1. Физические процессы в горных породах

Наряду с минеральным составом и строением физико-технические свойства пород определяются внешними условиями, в которых порода находится, - внешними полями.

Каждое поле оценивается рядом величин – напряжённостью, интенсивностью и т.д.

Механическое поле- величина нагрузок, напряжений, длительность их действия, характер изменения во времени, направление (растягивающие, сжимающие, сдвигающие нагрузки), распределение в горной породе – сосредоточенное, линейное, плоское, объёмное.

Особый случай механического поля – акустическое поле – распространение в породах упругих волн, по существу тех же механических нагрузок, быстро меняющихся по направлению, во времени и характеризующиеся интенсивностью, амплитудой и частотой колебаний.

Тепловое поле – температура, градиент температуры, тепловой поток, направление теплового потока, изменение его во времени, распределение температур и теплового потока в объёме породы.

Электрическое и магнитное поля – напряжение и напряжённость, величина магнитной и электрической индукции и плотности тока.

Электромагнитное поле - те же параметры и дополнительно частота колебаний.

Радиационное поле - интенсивность, тип микрочастиц, частота колебаний (в случае волновой природы поля), энергия квантов.

Вещественное поле – вода или природные газы, давление, создаваемое полем, градиент давления, вязкость, химический состав.

Физические поля в породах могут быть естественными (природными) и искусственными.

Естественные поля – исходное горное давление, тепловое поле, водонасыщенность горных пород, радиационное поле.

Искусственные внешние поля возникают при ведении горных работ (блуждающие электрические токи, повышенные температуры в забое скважины при бурении, динамические нагрузки на ближайшие массивы при взрывании и т.д.) либо их создают преднамеренно с целью воздействовать на состояние породы и её свойства.

Физические процессы в горных породах – это явление взаимодействия физического поля с горной породой, в результате которого в горной породе возникают и протекают различные изменения её состава, строения и состояния.

Физические свойства и параметры пород, характеризующие эти процессы, можно разделить на три большие группы.

1.Параметры, оценивающие обратимые изменения количества энергии или вещества внутри породы – модуль объёмного сжатия К, диэлектрическая проницаемость ε_r, удельная теплоёмкость с, влагоёмкость ω и т.д.

2. Параметры, оценивающие необратимые превращения данного вида энергии в породах в другой вид – коэффициент пластичности k_пл , удельная теплота плавления Q_пл, пределы прочности σ_сж, σ_р, коэффициент теплового расширения α и д.р.

3. Параметры, описывающие процессы передачи энергии, а также перемещения жидкости и газов в породах - коэффициент теплопроводности λ, удельная теплопроводность σ_э, магнитная проводимость σ_м, коэффициенты преломления п и отражения k_отр волн и т.д.

2. Экспериментальное определение физико-технических параметров пород

Методы определения физико-технических параметров пород делятся на лабораторные и натурные.

Лабораторными методами определяют физико-технические параметры пород на образцах.

Натурные методы определения параметров пород применяют непосредственно в природных условиях без полного отделения изучаемого объёма породы от окружающего массива. Изучению может подвергаться либо горная порода в массиве, либо массив, состоящий из разных пород. Изучаемые объекты могут быть как небольшими (см³) так и превышающими десятки кубических метров.

Сравнение лабораторных методов с натурными показывает, что изучение свойств пород в образцах гарантирует бо^΄льшую стабильность измеренных величин, даёт более достоверные данные. Поэтому лабораторные методы имеют широкое распространение.

Для того чтобы получить точные, сопоставимые и представительные данные о породе при изучении образцов, необходимо использовать математическую статистику и теорию вероятностей, в соответствии с которыми, в первую очередь необходимо проведение измерений на достаточно большом количестве образцов. Для этого по определённой методике отбирают пробы таким образом, чтобы они представляли все возможные в данном массиве колебания минерального состава и строения изучаемой породы.

Затем, рассчитав необходимое количество образцов, из этой так называемой генеральной совокупности производят их случайную выборку. Например, из 200 проб, представляющих генеральную совокупность, отбирают методом случайного выбора 7-13 проб. Из каждой пробы изготовляют не менее 3-5 образцов максимально допустимых по данной методике размеров.

Породы часто, а минералы всегда анизотропны, вследствие чего определение тензорных параметров производят на образцах в двух или трёх взаимно перпендикулярных направлениях и вычисляют коэффициенты анизотропии:

k_ан = Х_║/ Х_┴ (6.1)

где Х_║ и Х_┴ - значения параметров соответственно вдоль и перпендикулярно напластованию, слоистости или преимущественной ориентации минералов, пор и трещин в породе.

Результаты каждой группы измерений по всей случайной выборке проб подвергают статистической обработке с целью выявления, в первую очередь, среднего значения параметра, а затем его доверительного интервала.

Если какой-то параметр для одного типа породы или минерала определён на п образцах, то в случае нормального распределения результатов измерения наиболее близкое к истинному значению параметра будет среднее арифметическое Х¯ всех измерений Хi

Х = (1/п) Σ Хi (6.2)

Далее вычисляют:

Среднеквадратическое отклонение (ошибку) единичного результата

__─__________

S_n =√Σ (Х -Хi )²/(п –1) (6.3)

Коэффициент вариации, т.е. среднее относительное отклонение полученных результатов измерений от среднего арифметического,

_

К_вар = (S_n/ Х) 100 (6.4)