признака можно выделить следующие классы физических свойств горных пород: плотностные, механические, горнотехнологические, тепловые, электромагнитные, радиационные.

Механические свойства горных пород.

Под механическими свойствами горных пород понимают характеристики, определяющие способность пород противодействовать деформированию и разрушению в сочетании со способностью упруго или пластически деформироваться под действием внешних механических сил. Механические свойства пород можно подразделить на прочностные, упругие и др.
Прочность характеризует сопротивляемость породы раздавливающим, разрывающим и скалывающим нагрузкам.
Пределом прочности называют напряжение, при котором образец породы разрушается.
Большинство горных пород имеет зернистую структуру (например, песчаники), причем межкристаллическое сцепление значительно меньше прочности самих зерен. Такие горные породы являются хрупкими и разрушаются без предварительной пластической деформации. Глины и некоторые виды известняков обладают пластическими свойствами. Горные породы обладают достаточно высокой прочностью только на сжатие, сопротивление же их растяжению, сдвигу и изгибу очень мало и составляет десятые и сотые доли сопротивления сжатию.
При сложных процессах механического разрушения горных пород (бурение шпуров, применение проходческих комбайнов и т.д.) чаще находит применение термин «крепость горной породы».
Крепость —величина, приближенно характеризующая относительную сопротивляемость породы разрушению при добыче.
Данные о физико-механических свойствах горных пород получают путем испытания их образцов на сопротивление сжатию, разрыву, изгибу и сдвигу.
К свойствам горных пород относят также обобщающие характеристики разрушаемости механическими способами: дробимость, абразивность и контактную прочность.
Дробимость —относительная сопротивляемость породы измельчению при воздействии ударной нагрузки.
Абразивность горных пород и угля — способность истирать металлы, твердые сплавы и др. Поэтому абразивность горной породы обычно оценивают по износу материала, контактирующего с нею.
Контактная прочность —сопротивляемость породы разрушению в приповерхностном слое при местных контактных воздействиях.
По величине контактной прочности все горные породы делят на 12 классов. Первый класс составляют слабые породы с контактной прочностью менее 300 МПа, к двенадцатому классу относят крепчайшие породы с пределом прочности более 5650 МПа.
Хрупкость — свойство горных пород разрушаться без пластических деформаций.
Пластичность — свойство породы под воздействием сил претерпевать остаточную деформацию без микроскопических нарушений сплошности. Она растет с увеличением температуры и давления. Наиболее пластичны, например, глины.
Между хрупкими и пластичными породами нельзя провести резкой грани, так как одна и та же порода в зависимости от рода и скорости приложения нагрузки может быть хрупкой или пластичной.
Твердость — сопротивляемость породы при местных контактных воздействиях пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое.
Сопротивляемость горной породы внедрению инструмента или вдавливанию при статическом воздействии называют статической твердостью.
Вязкость — свойство, характеризующее сопротивляемость усилиям, стремящимся отделить часть породы от массива. Вязкость часто выражают через работу деформации — работу, необходимую для разрушения породы. Вязкость зависит от прочности и пластичности породы. В однородных породах вязкость равномерна во всех направлениях. В неоднородных породах вязкость вдоль слоев меньше, чем в направлении, перпендикулярном к ним.
Плотность горной породы — масса единицы ее объема в естественном состоянии со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами.
Различают среднюю и минералогическую плотности.
Пористость — суммарный относительный объем пор, содержащихся в горной породе. Наличие в породе пор и трещин уменьшает силы сцепления и облегчает разрушение породы под действием бурового инструмента. Чем больше объем пор, тем меньше ее плотность.
Пористость горных пород колеблется в широких пределах и зависит от размеров и формы зерен, слагающих породу, а также от минералогического состава, однородности, плотности ее сложения. Пористые горные породы обладают сжимаемостью, т.е. их объем уменьшается после сжатия. Однако практически сжимаемость горных пород незначительна.
Упругость — свойство тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия на него силы.
Деформация горных пород — изменение относительного положения частиц массива горных пород под действием сил.
Ползучестью горной породы называют медленное нарастание во времени пластической деформации породы при силовых воздействиях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности. Величина ползучести горных пород имеет большое значение при поддержании горных выработок, так как от нее зависит смещение горных пород на контуре выработок и, следовательно, нагрузка на крепь.
Ползучесть горных пород в большей мере проявляется на больших глубинах от поверхности.
Разрыхляемость —свойство горной породы занимать в разрыхленном состоянии больший объем по сравнению с тем, который она занимала в массиве.
Отношение объемов горной породы в разрыхленном состоянии и в массиве называют коэффициентом разрыхления. Величина этого коэффициента зависит от крепости породы, ее строения и сложения, степени разрыхления, способа добычи, наличия воды. Наиболее разрыхляемы твердые и прочные породы, наименьшей разрыхляемостыо обладают малосвязанные и рыхлые.
Трещиноватость — нарушенность монолитности пород трещинами. Трещиноватость горных пород значительно ослабляет устойчивость массива, существенно влияет на параметры буровзрывных работ, способы проведения и крепления горных выработок.
Влажностью горных пород называют количество воды, содержащейся в их порах, трещинах и других полостях.
Количество воды, содержащейся в породе в естественных условиях, называют естественной влажностью.
Предельно возможная влажность соответствует полной влагоемкости породы.
Влагоемкость — свойство горных пород удерживать воду (в порах и трещинах). Влагоемкость определяют по количеству оставшейся воды после свободного стекания ее избытка из образца, который предварительно был погружен в воду. По влагоемкости горные породы делят на влагоемкие (глины, торф и др.), слабовлагоемкие (пески, мел, мергели и др.), невлагоемкие (гравий, галечник, каменистые породы).
Водопроницаемость — способность горных пород пропускать через себя воду при некотором перепаде давления. Водопроницаемость зависит от скорости фильтрации, равной количеству воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения фильтрующей породы. Водопроницаемость характеризуют коэффициентом фильтрации, т.е. скоростью фильтрации при напорном градиенте, равном единице.
Способность поглощать и проводить воду у различных пород различна. Лишенные полостей кристаллические изверженные породы, большинство метаморфических пород (например, мрамор и кварцит) практически не поглощают и не проводят воду. Пластичная глина обладает значительным водопоглощением, но лишена водопроводящей способности. Обломочные породы с крупностью частиц больше 0,1—0,2 мм быстро поглощают и проводят большое количество воды.
Водоотдачу горной породы характеризуют количеством воды, которое может быть от нее отобрано путем свободного стекания под влиянием силы тяжести.
Газонасыщенность пород — степень заполнения пустот (пор, каверн, трещин) в породах природными газами. Она обусловлена сорбционной способностью горных пород, пористостью, трещиноватостью и давлением газов. Ее оценку осуществляют по коэффициенту газонасыщения, равному отношению объема газа, заполняющего породу, к объему открытых пор и пустот. Газонасыщенность определяют как объемное количество свободных и сорбированных газов, содержащихся в единице объема или массы породы, извлекаемых путем откачки, вакуумирования или вытеснения жидкостью.
Газопроницаемость — способность горной породы (угля) при некотором перепаде давления пропускать через себя газ. Газопроницаемость является основным свойством горной породы, проявляющимся при фильтрации газа, и зависит в основном от свойств породы и частично от свойств самого газа.

