ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

«Санкт-Петербургский горный университет »

Кафедра взрывного дела

Допущены

к проведению занятий в 2017-2018 уч. году

Заведующий кафедрой ВД

профессор

О.И.Казанин

« __ » сентября 2017 г.

ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ

по учебной дисциплине

«Физические свойства горных пород»

Специальность (направление подготовки): 21.05.04 Горное дело

Специализация Взрывное дело

Разработал: к.т.н., доцент Молдован Д.В.

Обсуждены и одобрены на заседании кафедры

Протокол № 1 от «31» августа 2017 г.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.	Терминология, применяемая для описания горных пород…………………	3
	Вопросы к лекции №1…………………………………………………………	8
2.	Общие сведения о трещиноватости горных пород………………………….	9
	Вопросы к лекции №2…………………………………………………………
3.	Общие сведения о плотностных свойствах горных пород…………………	16
	Вопросы к лекции №3…………………………………………………………	22
4.	Общие сведения о жидкой и газообразной фазах в породах Классификация видов воды в породах……………………………………….	23
	Вопросы к лекции №4…………………………………………………………	29
5.	Характеристики динамического состояния воды в породах. Фильтрация жидкости……………………………………………………………………….	30
	Вопросы к лекции №5…………………………………………………………	39
6.	Напряженное состояние горных пород………………………………………	40
	Вопросы к лекции №6…………………………………………………………	48
7.	Деформированное состояние. Тензор деформаций…………………………	49
	Вопросы к лекции №7…………………………………………………………	56
8.	Закон Гука для изотропных пород…………………………………………...	57
	Вопросы к лекции №8…………………………………………………………	66
9.	Методы определения упругих модулей……………………………………...	67
	Вопросы к лекции №9…………………………………………………………	75
10.	Прочностные свойства горных пород. Общие сведения……………………	76
	Вопросы к лекции №10………………………………………………………..	84
11.	Определение предела прочности при одноосном растяжении……………..	85
	Вопросы к лекции №11………………………………………………………..	93
12.	Общие сведения о технологических и горно-технологических свойствах пород……………………………………………………………………………	94
	Вопросы к лекции №12………………………………………………………..	113
13.	Акустические свойства горных пород……………………………………….	114
	Вопросы к лекции №13………………………………………………………..	122
14.	14. Затухание энергии акустической волны…………………………………	123
	Вопросы к лекции №14………………………………………………………..	132

Классификация горных пород по их происхождению (генезису)

Магматические породы.

Эффузивные породы характеризуются скрытокристаллическими, стекловатыми (порфировидными) структурами и пористой текстурой.

Для интрузивных пород характерны массивная (плотная) текстура и равномерно-зернистая полнокристаллическая структура.

По величине зерен кристаллические породы подразделяются: на мелкозернистые (не более 1 мм), среднезернистые (1…5 мм), крупнозернистые (5…10 мм) и грубозернистые породы (более 10 мм).

Гипабиссальные и жильные породы в отличие от интрузивных пород обладают неравномерно-зернистой структурой.

Магматические породы по содержанию подразделяются: на кислые (больше 65%) – граниты, кварцевые порфиры, туфы; средние (52…65%) – трахиты, диориты, габбро-диориты; основные (45…52%) – габбро, габбро-диабазы, базальты и ультраосновные породы (меньше 45%) – перидотиты, дуниты, кимберлиты.

Осадочные породы.

Основные процессы образования осадочных пород заключаются в выветривании (физическом и химическом), эрозии (переносе вещества) и седиментации (накоплении осадков). Кроме того, к осадочным породам относят органическую массу отмерших растений и животных организмов.

Обломочные породы

Классификация обломочных пород

Размеры обломков, мм	Рыхлые		Сцементированные
Размеры обломков, мм	окатанные	неокатанные (угловатые)	окатанные	неокатанные (угловатые)
> 100¹⁾	Валуны	Глыбы	Валунный конгломерат	Глыбовая брекчия
50…100	Крупный галечник	Крупная щебенка	Крупногалечный конгломерат	Крупнообломочная брекчия
25…50	Средний галечник	Средняя щебенка	Среднегалечный конгломерат	Среднеобломочная брекчия
10…25	Мелкий галечник	Мелкая щебенка	Мелкогалечный конгломерат	Мелкообломочная брекчия
1…10²⁾	Гравий	Дресва	Гравийный конгломерат	Дресвяник
0,5…1	Крупнозернистый песок		Крупнозернистый песчаник
0,25…0,5	Среднезернистый песок		Среднезернистый песчаник
0,1…0,25	Мелкозернистый песок		Мелкозернистый песчаник
0,01…0,1	Алеврит (песчаная глина)		Алевролит (окаменелая песчаная глина); песчано – глинистый сланец
<0,01	Глина		Аргиллит (окаменелая глина); глинистый сланец

Примечания: ¹⁾ – по некоторым классификациям среди рыхлых пород по размерам обломков более 100 мм выделяют две группы: валуны и мелкие глыбы (100…1000 мм), крупные валуны и глыбы (более 1000 мм). ²⁾ - левый предел условный: граница между крупнозернистым песком и гравием (дресвой) может проходить по размеру обломков 2 мм.

