1. Предмет геофизика, основные понятия о физических свойствах горных пород.

Геофизика — комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли. Геофизика в широком смысле изучает физику твёрдой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твёрдое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных вод суши (озёр, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы  ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА горных пород — внутренние, присущие данной горной породе особенности, обусловливающие её различие или общность с другими горными породами и проявляющиеся как ответная реакция горных пород на воздействие на неё внешних физических полей или сред. Численно каждое физические свойство горных пород оценивается размерным или безразмерным параметром (коэффициентом, показателем, характеристикой) — количественной мерой этого свойства. Физические параметры горных пород могут быть скалярными и тензорными.  Широкий диапазон значений физических свойств горных пород объясняется многообразием их минерального состава, строения, многофазностью, а также генезисом горных пород. Физические свойства горных пород, определённые стандартными методами с указанием состава горной породы и её строения, представляют собой стандартные справочные данные (ССД) о горных породах. В соответствии с классификацией, принятой в физике горных пород, основными группами физических свойств в зависимости от вида внешнего физического поля считаются: плотностные, механические, тепловые, электрические, магнитные, волновые, радиационные, гидрогазодинамические. С целью сопоставления разных горных пород, их совместного рассмотрения и анализа выделено 12 основных независимых базовых физических параметров (табл.), которые позволяют вычислить все другие параметры горных пород. Базовые физические параметры любой горной породы могут быть представлены в виде унифицированной цифровой записи, которая представляет собой паспорт горных пород по физическим свойствам. Базовые физические параметры — общий фундамент для изучения всех горных пород

2. Основные задачи ФГП

предмет (объект исследования)- горная порода, ее литологические и петрофизические свойства

Задачи – определение изменения петрофизичиских свойств горных пород в зависимости от:

- литологической характеристики;

- условий исследования (пластовые, атмосферные);

- изменения петрофизических свойств под воздействием промывочной жидкости

Петрофизика -это дисциплина естествознания, в которой изучают закономерности изменения физических свойств горных пород, связи между этими свойствами и их изменения под воздействием внешних факторов.

2. Горные породы, классификация.

По геологическому происхождению (генезису) горные породы разделяются на три основные группы с подгруппами:

I.  Изверженные (магматические) —первичные:

А. Глубинные (интрузивные) —граниты, сиениты, диориты, габбро и др.

Б. Излившиеся (эффузивные)—диабазы, порфиры, базальты, туфовые лавы и др.

II. Осадочные — вторичные:

А. Механические, обломочные отложения: 1)рыхлые — валуны, щебень, гравий, песок; 2) сцементированные — песчаники, конгломераты, брекчии.

Б. Органогенные и химические образования —различные известняки, доломиты, магнезиты, гипс, ангидрит.

III.  Метаморфические   (видоизмененные)—гнейс,   мраморы, кварциты.

А) Изверженные горные породы.

Изверженные горные породы образовались из расплавленной магмы, которая застыла, поднявшись к поверхности земли. Поднимаясь по трещинам в земной коре, магма претерпевала разнообразные воздействия (давление, понижение температуры), что приводило к образованию пород различного минералогического состава и строения, а следовательно, и технических свойств.

Глубинные горные породы.:

Граниты — распространенная горная порода Они представляют собой равномерно кристаллические породы состоящие в основном из кварца (20—40%), полевого шпата — ортоклаза (40—70%), слюды, иногда роговой обманки (5—20%). Цвет гранитов зависит в основном от ортоклаза и чаще бывает серым и красным.

Сиениты отличаются от гранитов тем, что не имеют в своем составе кварца. Цвет сиенитов серый, серо-красный, темно-зеленый; По плотности и прочности сиениты близки к гранитам, но менее, стойки   против   выветривания

Диориты состоят в основном из плагиоклаза (около 75%) и рогозой обманки, иногда авгита и биотита

Габбро состоит до 50% из плагиоклаза (основного), авгита и оливина. По цвету бывает серым, темно-зеленым и черным..

Излившиеся горные породы.:

Кварцевые порфиры по минералогическому составу соответствуют граниту, цвет чаще кирпично-красный, бурый, зеленоватый..

Ортоклазовые порфиры и трахиты по минералогическому составу соответствуют сиенитам, отличаясь содержанием вулканического стекла..

