6 Фізичні властивості гірських порід

6.1 Класифікація фізичних властивостей

гірських порід

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

За головну ознаку класифікації фізичних властивостей порід прийняті зовнішні поля, у взаємодії з якими ці властивості проявляються. За цією ознакою можна виділити такі класи фізичних властивостей гірських порід:

• гравітаційні;

• механічні;

• теплові;

• електромагнітні;

• радіаційні.

В табл. 6.1 наведена класифікація властивостей з виділенням всередині класів відповідних груп.

В механіці гірських порід в основному потрібні знання про густинні і механічні властивості, оскільки вони потрібні при розрахунках механічних процесів, що протікають в товщі порід при проведенні гірничих робіт. Але разом з тим становлять інтерес і деякі інші властивості, показники яких досить чітко корелюють з напруженнями в гірському масиві і тому можуть використовуватися для оцінки діючих напружень.

6.2 Гравітаційні властивості

Гравітаційні властивості 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 ₀ і об’ємну  вагу порід, до структурних – їх питому масу або мінералогічну густину ₀ і густину (об’ємну масу) , абсолютну П і відкриту пористість П_0.

Таблиця 6.1 – Класифікація фізичних властивостей гірських порід

Клас	Група	Назва
Гравітаційні	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
	Реологічні	Параметри повзучості
	Акустичні	Акустична жорсткість
		Швидкість поздовжньої хвилі в масиві
Коефіцієнт поглинання
Теплові	Властивості стану	Теплопровідність
		Температуропровідність
		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

Питома вага – це вага одиниці об’єму твердої фази (скелету) породи:

(6.1)

де G_т і V_т – вага і об’єм твердої фази зразка гірської породи відповідно.

Значення питомої ваги гірських порід залежить від питомої ваги породоутворюючих мінералів і змінюється в межах (2,5 – 5)10⁵ Н/м³.

Об’ємною вагою називають відношення ваги основних агрегатних фаз породи (твердої, рідкої, газоподібної) до об’єму, який вони займають:

(6.2)

де G – вага агрегатних фаз породи;

V – об’єм, який ці фази займають.

Іншими словами, об’ємна вага − це вага одиниці об’єму гірської породи в природних умовах. Об’ємна вага – це найуживаніша 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. Об’ємна вага  пов’язана з питомою вагою ₀ і пористістю П породи при поновному насиченні пор рідиною співвідношенням

,

де П − абсолютна пористість породи в частках одиниці;

_р − питома вага рідини в порах.

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

(6.3)

де m_т і V_т – маса і об’єм твердої фази зразка гірської породи.

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

(6.4)

де m – вага агрегатних фаз породи;

V – об’єм, який ці фази займають.

Питому масу і густину породи можна виразити через її питому і об’ємну вагу:

(6.5)

де g – прискорення сили тяжіння.

На відміну від питомої і об’ємної ваги густина є параметром речовини у строгому фізичному змісті.

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 П₀ гірської породи. Сумарний відносний об’єм закритих (замкнутих) пустот називають закритою або ізольованою пористістю П_І. Пористість, якою визначається рух в породі рідин і газів, називають ефективною пористістю П_Е. Загальна або абсолютна пористість П 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 певного типу пор v до загального об’єму породи V:

. (6.6)

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 %).