Какие показатели характеризуют плотностные свойства горных пород
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Классификация свойств горных пород.
Число физических свойств горных пород, проявляющихся в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. Однако для практики горного дела представляют интерес лишь те свойства, которые непосредственно связаны с процессами современной горной технологии. В геомеханике требуется знание, в первую очередь, механических и плотностных свойств, но вместе с тем могут представлять интерес и некоторые другие свойства, показатели которых достаточно чётко отражают состояние пород или отчетливо коррелируют с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки напряженного состояния пород и массивов. Кроме того, некоторые физические характеристики пород могут быть достаточно тесно взаимосвязаны с механическими и плотностными показателями свойств горных пород, но при этом более просто определяются на образцах или в массиве.
В качестве основного признака классификации физических свойств пород наиболее целесообразно принять внешние поля или воздействия, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства. На основе этого признака можно выделить следующие классы физических свойств горных пород: плотностные, механические, горнотехнологические, тепловые, электромагнитные, радиационные.
В табл.3.1 приведена классификация свойств с выделением внутри классов групп.
Плотностные свойства горных пород.
Плотностные свойства горных пород проявляются в результате действия гравитационного поля Земли. Их в свою очередь можно подразделить на две
Классификация физических свойств горных пород
Таблица 3.1
| Класс | Группа | Наименование основных характеристик | Обозначе-ние | Наиболее часто при-менявшаяся единица | Еди-ница в СИ | Коэф перехода к СИ |
| Плот-ност-ные | Гравита-ционные Струк-турные | Удельный вес Объёмный вес Удельная масса Плотность Пористость общая, открытая Коэффициент пористости | g0 g r0 r П П0 КП | гс/cм3 гс/cм3(тс/cм3) г/cм3 г/cм3 % % – | Н /м3 – – кг/м3 % % – | 0.981 104 – – 103
|
| Механические | Прочностные | Предел прочности при одноосном сжатии Предел прочности при одноосном растяжении Сцепление Угол внутреннего трения | [sсж ] [sр ] [t0 ] j | кгс/cм2 кгс/cм2 кгс/cм2 градус | Па Па Па рад | 0.981 105 0.981 105 0.981 105 p/180 |
| Деформационные | Модуль упругости Коэф.поперечных деформаций Модуль сдвига Модуль всестороннего сжатия Модуль деформации | Е n G K MДЕФ | кгс/cм2 – кгс/cм2 кгс/cм2 кгс/cм2 | Па Па Па Па | 0.981 105 0.981 105 0.981 105 0.981 105 | |
| Акусти-ческие | Скорости распро-странения волн в массиве продольной поперечной поверхностной Коэф. затухания | VPм VSм VLм a | см/с см/с см/с см-1 | м/с м/с м/с м-1 | 10-2 10-2 10-2 | |
| Реологические | Параметры ползучести Период релаксации | aП;d t0 | ca -1 лет | ca -1 с | | |
| Горно- техноло-гические | Коэф.крепости Коэф. разрыхления Коэф. трения | f Kp fтр | – – – | – – – | ||
| Тепло-вые | Свойст-ва состоя-ния | Теплопроводность Температуропро-водность Удельная теплоёмкость Температурный коэф. линейного расширения Температура фазовых превращений Удельная теплота плавления | l а С a Тф L | ккал/(м ч 0С) м2/ч ккал/(кг 0С) 1/ 0С 0С ккал/кг | Вт/(м К) м2/с Дж/(кг К) 1/ К 0К Дж/кг | 1.163 2.78 104 4.1868 103 |
| Электро-магнит-ные | Электрические | Объёмное удель-ное электрическое сопротивление Диэлектрическая проницаемость Тангенс угла элек-трических потерь Электрическая прочность | rv e tgd Eпр | Ом см – – кВ/см | Ом м – – В/м | 10-2
|
| Магнит-ные | Магнитная восприимчивость Магнитная проницаемость Остаточная намагниченность Коэрцитивная сила | c m Ir Hc | ед. СГС – ед. СГС А/м | ед. СИ – А/м2 А/м | 4p | |
| Радиа-ционные | Естественная радиоактивность Линейный коэф. поглощения гамма-излучения Эффективное се-чение поглощения нейтронов Эффективное се-чение рассеяния нейтронов | А К SП SР | 1/с см-1 см2 см2 | 1/с м-1 м2 м2 | |
группы: гравитационные и структурные. К гравитационным свойствам относят удельный g0 и объемный g вес пород, к структурным — их удельную массу r0, плотность (объемную массу) r, общую Пи открытую пористость П0, коэффициент пористости Кп.
