Силы связи и внутренняя структура горных пород

Классификация свойств горных пород

Горные породы как объект разработки

СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Под горными породами понимают природные образования - агрегат минералов, слагающих самостоятельные геологические тела. Свойства горных пород определяются их составом и строением. Минеральным со­ставом называется относительное объемное содержание в породе различ­ных минералов. Строение горных пород может быть выражено в единстве двух понятий - структуры и текстуры. Под структурой понимают размер и форму, образующих породу минеральных зерен. Основные типы структур -кристаллическая, скрытокристаллическая, аморфная, порфировая, обло­мочная. Текстура характеризует взаимное пространственное расположение минеральных зерен. Различают массивную, пористую, слоистую текстуры.

Структура и текстура пород являются качественными (диагностиче­скими) признаками. Совместно с минеральным составом они определяют петрографическое наименование породы. Напротив, название породы дает общее представление о ее минеральном составе и строении. Однако в силу чрезвычайно большого многообразия реальных горных пород, судить об их свойствах, основываясь только на названии породы, практически невоз­можно. Поэтому в принципе невозможно создать исчерпывающий спра­вочник свойств горных пород. Каждый раз для конкретной породы необхо­димо непосредственное определение ее характеристик. Д)Ія знакомства с методами определения свойств горных пород предусмотрен цикл лабора­торных работ.

Горная порода является сложным многокомпонентным телом. В ее состав входят как твердые минеральные частицы, так и жидкости и газы, которые находятся в порах и трещинах породы. По степени неоднородно­сти состава и строения, а также изменчивости свойств горные породы не имеют аналогов среди других, используемых человеком материалов. Кро­ме того, слагаемые горными породами массивы, как правило, имеют раз­витую систему трещиноватости, тектонические нарушения, слоистое строение. Все это обусловливает существенную (десятки процентов) ва­риацию свойств горной породы даже в одной пробе. В этой связи единич­ный акт измерения какого-либо показателя не дает возможности досто­верно оценить величину свойства породы. Объективная информация мо­жет быть получена только тогда, когда установлен вероятностный закон распределения конкретного показателя. Для эффузивных пород Урала средняя вариация свойств представлена в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Вариация свойств горных пород

Показатели свойств	Граница изменчивости в пределах слоя	Относительная ширина интервала, %	Коэффициент вариации единичных измерений, %
Объемная масс, г/см. куб.	2,2-3,2		3,5
Пористость, %	0,3-36
Скорость упругой волны, км/с	1,2-6,5
Модуль упругости, ГПа	3-85
Прочность при растяжении, МПа	0,8-32
Прочность при сжатии, МПа	12-227
Дробимость,	1,0-18
Абразивность, мг	1-104
Контактная прочность, МПа	160-3900

В зависимости от состояния, определяющего технологию их разработки, различают следующие типы горных массивов: скальные, рыхлые (разрушенные), глинистые (связные). Часто выделяют особое состояние массива влажных пород - мерзлые, когда за счет отрицательных темпера­тур вода в массиве кристаллизуется, существенно изменяя свойства, осо­бенно рыхлых и глинистых пород. Кроме того, скальные массивы разде­ляют по степени трещиноватости на несколько (обычно пять) технологи­ческих категорий.

Под свойством горной породы в общем случае понимают ее реакцию IKL внешнее воздействие. Численно каждое свойство характеризуется од­ним или несколькими параметрами. Существуют три основных способа воздействия на горную породу при ее добывании и переработке, соответствующие трем основным видам энергии - механической, термической и электромагнитной. Поэтому целесообразно выделить и три основных класса свойств. К этому следует добавить класс свойств, характеризующий поведение горной породы в гравитационном поле. Горные породы, содержащие радиоактивные элементы (уран, торий, радий) или радиоактивные изотопы таких элементов, как калий, кальций, вольфрам и др., характери­зуются радиоактивными свойствами. Иногда этот класс свойств объеди­няют с электромагнитными, рассматривая их как реакцию горной породы на воздействие потоков микрочастиц или электромагнитных волн значи­тельной жесткости (рентгеновские, гамма-лучи). Кроме того, горные по­роды характеризуются гидравлическими и газодинамическими свойства­ми, описывающими поведение породы при воздействии на нее жидкостей и газов. В целом данные свойства можно отнести к классу механических, так как последний включает в себя все свойства, проявляющиеся при воз­действии на породу любого вещественного поля.

Таким образом, структура классификации свойств горных пород мо­жет быть представлена в следующем виде

I. Плотностные - характеризуют поведение породы в гравитационном поле.

II. Механические:

1) упругие - взаимосвязь обратимых деформаций и напряжений в горных породах;

2) акустические - закономерности распространения в породах уп­ругих ноли;

3) прочностные - разрушаемость горных пород;

4) пластические - взаимосвязь необратимых деформаций и напря­жений в горных породах;

5) реологические - изменение механических свойств пород во вре­мени;

6) горно-технологические - поведение пород при воздействии на них различных инструментов и технологических процессов.

III. Тепловые - характеризуют поведение горных пород при нагреве и охлаждении.

IV. Электромагнитные:

1) электрические - поведение горных в электрическом поле;

2) магнитные - поведение пород в магнитном поле.