Диабазы по минералогическому составу соответствуют габбро, преимущественно мелкозернисты, состоят из основного полевого шпата и пироксена, реже входят оливин и роговая обманка. Диабазы бывают серо-зелеными и темно-зелеными..

Базальты — породы темного цвета, плотные, скрытокрпсталлической структуры, состоящие из плагиоклаза и авгита.

Вулканические туфы — пористые породы, образовавшиеся при уплотнении вулканического пепла или из застывшей вулканической лавы с попавшими туда пеплом и песком.

Б) Осадочные, скальные горные породы.

Осадочные горные породы образовались в результате осаждения и цементации минеральных продуктов выветривания изверженных пород или осаждения продуктов жизнедеятельности и отмирания живых организмов, населяющих моря и океаны.

Песчаники состоят из мелких зерен минералов (кварц), сцементированных кремнистыми, известковыми, глинистыми, железистыми, гипсовыми, битумными и другими природными веществами.

Известняки состоят главным образом из углекислого кальция (CaCO3) с незначительной примесью углекислого магния иногда кварца, железистых, глинистых, углистых и других включений.

Известняк-ракушечник более позднего образования из сцементированных обломков раковин обладает сильно пористой текстурой с видимыми отделыюстями ракушек.

Землистый известняк — мел состоит из мельчайших частиц раковин простейших животных, уплотненных под давлением.

Доломит состоит из минерала доломита (карбонат Са и Mg).

В) Метаморфические (видоизмененные) горные породы.

Метаморфические горные породы образовались в результате последующих видоизменении изверженных и осадочных пород.

Гнейсы по минералогическому составу подобны гранитам, из которых они образовались, и отличаются от них сланцеватым сложением.

Мрамор состоит из сросшихся кристаллов кальцита с примесью магнезита и других минералов. Мрамор образовался в основном из известняков.

Кварциты образовались из кремнистых песчаников, в которых зерна кварца непосредственно срослись между собой.

Сланцы характеризуются параллельным расположением составляющих частиц, сланцеватостью.

2. Классификация физических свойств ГП

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА горных пород  — внутренние, присущие данной горной породе особенности, обусловливающие её различие или общность с другими горными породами и проявляющиеся как ответная реакция горных пород на воздействие на неё внешних физических полей или сред. Численно каждое физические свойство горных пород оценивается размерным или безразмерным параметром (коэффициентом, показателем, характеристикой) — количественной мерой этого свойства. Физические параметры горных пород могут быть скалярными и тензорными.  Широкий диапазон значений физических свойств горных пород объясняется многообразием их минерального состава, строения, многофазностью, а также генезисом горных пород. Физические свойства горных пород, определённые стандартными методами с указанием состава горной породы и её строения, представляют собой стандартные справочные данные (ССД) о горных породах. В соответствии с классификацией, принятой в физике горных пород, основными группами физических свойств в зависимости от вида внешнего физического поля считаются: плотностные, механические, тепловые, электрические, магнитные, волновые, радиационные, гидрогазодинамические. С целью сопоставления разных горных пород, их совместного рассмотрения и анализа выделено 12 основных независимых базовых физических параметров (табл.), которые позволяют вычислить все другие параметры горных пород. Базовые физические параметры любой горной породы могут быть представлены в виде унифицированной цифровой записи, которая представляет собой паспорт горных пород по физическим свойствам. Базовые физические параметры — общий фундамент для изучения всех горных пород, поэтому их определение обязательно.  При изменении одного из физических свойств горной породы происходит изменение других. Это явление называется взаимосвязью физических свойств горных пород. Взаимосвязи позволяют определять значения одних физических свойств по другим.

2. Механические свойства ГП

Упругость, прочность на сжатие и разрыв, пластичность – наиболее важные механические свойства горных пород, влияющие на ряд процессов, происходящих в пласте в период разработки и эксплуатации месторождений,

Упругие свойства горных пород и влияют на перераспределение давления в пласте в процессе эксплуатации месторождения. Давление в пласте, благодаря упругим свойствам пород, перераспределяется не мгновенно, а постепенно после изменения режима работы скважины.

Упругость – свойство горных пород сопротивляться изменению их объема и формы под действием приложенных сил. Абсолютно упругое тело восстанавливает первоначальную форму мгновенно после снятия напряжения. Если тело не восстанавливает первоначальную форму или восстанавливает ее в течение длительного времени, то оно называется пластичным.

