Акустические параметры слагающих горную породу фаз
| Фаза | Плотность Ро, кг\м3 | Скорость продольной волны vp. М\с. | Коэффициент поглощения q, 1\м. | ||
| F=105Гц | F=107Гц | ||||
| Вода Воздух Лед | 1,29 | 3200-3300 | 8,5*10-5 1,24*103 - | 8,5*10-1 1,24*103 - | |
Скорость продольных упругих волн в слоистых породах.
| Порода | Скорость продольной волны nр, м\с. | Коэффициент анизотропии | |
| Вдоль напластования v|| | Поперек напластования v^ | ||
| Известняк Песчаник Мергель Серпентинит | 1,04 1,19 1,10 1,18 |
Поглощение упругих волн вдоль слоистости всегда меньше, чем поперек, а с увеличением пористости и размеров зерен пород происходит увеличение q. Неодинаково также поглощение различных типов волн.
Рыхлые породы практически не оказывают сопротивления сдвиговым усилиям, величина которых определяется внутренним трением, поэтому в них, подобно жидкостям, могут распространятся только продольные волны. В соответствии с этим, чем больше нарушенность массива пород (трещиноватость, выветрелость и т.д. ), т.е. чем больше он приближается к рыхлому состоянию, тем меньше скорость поперечных волн и тем больше их поглощение.
Лекция № 6
Тема : ОБОБЩЁННЫЕ ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОРОД
План лекции (с.74-78/1/):
1. Крепость горных пород.
2. Хрупкость и пластичность пород.
3. Твёрдость горных пород.
1. Крепость горных пород.
Крепость горных пород – характеристика сопротивляемости пород их добыванию – технологическому разрушению. Для количественной оценки крепости предложен коэффициент крепости f, в первом приближении пропорциональный пределу прочности при сжатии. Разработана шкала горных пород по крепости (Протодьяконов М.М.), в соответствии с которой все горные породы подразделены на 10 категорий.
К первой категории относятся породы, имеющие наивысшую степень крепости (f=20), к десятой – наиболее слабые плывучие породы (f=0,3). Пределы изменения коэффициента крепости от 0,3 о 20.
Так как f связан с прочностью пород, его можно рассчитать по σсж в простейшем случае по формуле
f = σсж·10-7
Существуют и другие формулы взаимосвязи коэффициента крепости пород с их прочностными параметрами. Коэффициент крепости можно определить также экспериментально.
Так как коэффициент крепости в наибольшей степени отражает только разрушение породы от сжимающих нагрузок, а в реальных условиях часто используются растягивающие и скалывающие усилия, возникает необходимость введения иных показателей трудности технологического разрушения пород.
2. Хрупкость и пластичность.
В качестве технологического показателя пластичности принимают параметр, определяющий во сколько раз удельная работа разрушения образца реальной породы Ар при одноосном сжатии выше удельной работы разрушения идеально упругой породы Ау с тем же пределом прочности при сжатии.
Удельную работу разрушения рассчитывают по площади диаграммы напряжение-деформация (рис. 1)
 |
Рис.1 К расчёту коэффициентов пластичности и хрупкости пород (tgα, tgά - соответственно модули Юнга и полной деформации)
Коэффициент пластичности определяется по формуле
kпл = пл. ОСD/ пл. ОАВ = 2Е/Едеф – 1
Коэффициент хрупкости представляет собой отношение работы Ау, затраченной на деформирование образца в чисто упругой области, к полной работе Ап, затраченной на разрушение образца (см рис. 1)
kхр = Ау/Ап = пл.OFG/пл.OCD ≤ 1
С ростом предела прочности при одноосном сжатии коэффициент хрупкости возрастает.
3. Твёрдость горных пород
Твёрдость горных пород определяет сопротивляемость пород внедрению в них острого инструмента, т.е. разрушению при точечном (контактном) нагружении. Твёрдость минералов принято оценивать по известной шкале Мооса. Так как породы состоят из многих минералов и их твёрдость является агрегатной, для её определения используют методы, основанные на вдавливании особых штампов в породу.
В зависимости от того, вдавливается ли инструмент в породу при постепенно увеличивающейся нагрузке или ударе различают статическую Нст и динамическую Нд твёрдость, причём Нст ≠ Нд.
Для большинства горных пород применяется метод определения статической твёрдости рш, основанный на хрупком выколе лунки в шлифованной поверхности породы под действием приложенной к специальному штампу нагрузки.
Если во время опыта фиксируется деформация, то попутно может быть определён модуль упругости породы.
Метод контактной прочности - производится вдавливание цилиндрического штампа с плоским основанием и диаметром 2-3 мм в нешлифованную поверхность образца. Контактная прочность рк (твёрдость) образца определяется по величине нагрузки в момент хрупкого разрушения (выкола лунки под штампом), отнесённой к площади штампа.
рш ≈ (2,5 – 3,0) рк
С увеличением пластичности пород твёрдость их уменьшается.
Твёрдость пород всегда выше предела прочности при одноосном сжатии, так как она соответствует прочности породы при сложном всестороннем сжатии, причём характер объёмного сжатия в значительной степени зависит от упругих и пластических свойств породы.
