Фізичні властивості гірських порід

За походженням всі гірські породи діляться на три групи:

1. Магматичні або вивержені.

2. Осадові.

3. Метаморфічні.

Магматичні гірські породи утворилися в результаті охолодження та затвердівання розплавленої магми. До таких порід належать базальти, граніти та ін. Осадові породи (глини, вапняки, пісковики, кам’яна сіль і т.д.) виникли в результаті відкладення на дні водяних басейнів частинок зруйнованих вивержених порід, солей, а також органічних речовин. Метаморфічні гірські породи (мармур, кристалічні сланці та ін.) утворилися в результаті дії на вапняки, сульфатні солі, глини та інші породи високих температур і тисків при занурюванні їх в надра землі.

На долю осадових порід припадає близько 5% маси земної кори, однак з ними пов’язані майже всі родовища нафти і газу. В склад переважної більшості гірських порід входять лише декілька десятків мінералів, які називаються породоутворюючими. Осадові породи залежно від кількості мінеральних компонентів, що входять до їх складу, діляться на дві групи: прості (мономінеральні) та складні (полімінеральні). До мономінеральних осадових порід зараховують галіт, кам’яну сіль, гіпси, ангідрити, вапняки, доломіти, викопний лід. До полімінеральних порід зараховують майже всі вивержені гірські породи, а до осадових – пісковики, глини, сланці, конгломерати.

Важливою характеристикою осадових порід є їх структура і текстура, які відображають будову цих порід і суттєво впливають на характер руйнування при їх розбурюванні. Під структурою породи розуміють ті особливості її будови, які обумовлені формою, розміром і характером поверхні породоутворюючих мінералів, а також характером зв’язку між останніми. За своєю структурою всі осадові породи поділяються на кристалічні та уламкові. Уламкові породи поділяють на грубоуламкові з розміром уламків більше 2 мм (гравій, галька, брекчія); піскові з розміром уламків від 0,1 до 2 мм; дрібноземи з розміром від 0,01 до 0,1 мм та глинисті з розміром частинок менше 0,01 мм.

Глинисті складають біля 55% маси осадових порід. До піскових порід належать піски (незцементована порода) і пісковики; до дрібноземів – алевроліти, суглинки, супіски, лес; до глинистих порід – глини, аргиліти та глинисті сланці.

За природою сил зчеплення між частинками осадові породи поділяють на три основні групи: скельові (пісковик, вапняк, мергель), зв’язані або пластичні (глинисті породи) і сипучі (піски). Сили зчеплення скельових порід характеризуються молекулярним притяганням частинок одна до одної, а також наявністю сил тертя. Сипучі породи не володіють зчепленням ні в сухому стані, ні при повному насиченні водою.

У кристалічних породах кристали зв’язані між собою силами молекулярної взаємодії у місцях взаємного контакту. В уламкових породах зв’язок між уламками здійснюється з допомогою посторонніх цементуючих речовин. Найпоширеніший кременистий, карбонатний, залізний, а також глинистий цемент.

Під текстурою розуміють ті особливості будови породи, які обумовлені взаємним просторовим розміщенням кристалів або уламків: шаруватість, сланцюватість, пористість, тріщинуватість. Шаруватість виявляється у зміні петрографічного складу порід у вертикальному напрямку. Сланцювата текстура виникає під дією високих тисків і температур та в результаті перекристалізації мінеральних речовин.

Між твердими мінеральними зернами, що складають скелет осадової породи, майже завжди є різні за походженням, формою та розміром пустоти (пори). Сумарний об’єм всіх пустот, які містяться в 1 м³ породи, виражений в процентах, називають загальною пористістю. Сумарний об’єм пор в 1 м³ породи, сполучених між собою і по якими може перетікати пластовий флюїд під дією існуючих в природі градієнтів тисків, характеризує ефективну пористість. Ефективна пористість менша загальної тому, що в породі завжди є деяка кількість замкнутих, а також капілярних і субкапілярних пор, по яких рух при існуючих градієнтах тисків практично не можливий.

Тріщинуватість порід пов’язана з тектонічними рухами земної кори, а також з процесами перекристалізації. Тріщини можуть бути вертикальними, горизонтальними і похилими, розташовані хаотично або орієнтовано в якомусь напрямку. Трапляються тріщини зімкнуті і розкриті, причому ступінь розкриття (товщина тріщини) може коливатись від долей міліметра до десятків міліметрів. Іноді в породах зустрічаються великі порожнини (печери), як правило, сполучені одна з одною системою розкритих тріщин.

