Взаимосвязь свойств горных пород
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, размягчению и растворению.
Растворимость пород значительно возрастает в результате циркуляции в них водных растворов различных кислот. В этом случае в породах происходят химические реакции. На растворимость карбонатов влияет содержание углекислого газа, с увеличением которого растворимость карбонатов повышается.
Насыщенность пород водой способствует их разрушению при значительно меньших напряжениях, чем в случае сухих пород.Причиной этого является проникновение воды в мельчайшие поры и трещины, при этом вода под воздействием внешнего давления стремится распространиться по всему объему породы, т.е. нарушает связи между частицами, расширяет трещины, препятствует их смыканию.
Ослабление глинистых пород при насыщении их водой объясняется иными физическими процессами, в частности способностью мельчайших частиц обволакиваться мощной гидратной оболочкой, в результате чего связи между ними нарушаются и глины становятся пластичными, разжижаются, уменьшается их прочность.
Зависимость пластичности глинистых пород от влажности характеризуется их пределами пластичности. Пределы пластичности – это значения влажности породы (в %), при которых происходит переход породы из хрупкого состояния в пластическое и из пластического в текучее. В первом случае – это нижний предел пластичности wн,, во втором – верхний предел пластичности ( предел текучести ) wв. Число пластичности Ф, равное разности верхнего и нижнего пределов пластичности, характеризует диапазон влажностей, в пределах которого порода находится в пластическом состоянии.
Увлажнение пористых скальных и связных пород приводит к относительному увеличению их коэффициента теплопроводности Λ. Теплопроводность, например, глины, насыщенной водой, в 6-8 раз больше, чем сухой. Причиной этому служит более высокая, чем у воздуха, теплопроводность воды.
Удельная теплоемкость воды с, равная 4,18кДЖ\ (кг К), значительно превышает теплоемкость любого минерала. Поэтому теплоемкость пористых и максимально насыщенных влагой пород имеет наибольшие абсолютные значения по сравнению с другими породами.
Температуропроводность а пород при небольшом увлажнении увеличивается ( преобладает влияние повышения теплопроводности пород с увлажнением ), а при дальнейшем увеличении влажности понижается из –за влияния возрастающей теплоемкости пород.
Изменение удельной электропроводности пород при насыщении водой зависит в первую очередь от их пористости и достигает нескольких порядков. Характерно, что у хорошо проводящих в сухом состоянии пород проводимость с изменением водонасыщения колеблется в незначительных пределах, в то время как у плохо проводящих , например базальта, - очень сильно. На величину удельного электрического сопротивления Рэ влияет не только общее содержание воды в породе, но и степень ее минерализации. Так, пески, насыщенные пресной водой, имеют удельное сопротивление 10-30 Ом *м и более, а пески, насыщенные минерализованной водой,- всего 0,1 -2 Ом *м.
Повышение электропроводности пород с увеличением насыщения их водой происходит в основном в самом начале увлажнения. Так, при увлажнении абсолютно сухого песчаника на доли процента ( 0,3 -0,5 % ) его электропроводность увеличивается на несколько порядков. При дальнейшем увлажнении породы повышается незначительно, так как в электропроводности породы основную роль играют токопроводящие каналы, появляющиеся в результате увлажнения открытых пор.
Горные породы бывают подвержены воздействию различных внешних механических нагрузок, вызывающих в породах напряжения.
Механические напряжения подразделяют на искусственные ( технологические ) и естественные. Технологические напряжения возникают в результате осуществления процессов воздействия на породы с целью их разработки ( бурение, взрывание, дробление и т.д.) .
Естественные напряжения в массивах горных пород, обусловленные собственным весом пород, тектоническим движением земной коры, давлением газов и напором подземных вод, называются горным давлением. Кроме того, в массивах пород имеют место термические напряжения, возникающие под влиянием тепла земных недр, усадочные напряжения и др.
Основной причиной изменения свойств пород под влиянием давления является нарушение первоначального строения пород. В зависимости от характера давления ( одноосное, двухосное, всестороннее равномерное – гидростатическое, всестороннее неравномерное) эти нарушения связанны либо с уплотнением породы, смятием пор и увеличением площади контакта зерен, либо с образованием в породе системы трещин, уменьшением связей между отдельными ее участками и т.д.
Наибольшее уплотняющее действие на породы оказывает гидростатическое давление. С увеличением уплотнения увеличиваются площади каналов, по которым передаются давление и энергия и поэтому такие параметры как влагоемкость и проницаемость, уменьшается. 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 породы.
Под воздействием разупрочняющих механических напряжений происходит, наоборот, уменьшение внутренних связей между частицами горных пород. При этом изменения свойств, как правило, более существенны.
Упругие свойства пород зависят от величины и рода прилагаемой нагрузки. С увеличением нагрузки при растяжении модуль Юнга уменьшается, при сжатии – увеличивается. Модуль упругости, определенный при сжатии, Есж обычно в 1,5 – 4 раза выше модуля упругости, определенного при растяжении, Ер.
Все прочностные показатели горных пород в условиях всестороннего сжатия значительно выше, чем при нормальном атмосферном давлении. Это объясняется тем, что при всестороннем давлении породы уплотняются, увеличивается площадь контактов зерен, давление препятствует возникновению и расширению микротрещин при воздействии нагрузок.
В случае динамических нагрузок наблюдается повышение предела прочности горных пород по сравнению со статическими нагрузками.
Так как с увеличением давления возрастают упругие параметры пород, одновременно наблюдается и увеличение скоростей распространения упругих волн. Поэтому одни и те же породы, залегающие на разных глубинах и подверженные различному давлению, будут характеризоваться разной скоростью прохождения упругих волн.
Всестороннее давление, как правило, увеличивает теплопроводность пористых пород и уменьшает их коэффициенты теплового расширения.
Влияние давления на электрическое сопротивление горных пород неодинаково. Оно зависит от содержания различных фаз в породе и от их состояния. Чаще всего с увеличением нагрузки наблюдается понижение сопротивления породы, что объясняется уменьшением ее пористости. Кроме того, при небольшом содержании влаги в породе обычно не все поры заполняются водой. Под давлением заполненные водой поры смыкаются и образуют токопроводящие каналы, что также приводит к уменьшению сопротивления. В силу этого значительное уменьшение электрического сопротивления с повышением давления происходит у не полностью насыщенных пород.
Лекция №13
Тема: ВОЗДЕЙСТВИЕ ВНЕШНИХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
План лекции (с.139-154/1/):
1. Влияние теплового поля на механические свойства пород.
2. Воздействие других колебаний.