Лекция 4 общие понятия о физико технических свойствах пород и физических процессах классификация физико - технических свойств пород. Базовые физико-технические параметры

Минеральный состав и строение, а также многофазность горных пород предопределяют различное их поведение при воздействии нагрузок, тепла, электрического поля, т. е. различные их физические свойства.

Под физическим свойством породы понимают ее особое поведение (ответную реакцию) при воздействии на нее определенных физических; полей или сред.

Численно каждое физическое свойство породы оценивается одним -или несколькими параметрами (показателями характеристиками), являющимися количественной мерой свойства.

Свойства пород и соответствующие им параметры, характеризующие ответную реакцию пород на воздействие определенных инструментов (например, буровых), механизмов или технологических процессов (например, взрыва), называют горнотехнологическими.

Всю совокупность физических и горно-технологических параметров пород, описывающих их поведение в процессах разработки, принято называть физико-техническими параметрами.

Факторы, обусловливающие численное значение тех или иных физико-технических параметров горных пород и минералов и их изменчивость, подразделяют на две группы. Это внутренние факторы, своей сущностью связанные с породой (минералом) и определяющие ее название (минеральный состав и строение для пород, химический состав и кристаллическая решетка для минералов), и внешние (различные физические поля, внешнее воздействие, окружающие и проникающие в породу среды), обобщенно называемые внешним полем.

В физике горных пород под понятием «внешнее поле» подразумевают тот вид энергии или вещества, под воздействием которого в данный момент находится порода.

Физико-технические параметры подразделяют по виду соответствующих внешних полей, вызывающих ответную реакцию породы.

Исходя из этого выделяют механическое поле (давление) и соответствующие ему механические свойства пород, тепловое поле (температура, тепловой поток) и тепловые свойства, электрическое, магнитное и радиационное поля и такие же свойства пород. Кроме того, существует еще вещественное поле (флюиды) и соответствующие ему гидравлические и газодинамические свойства. Воздействие знакопеременных нагрузок на горные породы описывается акустическими свойствами, воздействие электромагнитных волн — электромагнитными свойствами.

Как те, так и другие связаны с волновыми процессами и поэтому могут быть объединены в общую группу волновых свойств.

Как следует из определения, горно-технологические параметры соответствуют конкретным условиям и средствам воздействия на породы.

Горно-технологические параметры пород подразделяются на несколько групп по принципу принадлежности к определенным процессам технологического воздействия:

1) характеризующие общую разрушаемость пород механическим способом, например твердость, крепость, вязкость и дробимость;

2. характеризующие разрушаемость пород определенными механизмами, например буримость, сопротивляемость резанию, экскавируемость, зарубаемость, взрываемость, удельные усилия внедрения и т. д.;

3. оценивающие воздействие породы на инструмент, например абразивность;

4. оценивающие качество полезных ископаемых, например коксуемость для углей, морозостойкость и термостойкость для строительного камня;

5. устанавливающие производительность или эффективность иных процессов воздействия на горные породы (кроме разрушения), например обогатимость, флотируемость, устойчивость в отвалах и т. д.

6. определяющие особое поведение пород при разработке месторождений полезных ископаемых, например выбросоопасность, метаноносность, самовозгораемость и др.;

7. оценивающие эффективность воздействия на горные породы различными немеханическими методами с целью их разрушения, упрочнения, плавления и т. д.; например термобуримость, критерий эффективности нагрева токами высокой частоты, электротермомеханическая разрушаемость и др.

Физико-технические параметры, описывающие объемный, накопительный процесс, являются скалярными и не зависят от направления действия внешнего поля (например, плотность, теплоемкость).

Остальные параметры зависят от направления поля действия и степени ориентации минеральных частиц и поэтому в общем виде описываются векторами и тензорами. Они называются тензорными.

Классификация наиболее часто применяемых физико-технических свойств и параметров пород приведена в табл. 2.1. Определения параметров даны при рассмотрении соответствующих свойств горных пород в образце.

Известно более ста физико-технических параметров пород, измерить такое количество их для всех видов и разновидностей пород не представляется возможным.