Динамическая твёрдость может быть определена методом Шора – на поверхность испытуемой породы с определённой высоты сбрасывается боёк со сферическим алмазным наконечником. За показатель твёрдости принимается высота отскока бойка.
Твёрдость пород указывает на их сопротивляемость разрушению при воздействии бурового инструмента и поэтому определяет производительность буровых установок.
Лекция № 7
Тема : ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД
План лекции (с.80-85/1/):
1. Содержание жидкостей и газов в породах.
2. Перемещение жидкостей и газов в породах
Содержание жидкостей и газов в породах.
Наиболее часто горные породы бывают насыщены водой, которая может содержаться в породах в разном виде. Различают химически связанную, физически связанную и свободную воду.
Химически связанная вода наряду с другими молекулами и ионами входит в состав кристаллической решётки минералов, например гипса CaSO4·2H2O. Удаление такой воды приводит к разрушению минерала, превращению его в другое – безводное соединение.
Физически связанная вода тесно соединена молекулярными силами притяжения с твёрдыми частицами пород, обволакивая их в виде плёнки. Её количество зависит от смачиваемости пород.
Смачиваемость – это способность горной породы покрываться плёнкой жидкости. Смачиваемость пород обусловлена адсорбционной способностью, т.е. способностью концентрировать на своей поверхности молекулы жидкости за счёт электростатического притяжения. Большинство пород относится к хорошо смачиваемым водой (гидрофильным). Частично или полностью несмачиваемы (гидрофобны) сера, угли, битуминозные песчаники и некоторые другие породы.
Физически (прочно) связанная вода не перемещается в породах, имеет высокую плотность (до 1,74·103 кг/м3), низкую температуру замерзания
(-78ºC), малые значения теплоёмкости. Она удаляется из породы только нагреванием свыше 105-110ºC.
Максимальное количество связанной воды, которое способны адсорбировать породы, оценивается показателями максимальной гигроскопичности и максимальной молекулярной влагоёмкости.
Максимальная гигроскопичность ωг – наибольшее количество влаги, которое способна адсорбировать на своей поверхности горная порода из воздуха с относительной влажностью 94%.
Молекулярная, или плёночная влагоёмкость ωм – количество воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы:
ωм = (mм – mc)/ mc
где mм- масса влажного образца породы; mc –масса образца породы, высушенного при температуре 105-110˚С.
ωм > ωг
Влажные породы обладают способностью избирательно адсорбировать наряду с водой ионы из насыщающего породу раствора, т.е. обладают ионосорбционной способностью. Это явление важно при изучении электрохимических реакций в породах, электрической проводимости и электрических полей в массивах.
Свободная вода в породах может находиться в виде капиллярной воды, удерживаемой в мелких порах силами капиллярного поднятия, и в виде гравитационной воды , заполняющей крупные поры и передвигающейся в породах под действием сил тяжести или давления.
Количество капиллярной воды оценивается параметром капилярной влагоёмкости.
Максимальное количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое способна вместить порода, характеризуется её полной влагоёмкостью (массовой и объёмной).
Массовая полная влагоёмкость
ωп = (mn – mc)/ mc
Объёмная полная влагоёмкость
ωп.об = Vж/ V = ωпρ/ρж
где mn – масса породы, максимально насыщенной водой; Vж- объём воды, заполняющей породу [Vж = (mn – mc)/ ρж ]; V – объём породы; ρж - плотность воды; ρ –объёмная масса породы.
По величине объёмная влагоёмкость примерно равна открытой пористости пород.
Для оценки породы в естественном состоянии пользуются параметром естественной влажности ωе, равным относительному количеству воды, содержащейся в породах в природных условиях, и коэффициентом водонасыщенности kвн, указывающим на степень насыщения породы водой.
kвн = ωе/ωп = Vв/ Vп
где Vв и Vп – объём воды и пор в породе соответственно.
Извлечь всю воду из увлажнённой породы механическими средствами невозможно. При любом механическом воздействии в породе остаётся физически связанная вода. Способность породы отдавать воду при механическом воздействии характеризуется водоотдачей ξ:
ξ = ωп – ωм
Величина водоотдачи зависит от размеров частиц, образующих породу, величины и взаимного расположения пор. Слабая водоотдача пород обычно снижает производительность механической и гидравлической разработки пород, затрудняет осушение месторождения, транспортирование и дробление полезного ископаемого.
В породах кроме воды встречаются также нефть и газы.
Характер распределения в порах воды, нефти и газа предопределяет многие физические свойства этих пород, в частности очень сильно сказывается на их электросопротивлении.
В общем случае сумма объёмов нефти Vн, газа Vг и воды Vв в нефтегазоводонасыщенных породах равна объёму порового пространства пород Vп и, следовательно,
Vн/ Vп + Vг/ Vп + Vв/ Vп = 1
Отношение Vн/ Vп , Vг/ Vп ,Vв/ Vп называются относительными коэффициентами соответственно нефтенасыщенности kн,газонасыщенности kг и водонасыщенности kвн.