4. Петрографические особенности горных пород.

Петрографические характеристики - характеристика горной породы, содержащей: наименование по-роды и ее происхождение, содержание главных породообразующий минералов, содержание включений и минералов, отнесенных к вредным примесям, описание текстурных и структурных особенностей, оценку микротрещиноватости; вторичные изменения, данные о включении пород и минералов как твердых, так i хрупких, о глинистые слои или другие примесные породы. По типам изучаемых горных пород различают:1) петрографию магматических пород;2) петрографию метаморфических пород; 3) петрографию осадочных пород (литология). Петрография магматических горных пород исследует кристаллические горные породы, образовавшиеся в основном в результате застывания и кристаллизации магмы.

Процессы расщепления магмы в ходе ее застывания в земной коре и растворения в магме вмещающих пород ведут к возникновению различных по составу типов изверженных горных пород и связанных с ними полезных ископаемых. Петрография метаморфических горных пород занимается исследованием горных пород, изменивших первоначальный минеральный и химический состав под влиянием новых физико-химических условий. Для изучения состава и строения горных пород применяют специальные методы исследования. К ним относятся: Кристаллооптические методы, позволяющие изучать тонкозернистые минеральные агрегаты в шлифах. При этом используется поляризационный микроскоп. Шлиф – тонкая пластинка горной породы или минерала, прикрепленная на стекло. Стандартный петрографический шлиф имеет толщину 0.03 - 0.02мм, прикреплен на специальную смолу (канадский бальзам) и покрыт сверху тонким стеклом. Размеры шлифа примерно 2×4см. Широко применяется рентгеноскопический метод и спектральный анализ, которые дают возможность определить элементы-примеси, присутствующие в породах в малых количествах. Химический состав минералов определяется при помощи микроанализа в горных породах. Вещество горных пород исследуется и путем химического анализа. Физические исследования горных пород и составляющих их минералов применяются для определения ряда физических показателей (плотность, твердость, тепловое расширение, сжимаемость, вязкость, электрические и магнитные условия и т.д.)

5. влияние важнейщих групп породообразующих минералов на механические свойства горных пород. Среди породообразующих выделяются первичные и вторичные. Первичные возникли при формировании пород, вторичные — позднее как продукты видоизменения первичных минералов. Природные минералы находятся в основном в твердом состоянии и имеют преимущественно кристаллическое строение с закономерным расположением частиц (ионов, атомов, молекул) в пространстве. Реже они встречаются в виде аморфных веществ с беспорядочным пространственным расположением частиц. Минералы обладают рядом характерных свойств, оказывающих большое влияние на технические свойства пород, среди которых следует особо выделить твердость, спайность, излом, блеск, окраску, плотность. Эти свойства зависят от строения и прочности связей в кристаллической решетке. Твердость характеризует поверхностную энергию минерала. Она оценивается по шкале Мооса, которая состоит из десяти минералов, расположенных в порядке возрастания их твердости: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, полевой шпат, кварц, топаз, корунд и алмаз. Определение твердости производится пробой на царапанье и выражается порядковым числом соответствующего эталона в шкале, оставляющего царапину на испытуемом образце. Более точную оценку твердости получают специальными склерометрическими приборами. Показатель твердости материала имеет большое практическое значение, так как косвенно позволяет судить о механических свойствах природного камня.

Спайность проявляется в виде способности минералов раскалываться по определенным направлениям с образованием гладких зеркальных поверхностей-плоскостей спайности. Минералы имеют различную спайность: одни легко расщепляются на тончайшие пластинки в одном или нескольких направлениях, у других она проявляется плохо или совсем отсутствует. Спайность служит важным Диагностическим признаком минералов и вместе с показателями твердости помогает предварительной оценке механических свойств природных материалов. Излом является характеристикой неровной поверхности раскола минерала, прошедшего не по направлениям спайности. Среди разнообразных видов излома выделяются ровный, ступенчатый, неровный, раковистый, занозистый, землистый. Они позволяют не только диагностировать, но и оценивать свойства минералов. Окраска — важный диагностический признак минералов, так как для большинства их она сохраняется постоянной и вместе с тем имеет определяющее значение для декоративной характеристики природного камня. Окраска обусловлена присутствием красящих элементов (хромофор) в составе минерала, в частности Сг, Mn, Fe и др., или посторонних тонкоокрашенных примесей, иногда газовых пузырьков. Возможно также появление ложной окраски, вызываемой интерференцией световых лучей при их отражении от внутренних плоскостей трещин спайности. Блеск возникает в результате отражения световых лучей от поверхности минерала и имеет важное диагностическое значение. Одновременно он является характеристикой декоративных или ювелирных достоинств минерала.

6. 7. 8. Классификация свойст 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, равно м единице.

9. реологические свойства горных пород.

