Классификация свойств горных пород
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.
|
|