Удельный вес—это вес единицы объема твердой фазы породы, т. е.
g0 = GT/VT(3.1)
где GT и VT—вес и объем твердой фазы образца.
Значения удельного веса горных пород в зависимости от удельного веса породообразующих минералов колеблются обычно в пределах 2,5—5,0 гс/см3.
Объемным весом называют отношение веса основных агрегатных фаз породы (твердой, жидкой и газообразной) к объему, занимаемому этими фазами:
g = G/V,(3.2)
где G —вес агрегатных фаз породы; V—объем, занимаемый этими фазами.
Объемный вес — это наиболее часто используемая плотностная характеристика горных пород, которая зависит от их состава и структуры. Он всегда меньше удельного веса и лишь для весьма плотных пород может приближаться к нему.
Удельная масса — это отношение массы твердой фазы горной породы к объему твердой фазы:
r0 = mT/VT,(3.3)
где mT и VT — масса и объем твердой фазы образца.
Плотность (объемная масса) горной породы определяется как масса единицы ее объема (твердой, жидкой и газообразной фаз, входящих в состав породы), т. е.
r = m/V,(3.4)
где m—масса всех агрегатных фаз породы; V—объем, занимаемый этими фазами.
Удельная масса и плотность породы могут быть выражены через ее удельный и объемный вес:
r0 = g0/g;(3.5)
r = g/g, (3.6)
где g—ускорение свободного падения.
В отличие от удельного и объемного весов плотностьявляется параметром вещества в строгом физическом смысле.
Наибольшую плотность имеют массивно-кристаллические изверженные породы, наименьшую — осадочные и некоторые эффузивные (вулканические туфы, пемзы).
Под пористостью горной породы понимают суммарный относительный объем содержащихся в ней пустот (пор). Суммарный относительный объем открытых (сообщающихся) пор характеризует открытую пористость По горной породы. Суммарный относительный объем закрытых (замкнутых) пустот называют закрытой или изолированной пористостью Пи. Пористость, которая определяет движение в породе жидкостей и газов, называют эффективной пористостью Пэ. Общая пористость П определяется совокупностью закрытых и открытых пор. Отношение объема пор к объему минерального скелета называют коэффициентом пористости КП.
Поры по размеру разделяют на три класса: сверхкапиллярные (более 0,1 мм), капиллярные (0,002—0,1 мм) и субкапиллярные (менее 0,0002 мм).
Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор v к полному объему породы V:
П = (v / V)100%. (3.7)
Пористость горных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до 90 % и более. Принято различать породы с пористостью низкой (менее 5%), пониженной (5—10%), средней (10—15%), повышенной (15—20%) и высокой (более 20 %).
Источник
Горными породами называют агрегаты минералов, образующих самостоятельные геологические тела. К физическим параметрам плотностных свойств относят плотность, удельный вес и пористость (общая, открытая). При расчете параметров технологических процессов проведения подземных горных выработок, а также механических процессов, проходящих в массиве горных пород, большое значение уделяется плотности. Различают плотность породы в массиве (в естественном залегании), образце и разрыхленном состоянии.
Плотность горной породы определяется как масса (кг) единицы ее объема (м3) со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами. В системе единиц СИ единицей плотности р является килограмм на кубический метр:
где m — масса агрегатных фаз породы, кг; V — объем, занимаемый этими фазами, м3. Плотность горных пород и мощность породного массива, определяющая глубину заложения подземной выработки от поверхности Земли, оказывают значительное влияние на напряженное состояние горных пород на поверхностях выработки и устойчивость обнажений.
Под весом горной породы понимают силу H, которая оказывает давление на горную крепь подземных выработок. Вес определяется через массу обрушившихся или отслоившихся над крепью пород:
где m — масса, кг; g — ускорение свободного падения, м/с2.
Подставляя в это уравнение значение массы из предыдущего уравнения, получим
где V — объем обрушившихся над выработкой пород, оказывающих давление на крепь, м3.
Под пористостью понимают суммарный относительный объем содержащихся в горной породе пустот. Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор Vп к полному объему породы V:
Коэффициент пористости Кп представляет собой отношение объема пор Vп к объему содержащегося в породе минерального вещества (твердой фазы) V0:
Общая пористость может быть рассчитана по плотности минера,льцого вещества (твердой фазы) и плотности породы:
где ρм — плотность минерального вещества, кг/м3.
