3. Воздействие внешних полей на свойства горных пород

Всё разнообразие причин изменения свойств пород под воздействием внешних факторов может быть сведено в следующие три группы:

1. Изменение состава породы: заполнение пор жидкостями и газами, переход воды в лёд в порах, окисление, восстановление, дегидратация и диссоциация ряда минералов при повышении температуры, полиморфные превращения.

2. Изменение степени уплотнения породы: обжатие (смятие пор, закрытие трещин), разрыхление (раскрытие трещин, появление дополнительной пористости).

3. Изменение сил связи между отдельными частицами породы: понижение или повышение их при нагреве; при насыщении связных пород водой.

Преобладание тех или иных причин изменения свойств обусловлено исходным минеральным составом, строением пород, их физическими свойствами, параметрами внешнего воздействующего поля.

Модуль 2. Физико-технические свойства и процессы в образцах горных пород

Лекция № 4

Тема :МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

План лекции (с.40-69/1/):

1. Общие положения.

2. Плотность пород.

3. Напряжения и деформации в породах

1. Общие положения

Механические свойства, характеризующие поведение пород при воздействии механических нагрузок, подразделяются на упругие, пластические, прочностные и реологические.

Упругие свойства определяют поведение пород только в пределах упругой зоны, т.е. при нагрузках, после снятия которых порода возвращается в исходное состояние.

Упругие смещения, возникающие в породах под воздействием кратковременных импульсов, способны распространяться по объёму породы. Волновой процесс распространения таких смещений (упругих колебаний) описывается акустическими свойствами пород.

Пластические свойства пород проявляются при нагрузках, превышающих предел упругости породы, после снятия которых порода уже не полностью восстанавливает исходную форму и размеры.

Прочностные свойства определяют величины разрушающих нагрузок в породах.

Реологические свойства оценивают изменения деформаций, напряжений и перечисленных выше механических параметров во времени – при длительных воздействиях нагрузок.

2. Плотность пород

Масса единицы объёма твёрдой фазы (минерального скелета) минерала или породы называется её плотностью p_о.

Минералы делятся на тяжёлые (ρ_о>4·10³ кг/м³), средние (ρ_о= (4÷2,5)·10³ кг/м³) и лёгкие (ρ_о< 2,5·10³ кг/м³); 13% всех минералов относятся к л1гким, 33,8% - к тяжёлым, 53,2 % - к средним.

Плотность горных пород определяется плотностью слагающих породы минералов ρ_оi.

n

ρ_о = Σ ρ_оi Vi (1.1)

i=1

где п – число минералов, слагающих породу; Vi – доля объёма, занимаемого каждым минералом.

Масса единицы объёма в её естественном состоянии отличается от p_о; такое отличие обусловлено, в первую очередь, пористостью.

Поэтому наряду с плотностью используют понятие объёмной массы p. Объёмной массой называется масса единицы объёма сухой породы при данной пористости в её естественном состоянии. Плотность пород всегда больше их объёмной массы. Связь между объёмной массой и плотностью выражается через пористость:

ρ = ρ_о(1-Р) (2.2)

или

ρ_о = ρ (1+k_п) (2.3)

Вес единицы объёма твёрдой фазы породы называется удельным весом γ_о породы, а вес единицы объёма сухой породы в естественном пористом состоянии – объёмным весом γ. Удельный вес породы и её плотность связаны соотношением

γ_о = ρ_оg (2.4)

где g – ускорение свободного падения.

Удельные и объёмные веса породы – параметры силовые, поэтому они должны применяться только в тех случаях, когда рассматриваются силы, вызванные действием гравитационного поля, например горное давление.

Отношение объёмной массы породы к её плотности, характеризующее степень заполнения объёма горной породы минеральным веществом, иногда называют коэффициентом плотности.

Напряжения и деформации в породах

Как известно из физики твёрдого тела, между ионами в кристаллической решётке любого вещества существуют силы взаимного притяжения и силы взаимного отталкивания. Именно благодаря этому при воздействии на породу внешних сил, стремящихся сдвинуть с нейтрального положения ионы в решётке вещества в одну или другую сторону, в породе возникают внутренние силы, противодействующие внешним.

Поверхностная плотность внутренних сил называется напряжением σ, векторная величина:

σ = dF / dS (3.1)

где dF –сила, действующая на элемент площадки dS.

Напряжение может быть одноосным, плоским и объёмным. Объёмное напряжение в случае равенства всех сил называется гидростатическим.

Напряжения, направленные перпендикулярно к рассматриваемой площадке S, - нормальные (σ); напряжения, возникающие вдоль площадки S,- касательные (τ).

Напряжения в породах могут создаваться не только действием внешних нагрузок, но и другими физическими полями. Например, термические напряжения вызываются неоднородным нагревом пород. После снятия воздействующего поля в породе могут быть обнаружены остаточные напряжения, например. При неравномерном распределении напряжений из-за местной текучести материала.

Под воздействием внешних сил горная порода подвергается деформациям – изменению линейных размеров, объёма и формы.

Деформации, соответствующие нормальным напряжениям выражаются через относительное изменение ε линейных размеров образца и называются относительными линейными(рис.3).

ε = (l΄- l)/ l = Δl/l (3.2)

где l΄- длина ребра l после деформирования; Δl – изменение длины ребра.

Рис 1. Деформация образца породы под действием нормальных (а) и касательных (б) сил F.

Линейные деформации, происходящие по направлению действующей силы, называются продольными, перпендикулярно ей – поперечными.

Деформации, соответствующие касательным напряжениям выражаются через угол сдвига γ граней образца. Величина деформации сдвига определяется по величине tg γ. Вследствие малости углов tg γ ≈ γ.

Увеличение нагрузок приводит к возрастанию деформаций и в пределе возникает разрушение –порода теряет свою сплошность, разделяется на части. Деформации, не приводящие к разрушению, бывают упругие и пластические. Упругие деформации - после прекращения действия внешних сил, накопленная потенциальная энергия возвращает деформированный объём в исходное состояние. Пластические деформации – форма и размеры тела полностью не восстанавливаются.

При увеличении напряжений можно постепенно наблюдать все три вида деформаций породы – упругую, пластическую и разрушающую.

В зависимости от соотношения величин этих деформаций горные породы могут быть подразделены на упругохрупкие ( пластическая зона практически не наблюдается вплоть до разрушения), упругопластичные (разрушающей деформации предшествует зона пластической деформации) и пластические (упругая деформация практически отсутствует).

Лекция № 5

Тема :МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД (продолжение)

План лекции (с.40-69/1/):

1. Упругие свойства пород.

2. Прочность образцов горных пород.

3. Пластические и реологические свойства пород

4. Акустические свойства образцов горных пород