Акустические свойства

Тепловые свойства

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА горных пород — свойства, определяющие термодинамическое состояние и тепловые процессы, идущие в горных породах. К тепловым свойствам относятсятеплопроводность, теплоёмкость, термостойкость и др. Для расчёта тепловых процессов необходимо знать температуры плавления, кипения и разложения породы, а также — удельную теплоту плавления и испарения.

При температуре плавления твёрдая порода переходит в жидкое состояние (в расплав). Температура плавления от — 38,9°С для ртути и до 2050°С для корунда. При температуре кипения расплав закипает по всему объёму. Температура кипения не очень сильно отличается от температуры плавления: например, температура кипения расплава корунда 2250°С. Температуры плавления и кипения измеряют термометрами или термопарами, но наиболее точны бесконтактные оптические или радиационные пирометры. При температуре разложения минералов и горных пород изменяется химический состав минерала или породы (например, кальцит разлагается при температуре 825°С, выделяяуглекислый газ и превращаясь в оксид кальция). Температуру разложения минералов определяют на дереватографе, где получают диаграммы поведения вещества в заданном интервале температур. Контроль разложения минералов ведётся по изменению массы образца. Температуры плавления и кипения минералов и горных пород используют в расчётах режимов термической обработки полезных ископаемых, например, при окомковании железных руд. Температура разложения необходима для тех же целей. Температуры плавления, кипения и разложения минералов зависят от давления и при его увеличении возрастают. На величину данных температур оказывают влияние примеси, содержащиеся в минералах или горных породах. Удельная теплота плавления определяет количество энергии, необходимое для перевода единицы массы минерала или породы из твёрдого состояния в жидкое (для льда 334,4 Дж/г, для серы 39,29 Дж/г). Удельная теплота испарения указывает количество энергии, которое необходимо для перевода в пар единицы массы расплава породы или минерала (для воды 2253 Дж/г, для ртути 271,7 Дж/г). Удельная теплота плавления и испарения используется для расчёта затрат энергии в процессах обработки горной массы в высокотемпературных печах; для льда и воды — при расчётах технических средств разработки мёрзлых пород.

АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА горных пород) — определяют характер распространения упругих волн в горных породах.

Необратимые потери энергии при распространении упругих волн связаны с акустическим поглощением горных пород, обусловленным в основном внутренним трением и теплопроводностью. В различных частотных диапазонах вклад этих механизмов в общее поглощение не одинаков, т.к. их параметры зависят от частоты волны. Акустическое поглощение — одна из причин дисперсии скоростей упругих волн и искажения импульсных сигналов, распространяющихся в горных породах Степень затухания колебаний оценивают с помощью коэффициента потерь g или добротности Q. Изменение амплитуды волны при распространении в горных породах определяет коэффициент затухания а [м^-1] — величина, обратная расстоянию, при котором амплитуда волны уменьшается в 2,718 раз.

К основным показателям акустических свойств относится также скорость распространения упругих (продольных, поперечных и поверхностных) волн. Скорость распространения продольных волн примерно в 1,7-1,9 раза больше, чем поперечных, и в 2 раза больше, чем поверхностных.

Акустические свойства тесно связаны с физико-механическими свойствами, термодинамическим состоянием и структурными особенностями среды. Например, для скальных пород коэффициент затухания приблизительно пропорционален первой степени частоты, для рыхлых — её квадрату. Скорости распространения упругих волн возрастают с увеличением модулей упругости и плотности пород и давления (глубины залегания); коэффициент затухания уменьшается с глубиной. Акустические свойства зависят также от температуры: при её увеличении скорость упругих волн уменьшается, а коэффициент затухания возрастает.

В практике горного дела приняты резонансный (по собственной частоте колебания образца) и импульсный (с использованием периодического импульсного взрывного или ударного источника упругих колебаний) методы измерений характеристик акустических свойств.

Акустические свойства изучают для определения упругих, прочностных и вязкопластических характеристик пород при исследовании геологического строения, оценке напряжённого состояния и трещиноватости массива, эффективности ударного или взрывного воздействия на горные породы, при выборе звукоизолирующих материалов из природного камня.