Гранулометрический состав – характеристика породы, представляющая собой распределение по размерам составляющих породы (обломков, зерен, кусков).

Физико-механические свойства породы в наибольшей степени чувствительны к размерам частиц, попадающих в интервал - … .

Отношение - называют коэффициентом (степенью) неоднородности породы.

Наиболее распространенными типами цементов в сцементированных осадочных породах по химическому составу в порядке возрастания прочности являются: битуминозные, глинистые, железистые, сульфатные, карбонатные, кремнистые.

Хемогенные породы

Хемогенные осадочные породы образуются из гидрохимических осадков минеральных растворов в результате испарения воды и последующего их уплотнения.

Растворы могут быть конгруентными, когда минерал не меняет химического состава . .

В неконгруэнтных растворах (большинство силикатов металлов) происходит изменение химического состава исходного вещества при его осаждении. Например, для ортоклаза реакция образования гидрохимических осадков выглядит следующим образом:

В приведенной реакции выпавшее в осадок глинистое вещество представляет собой минерал каолинит.

Вопросы к лекции №1

«Терминология, применяемая для описания горных пород»

1. Что называется минералом?

2.Что образуется в процессе прорастания различных минералов друг в друга?

3. Что с геологической точки зрения называется грунтом?

4. Что называется массивом горных пород?

5. Как подразделяются горные породы по характеру связей между минералами и минеральными агрегатами?

6. Что подразумевается под структурой горной породы?

7. Какая характеристика определяет взаимное расположение и пространственную ориентацию минеральных агрегатов?

8. Назовите основные классы горных пород по их происхождению (генезису).

9. Как называется характеристика горной породы по размерам составляющих (обломков, зерен, кусков)?

10. Как образуются хемогенные породы?

12. Как образуются органогенные горные породы?

13. Как образуются метаморфические породы?

14. В результате метаморфизма какая порода образуется из доломитов?

15. Какие текстуры являются основными для метаморфических пород и как они образуются?

Вопросы к лекции №2

«Общие сведенья о трещиноватости горных пород»

1. Что называют трещиной?

2. Что является трещиноватостью?

3. Назовите системы трещин?

4. Какие признаки положены в основу геометрической классификации трещин?

5. Перечислите тачечные дефекты в кристаллической решетки минералов.

6. К чему приводит повышение плотности дислокации и механическое воздействие на кристалл?

7. Как называются трещины произошедшие в нутрии кристалла, под действием внешних причини и благодаря наличию собственных дефектов? Какова протяженность и раскрытие таких трещин?

8. Как называются трещины локализующиеся в минеральных агрегатах, между кристаллами и в цементе? Какова протяженность и раскрытие таких трещин?

9. Какие относятся к тектоническим трещинам?

10 Как варьируется длинна макротрещин?

11. Как определяется густота трещин?

12. Как подразделяются трещины по механизму образования?

13. Как подразделяются трещины по генетическим признакам?

14. Как группируются трещины по сходному облику при морфологической классификации?

15. Расскажи о схеме трещиноватости интрузивного массива.

16. Расскажите о характеристике свойств однородных и неоднородных пород по М.В.Ранцу.

Определение насыпной массы

Процедура сводится к определению объема разрыхленной горной породы (продуктов обогащения) с помощью мерного сосуда и его массы в пустом и наполненном состоянии по формуле

, (3.9)

где - масса порожнего сосуда, - масса сосуда с пробой, - объем сосуда. Размеры сосуда выбираются согласно крупности кусков (частиц).

Вопросы к лекции №3

«Общие сведенья о плотностных свойствах горных пород»

1. В каких пределах варьируются размеры пор у горных пород?

2. Какими параметрами определяются плотностные свойства горных пород находящихся в естественном состоянии?

3. Как определяется полная масса горной породы в естественном состоянии?

4. Как называется масса единицы объёма сухой породы в не разрушенном состоянии? Как она рассчитывается?