Аналогично может быть рассчитан и коэффициент общей пористости:
В отличие от плотных разрыхленные горные породы характеризуются насыпной плотностью, коэффициентом разрыхления, гранулометрическим составом, углом естественного откоса, углом внутреннего трения и др.
Коэффициент разрыхления Кр равен отношению объема разрыхленной породы Vр к объему ее в массиве (целике):
Насыпная плотность ρн зависит от величины плотности породы в массиве ρ и коэффициента ее разрыхления Кр и определяется их отношением:
Коэффициент разрыхления и насыпная плотность зависят от гранулометрического состава рыхлой массы, формы и взаимного расположения кусков разрушенной (рыхлой) породы, продолжительности нахождения в рыхлом состоянии (степени самоуплотнения), давления (столба рыхлой массы), вместимости и формы сосудов (подъемных и транспортных), в которых размещается порода. Наименьшую разрыхленность при прочих равных условиях имеют песчаные и глинистые породы (Кр=1,15÷1,2), а наибольшую — скальные хрупкие (Кр=1,3÷1,8 и более). Плотностные свойства определяются в натурных условиях (плотность в массиве, насыпная плотность, коэффициент разрыхления, открытая пористость), лабораторным путем (плотность в образце, пористость) и расчетным (общая пористость, коэффициент общей пористости). Плотность пород в разрыхленном состоянии используется при расчете процессов уборки породы, транспортных и подъемных операций. При расчете параметров буровзрывных работ используется плотность ВВ в различных состояниях.
Источник
Классификация свойств горных пород.
Число физических свойств горных пород, проявляющихся в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. Однако для практики горного дела представляют интерес лишь те свойства, которые непосредственно связаны с процессами современной горной технологии. В геомеханике требуется знание, в первую очередь, механических и плотностных свойств, но вместе с тем могут представлять интерес и некоторые другие свойства, показатели которых достаточно чётко отражают состояние пород или отчетливо коррелируют с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки напряженного состояния пород и массивов. Кроме того, некоторые физические характеристики пород могут быть достаточно тесно взаимосвязаны с механическими и плотностными показателями свойств горных пород, но при этом более просто определяются на образцах или в массиве.
В качестве основного признака классификации физических свойств пород наиболее целесообразно принять внешние поля или воздействия, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства. На основе этого признака можно выделить следующие классы физических свойств горных пород: плотностные, механические, горнотехнологические, тепловые, электромагнитные, радиационные.
В табл.3.1 приведена классификация свойств с выделением внутри классов групп.
Плотностные свойства горных пород.
Плотностные свойства горных пород проявляются в результате действия гравитационного поля Земли. Их в свою очередь можно подразделить на две
Классификация физических свойств горных пород
Таблица 3.1
| Класс | Группа | Наименование основных характеристик | Обозначе-ние | Наиболее часто при-менявшаяся единица | Еди-ница в СИ | Коэф перехода к СИ |
| Плот-ност-ные | Гравита-ционные Струк-турные | Удельный вес Объёмный вес Удельная масса Плотность Пористость общая, открытая Коэффициент пористости | g0 g r0 r П П0 КП | гс/cм3 гс/cм3(тс/cм3) г/cм3 г/cм3 % % – | Н /м3 – – кг/м3 % % – | 0.981 104 – – 103
|
| Механические | Прочностные | Предел прочности при одноосном сжатии Предел прочности при одноосном растяжении Сцепление Угол внутреннего трения | [sсж ] [sр ] [t0 ] j | кгс/cм2 кгс/cм2 кгс/cм2 градус | Па Па Па рад | 0.981 105 0.981 105 0.981 105 p/180 |
| Деформационные | Модуль упругости Коэф.поперечных деформаций Модуль сдвига Модуль всестороннего сжатия Модуль деформации | Е n G K MДЕФ | кгс/cм2 – кгс/cм2 кгс/cм2 кгс/cм2 | Па Па Па Па | 0.981 105 0.981 105 0.981 105 0.981 105 | |
| Акусти-ческие | Скорости распро-странения волн в массиве продольной поперечной поверхностной Коэф. затухания | VPм VSм VLм a | см/с см/с см/с см-1 | м/с м/с м/с м-1 | 10-2 10-2 10-2 | |
