1.1. Физико-технические свойства горных пород

1.  Классификация физико-технических свойств пород. Базовые физико-технические параметры

Под физическим свойством породы понимают ее особое поведение (ответную реакцию) при воздействии на нее определенных физических полей или сред.

Каждое физическое свойство породы оценивается одним или несколькими параметрами (показателями, характеристиками), являющимися количественной мерой свойства.

Свойства пород и соответствующие им параметры, харак­теризующие ответную реакцию пород на воздействие определен­ных инструментов (например, буровых), механизмов или тех­нологических процессов (например, взрыва), называют горно-технологическими.

Всю совокупность физических и горно-технологических па­раметров пород, описывающих их поведение в процессах раз­работки, принято называть физико-техническими па­раметрами.

Факторы, обусловливающие численное значение тех или иных физико-технических параметров горных пород и минера­лов и их изменчивость, подразделяют на две группы. Это внутренние факторы, своей сущностью связанные с породой (минералом) и определяющие ее название (минеральный со­став и строение для пород, химический состав и кристалличе­ская решетка для минералов), и внешние (различные физи­ческие поля, внешнее воздействие, окружающие и пронкаю­щие в породу среды), обобщенно называемые внешним полем.

В физике горных пород под понятием «внешнее поле» под­разумевают тот вид энергии или вещества, под воздействием которого в данный момент находится порода.

Физико-технические параметры подразделяют по виду со­ответствующих внешних полей, вызывающих ответную реак­цию породы.

Исходя из этого, выделяют механическое поле (давле­ние) и соответствующие ему механические свойства пород, тепловое поле (температура, тепловой поток) и тепловые свойства, электрическое, магнитное и радиацион­ное поля и соответствующие свойства пород. Кроме того, существует еще вещественное поле (флюиды) и соответствующие ему гидравлические и газодинамические свойства. Воздействие волновых нагрузок на горные породы описывается акустическими свойствами, воздействие электромагнитных волн - электромагнитными свойствами.

Как следует из определения, горно-технологические параметры соответствуют конкретным условиям и сред­ствам воздействия на породы.

Горно-технологические параметры пород подразделяются на несколько групп по принципу принадлежности к определенным процессам технологического воздействия:

1) характеризующие общую разрушаемость пород механи­ческим способом, например твердость, крепость, вязкость и дробимость;

2) характеризующие разрушаемость пород определенными механизмами, например буримость, сопротивляемость резанию, взрываемость, и т. д.;

3) оценивающие воздействие породы на инструмент (абразивность);

4) оценивающие качество полезных ископаемых (коксуемость для углей);

5) устанавливающие эффективность иных процессов воздействия на горные породы (обогатимость,  флотируемость и т. д.);

6) определяющие безопасность при разработке месторождений  полезных ископаемых (выбросоопасность, метаноносность, самовозгораемость и др.);

7) оценивающие эффективность воздействия на горные по­роды различными немеханическими методами с целью их раз­рушения или упрочнения.

Физико-технические параметры, описывающие объемный, накопительный процесс, являются скалярными и не зави­сят от направления действия внешнего поля (например, плот­ность, теплоемкость). Параметры, которые зависят от направления поля действия и степени ориентации минеральных частиц в об­щем виде описываются векторами и тензорами. Они называются тензорными.

Классификация наиболее часто применяемых физико-техни­ческих свойств и параметров пород приведена в таблице 1. Оп­ределения параметров даны при рассмотрении соответствую­щих свойств горных пород в образце.

Известно более ста физико-технических параметров пород, измерить такое количество их для всех видов и разновидностей пород не представляется возможным. С целью сопоставления разных пород, совместного их рас­смотрения, анализа и классификации выделяют некоторую ог­раниченную группу физико-техничес- ких параметров, являющу­юся минимально необходимой и достаточной для характери­стики породы как физического и геологического тела и объекта горной разработки одновременно. Такие параметры горных по­род носят название базовых (таблица 2).

К базовым отнесено 12 элементарных, исходных и незави­симых физических параметров, через которые могут быть выражены и определены другие параметры пород.

2 Физические процессы в горных породах 

Наряду с минеральным составом и строе­нием физико-технические свойства пород определяются внеш­ними условиями, в которых находится порода, - внешними полями. Каждое поле оценивается рядом величин - напряженностью, интенсивностью и т. д.