5. По какой формуле рассчитывается абсолютная плотность?

6. Назовите весовые характеристики горной породы. Как они рассчитываются?

7. Перечислите характеристики порового пространства.

8. Что такое коэффициент эффективной пористости?

9. Что такое коэффициент приведённой пористости и как он рассчитывается?

10. На сколько групп делятся горные породы по значениям общей пористости? Перечислите группы.

11. Что показывает коэффициент разрыхления? Как он рассчитывается?

12. Расскажите о методе определения объемной массы породы на образцов произвольной формы?

13. В чем различие между методами прямого и обратного взвешиваний при определении объемной массы породы?

14. Как определяется насыпная масса разрыхленной горной породы?

Вопросы к лекции №4

«Общие сведенья о жидкой и газообразных фазах породах. Классификация видов воды в породах»

1. В каких состояниях в массиве могут находится жидкость и газ в горных породах?

2. Какими видами представлена жидкость в горных породах?

3. Расскажите классификацию воды в горных породах?

4. Из чего образуется конституционная вода?

5. Из чего образуется кристаллизационная вода?

6. Где локализуется физически связанная вода?

7. Где образуется плёночная вода?

8. Как можно оценить высоту капиллярного подъёма воды для абсолютно смачиваемых частиц?

9. Какая способность горной породы называется влажностью?

10. Что понимается под гигроскопической влагой?

11. Что такое полная влагоёмкость?

12. Как количественно определяются все виды влаги?

13. Как определяется параметр – водоотдача? Что она характеризует?

Фильтрация газа

Приведенные выше формулы справедливы для несжимаемой жидкости, для которой можно пренебречь зависимостью плотности от давления. Для газов это не так. Для изотермического состояния газа его плотность определяется в виде - , где - плотность газа для стандартного давления - . В качестве стандартного давления выбирается физическая атмосфера ( = 1,01310⁵ Па).

Чтобы учесть зависимость плотности газа от его давления, в выражение для закона Дарси удобно ввести параметр, характеризующий массу газа, фильтрующегося через породу в единицу времени. Такой параметр называется газоотдачей - , = кг/с. Между газоотдачей и расходом газа существует простая связь в виде - . Закон Дарси, описывающий фильтрацию газа через породу, с учетом (5.8) примет следующий вид

, (5.10)

- коэффициент абсолютной газопроницаемости, - площадь фильтрации.

По величине коэффициента - горные породы можно разделить на 5 классов (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Классификация горных пород по коэффициенту газопроницаемости (по А.А. Ханину)

Класс пород	Степень газопроницаемости	Коэффициент газопроницаемости, мД
1	Очень высокая	> 1000
2	Высокая	500…1000
3	Средняя	100…500
4	Пониженная	10…100
5	Низкая	<10

В горных выработках фильтрация газа происходит из областей порового пространства, заполненного газом в процессе метаморфизма, в сторону обнаженной поверхности. Очевидно, что интенсивность фильтрации будет зависеть от степени заполнения газом порового пространства. Соответствующим параметром, характеризующим степень заполнения, является коэффициент газонасыщения - , где - объем газа, содержащегося в объеме порового пространства породы - .

5.2. Методы определения коэффициентов фильтрации воды и газов

Методы определения коэффициентов фильтрации горных пород основаны на законе Дарси. Коэффициенты фильтрации могут определяться двумя способами: непосредственно в массиве или на образцах горных пород. Основное различие этих способов заключается в масштабе исследований.

Наблюдения за опытными откачками из скважин, пробуренных в массиве, позволяют получать результаты наиболее приближенные к условиям разрабатываемого месторождения, так как дают характеристики коэффициента фильтрации, усредненные по большому объему массива. В то же время такой способ требует больших затрат и тщательного выбора мест заложения скважин.

Лабораторные исследования проницаемости образцов пород позволяют произвести их дифференциацию по коэффициенту фильтрации в зависимости от места отбора исходного материала и, следовательно, рационально спланировать изучение фильтрационных свойств пород непосредственно в массиве.

Вследствие неоднородности массива результаты по измерению коэффициента фильтрации указанными способами могут отличаться.

Измерение коэффициентов фильтрации в лабораторных условиях может проводиться путем выбора одного из двух режимов: либо при постоянном градиенте давления (напоре), либо при изменяющемся во времени градиенте давления. В первом случае говорят о стационарной фильтрации (проницаемости), во втором – о нестационарной фильтрации.