Число фізичних властивостей гірських порід, що проявляються у взаємодії з іншими об’єктами і явищами матеріального світу, може бути як завгодно великим. Однак для практики гірничої справи важливими є лише ті властивості, котрі безпосередньо пов’язані з процесами сучасної гірничої технології.

В якості головної ознаки класифікації фізичних властивостей порід слід прийняти зовнішні поля, у взаємодії з якими ці властивості проявляються. За цією ознакою можна виділити такі класи фізичних властивостей гірських порід:

¾ густинні;

¾ механічні;

¾ теплові;

¾ електромагнітні;

¾ радіаційні.

В табл.2.1 наведена класифікація властивостей з виділенням всередині класів відповідних груп. Рекомендовані символи для позначення вибрані з врахуванням їх не повторюваності і переважної відповідності позначенням, найпоширенішим в науково-технічній літературі.

Густиннівластивості гірських порід проявляються в результаті дії гравітаційного поля Землі. Їх можна розділити на дві групи:

а) власне гравітаційні;

б) структурні.

До гравітаційних властивостей відносять питому і об’ємну вагу порід, до структурних – їх питому масу або мінералогічну густину і густину (об’ємну масу) абсолютну і відкриту пористість_.

Питома вага – це вага одиниці об’єму твердої фази породи. Значення питомої ваги гірських порід залежить від питомої ваги породоутворюючих мінералів і змінюється в межах (2,5 – 5)×10⁵ Н/м³.

Таблиця 2.1 – Класифікація фізичних властивостей гірських порід

Клас	Група	Назва
Густинні	Гравітаційні	Питома вага
Об’ємна вага
Структурні	Питома маса
Густина
Пористість загальна
Пористість відкрита
Механічні	Міцнісні	Тимчасовий опір на одновісний стиск
Тимчасовий опір на одновісний розтяг
Зчеплення
Кут внутрішнього тертя
Деформаційні	Модуль пружності
Коефіцієнт поперечних деформацій
Модуль зсуву
Акустичні	Акустична жорсткість
Швидкість поздовжньої хвилі в масиві
Коефіцієнт поглинання
Реологічні	Параметри повзучості
Теплові	Властивості стану	Теплопровідність
Температуропроводність
Питома теплоємність
Температурний коефіцієнт лінійного розширення
Електромагнітні	Електричні	Об’ємний питомий електричний опір
Діелектрична проникність
Тангенс кута електричного опору
Електрична міцність
Магнітні	Магнітна сприйнятливість
Магнітна проникність
Залишкова намагніченість
Коерцитивна сила
Радіаційні	Природна радіоактивність
Лінійний коефіцієнт поглинання гама-випромінювання
Ефективний переріз поглинання нейтронів
Ефективний переріз розсіювання нейтронів

 

 

Об’ємною вагою називають відношення ваги основних агрегатних фаз породи (твердої, рідкої, газоподібної) до об’єму, який вони займають. Об’ємна вага – це найбільш вживана густинна характеристика гірських порід, котра залежить від їх складу і структури. Вона завжди менша за питому вагу і лише для дуже щільних порід може наближатися до неї.

Питома маса – це відношення маси твердої фази гірської породи до об’єму твердої фази:

Об’ємна маса (густина)гірської породи визначається як маса одиниці її об’єму (твердої, рідкої, газоподібної фаз, що є складовими частинами породи).

Найбільшу густину мають масивно-кристалічні вивержені породи, найменшу – осадові і деякі ефузивні (вулканічні туфи, пемзи). В цілому густина гірських порі змінюється в межах 2350–7600 кг/м³.

Під пористістю гірської породи розуміють сумарний відносний об’єм наявних в ній пустот (пор). Сумарний відносний об’єм відкритих (з’єднаних між собою) пор характеризує відкриту пористість гірської породи. Сумарний відносний об’єм закритих (замкнутих) пустот називають закритою або ізольованою пористістю. Пористість, якою визначається рух в породі рідин і газів, називають ефективною пористістю. Загальна або абсолютна пористість визначається сукупністю відкритих і закритих пор.

За розміром пори розділюють на три класи: над капілярні (>0,1 мм), капілярні (0,0002 – 0,1 мм), субкапілярні (<0,0002 мм).

Пористість визначають у процентах, відносячи об’єм пор v до загального об’єму породи. Пористість гірських порід змінюється в широких межах, від часток процента до 90% і більше. Розрізняють породи з пористістю низькою (<5%), зниженою (5–10%), середньою (10–15%), підвищеною (15–20%) і високою (>20%).