Тепловые и теплофизические свойства горных пород.

Теплопроводность. Теплопроводность среды характеризует ее способность передавать тепловую энергию. Коэффициент теплопроводности харак­теризует количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу площади при градиенте температуры 1°С на единицу длины.

L = Q/gradT, l = a×c× S, Вт/(м°С),

Где A - температуропроводность, C - теплоемкость, S - плотность пород.

Температуропроводность - способность передавать температуру с большей или меньшей ее потерей на единицу длины. Единица измерения темпе­ратуропроводности – м 2 /сек : a = L/(сS).

Обратимся к простейшим примерам для понятия смысла параметров теплопроводности и температуропроводности. Возьмем железный стержень. При нагревании одного конца очень быстро ощущаем высо­кую температуру на другом, нагретый металл быстро остывает. Это свидетельствует о высокой температуропроводности (15-18 м 2/сек) и теплопроводности (8-10 Вт/(м °С) и минимальной теплоемкости.

Вода, нефть обладают малой теплопроводностью и температуропроводностью, но зато большой теплоемкостью. Теплоемкость воды в 5 раз выше теплоемкости твердых пород и в 2 раза выше теплоемкости нефти.

Теплоемкость - способность единицы объема вещества поглощать или отдавать тепловую энергию. Коэффициент теплоемкости численно равен величине тепловой энергии, которую надо сообщить единице объема вещества, чтобы поднять его температуру на 1°С. Измеряется удельная теплоемкость в Дж/(кг°С). Единица названа в честь Джеймса Джоуля, определившего экви­валент механической энергии при переходе в тепловую.

Теплофизические параметры горных пород зависят от составляющих их минералов, структурно-текстурных особенностей пород, плотности, пористости, давления, температуры, влагонасыщенности. Одна и та же порода может иметь разные величины теплофизических параметров, в зависимости от места и направления измерения, что обусловлено неоднородностью породы и ее анизотропией.