С целью сопоставления разных пород, совместного их рассмотрения, анализа и классификации выделяют некоторую ограниченную группу физико-технических параметров, являющуюся минимально необходимой и достаточной для характеристики породы как физического и геологического тела и объекта горной разработки одновременно. Такие параметры горных пород носят название базовых (табл. 2.2).

К базовым отнесено 12 элементарных, исходных и независимых физических параметров, позволяющих вычислять максимальное количество других параметров пород.

Базовые физические параметры служат общим фундаментом для изучения всех пород. Поэтому их определение является обязательным

Таблица 2.1.

Классификация наиболее часто применяемых физико-технических параметров пород

Группа свойств	Подгруппа свойств	Физические параметры	Обозначение
Плотностные		Плотность, объемная масса Удельный вес Пористость (общая, эффективная) Коэффициент пористости	ρо Р γo Р Рэф kп
Механические	Упругие	Модуль Юнга Коэффициент Пуассона Модуль сдвига Модуль всестороннего сжатия Модуль одностороннего сжатия Предел упругости	Е μ M σЕ
	Пластические	Коэффициент пластичности Модуль деформации
	Прочностные	Предел прочности при сжатии Предел прочности при растяжении Предел прочности при сдвиге Сцепление Угол внутреннего трения	σсж σр с φ
	Реологические	Параметры ползучести Период релаксации Длительная прочность Предел длительной прочности
Тепловые	Проводимость	Коэффициент теплопроводности Температуропроводность
	Поглощение	Удельная теплоемкость
	Воздействие	Температура и теплота плавления Коэффициенты теплового расширения Температура фазовых превращений
Электрические	Проводимость	Удельное электрическое сопротивление Удельная электрическая проводимость
	Поглощение	Относительная диэлектрическая проницаемость Тангенс угла диэлектрических потерь	tg
	Воздействие	Пробивная напряженность (электрическая прочность)	Еэ. п

Продолжение табл. 2.1

Группа свойств	Подгруппа свойств	Физические параметры	Обозначение
Магнитные	Поглощение	Остаточная намагниченность Магнитная проницаемость Магнитная восприимчивость
	Воздействие	Температура Кюри Коэрцитивная сила
Волновые	Акустические	Скорости распространения волн Коэффициент поглощения Удельное волновое сопротивление Коэффициент отражения Коэффициент преломления Критический угол полного внутреннего отражения
	Электромагнитные	Скорости распространения волн Коэффициент поглощения Коэффициенты отражения Коэффициенты преломления Волновое сопротивление
Радиационные	Естественные	Естественная радиоактивность
	Поглощение	Коэффициенты поглощения Эффективные сечения рассеяния и поглощения
	Проводимость	Длина замедления нейтронов Время замедления нейтронов
Гидрогазодинамические	Поглощение	Влагоемкость Коэффициент водонасыщенности Коэффициент водоотдачи
	[Проводимость	Коэффициент проницаемости Коэффициент фильтрации
	Воздействие	Растворимость Коэффициент набухания Коэффициент водопрочности
Горно-технологические	Общие	Показатель трудности разрушения Коэффициент крепости Твердость Коэффициент абразивности Дробимость Коэффициент трения
	Частные	Взрываемость Удельное усилие резания Показатель трудности бурения Экскавируемость

Таблица 2.2.

Базовые физико-технические параметры горных пород

Свойства

Основные параметры

Обозначение

Единицы измерения

Определение

Пределы изменения

Плотност-ные

Объемная масса

Р

кг/м3

Масса единицы объема сухой горной породы с естественной ненарушенной структурой (с порами, трещинами и т. д.)

1500—3000

Пористость

Р

%

Относительный объем всех пор, заключенных в единице объема породы

1,5-30

Механические

Предел прочности при сжатии

0"сж

Па

Критическое значение одноосного сжимающего напряжения, при котором происходит разрушение породы

Предел прочности при растяжении

Па

Критическое значение одноосного растягивающего напряжения, при котором происходит разрушение породы

Модуль продольной упругости (модуль Юнга)

Е

Па

Коэффициент пропорциональности между действующим нормальным напряжением и соответствующей ему продольной упругой деформацией

Коэффициент Пуассона

V

—

Коэффициент пропорциональности между упругими продольными и поперечными деформациями при одноосной нормальной нагрузке

