30. Понятие о физико-технических свойствах горных пород. Классификация. Базовые физико-технические параметры горных пород.

Минеральный состав и строение, а также многофазность горных пород предопределяют различное их поведение при воздействии нагрузок, тепла, электрического поля, т. е. различные их физические свойства.

Под физическим свойством породы понимают ее особое поведение (ответную реакцию) при воздействии на нее определенных физических; полей или сред. Численно каждое физическое свойство породы оценивается одним или несколькими параметрами (показателями, характеристиками), являющимися количественной мерой свойства.

Свойства пород и соответствующие им параметры, характеризующие ответную реакцию пород на воздействие определенных инструментов (например, буровых), механизмов или технологических процессов (например, взрыва), называют горно-технологическими.

Всю совокупность физических и горно-технологических параметров пород, описывающих их поведение в процессах разработки, принято называть физико-техническими параметрами.

Факторы, обусловливающие численное значение тех или иных физико-технических параметров горных пород и минералов и их изменчивость, подразделяют на две группы. Это внутренние факторы, своей сущностью связанные с породой (минералом) и определяющие ее название (минеральный состав и строение для пород, химический состав и кристаллическая решетка для минералов), и внешние (различные физические поля, внешнее воздействие, окружающие и проникающие в породу среды), обобщенно называемые внешним полем.

В физике горных пород под понятием «внешнее поле» подразумевают тот вид энергии или вещества, под воздействием которого в данный момент находится порода.

Физико-технические параметры подразделяют по виду соответствующих внешних полей, вызывающих ответную реакцию породы.

Исходя из этого, выделяют механическое поле (давление) и соответствующие ему механические свойства пород, тепловое поле (температура, тепловой поток) и тепловые свойства, электрическое, магнитное и радиационное поля и такие же свойства пород. Кроме того, существует еще вещественное поле (флюиды) и соответствующие ему гидравлические и газодинамические свойства. Воздействие знакопеременных нагрузок на горные породы описывается акустическими свойствами, воздействие электромагнитных волн — электромагнитными свойствами.

Как те, так и другие связаны с волновыми процессами и поэтому могут быть объединены в общую группу волновых свойств.

Физико-технические параметры, описывающие объемный, накопительный процесс, являются скалярными и не зависят от направления действия внешнего поля (например, плотность, теплоемкость).

Остальные параметры зависят от направления поля действия и степени ориентации минеральных частиц и поэтому в общем виде описываются векторами и тензорами. Они называются тензорными.

31. Влияние внешних полей на механические свойства пород.

Влияние влажности.

Воздействие жидкости на горную породу может быть динамическим и статическим. Динамическое воздействие, как правило, приводит к механическому разрушению и перемещению горных пород; статическое — к их набуханию, размоканию и растворению. Степень воздействия жидкостей наибольшая в связных и некоторых слабосцементированных скальных породах.

С увлажнением уменьшается статический модуль Юнга горных пород и возрастает коэффициент Пуассона, как это видно на примере углей Кизеловского бассейна.

Если влажность приводит к размоканию пород, то наблюдается также снижение скоростей распространения упругих колебаний.

Увеличение влажности горных пород приводит к снижению всех их прочностных параметров (табл. 8.2) и увеличению пластичности и деформируемости пород. Так, деформируемость мрамора после увлажнения возрастает в 2 раза, глинистого песчаника — в 3 раза, песчаника —в 3,5 раза.

Увлажнение приводит также к уменьшению горно-технологических параметров пород — крепости, твердости, абразивности, хрупкости. Например, твердость известняков снижается в пределах 10—30%, гранитов — 5—10%, а алевролитов— до 50 %. Одновременно коэффициент пластичности увеличивается (у гранитов, доломитов и песчаников до 20%).

Влияние давления.

Основной причиной изменения свойств пород под влиянием давления является нарушение первоначального строения пород. В зависимости от характера давления это либо уплотнение породы, смятие пор и увеличение площади контакта зерен, либо образование системы трещин, уменьшение связей между отдельными ее участками и т. д.