V. Радиоактивные - специфическое поведение горных пород, содер­жащих радиоактивные элементы или изотопы.

Минералы, слагающие горные породы, могут находиться в аморфном (обсидиан) или кристаллическом состоянии. Причем абсолютное боль­шинство пород относятся к классу кристаллов. Основной особенностью кристаллов является геометрически правильное расположение частиц (атомов, ионов или молекул) в пространстве, образующее кристалличе­скую решетку. В основе кристаллической решетки лежит элементарная кристаллическая ячейка. В зависимости от ее геометрии различают семь видов кристаллической сингонии, которые обеспечивают все многообразие форм реальных кристаллов. Каждая сингония отличается положением оси, плоскости и центра симметрии, координационным числом и атомным радиусом.

Влияние строения на свойства кристаллов и минеральных образова­ний ярко прослеживается на примере алмаза и графита, которые являются двумя различными кристаллическими формами одного и того же химиче­ского элемента - углерода. Здесь в отличие от плотной упаковки алмаза, где каждый атом углерода помещается в центре тетраэдра, образованного атомами, являющимися его ближайшими соседями, кристалл графита име­ет слоистое строение и легко делится на чешуйки. Силы связи (графита) между слоями ослаблены за счет большего расстояния между атомами по сравнению с расстоянием между атомами, находящимися в одной плоско­сти.

Упорядоченное расположение атомов в узлах кристаллической ре­шетки обусловливает анизотропию свойств кристаллов, заключающуюся в различии величины векторных характеристик свойств, измеренных в раз­ных направлениях. Действительно, уже сама симметрия кристаллов пре­допределяет тот факт, что расстояние между атомами, а следовательно, силы связи между ними в разных направлениях различны. В то же время горные породы, как правило, являются поликристаллическими телами, т.е. они состоят из очень большого числа сросшихся кристаллических зерен. Если в ориентации этих мелких кристаллов нет какого-либо определенно­го порядка, то горная порода будет изотропная.

Свойства кристаллов определяются не только пространственным рас­положением частиц в узлах кристаллической решетки, но типом связи ме­жду ними. Различают:

1. Ионные кристаллы.

Ионная связь возникает в результате того, что в процессе образования кристалла электроны от атомов с меньшей электроотрицательностью пе­реходят к атомам с большей электроотрицательностью. Например, в каменной соли (галит) электрон от натрия переходит к атому хлора. В результате образуется пара ионов и. между которыми действует электростатическое (кулоновское) притяжение. В ионных кристаллах оди­наковой структуры силы взаимодействия между ионами тем больше, чем выше их валентность и чем меньше сумма их атомных радиусов.

2. Атомные (ковалентные) кристаллы.

В узлах кристаллической решетки находятся нейтральные атомы, свя­занные обменным взаимодействием. Природа ковалентной связи может быть описана с помощью квантово-механических представлений, учиты­вающих волновые свойства электрона. Упрощенно механизм обменного взаимодействия можно представить следующим образом. Пусть имеются два атома (в простейшем случае - атомы водорода). При больших расстоя­ниях между ядрами атомов атомы можно считать изолированными. По мере уменьшения расстояния увеличивается степень перекрытия электронного облака первого атома вторым, т.е. увеличивается вероятность перехода электрона к «чу­жому» протону. При дальнейшем сближении атомов (рис. 1.1) степень перекрытия облаков растет, и частота обменов электронов местами увеличивается на­столько, что теряет смысл говорить о принадлежности электрона 1 прото­ну а и электрона 2 - протону б. В этом случае в системе возникает новое состояние, при котором электроны принадлежат одновременно обоим ядрам. Такие электроны называются обобществленными.

Ковалентная связь возникает при взаимодействии одинаковых атомов с 4 по 7 группу таблицы химических элементов Менделеева, При этом 4-валентные элементы отдают в общее пользование четыре электрона, 5-валентные - три, 6-валентные - два и 7-валентные - один электрон, В этом случае у взаимодействующих атомов оказываются заполненными внешние оболочки обобществленными электронами. Ковалентная связь присуща наиболее твердым кристаллам, например алмазу.

Рис. 1.1. Схема обменного взаимодействия атомов

3. Металлические кристаллы.

Аналогично ковалентным кристаллам в узлах пространственной ре­шетки металлических кристаллов размещаются совершенно одинаковые частицы. Следовательно, ионная связь возникнуть не может. Для установ­ления ковалентной связи у металлов недостает валентных электронов (для большинства металлов координационное число равно 8-12). При кристал­лизации металла его атомы сближаются настолько, что волновые функции электронов существенно перекрываются. Вследствие этого валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и могут свободно перемещаться по всему объему металла. Эти коллективи­зированные электроны и оказывают «цементирующее» действие, удержи­вая в узлах решетки положительно заряженные ионы металла. Из характе­ра металлической связи видно, что она должна быть более гибкой и эла­стичной, чем ионная и ковалентная. Иллюстрацией этого является большая пластичность (ковкость) металлов. Наличие высокой концентрации сво­бодных электронов обусловливает хорошую электропроводность и тепло­проводность металлов.

4. Молекулярные кристаллы.

В узлах кристаллической решетки находятся устойчивые молекулы, которые сохраняют индивидуальность не только в газообразной, но и в жидкой и твердой фазах (,,.). Молекулы удерживаются в уз­лах решетки довольно слабыми силами, природа которых сводится к взаи­модействию между молекулярными диполями (силы Ван-дер-Ваальса). Молекулярная связь самая непрочная и легко разрушается тепловым дви­жением, вследствие чего молекулярные кристаллы плавятся при очень низких температурах, например лед.

Любой из указанных типов связи только в редких случаях встречается в чистом виде. Обычно связь между атомами в твердом теле представляет собой комбинацию различных типов связей. Например, в межатомном притяжении почти всегда содержится вклад сил Ван-дер-Ваальса.