0,1—0,45

(отношение относительных поперечных деформаций к продольным)

Тепловые

Коэффициент теплопроводности

1

Вт/(м-К)

Количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу сечения в направлении, перпендикулярном к сечению при перепаде температур, равном 1 К, на единицу расстояния

0,2—12

Удельная теплоемкость

с

Дж/(кг- К)

Количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 кг вещества на 1 К

(0,5—1,5) 103

Коэффициент линейного теплового расширения

а

к-1

Относительное удлинение тела при нагреве его на 1 К

Электромагнитные

Удельное электрическое сопротивление

Рэ

Ом-м

Величина, обратная силе тока, проходящего через 1 м2 площади образца при напряженности электрического поля в образце, равной 1 В/м

Относительная диэлектрическая проницаемость

-

Коэффициент, показывающий, во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля при внесении в него породы

2—30

Относительная магнитная проницаемость

—

Коэффициент, показывающий, во сколько раз магнитная индукция поля изменяется при помещении в пего образца по сравнению с полем в вакууме

0,9998 6,5

ческих нагрузок или соответствующих суммарных термических напряжений при нагреве или охлаждении пород; появление дополнительной пористости, пустотности за счет эффекта растворения минералов или их выгорания.

3. Изменение сил связей между отдельными частицами породы: понижение их при нагреве за счет приближения состояния минералов к точке плавления; при насыщении связных пород водой за счет проникновения жидкости между частицами породы; повышение их при нагреве за счет спекания частиц, при охлаждении за счет смерзания и т. д.

Преобладание тех или иных причин изменения свойств обусловлено исходным минеральным составом, строением пород и их физическими свойствами. Существенную роль играют также параметры внешнего воздействующего поля — его интенсивность, характер изменения во времени, длительность, направление действия.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Любой технологический процесс горного производства, в котором участвует горная порода, в той или иной степени зависит от комплекса физических свойств породы.

Поэтому проектирование таких процессов, выбор технологической схемы, конструирование и выбор соответствующего оборудования, наконец, эффективная эксплуатация этого оборудования, повышение производительности труда, снижение себестоимости и энергоемкости горных работ связаны со знанием физических свойств горных пород и физических процессов, происходящих в них.

Процессы, в которых при ведении горных работ вступают во взаимодействие с горной породой инструмент, механизм или агрегат, изучаются физикой горных пород и носят обобщенное название физических процессов горного производства, которые по технологическим признакам подразделяют на:

подготовку массива пород к выемке (осушение, оттаивание);

разрушение, дробление, измельчение горных пород;

упрочнение горных пород и поддержание горных выработок;

борьбу с неблагоприятными и опасными явлениями в массивах горных пород;

перемещение и складирование горной массы;

переработку и обогащение полезных ископаемых;

контроль за свойствами, качеством, составом пород и полезных ископаемых, строением, состоянием и поведением массивов пород, технологическими процессами;

комплексное использование минеральных ресурсов.

Исследование технологических процессов позволяет установить количественные соотношения между параметрами процесса и физическими свойствами пород. Это, в свою очередь, дает возможность решить следующие вопросы:

в области проектирования — выбор оптимальных систем и способов разработки месторождений; выбор оптимальных средств и механизмов для ведения горных работ;

в области конструирования горных машин и оборудования— совершенствование параметров известных механизмов с учетом конкретных горных пород; создание принципиально новых механизмов воздействия, основанных на изученном физическом эффекте;

в области горного производства — оптимальное использование механизмов, планирование и прогноз их производительности; нормирование труда рабочих: оперативный контроль за процессами в породах.

Так, при проектировании вскрытия месторождения, системы разработки, места расположения подземных выработок, порядка отработки необходимо знать прочностные, упругие, реологические свойства пород и их распределение в массиве, строение разрабатываемого массива, степень его увлажненности и фильтрационные характеристики.

Выбор механических способов разрушения пород обусловлен их механическими характеристиками, а немеханических способов — еще и тепловыми, и электрическими параметрами пород. Конструктивные параметры, например оптимальное количество штырей на шарошках бурового станка, расстояние между штырями, скорость вращения, осевые усилия, также связаны с прочностными и упругими свойствами пород.