Для характеристики скорости, распространения изменений давления по пласту вводится понятие о коэффициенте пьезопроводности, величина которого выражается формулой

В процессе разработки месторождения важно знать также и прочность на сжатие и разрыв.

2. Пластические и реологические свойства ГП

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА горных пород  — совокупность свойств, определяющих способность горных пород изменять во времени напряжённо-деформированное состояние в поле действия механических сил. К основным реологическим свойствам относятся: упругость, пластичность, прочность, вязкость,ползучесть, релаксация напряжений.  Реологические свойства характеризуют изменение (рост) во времени деформаций в горных породах при постоянном напряжении (явление ползучести) либо изменение (падение) напряжений при постоянной деформации (явление релаксации). Ползучесть и релаксация напряжений связаны с переходом упругих деформаций в пластические, необратимые. 

Проявление реологических свойств в значительной мере зависит от типа породы, влажности, трещиноватости, температуры, но решающим является уровень напряжённого состояния. Реологические свойства и их параметры широко используются при исследовании механических процессов в массиве горных пород, в расчётах при оценке прочности и устойчивости горных выработок, бортов карьеров, скважин, целиков, горнотехнических сооружений и др.

ПЛАСТИЧНОСТЬ горной породы (от греч. plastikos — годный для лепки, податливый, пластичный * а. rosk plasticity; н. Plastizitat der Gesteine; ф. plasticite des roches; и. plasticidad de rocas) — свойство горных пород необратимо деформироваться без микроскопических нарушений сплошности под действием механической нагрузки. Пластичность увеличивается с ростом температуры и давления. Наиболее пластичные горные породы — глины, графит, каменная соль и некоторые др. Под давлением 0,98-1,96 МПа гранит и диабаз становятся пластичными.

2. Прочностные характеристики ГП

ПРОЧНОСТЬ горных пород  — свойство горных пород в определённых условиях, не разрушаясь, воспринимать воздействия механических нагрузок, температурных, магнитных, электрических и других полей, неравномерное протекание физико-химических процессов в разных частях горных пород и др. Применительно к горным породам, когда имеют место сложные процессы механического разрушения (зарубка, отбойка, бурение и т.д.), чаще используется технологический термин "крепость горных пород".  Различают прочность: теоретическую — вычисленную на основе учёта сил межатомного сцепления (она равна приблизительно 1/6 модуля продольной упругости); статическую — свойство горных пород воспринимать коротковременную нагрузку, приложенную с постоянной скоростью; динамическую — свойство горных пород воспринимать, не разрушаясь, динамическую нагрузку; длительную — прочность твердых пород, находящихся длительное время под нагрузкой; остаточную — уровень сохранившейся несущей способности разрушенных горных пород, равный соответствующим минимальным напряжениям при данной величине деформации, которую порода выдерживает без дальнейшего деформирования и разрушения; электрическую — определяемую значениями напряжения пробоя.  Показателями, характеризующими прочность горных пород для различных случаев, являются: пределы прочности пород на сжатие scж, растяжение sp, сдвиг tcдв, изгиб tизг, а также текучести sтeк, ползучести sпoлз и др.  Теория прочности разрабатывалась многими выдающимися учёными, среди которых были Галилей, Сен-Венан, Кулон, Максвелл, Mop, Риттингер и др. В расчётах распространение получила теория прочности А. А. Гриффитса, согласно которой 

2. Горно-технологические параметры ГП

Как объект горных разработок горные породы подразделяются на скальные, полускальные, плотные, мягкие, сыпучие, разрушенные и характеризуются различными горно-технологическими свойствами — крепостью, абразивностью,твёрдостью, буримостью, взрываемостью. Всю совокупность физических и горно-технологических свойств горных пород, описывающих их поведение в процессах разработки месторождения, принято называть физико-техническими свойствами пород. Горно-технологические параметры являются комплексными показателями горных пород и используются для расчётов производительности различных агрегатов, нормирования труда горнорабочих и т. д. С целью выбора рациональных методов и механизмов разрушения применяются различные классификации горных пород по горно-технологическим свойствам (например, в практике горного дела широко применяется классификация горных пород по крепости, предложенная профессором М. М. Протодьяконовым-старшим). Физико-технические свойства горных пород определяют технологию разработки месторождений полезных ископаемых, являются источником информации вразведочной геофизике и инженерной геологии. Закономерности изменения физико-технических параметров горных пород от внешних воздействий используются для создания новых методов разрушения и переработки полезных ископаемых.