В породах земной коры передача тепла происходит молекулярной кондуктивной теплопроводностыо, конвекцией и лучеиспусканием. Молекулярная теплопроводность определяется электронами проводимости и колебаниями атомов кристаллической решетки. С ростом температуры (соответственно глубины) величина кондуктивной теплопроводности уменьшается и увеличивается теплопроводность электромагнитным лучеиспусканием. Минимум суммарной теплопроводности горных пород приурочен к слою Мохоровичича, что обуславливает накопление в нем тепловой энергии. Земная кора является своеобразным "одеялом'' для Земли.

Конвективная теплопроводность зависит от объема пористого пространства, скорости фильтрации жидкости, ее вязкости. При малой скорости движения жидкости поперечная и продольная теплопроводности равны. Конвективная теплопроводность значительна в мантии и внешнем ядре Земли. Доказано наличие глобальных мантийных конвекционных потоков, как двигателя тектонических процессов перемещения плит.

Величины теплофизических параметров основных видов пород приводятся в таблице, из которой видно, что отдельные породы имеют резко отличные теплофизические параметры. Высокой теплопроводностью и температуропроводностью обладают каменные соли, а низкой теплопроводностью - вода, нефть и воздух. В то же время вода обладает высокой теплоемкостью, поэтому ее роль в конвективном теплопереносе очень большая.

Высокой теплопроводностью отмечаются все гидрохимические осадки и породы, обладающие электронной составлявшей теплопроводности: графит, железные и полиметаллические руды. С увеличением влажности породы от 0 до 40% теплопроводность пород увеличивается в 6 - 7 раз.

С увеличением температуры теплопроводность пород уменьшается. Так, в пределах до 500°С в осадочных породах, гранитах и базальтах теплопроводность уменьшается на 20%, а ультраосновных пород – в 2-2,5 раза.

Лекция Теплофизические свойства горных пород

Теплофизические свойства горных пород: теплопроводность, l ; теплоемкость, c ; температуропроводность, а (м²/c); теплоусвояемость b , определяющие процессы распространения теплоты, зависят от их химического состава, кристаллической системы составляющих минералов, их размеров, содержания кристаллической и стекловидной (аморфной) фаз, пористости, степени насыщения влагой, температуры, давления и т.д.). Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, проходящему в единицу времени через две противоположные грани единицы объема породы, на которых поддерживается разность температур в один градус. Таким образом, теплопроводность горных пород характеризует их степень проводимости теплоты. Механизм теплопроводности монолитных горных пород с позиции квантовой теории объясняется переносом энергии электронами и фононами (звуковыми квантами) в потенциальном поле, создаваемом кристаллической решеткой. Фононы возникают в результате наложения колебаний узлов кристаллической решетки твердого тела. При движении по кристаллической решетке фононы, сталкиваясь друг с другом или с дефектами кристаллической решетки, разрушаются. При этом образуются новые фононы. Фонон, обладая некоторой длиной свободного пробега l _ф, переносит энергию на эту длину. Так как количество дефектов в реальных кристаллах очень велико, то время существования каждого фонона незначительно. Это, в свою очередь, сказывается на величине теплопроводности.

Теплопроводность реальных кристаллов и пород, которая по сравнению, например, с металлами, сравнительно невелика. Вместе с тем, при увеличении чистоты кристаллов их теплопроводность значительно возрастает. В связи с тем, что породы в абсолютном большинстве являются диэлектриками и полупроводниками, и количество свободных электронов в них мало, теплопроводность их в основном обусловлена фононной (решеточной) составляющей теплопроводности (при температуре 300К электронная составляющая теплопроводности l_эл £ 10^-8 Вт/(м°С).

Зависимость коэффициента теплопроводности монолитных твердых тел от длины пробега фононов l _ф, а также скорости распространения упругих волн v_у, плотности пород r_п и их изохорной удельной теплоемкости с_v предложенная Д.Займаном, имеет вид

l = 1/3 v_у l _фr_пс_v (2.1)

Если рассматривать горную породу как "твердый раствор", образованный совокупностью различных материалов, то, зная теплопроводность каждого из минералов, можно вычислить и теплопроводность самой породы.

Для расчета теплопроводности отдельных минералов l_i при этом рекомендуется использовать формулу, предложенную А.Миснаром:

(2.2)

где Т_п, Т_пл.i - соответственно температура пород, при которой осуществляется определение l_i, и температура плавления минерала, °С; r_i - плотность минерала кг/м³; М_i - атомный вес минерала; N_i - число атомов в химической формуле; А_N - коэффициент, зависящий от сингонии кристалла и определяемый опытным путем (А_N соответственно равен 1,12 при кубической сингонии, 2,58 - при триклинной, 1,99 - при моноклинной, 2,55 - при гексагональной).

При известных значениях теплопроводностей минералов, слагающих горную породу, для определения теплопроводности породы используется следующая последовательность:

1. Все минералы группируются попарно, образуя т.н. биминеральные смеси.