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА горных пород (от греч. rheos — течение, поток и logos — слово, учение* а. reologic properties of rocks; н. Fließeigenschaften der Gesteine, rheologische Eigenschaften des Gebirges; ф. propriйtes rheologiques des roches; и. caracteristicas reologicas de rocas, propiedades reologicas de rocas) — совокупность свойств, определяющих способность горных пород изменять во времени напряжённо-деформированное состояние в поле действия механических сил. К основным реологическим свойствам относятся: упругость, пластичность, прочность, вязкость, ползучесть, релаксация напряжений. Реологические свойства характеризуют изменение (рост) во времени деформаций в горных породах при постоянном напряжении (явление ползучести) либо изменение (падение) напряжений при постоянной деформации (явление релаксации). Ползучесть и релаксация напряжений связаны с переходом упругих деформаций в пластические, необратимые. Сложное реологическое поведение горных пород можно изучать экспериментально и теоретически. Экспериментально реологические свойства определяются испытанием горных пород или при постоянной нагрузке (простая ползучесть), или при постоянной деформации. Наибольшее распространение получили испытания при постоянной нагрузке, что связано со значительной простотой эксперимента по сравнению с испытаниями на релаксацию напряжений. Теоретический метод исследования заключается в установлении зависимости между действующими на горные породы напряжениями, вызываемыми деформациями, и их изменениями во времени. Проявление реологических свойств в значительной мере зависит от типа породы, влажности, трещиноватости, температуры, но решающим является уровень напряжённого состояния. Реологические свойства и их параметры широко используются при исследовании механических процессов в массиве горных пород, в расчётах при оценке прочности и устойчивости горных выработок, бортов карьеров, скважин, целиков, горнотехнических сооружений и др.

10. структурные неоднородности горных массивов.

Для правильных представлений о свойствах какого-то конкретного массива пород недостаточно располагать данными о механических характеристиках объёмов, вмещающих структурные неоднородности различного типа. Необходимо иметь представления о закономерностях пространственного расположения и степени распространения структурных неоднородностей, особенно это касается структурных неоднородностей низких порядков, для которых применяется дифференциальный путь изучения прочностных характеристик.С физической точки зрения подавляющее большинство структурных неоднородностей (геологических нарушений, контактных зон, трещиноватости и др.) с достаточной для практических целей точностью может интерпретироваться плитчатыми телами, ограниченными двумя параллельными плоскостями при весьма небольших расстояниях (мощностях) между ними. В этом случае для их исчерпывающей геометрической характеристики необходимо определить пространственное положение ограничивающих плоскостей (азимут линии простирания или линии падения, угол падения), а также их видимую длину и мощность заполнения. Изучение закономерностей пространственного расположения структурных неоднородностей должно сопровождаться изучением вида заполнения и характера контактирующих поверхностей структурных неоднородностей. Ведь именно от вида и состояния минералов - заполнителей трещин или других типов структурных неоднородностей, а также от степени шероховатости и извилистости поверхностей контактов зависят механические характеристики по поверхностям структурных неоднородностей. Учитывая сказанное, методику определения геометрических характеристик неоднородностей необходимо дополнять специальными исследованиями, направленными на создание классификаций структурных неоднородностей рассматриваемого массива, в первую очередь по типу минералов-заполнителей. Методы изучения геометрических характеристик структурных неоднородностей удобно рассмотреть на примере естественной трещиноватости, хотя всё изложенное в полной мере применимо и к любым другим видам структурных неоднородностей низких порядков. Задача изучения геометрических характеристик структурных неоднородностей заключается в выявлении систем трещиноватости (или других неоднородностей) массива и их пространственной ориентировки, определении протяженности трещин различных систем по простиранию и падению, густоты (плотности) трещин с целью правильного истолкования наблюдаемых явлений и учета этих данных при решении практических вопросов геомеханики.Выявление систем трещиноватости массива, определение их пространственной ориентировки и оценку степени постоянства этой ориентировки в пределах изучаемого массива производят посредством массовых измерений трещиноватости. Измерения ведут обычно горным компасом точно так же, как и измерения элементов залегания пластов пород.

Измерениям непременно должен предшествовать визуальный осмотр пород в выработках. В результате такого осмотра предварительно устанавливают общий характер и степень развития трещиноватости породного массива. При этом оценивают, насколько однородна и равномерно развита трещиноватость пород в пределах изучаемого массива.

11.пути изучения ндс массива. Методы изучения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород включают геологические способы, геофизические методы, физическое и математическое моделирование и прямые полевые определения. Тип НДС и ориентировка осей главных напряжений устанавливаются путем изучения сопряженных пар сдвиговых трещин, методами кинематического анализа плоскостей разрушения и на основе анализа микроструктурных ориентировок в кристаллах. По выходу керна производится оценка величины напряжений, действующих перпендикулярно оси скважины, Направление искривления скважины указывает на направление действия минимального напряжения, при максимальном вертикальном напряжении разрушаются стенки выработок. При максимальном горизонтальном напряжении разрушения наблюдаются в кровле выработки. Величину и направление действия минимального напряжения оценивают с помощью гидравлического разрыва. Геофизические методы используются при изучении распределения, ориентировки главных осей и величин напряжений, для чего применяются различные модификации сейсмоакустических методик. К прямым полевым методам определения величин напряжений относятся методы разгрузки и восстановления. Для изучения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и прогноза его изменения под влиянием различных факторов применяются методы физического моделирования (поляризационно-оптические, эквивалентных материалов и др.) и расчетные, включающие аналитические, вариационно-разностные, методы конечных элементов и граничных элементов и др. Для математического моделирования процессов деформирования массивов горных пород применяется модель линейно-деформируемой среды, где связь между напряжениями и деформациями выражается обобщенным законом Гука. При изучении разрушения массивов пород используется модель предельного напряженного состояния.