Коэффициент поглощения упругих волн с повышением давления уменьшается (у пористых пород на 15—35%), а удельное волновое сопротивление возрастает. Однако если имеются фазовые превращения, то возможна иная зависимость 6 от давления, как это, например, установлено для известняка.

Прочность пород значительно увеличивается при пере-ходе от одноосного сжатия к двух- и трехосному.

При всесторонних сжимающих нагрузках прочность пород с повышением давления продолжает расти, а отношение σсж/σр уменьшается. Например, предел прочности при сжатии мелко-зернистого известняка, составляющий в случае нормального атмосферного давления 260 МПа, при давлении 1000 МПа достигает 1300 МПа. Сильно возрастают также пределы прочности пород при сдвиге. Прочность при изгибе у большинства пород при давлении 300 МПа повышается в 10—15 раз.

При повышенных давлениях значительно увеличиваются также пластические и реологические параметры пород.

Существенное влияние на механические свойства пород оказывает характер приложения механических нагрузок к породам — статический или динамический.

При динамических нагрузках наблюдаются более высокие значения параметров упругости, прочности, крепости, твердости, вязкости пород, пониженные значения пластичности.

При статических нагрузках создаются более благоприятные условия для развития пластических деформаций в породе. Поэтому необходимые для разрушения усилия в этом случае меньше, чем при динамическом воздействии, однако удельная работа разрушения может быть больше. Например, при скорости V удара долота о породу, равной 3 м/с, удельная работа разрушения базальта составляет а= 1600 МДж/м3, в то время как при v = 22 м/с а=400 МДж/м3.

Влияние упругих колебаний.

Упругие колебания низкой частоты достаточной мощности чаще всего приводят к тем же последствиям, что и механические напряжения. При этом происходит усталостное разрушение пород. Возможен эффект уплотнения и сортировки рыхлых горных пород.

Особые явления наблюдаются при распространении в горных породах и жидкостях высокочастотных упругих колебаний (ультразвука). При прохождении ультразвука через жидкость возникает кавитация. Когда в некоторых участках жидкости, оказавшихся в фазе деформации растяжения, внутреннее давление р становится ниже статического ее давления р0, происходит разрыв жидкости. Жидкость испаряется, и образуются кавитационные пузырьки, которые захлопываются сразу же, как только р станет больше р0, что происходит в фазе сжатия.

Появлению кавитации способствует наличие в жидкости инородных тел или пузырьков, являющихся как бы центрами се возникновения. Вблизи этих центров силы притяжения между молекулами воды значительно ослаблены. При частоте более 5 МГц кавитация не наблюдается, так как процесс возникновения и исчезновения пузырьков не успевает завершиться.

Кавитация является причиной возникновения некоторых эффектов, важнейшим из которых следует считать диспергацию (разрушение) твердых тел, расположенных в области распространения упругих колебаний. При этом скорость разрушения пород под воздействием ультразвука определяется прежде всего их хрупкостью. Чем больше хрупкость, тем, при прочих равных условиях, выше скорость разрушения, поэтому ультразвуком легко диспергируются такие минералы, как гипс, слюда, графит, сера. Эффект диспергирования усиливается при добавке к воде поверхностно-активных веществ в количестве менее 0,2%.

Кавитация вызывает также дегазацию жидкостей и расплавов. Дегазация обусловлена понижением давления жидкости в фазе растяжения и выделением вследствие этого газа.

Ультразвук, проходя через жидкость, в которой взвешены частицы породы, заставляет их совершать колебания, частота и амплитуда которых зависят от массы частиц. Это приводит к увеличению частоты соударений частиц, их слипанию, укрупнению и осаждению. Это явление называется коагуляцией.

Упругие колебания звуковой и инфразвуковой частоты способны вызвать тиксотропию (разжижение) влажных глинистых пород.

Влияние теплового поля.

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 при нагреве.

Термохимические и физические превращения в горных породах могут быть следующими:

— высушивание породы;

— переход породы из одного агрегатного состояния в другое — плавление, отвердевание; испарение или сжижение; возгонка;

— переход минералов из одной кристаллической формы в другую без изменения их химического состава — полиморфные превращения;

— дегидратация — удаление химически связанной воды из минералов и горных пород;

— диссоциация — разрушение минерала с выделением газообразной фазы (например, декарбонатизация известняков);

— окислительно-восстановительные процессы.