2. Рассчитываются теплопроводности биминеральных смесей.

3. По найденным теплопроводностям биминеральных смесей составляются новые "условные" биминеральные смеси и вновь рассчитываются коэффициенты их теплопроводности.

4. Процесс вычислений повторяется до тех пор, пока не останется одна биминеральная смесь с коэффициентами теплопроводностей, полученных из теплопроводностей минералов.

5. Суммарный коэффициент теплопроводности этой биминеральной смеси принимается, равным коэффициенту теплопроводности породы.

Для определения теплопроводности биминеральной смеси l_см используется формула, полученная на основе следующих допущений: 1) частицы одного вещества, например, с теплопроводностью l_а имеет форму куба; 2) другое веществе с менее высокой теплопроводностью l_b занимает пространство между частицами вещества и более высокой теплопроводностью; 3) обеспечен достаточно тесный контакт между составляющими биминеральной смеси, который позволяет пренебречь тепловым сопротивлением контакта; 4) тепловой поток перпендикулярен ребру куба. Формула имеет вид:

(2.3)

где u_а - относительный объем, занимаемый в биминеральной смеси первым веществом.

Расчет по формуле (2.3) осуществляется два раза. Первый раз при условии, когда в качестве первого выбрано вещество с более высокой теплопроводностью, а второго - с меньшим значением теплопроводности (теплопроводности биминеральной смеси l¹_см). Второй раз составляющие биминеральной смеси меняются местами (теплопроводность биминеральной смеси l''_см). Расчетный коэффициент теплопроводности биминеральной смеси находят по формуле:

l_см = nl¢_см + ml¢_см (2.4)

Коэффициенты n и m являются характеристикой горной породы. Их значения для монолитной горной породы принимаются, равными соответственно 0,4 и 0,6.

Реальные горные породы всегда характеризуются определенной пористостью, величина которой может изменяться от долей процентов до 10-15%. Поры оказываются заполненными воздухом (в случае "сухих" пород) или насыщенными влагой. И в первом, и во втором случаях это приводит к снижению теплопроводности породы по сравнению со значениями, характеризующими "абсолютно" плотные породы. На перенос теплоты через воздушные включения, помимо молекулярной составляющей, оказывает влияние излучение и конвекция, которые, в определенной степени, интенсифицируют процесс распространения тепловой энергии. Для установления степени интенсификации процесса теплопереноса вводится так называемое эффективное значение коэффициента теплопроводности. Так, например, при совместном влиянии на теплоперенос молекулярного и лучистого механизмом l_эфсоставляет:

(2.5)

где l_возд - коэффициент теплопроводности воздуха, в интервале температур 0-100 °С, l_возд = 0,0244-0,0321 Вт/м×°С; Т_п, t_возд - соответственно температуры пород и воздуха, °С; С_о - коэффициент излучения абсолютно черного тела С_о = 5,7 Вт/м²×К⁴); e_п - приведенная степень черноты поверхностей пор (полостей), между которыми происходит лучистый теплообмен, e_п» 0,45-0,6 (предполагается, что одна из поверхностей находится при температуре пород Т_п, а другая - при температуре воздуха t­_в); d_пар - линейный размер пор (полостей), м.

Расчет суммарной теплопроводности пористой горной породы осуществляется по вышеизложенной методике. При этом воздушные включения с коэффициентом теплопроводности l_эф принимаются за дополнительный "минерал", входящий в состав породы, а коэффициентам n и m в формуле (2.4) присваиваются значения, равные 0,3 и 0,7.

Теплоемкость горной породы численно соответствует количеству теплоты, необходимому для изменения температуры единицы ее массы (объема) на 1°С. Таким образом, теплоемкость породы характеризует способность вещества удерживать или принимать теплоту в процессе охлаждения или нагревания.

Также, как и теплопроводность, теплоемкость горной породы с_п может быть рассчитана как сумма относительных теплоемкостей с_i составляющих ее минералов

(2.6)

где n_i - относительное массовое содержание минерала в породе. В пористой горной породе n_i соответствует значению пористости, а с_i - теплоемкости воздуха.

Удельная теплоемкость каждого из минералов с_i, входящих в состав породы, рассчитывался по формуле

(2.7)

где с_А - атомная теплоемкость, равная произведению относительной атомной массы на удельную теплоемкость минерала. Установлено, что с_Апрактически для всех минералов постоянна и равна 25 Дж/(моль×К).

Температуропроводность горной породы характеризует скорость выравнивания температуры и определяется как отношение теплопроводности к объемной теплоемкости

а_п = l_п/с_пr_п, (2.8)

Теплоусвояемость горной породы характеризует ее теплоаккумуляционные свойства. Величина теплоусвояемости вычисляется по формуле

(2.9)