Физические свойства горных пород

Главными физическими свойствами скальных и полускальных горных пород, изучаемых в процессе геологоразведочных работ, являются плотность; плотность минеральной части (удельный вес) и плотность породы (объемный вес, удельный вес + пористость), а для полускальных пород и влажность. Эти свойства взаимозависимы и, в целом, выражают состояние горных пород как в условиях естественного залегания, так и в образце. По основным физическим свойствам скальных и полускальных пород можно до некоторой степени судить об их прочности и устойчивости, об изменении под влиянием геологических процессов и искусственных факторов, Качественная определенность горных пород сохраняется в пределах некоторого интервала количественных изменений их физических свойств. Это позволяет отличать по физическому состоянию одни разности пород от других, а в геологическом разрезе характеризовать определенным образом каждую толщу, слой, пачку, и в однородных по петрографическому составу породах выделять зоны и подзоны. Плотность минеральной части (удельный вес) горных пород не отражает непосредственно их физического состояния и не используется в инженерных расчетах, но она необходима при вычислении других важных показателей их свойств, например пористости. Сравнивая с плотностью минеральной части плотность породы, можно судить о степени ее плотности, т.е. о физическом состоянии. Чем меньше плотность породы и особенно в сравнении с плотностью минеральной части, тем больше пористость, влагоемкость и , возможно, ниже прочность. Плотность горных пород широко используется при разнообразных инженерных расчетах. Например, для расчета грузонесущей способности крепи, смещения контуров выработки в зависимости от глубины заложения, величины горного давления, для определения количества отбитой породы, емкости транспортных средств. Объема отвалов, терриконов и т.д. Поэтому этот показатель физических свойств горных пород относится к расчетным.

Плотность горных пород служит показателем разной степени их уплотненности и поэтому используется при расчленении разновозрастных толщ, комплексов и формаций и корреляции разрезов. Она может использоваться также как показатель вторичных изменений горных пород под влиянием естественных и искусственных факторов.

Важной характеристикой физических свойств и состояния горных пород вообще, является их пористость. Она определяет плотность горных пород, их прочность, деформируемость, влагоемкость, влияет на водопроницаемость, сопротивляемость выветриванию, морозоустойчивость и другие качества, имеющие большое практическое значение. Чем больше пористость горных пород, тем меньше их плотность и прочность, больше деформируемость и влагоемкость. Пористость снижает сопротивляемость горных пород выветриванию и их морозоустойчивость. По величине пористости вмещающих пород в комплексе с другими параметрами можно судить о водообильности проходимых горных выработок, о устойчивости пород кровли или почвы угольного пласта и других горногеологических явлениях.

Физическое состояние и свойства горных пород в значительной степени зависят от их влажности. У скальных пород из-за низкой пористости влажность составляет от долей до нескольких процентов, поэтому ею обычно пренебрегают, у полускальных пород она может достигать 15-20 % и более и оказывать существенное влияние на их физическое состояние и свойства. Поэтому для таких пород ее обязательно определяют. Чем выше влажность пород, тем больше их плотность. Она сказывается также на их прочности, морозоустойчивости, величине усадки, теплоемкости и других свойствах.

.Методы определения плотности минеральной части горных пород

Плотностью минеральной части (удельным весом) горной породы называется вес единицы объема ее минеральной части (скелета) в граммах на кубический сантиметр. Численно он равен отношению веса твердой части породы к ее объему. Для определения этого показателя горных пород и углей используются либо пикнометрический, либо волюмометрический (объемный) методы. Более распространенным и относительно более точным методом является пикнометрический.

Проведение определения

Пикнометр наливают дистиллированной водой примерно 0,33 его емкости. Температура воды в нем должна быть 18, 20 или 22^оС. Взвешивают пикнометр на технических весах с точностью до 0.01 г. От испытываемого образца откалывают снаружи и из середины по два куска весом 50-100 г каждый. Отобранные куски, находящиеся в воздушно-сухом состоянии, измельчают в фарфоровой или агатовой ступке и просеивают через сито с диаметром отверстий 2 мм. Из просеянной и тщательно перемешанной породы берут навеску около 15 г в стеклянный бюкс. Затем породу в бюксе высушивают в термостате при температуре 100-105^оС до постоянной массы охлаждают в эксикаторе и переводят в пикнометр при помощи воронки и взвешивают, затем вычитают из массы пикнометра с водой и грунтом массу пикнометра с налитой в него водой (на 0.33 его емкости) и определяют массу внесенного в пикнометр сухого грунта (m_o). Суспензию взбалтывают в пикнометре и кипятят на песчаной бане (не допуская разбрызгивания) в течение 30 минут при исследовании грубозернистых пород и 1 часа при исследовании тонкозернистых и глинистых. После кипячения пикнометр охлаждают в ванне с водой до комнатной температуры и доливают до метки дистиллированной водой и измеряют температуру воды с точностью _-+ 0.5^оС. Пикнометр тщательно обтирают и взвешивают на технических весах с точностью 0.01 г и получают массу пикнометра с водой и породой (m₁). Из пикнометра суспензию выливают и наливают в него прокипяченную дистиллированную воду до метки и взвешивают и получают массу пикнометра с водой (m₂). На основании полученных данных вычисляют плотность минеральной части (r_м) по следующей формуле (с точностью до 0.001):

r_м = m_o ·r_n. / (m_o +m₂ - m₁)

где m_о - масса сухого грунта, г;

m_{1 -} масса пикнометра с водой и грунтом, г;

m_{2 -} масса пикнометра с водой, г;

_rw -удельный вес воды, г/см³.

Для каждой породы следует производить два параллельных определения плотности минеральной части и затем вычислять среднее значение с точностью до 0.01. Расхождение между результатами определений допускается до 0.02 г/см³.