Так, механическое поле характеризуется величиной нагру­зок и напряжений, создаваемых в породе, длительностью их действия, характером изменения во вре- мени, направлением (растягивающие, сжимающие, сдвигающие нагрузки), распре­делением в горной породе - сосредоточенное, линейное, плос­кое, объемное. Как особый случай механического поля выделяют акусти­ческое поле - распространение в породах упругих волн, по су­ществу, тех же механических нагрузок, быстро меняющихся по направлению, во времени и характеризующихся интенсивно­стью, амплитудой и частотой колебаний.

Тепловое поле описывается температурой, градиентом тем­пературы, тепловым потоком, направлением теплового потока, изменением его во времени, распределением температур и теп­лового потока в объеме породы.

Электрическое и магнитное поля оцениваются по напряже­нию и напряженности, по величине магнитной и электрической индукции и плотности потока.

Электромагнитное поле - распространение в породах элек­тромагнитных волн характеризуется теми же параметрами, что электрическое и магнитное поля.

Радиационное поле описывается интенсивностью, типом микрочастиц, обусловливающих поле, частотой колебаний (в случае волновой природы поля), энергией квантов.

Вещественное поле, чаще всего представленное водой или природными газами, оценивается по давлению, создаваемому полем (напору, в случае воды), гра- диенту давления, вязкости, химическому составу.

Физические поля в породах могут быть естественными (при­родными) и искусственными.

Естественные поля - это исходное горное давление, тепло­вое поле, водонасыщенность  пород,  радиационное поле.

Искусственные внешние поля либо возникают при ведении горных работ (блуждающие электрические токи, повышенные температуры в забое скважины при бурении, динамические нагрузки на ближайшие массивы при взрывании и т. д.), либо их создают преднамеренно с целью воздействовать на состоя­ние породы и ее свойства.

Физические процессы в горных породах - это явления вза­имодействия физического поля с горной породой, в результате которого в породе возникают и протекают различные измене­ния ее состава, строения и состояния.

Физические свойства и параметры пород, характеризующие эти процессы, можно подразделить на три большие группы.

В первую группу входят параметры, оценивающие обра­тимые изменения количества энергии или вещества внутри породы (ее повышение или понижение под воздействием внешних полей). К ним относятся, например: объемный мо­дуль упругости, характеризующий накопление по­тенциальной упругой энергии в породе при всестороннем ее сжатии; диэлектрическая проницаемость, определяющая электроемкость пород; удельная теплоемкость, оцениваю­щая способность породы накапливать тепло и т. д. Большинство этих параметров имеют статический, накопи­тельный характер и поэтому являются скалярными.

К параметрам второй группы, оценивающим необрати­мые превращения данного вида энергии в породах в другой вид, относятся коэффициент пластичности, тангенс угла диэлектрических потерь, удельная теплота плавле­ния, коэффициенты поглощения упругих и электромагнит­ных волн, коэффициенты теплового расширения, параметры электромагнитного поглощения и др.

К параметрам третьей группы, описывающим процессы передачи энергии, а также перемещения жид­кости и газов в породах, относятся коэффициент теплопро­водности, удельная электропроводность, магнитная прово­димость, коэффициенты преломления и отражения волн, коэффициенты проницаемости и фильтрации, и т. д. Все эти параметры зависят от направления действия поля, т. е. являются четко выраженными тензорными величинами.

Физические процессы в породах могут быть первого рода - когда они вызваны наличием в породе минералов, облада­ющих соответствующими эффектами, обусловленными их хими­ческим составом и строением кристаллической решетки, и вто­рого рода - возникающие в породе в результате особого со­стояния и сочетания минералов, которые сами по себе не имеют рассматриваемых эффектов.

3 Воздействие внешних полей на свойства горных пород

Все 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 лед в порах при понижении темпе­ратуры, окисление, восстановление, дегидратация и диссоциа­ция ряда минералов при  повышении температуры, полиморф­ные превращения;

2. Изменение степени уплотнения породы: сжатие за счет смятия  пор,  закрытия трещин при сжимающих нагрузках, особенно всесторонних, или за счет внутренних тер­мических напряжений при нагреве или охлаждении пород; раз­рыхление,  раскрытие трещин  за  счет растягивающих нагрузок или соответствующих суммарных термических напряжений при нагреве или охлаждении пород; появление дополнительной пористости за счет эффекта рас­творения минералов или их выгорания;

3. Изменение сил связей между отдельными частицами по­роды:

- понижение их при нагреве за счет приближения состоя­ния минералов к точке плавления; при насыщении связных по­род водой за счет проникновения жидкости между частицами породы;

- повышение их при нагреве за счет спекания частиц, при охлаждении за счет смерзания и т. д.