Механічні властивості характеризують поведінку гірських порід в різних механічних силових полях. Їх поділяють на ряд груп:

а) міцнісні, що характеризують граничний опір порід різного виду навантаженням;

б) пружні, що характеризують здатність порід до пружних деформацій під навантаженням;

в) акустичні, що характеризують умови передачі породами пружних коливань;

г) реологічні, що характеризують деформування порід в часі при заданих умовах навантаження.

Міцність – це здатність порід чинити опір руйнуванню під дією прикладених механічних напружень. Вона характеризується межею міцності при стиску і розтягу, зчепленням і кутом внутрішнього тертя.

Межею міцності називають напруження, при якому зразок руйнується. Межа міцності при одноосьовому стиску зразків гірських порід, або коротше міцність на стиск найуживаніша характеристика міцності порід. Її найбільші значення для порід досягають 500 МПа (найміцнішими є базальти і кварцити), мінімальні значення вимірюються одиницями і навіть десятими частками МПа (мергель, гіпс, кам’яна сіль, насичена водою). Залежно від складу і структури порід навіть однієї петрографічної назви міцність на стиск може змінюватись у широких межах. Так, показник s_ст для різних базальтів змінюється в діапазоні 30 – 500 МПа, гранітів 37 – 380 МПа . Зазвичай міцність порід на стиск тим більша, чим більша їх густина.

Міцність на розтяг гірських порід значно менша за міцність на стиск. Це одна із найхарактерніших особливостей гірських порід, яка визначає їх поведінку в полі механічних сил.

Міцність на зріз (зсув) характеризуються двома функціонально пов’язаними параметрами: зчепленням і кутом внутрішнього тертя породи.

Зчеплення характеризує граничний опір зрізу по площадці, на якій немає нормального тиску, тобто немає опору зрізним зусиллям за рахунок внутрішнього тертя.

Кут внутрішнього тертя або коефіцієнт внутрішнього тертя характеризує інтенсивність збільшення зрізних зусиль із збільшенням нормальних напружень, тобто є коефіцієнтом пропорційності між приростом дотичних і нормальних напружень при зрізі.

Пружні властивості гірських порід характеризуються модулем пружності при одноосьовому напруженому стані, модулем зсуву, модулем об’ємної пружності і коефіцієнтом поперечних деформацій.

Модуль пружності– це відношення нормальних напружень s_n до відносної лінійної деформації зразка в напрямі дії прикладеного навантаження.

Відносний зсув ще інколи називають кутовою деформацією. Він характеризує зміну форми тіла, що деформується, і визначається із залежності.

Об’ємний модуль пружності К, або модуль усестороннього стиску – це відношення рівномірного усестороннього напруження до відносної пружної зміни об’єму зразка.

Коефіцієнт поперечних деформацій або коефіцієнт Пуассона є мірою пропорційності між відносними деформаціями в напрямку, перпендикулярному до вектора прикладеного навантаження і паралельному йому:

До деякої величини напруження, яку називають межею пружності породи залишкові напруження при короткочасному навантаженні в ній практично не проявляються; деформації мають чисто пружний характер і при знятті навантаження зникають. Якщо ж значення напружень більші за межу пружності, то наряду з пружними деформаціями виникають і пластичні, котрі зберігаються і після розвантаження породи.

Пластичні властивості можна охарактеризувати коефіцієнтом пластичності, який є відношенням роботи, витраченої на руйнування певного об’єму реальної гірської породи до роботи_, потрібної для руйнування такого ж об’єму породи, з тим же значенням межі міцності при стиску при умові ідеальної пружності породи.

Повзучість – повільне наростання пластичних деформацій – проявляється і при напруженнях, менших за межу пружності, але при достатньо тривалій дії навантажень.

Специфічною характеристикою, котра часто використовується в механіці гірських порід є розпушуваність – здатність гірської породи займати в розпушеному стані більший об’єм порівняно з тим, який вона займала в масиві.

Акустичні властивості визначають умови розповсюдження в гірських породах пружних коливань. Вони характеризуються швидкістю розповсюдження пружних хвиль, акустичним опором і коефіцієнтом поглинання.

Серед різних пружних коливань в твердих тілах найбільший інтерес становлять поздовжні, поперечні і поверхневі (релеєвські) хвилі. В поздовжніх хвилях напрям коливання частинок породи співпадає з напрямом розповсюдження хвилі; в поперечних напрям коливання частин перпендикулярно до напряму розповсюдження хвилі. Поверхневі хвилі – це коливання поверхні середовища (поверхні зразка гірської породи).

Акустичним опором або акустичною жорсткістю називають добуток густини гірської породи на швидкість відповідної хвилі.