Применение методов математического и физического моделирования при изучении геологических и инженерно-геологических процессов требует схематизации природных условий, необходимой для выбора и обоснования расчетных схем или схем моделирования природных процессов. Схематизация осуществляется в несколько этапов. Результатом первого этапа является общий инженерно-геологический разрез изучаемого объекта. На втором этапе составляется специализированный разрез, где более подробно показываются те черты природной обстановки, от которых будет зависеть развитие изучаемых современных процессов. На последнем этапе составляются расчетные схемы или схемы для моделирования, в которых учитываются требования выбранного метода расчета или способа моделирования. Моделируемые при инженерно-геологических исследованиях объекты обладают сложным строением и поэтому при их схематизации необходимы упрощения, которые осуществляются в результате решения следующих вопросов: 1) оценки характера изменения процесса во времени; 2) установлении пространственной структуры процесса; 3) выборе способа задания расчетных параметров. Геологические и инженерно-геологические процессы являются нестационарными, поэтому их изучение должно осуществляться в динамической постановке.

12. тензор напряжений.

Рассекая рассматриваемое тело плоскостями параллельными прямоуголной системе координат, можно прийти к элементарному кубику на каждую внешнюю грань которого действуют свой вектор напряжений. Проекции этих векторов на оси координат представляют девять компонентов напряжений — два касательных и одно нормальное на каждой грани кубика (рис. 10). Все они представляют одну физическую величину, называемую тензором напряжений.

совокупность величин, характеризующая напряжённое состояние сплошной среды в рассматриваемой точке поля течения:

||P|| = (p(αβ))

где (α, β) = x, y, z — декартовы координаты, p(αβ)((α = β)) — нормальные напряжения, p(αβ) ((α ≠ β)) — касательные напряжения (см. Поверхностностные силы). Т. н. симметричен, то есть

p(αβ) = p(βα) ((α ≠ β)),

и для него существуют так называемые главные оси x('), y('), z('), в которых касательные напряжения обращаются в нуль и Т. н. содержит только диагональные члены:

p1 = px(')x('), p2 = py(')y('), p3 = pz(')z(').

Для Т. н. сумма его диагональных членов является инвариантом линейных преобразований

pxx + pyy + pzz = p1 + p2 + p3,

то есть сумма нормальных напряжений, приложенных к трём взаимно перпендикулярным площадкам, не зависит от ориентации площадок. Это позволяет представить Т. н. в виде

||P|| = —pE + ||T||,

где p — давление гидродинамическое, Е — единичный тензор, ||T|| = ((ταβ)) — тензор вязких напряжений (напряжений трения), который отличен от нуля только в движущейся жидкости.

Т. н. зависит от локальных свойств и характера движения среды и связан с тензором скоростей деформаций ||Ф||. В аэро- и гидродинамике обычно используется линейная зависимость между ||P|| и ||Ф|| с коэффициентами (μ, λ), не зависящими от выбора системы координат:

||P|| = (-p + (λ)divV)E + (μ)||Ф||.

Коэффициент (μ) называют динамической вязкостью, а жидкости, для которых выполняется приведенное соотношение, — ньютоновскими. Для идеальной жидкости, для которой μ = λ = 0 и в которой возникают только нормальные напряжения (pxx = pyy = pzz = pn), будем иметь

p = —() ||P|| = —()(pxx + pyy + pzz) = -pn.

13. тензор деформаций. Те́нзор деформа́ции — тензор, который характеризует сжатие (растяжение) и изменение формы в каждой точке тела при деформации.

Тензор деформации Коши-Грина в классической сплошной среде (частицы которой являются материальными точками и обладают лишь тремя трансляционными степенями свободы) определяется как

где — вектор, описывающий смещение точки тела: его координаты — разность между координатами близких точек после и до ( ) деформации. Дифференцирование производится по координатам в отсчетной конфигурации (до деформирования). Расстояния до и после деформации связаны через :

(по повторяющимся индексам ведётся суммирование).

По определению тензор деформации симметричен, то есть

В некоторых источниках этот тензор деформации называют тензором деформации Грина-Лагранжа, а правую меру деформации Коши-Грина (удвоенный обсуждаемый тензор деформации плюс единичный тензор) — правым тензором деформации Коши-Грина.