Преобладание тех или иных причин изменения свойств обусловлено исходным минеральным составом, строением по­род и их физическими свойствами. Существенную роль играют также параметры внешнего воздействующего поля - его интен­сивность, характер изменения во времени, длительность, на­правление действия.

4 Физические процессы горного производства

Любой технологический процесс горного производства, в кото­ром участвует горная порода, в той или иной степени зависит от комплекса физических свойств породы. Поэтому проектирование таких процессов, выбор технологи­ческой схемы и соответствующего обо­рудования, эффективная эксплуатация этого оборудо­вания, повышение производительности труда, снижение себе­стоимости и энергоемкости горных работ связаны со знанием физических свойств горных пород и физических процессов, про­исходящих в них.

Процессы, в которых при ведении горных работ вступают во взаимодействие с горной породой инструмент, механизм или агрегат, изучаются физикой горных пород и носят обобщенное название физических процессов горного производства, которые по технологическим признакам подразделяют:

1) подготовку массива пород к выемке (осушение, оттаива­ние);

2) разрушение, дробление, измельчение горных пород;

3) упрочнение горных пород и поддержание горных выработок;

4) борьбу с неблагоприятными и опасными явлениями в мас­сивах г. п.;

5) перемещение и складирование горной массы;

6) переработку и обогащение полезных ископаемых;

7) контроль за свойствами, качеством, составом пород и по­лезных ископаемых, строением, состоянием и поведением мас­сивов пород, технологическими процессами;

8) комплексное использование минеральных ресурсов.

Исследование технологических процессов позволяет уста­новить количественные соотношения между параметрами процесса и физическими свойствами пород. Это, в свою очередь, дает возможность решить следующие вопросы:

а) в области проектирования - выбор оптимальных систем и способов разработки месторождений; выбор оптимальных средств и механизмов для ведения горных работ;

б) в области конструирования горных машин и оборудования - совершенствование параметров известных механизмов с учетом конкретных горных пород; создание принципиально новых ме­ханизмов  воздействия, основанных на изученном физическом эффекте;

в) в области горного производства - оптимальное использова­ние механизмов, планирование и прогноз их производительно­сти; нормирование труда рабочих; оперативный контроль за процессами в породах.

5 Экспериментальное определение физико-технических параметров горных пород

В настоящее время разработано большое количество раз­личных методов определения физико-технических параметров пород. Они делятся на лабораторные и натурные.

Лабораторными методами определяют физико-тех­нические параметры пород на образцах.

Лабораторный образец - это полностью подготов­ленный в соответствии с требованиями методики к испытаниям изолированный кусок породы (или минерала) с минимальным нарушением естественного состояния. В зависимости от раз­мера выделяют образцы малые (объемом до 1 см3), средние (до 200 см3) и большие (свыше 200 см3). В зависимости от степени обработанности образцы бывают правильной, полуправильной и неправильной формы.

Натурные методы определения параметров пород при­меняют  непосредственно  в  природных условиях,  без полного отделения изучаемого объема породы от массива. Изучаемые объемы могут быть как небольшими (изме­ряемыми в см3), так и превышающими десятки кубических метров.

Сравнение лабораторных методов с натурными показывает, что изучение свойств пород в образцах гарантирует большую стабильность измеренных величин, дает более достоверные данные для сравнения и классификации пород, позволяет бо­лее четко выявить зависимости свойств от различных факто­ров. Определение свойств на образцах, как правило, менее трудоемко и позволяет неоднократно производить измерения и уточнять результаты их.

Наряду с этим образец горной породы по объему часто со­ответствует объемам пород, подвергаемых физическому воз­действию при различных производственных процессах (напри­мер, при дроблении), что позволяет свойства образца исполь­зовать непосредственно в технологических расчетах.

Для процессов, происходящих в большом объеме массива, можно использовать методы пересчета свойств образца горной породы на свойства породы в массиве с учетом факторов, обу­словливающих отличие этих свойств.

Поэтому в настоящее время широкое распростране­ние имеют лабораторные методы определения физико-техниче­ских параметров образцов пород, многие из которых стандар­тизированы.

Для получения достоверных данных о свойствах горных пород пород при лабораторных исследованиях образцов применяют методы теории веро­ятностей и математической статистики, в соответствии с которыми, в первую очередь, необходимо проведение измерений на достаточно большом количестве образцов.