| Реологические | Параметры ползучести Период релаксации | aП;d t0 | ca -1 лет | ca -1 с | | |
| Горно- техноло-гические | Коэф.крепости Коэф. разрыхления Коэф. трения | f Kp fтр | – – – | – – – | ||
| Тепло-вые | Свойст-ва состоя-ния | Теплопроводность Температуропро-водность Удельная теплоёмкость Температурный коэф. линейного расширения Температура фазовых превращений Удельная теплота плавления | l а С a Тф L | ккал/(м ч 0С) м2/ч ккал/(кг 0С) 1/ 0С 0С ккал/кг | Вт/(м К) м2/с Дж/(кг К) 1/ К 0К Дж/кг | 1.163 2.78 104 4.1868 103 |
| Электро-магнит-ные | Электрические | Объёмное удель-ное электрическое сопротивление Диэлектрическая проницаемость Тангенс угла элек-трических потерь Электрическая прочность | rv e tgd Eпр | Ом см – – кВ/см | Ом м – – В/м | 10-2
|
| Магнит-ные | Магнитная восприимчивость Магнитная проницаемость Остаточная намагниченность Коэрцитивная сила | c m Ir Hc | ед. СГС – ед. СГС А/м | ед. СИ – А/м2 А/м | 4p | |
| Радиа-ционные | Естественная радиоактивность Линейный коэф. поглощения гамма-излучения Эффективное се-чение поглощения нейтронов Эффективное се-чение рассеяния нейтронов | А К SП SР | 1/с см-1 см2 см2 | 1/с м-1 м2 м2 | |
группы: гравитационные и структурные. К гравитационным свойствам относят удельный g0 и объемный g вес пород, к структурным — их удельную массу r0, плотность (объемную массу) r, общую Пи открытую пористость П0, коэффициент пористости Кп.
Удельный вес—это вес единицы объема твердой фазы породы, т. е.
g0 = GT/VT(3.1)
где GT и VT—вес и объем твердой фазы образца.
Значения удельного веса горных пород в зависимости от удельного веса породообразующих минералов колеблются обычно в пределах 2,5—5,0 гс/см3.
Объемным весом называют отношение веса основных агрегатных фаз породы (твердой, жидкой и газообразной) к объему, занимаемому этими фазами:
g = G/V,(3.2)
где G —вес агрегатных фаз породы; V—объем, занимаемый этими фазами.
Объемный вес — это наиболее часто используемая плотностная характеристика горных пород, которая зависит от их состава и структуры. Он всегда меньше удельного веса и лишь для весьма плотных пород может приближаться к нему.
Удельная масса — это отношение массы твердой фазы горной породы к объему твердой фазы:
r0 = mT/VT,(3.3)
где mT и VT — масса и объем твердой фазы образца.
Плотность (объемная масса) горной породы определяется как масса единицы ее объема (твердой, жидкой и газообразной фаз, входящих в состав породы), т. е.
r = m/V,(3.4)
где m—масса всех агрегатных фаз породы; V—объем, занимаемый этими фазами.
Удельная масса и плотность породы могут быть выражены через ее удельный и объемный вес:
r0 = g0/g;(3.5)
r = g/g, (3.6)
где g—ускорение свободного падения.
В отличие от удельного и объемного весов плотностьявляется параметром вещества в строгом физическом смысле.
Наибольшую плотность имеют массивно-кристаллические изверженные породы, наименьшую — осадочные и некоторые эффузивные (вулканические туфы, пемзы).
Под пористостью горной породы понимают суммарный относительный объем содержащихся в ней пустот (пор). Суммарный относительный объем открытых (сообщающихся) пор характеризует открытую пористость По горной породы. Суммарный относительный объем закрытых (замкнутых) пустот называют закрытой или изолированной пористостью Пи. Пористость, которая определяет движение в породе жидкостей и газов, называют эффективной пористостью Пэ. Общая пористость П определяется совокупностью закрытых и открытых пор. Отношение объема пор к объему минерального скелета называют коэффициентом пористости КП.
Поры по размеру разделяют на три класса: сверхкапиллярные (более 0,1 мм), капиллярные (0,002—0,1 мм) и субкапиллярные (менее 0,0002 мм).
Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор v к полному объему породы V:
П = (v / V)100%. (3.7)
Пористость горных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до 90 % и более. Принято различать породы с пористостью низкой (менее 5%), пониженной (5—10%), средней (10—15%), повышенной (15—20%) и высокой (более 20 %).
Источник