13. Влияние внешних факторов на физические свойства пород

Механическое поле. Механические напряжения (давления) в значительной степени влияют на изменение физических свойств горных пород. Причиной этого изменения является нарушение первоначального строения горных пород. В зависимости от характера давления (одноосное, двухосное, всестороннее равномерное — гидростатическое, всестороннее неравномерное) эти нарушения связаны либо с уплотнением породы, смятием пор и увеличением площади контакта зерен, либо с образованием в породе системы трещин, уменьшением связи между отдельными ее участками и т. д.

Наибольшее уплотняющее действие на породы оказывает гидростатическое давление. С увеличением уплотнения увеличиваются площади каналов, по которым передаются напряжения и энергия, и возрастают все тензорные показатели (прочность, упругие свойства, теплопроводность и т. д.).

При очень высоких давлениях происходит перестройка не только макроструктуры породы (уплотнение), но и увеличение внутреннего потенциала атомов и ионов, что, в свою очередь, также влияет на свойства пород.

Под воздействием разупрочняющих механических напряжений происходит, наоборот, уменьшение внутренних связей между частицами горных пород. При этом изменения свойств, как правило, более существенны.

В горном производстве встречаются как искусственные механические напряжения, создаваемые в основном с целью разрушения горных пород, так и естественные — горное давление, обусловленное весом вышележащих слоев и боковым давлением вмещающих пород; давление газов и воды в массивах пород; термические напряжения, возникающие под влиянием тепла в массивах; тектонические напряжения, связанные со сдвижением пород.

Вещественное поле наиболее часто представлено в виде различных жидкостей (вода, нефть) и газов, заполняющих поры, трещины и пустоты в породе. Влияние вещественного поля на свойства пород сказывается в двух направлениях: как составная часть породы и как физико-химически активная среда, воздействующая на минеральный скелет. В первом случае свойства породы определяются как интегральный показатель свойств минерального скелета, жидкостей и газов, насыщающих породу. Во втором случае свойства породы, кроме того, становятся функцией степени взаимодействия между внешним вещественным полем и породой. В связи с этим при насыщении могут наблюдаться изменения свойств пород в различных направлениях.

Степень воздействия жидкостей наибольшая при рыхлых, связных и некоторых слабосцементированных скальных породах, остальные породы малочувствительны к гидравлическому воздействию.

Воздействие жидкости на горную породу может быть динамическим и статическим. Динамическое воздействие, как правило, приводит к механическому разрушению и перемещению горных пород; статическое — к набуханию, размягчению и растворению.

Тепловое поле вызывает изменения свойств пород под влиянием различных термодинамических процессов, происходящих в них при повышении температуры. 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.

Термонапряжения возникают в результате превращения тепловой энергии в механическую. Воздействие термонапряжений на изменение свойств пород аналогично воздействию механических напряжений.

Термохимические и физические превращения в горных породах при нагреве могут быть следующими:

1) переход породы из одного агрегатного состояния в другой — плавление — отвердевание; испарение — сжижение; возгонка¹⁶. Плавление породы характеризуется ее температурой и теплотой плавления. Теплота плавления — это количество тепла, необходимого для расплавления единицы массы породы при постоянных температурах и давлении;

2) переход минералов из одной кристаллической формы в другую без изменения их химического состава — полиморфные превращения. Полиморфные превращения пород сопровождаются скачкообразными изменениями некоторых их свойств.

Полиморфные превращения присущи многим минералам. Наиболее широко известны полиморфные превращения кварца при повышенных температурах, сопровождающиеся значительным увеличениемего объема (переход β-кварца в α-кварц при Т = 573°С);

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

4) диссоциация — разрушение минерала с выделением газообразной фазы;

5) окислительно - восстановительные процессы, присущи как правило, медно-никелевым и свинцово-цинковым сульфидным рудам и каменным углям.

Это явление приводит к самовозгоранию руд и углей в процессе их добывания и хранения. Критической температурой, при которой происходит быстрый переход к самовозгоранию, для бурых углей является температура 40 — 60°С, для жирных каменных углей — 60—70°С, для антрацитов — 80°С, для сульфидных руд — 40—60°С.

Под воздействием низких температур также происходит изменение внутреннего строения пород и сил связей между отдельными частицами. Таким образом, тепловое воздействие приводит к изменению свойств пород в различных направлениях.