Все параметры пород, характеризующие их пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений, с повышением температуры увеличиваются. Вязкость пород с нагревом снижается.

Влияние отрицательных температур на механические свойства пород чаще всего имеет противоположный нагреву характер. Понижение температуры вызывает в большинстве случаев повышение прочности пород, модулей упругости, твердости, крепости, понижение пластических и реологических характеристик.

Изменение температуры породы приводит к изменению не только ее прочности, но и механизма разрушения. Повышение температуры способствует проявлению пластичного характера разрушения пород, понижение — хрупкого.

С повышением температуры изменяются также гидравлические свойства и эффекты воздействия жидкостей на горные породы. Например, растворимость минералов с повышением температуры может как увеличиваться (у галогенов), так и уменьшаться (у магнезита).

Влияние электромагнитного и магнитного полей.

Электрические и магнитные поля могут воздействовать на горные породы непосредственно за счет смещения, электрического и магнитного ориентирования (поляризация и намагничивание), возбуждения электронов и ионов и т. д. или косвенно — через тепловое поле, в которое трансформируется электрическая энергия в породах.

Электромагнитное поле не только является источником тепла в горной породе, но и непосредственно воздействует на кристаллическую решетку минералов, существенно изменяя их механические свойства. Это связано с тем, что дислокации, имеющиеся в породе, как правило, обладают некоторым электрическим зарядом. Поэтому внешнее электромагнитное поле способно воздействовать на дислокацию, переориентировать ее или сдвинуть в определенном направлении. Это способствует пластической деформации пород.

В результате воздействия электромагнитного поля на некоторые породы даже при отсутствии нагрева последних происходит довольно существенное уменьшение модуля Юнга (до 2— 3 раз), предела прочности при сжатии и возрастание величины пластической деформации.

Электротепловой пробой. Как известно, ток, проходящий через породу, нагревает ее. Поскольку сопротивление горных пород в большинстве случаев очень велико, при небольших напряжениях количество выделившейся теплоты мало.

Если повысить напряжение, произойдет более сильный разогрев породы, который уже не может быть скомпенсирован ее охлаждением окружающей средой. В результате произойдет повышение температуры породы, что вызовет уменьшение ее сопротивления, увеличение тока, проходящего через породу, дальнейший разогрев породы, новое нарастание тока и т. д. В результате ток может возрасти до большой величины и произойдет пробой.

При увлажнении, повышении пористости пород, наличии в них включений и неоднородностей их электрическая прочность снижается.

С увеличением всестороннего давления на минералы и породы, а также длительности воздействия напряжения их электрическая прочность понижается.

Во всех случаях теплового и электрического пробоя породы происходит нарушение ее сплошности — образуются выплавленные, разрушенные каналы, а в соответствующих условиях происходит полное разрушение породы. Поэтому в результате пробоя существенно снижаются прочность пород и их параметры упругости.

Влияние излучений.

Энергия -квантов значительно превышает энергию квантов электромагнитных волн большой длины. Поэтому процессы взаимодействия -квантов и частиц породы приводят к их существенным физико-химическим изменениям. Электрическая прочность каменной соли, например, при облучении -лучами изменяется в зависимости от продолжительности воздействия— вначале она растет, а затем плавно уменьшается.

После облучения -лучами микротвердость сегнетовой соли уменьшается на 35 %, теплоемкость также снижается. Теплопроводность горных пород после облучения уменьшается, а электрическая проводимость растет. Температура плавления облученного -лучами графита снижается.

В последнее время расширяются исследования по изучению горных пород под воздействием не только -лучей, но и потоков различных микрочастиц, особенно нейтронов.

Продолжительное облучение нейтронами может привести к изменениям свойств минералов и горных пород. В некоторых кристаллах облучение нейтронами при плотности потока 10¹⁶ част./(м2-с) приводит к выделению около 8 Дж теплоты. Кроме того, после облучения нейтронами в кристаллах появляются структурные дефекты решетки, и в результате их плотность уменьшается.