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.