КРЕПОСТЬ горных пород  — общепринятое условное понятие, символизирующее совокупность механических свойств горных пород, проявляющихся в различных технологических процессах при добыче и переработке полезных ископаемых.

АБРАЗИВНОСТЬ горных пород — способность горных пород изнашивать контактирующие с ними твёрдые тела (детали горных машин, инструменты и т.п.).

ТВЁРДОСТЬ горных пород  — свойство горных пород оказывать сопротивление внедрению в них других тел при сосредоточенном контактном силовом воздействии.

БУРИМОСТЬ горных пород  — сопротивляемость горных пород разрушению в процессе бурения.

ВЗРЫВАЕМОСТЬ горных пород — сопротивляемость горных пород разрушению под действием взрыва зарядавзрывчатого вещества.

2. Гидравлические свойства ГП

Гидравлические свойства массива горных пород имеют наибольшее значение для геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых. Основной группой гидравлических свойств являются фильтрационные. Их иногда называют коллекторскими. В первую очередь фильтрационные свойства зависят от пористости, т.е. совокупности всех пустот в горных породах, заключённых между минеральными частицами или их агрегатами [4].

Общая пористость — отношение объёма пустот и пор к объёму горной породы.

Отношение объёма пор к объёму минерального скелета породы называется коэффициентом пористости.

Динамическая пористость учитывает только те поры, по которым может фильтроваться жидкость, иногда её ещё называют открытой (эффективной) пористостью.

Площадь поверхности, образуемая стенками пустот и пор, является одной из важнейших геотехнологических характеристик горной породы — проницаемостью.

Свойство горных пород пропускать через себя жидкости и газы характеризуется коэффициентом проницаемости и коэффициентом фильтрации.

Для целей геотехнологии проницаемость горных пород следует определять в натурных условиях, т.к. только при этом можно учесть всю гамму влияющих факторов.

Различают абсолютную, эффективную и относительную проницаемость.

Абсолютная проницаемость характеризует пропускную способность образца для воздуха при атмосферном давлении и вычисляется по линейному закону фильтрации.

Эффективная (фазовая) проницаемость характеризует пропускную способность для различных жидкостей.

Относительная проницаемость — отношение эффективной проницаемости к абсолютной.

В горных породах различают проницаемость межгранулярную и трещинную, причём последняя значительно выше.

Кроме фильтрационных, к гидравлическим свойствам массивов горных пород относятся:

• влагоёмкостъ — способность горных пород вмещать и удерживать воду;

• водоотдача — способность горных пород отдавать воду путём свободного вытекания;

• водоустойчивость — способность горных пород сохранять связность, консистенцию и прочность при взаимодействии с водой;

• капиллярность — способность горных пород поднимать влагу по порам под воздействием капиллярных сил;

• набухание — способность горной породы увеличивать объём под воздействием влаги;

• усадка — способность горной породы уменьшать объём при высыхании;

• просадочностъ — способность горной породы уменьшать объём при замачивании;

• смачиваемостъ — способность горной породы входить в молекулярное взаимодействие с жидкостями;

• адсорбция — способность горной породы концентрировать на своей поверхности различные вещества из газов, паров и жидкостей;

• абсорбция — способность горной породы поглощать пары, газы и жидкости;