Определение коэффициента фильтрации по результатам опытных откачек воды из скважин базируется на двух режимах поступления воды в скважины в зависимости от гидрогеологических условий месторождений: напорном (рис. 5.3) или безнапорном (рис. 5.4).

Определение коэффициентов фильтрации по результатам опытных откачек.

Выражения для коэффициентов фильтрации имеют вид в случае:

- напорных вод ; (5.11)

- безнапорных вод . (5.12)

Определение коэффициента фильтрации воды лабораторными методами.

Согласно ГОСТ 25584-90 «Грунты…» Для песчаных грунтов коэффициент фильтрации определяется при стационарном режиме фильтрации воды (рис. 5.5), для пылеватых и глинистых грунтов – при нестационарном режиме (рис. 5.6).

Для стационарного режима фильтрации выражение для коэффициента фильтрации в м/сут, приведенного к условиям фильтрации при температуре 10 ⁰C, имеет простой вид

, (5.13)

где - объем фильтрующейся жидкости в см³;

- время фильтрации, фиксируемое по моментам равных расходов воды в с;

- площадь поперечного сечения пробы в см²;

– поправочный коэффициент на температуру измерения;

- напорный градиент, определяемый отношением длины части пробы, не погруженной в воду, к длине пробы. При проведении измерений при температуре, отличной от 10 ⁰С, поправочный коэффициент рассчитывается по формуле , где - фактическая температура.

Для нестационарного режима фильтрации выражение для коэффициента фильтрации

, (5.14)

где - первоначальный уровень столба воды, - его падение.

Определение коэффициента фильтрации газа (коэффициента газопроницаемости).

Выражение для коэффициента газопроницаемости породы (угольного пласта) вытекает из закона Дарси в виде (5.10)

откуда , (5.15)

где и - давление газа в скважине и в пласте, соответственно, - часть длины скважины, находящейся в пласте (площадь фильтрации газа - ). Очевидно, что для исключения радиуса влияния скважины - , из которой производится откачка газа, требуется измерение пластового давления газа в наблюдательных скважинах при отсутствии утечек газа из них.

Лабораторное определение коэффициента газопроницаемости производится согласно ГОСТ 26450.2-85 «Породы горные. Метод определения коэффициента абсолютной газопроницаемости при стационарной и нестационарной фильтрации».

Фильтрация газа в образце может производиться в результате реализации следующих режимов:

· Стационарная фильтрация. В этом режиме поддерживается постоянным градиент давления газа, который на входе в образец находится под давлением выше, чем на выходе из образца. Давление газа на выходе из образца близко к атмосферному давлению;

· Нестационарная фильтрация. В этом режиме градиент давления газа изменяется с течением времени. На входе в образец давление газа постоянно, на выходе измерения проводятся при возрастающем давлении газа после предварительной откачки газа вакуумным насосом.

Коэффициент газопроницаемости при стационарной фильтрации определяется в виде

, (5.16)

где - площадь основания керна, - длина керна.

В режиме нестационарной фильтрации на выходе используется пьезометр – прибор1), регистрирующий процесс просачивания газа через образец по изменению уровня жидкости. В этом случае коэффициент газопроницаемости может быть вычислен по формуле

, (5.17)

где - постоянная пьезометра, зависящая от конструкции прибора и условий проведения измерений, - время фильтрации в заданных пределах.

Вопросы к лекции №5

«Характеристики динамического состояния воды в породах. Фильтрация жидкости»

1. Где происходит движение газа или жидкости под действием градиентов давления?

2. Как определяется скорость фильтрации?

3. Что такое коэффициент фильтрации?

5. На сколько категорий подразделяются по водопроницаемости грунты? Назовите их.

6. Что такое коэффициент водообильности?

7. Классификация месторождений полезных ископаемых по степени обводненности (по М.В. Сыроватко).

6. Каким выражением описывается закон Дарси.

7. Какая связь существует между газоотдачей и расходом газа?

8. Классификация горных пород по коэффициенту газопроницаемости (по А.А.Ханину)

9. В чём отличие между стационарной и нестационарной фильтрацией?

10. Нарисуйте схему определения коэффициента фильтрации воды лабораторным способом, стационарным и нестационарными методами?

11. По какой формуле вычисляется коэффициент газопроницаемости в режиме нестандартной фильтрации?

1 ) При отсутствии откачки газа за образцом в пространство между пьезометром и образцом натекает просачившийся газ, который создает возрастающее во времени давление. Поскольку объем за образцом фиксированный, то изменение уровня жидкости в пьезометре дает информацию об изменении градиента давления в образце и объеме просочившегося газа.