• липкость — способность горной породы прилипать к различным предметам

2. Тепловые свойства

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА горных пород  — свойства, определяющие термодинамическое состояние и тепловые процессы, идущие в горных породах. К тепловым свойствам относятсятеплопроводность, теплоёмкость, термостойкость и др. Для расчёта тепловых процессов необходимо знать температуры плавления, кипения и разложения породы, а также — удельную теплоту плавления и испарения.  При температуре плавления твёрдая порода переходит в жидкое состояние (в расплав). Температура плавления от — 38,9°С для ртути и до 2050°С для корунда. При температуре кипения расплав закипает по всему объёму. Температура кипения не очень сильно отличается от температуры плавления: например, температура кипения расплава корунда 2250°С. Температуры плавления и кипения измеряют термометрами или термопарами, но наиболее точны бесконтактные оптические или радиационные пирометры. При температуре разложения минералов и горных пород изменяется химический состав минерала или породы (например, кальцит разлагается при температуре 825°С, выделяяуглекислый газ и превращаясь в оксид кальция). Температуру разложения минералов определяют на дереватографе, где получают диаграммы поведения вещества в заданном интервале температур. Контроль разложения минералов ведётся по изменению массы образца. Температуры плавления и кипения минералов и горных пород используют в расчётах режимов термической обработки полезных ископаемых, например, при окомковании железных руд. Температура разложения необходима для тех же целей. Температуры плавления, кипения и разложения минералов зависят от давления и при его увеличении возрастают. На величину данных температур оказывают влияние примеси, содержащиеся в минералах или горных породах. Удельная теплота плавления определяет количество энергии, необходимое для перевода единицы массы минерала или породы из твёрдого состояния в жидкое (для льда 334,4 Дж/г, для серы 39,29 Дж/г). Удельная теплота испарения указывает количество энергии, которое необходимо для перевода в пар единицы массы расплава породы или минерала (для воды 2253 Дж/г, для ртути 271,7 Дж/г). Удельная теплота плавления и испарения используется для расчёта затрат энергии в процессах обработки горной массы в высокотемпературных печах; для льда и воды — при расчётах технических средств разработки мёрзлых пород.

2. Акустические свойства.

АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА горных пород) — определяют характер распространения упругих волн в горных породах.

Необратимые потери энергии при распространении упругих волн связаны с акустическим поглощением горных пород, обусловленным в основном внутренним трением и теплопроводностью. В различных частотных диапазонах вклад этих механизмов в общее поглощение не одинаков, т.к. их параметры зависят от частоты волны. Акустическое поглощение — одна из причин дисперсии скоростей упругих волн и искажения импульсных сигналов, распространяющихся в горных породах Степень затухания колебаний оценивают с помощью коэффициента потерь g или добротности Q. Изменение амплитуды волны при распространении в горных породах определяет коэффициент затухания а [м^-1] — величина, обратная расстоянию, при котором амплитуда волны уменьшается в 2,718 раз.

К основным показателям акустических свойств относится также скорость распространения упругих (продольных, поперечных и поверхностных) волн. Скорость распространения продольных волн примерно в 1,7-1,9 раза больше, чем поперечных, и в 2 раза больше, чем поверхностных.

Акустические свойства тесно связаны с физико-механическими свойствами, термодинамическим состоянием и структурными особенностями среды. Например, для скальных пород коэффициент затухания приблизительно пропорционален первой степени частоты, для рыхлых — её квадрату. Скорости распространения упругих волн возрастают с увеличением модулей упругости и плотности пород и давления (глубины залегания); коэффициент затухания уменьшается с глубиной. Акустические свойства зависят также от температуры: при её увеличении скорость упругих волн уменьшается, а коэффициент затухания возрастает.

В практике горного дела приняты резонансный (по собственной частоте колебания образца) и импульсный (с использованием периодического импульсного взрывного или ударного источника упругих колебаний) методы измерений характеристик акустических свойств.

Акустические свойства изучают для определения упругих, прочностных и вязкопластических характеристик пород при исследовании геологического строения, оценке напряжённого состояния и трещиноватости массива, эффективности ударного или взрывного воздействия на горные породы, при выборе звукоизолирующих материалов из природного камня.

2. Элеткромагнитные свойства

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА минералов и горных пород  — совокупность свойств, характеризующих способность минералов и горных пород намагничиваться во внешнем магнитном поле. Минералы подразделяются на диамагнетики (например, кварц, кальцит, полевые шпаты, самородное серебро и золото, флюорит и др.), парамагнетики (железосодержащие силикаты, хлорит, слюды и др.), антиферромагнетики (гематит, гётит и др.), ферромагнетики (самородное железо, никель и др.) и ферримагнетики (магнетит, титаномагнетит, магномагнетит, хромит и др.). К слабомагнитным относятся диа- и парамагнитные минералы, к сильномагнитным — ферромагнитные и ферримагнитные минералы. Термин "ферромагнитные" (вещества, минералы) нередко употребляют для обозначения ферро- и ферримагнитных материалов. Кривая намагничивания для ферро- и ферримагнетиков приведена на рис. Полный цикл намагничивания (при намагничивании образца до насыщения I_s) характеризуется максимальной петлей магнитного гистерезиса. Если ферромагнетик не намагничивается до насыщения, получаем частный цикл гистерезиса (петля IRS).  К основным характеристикам магнитных свойств относятся магнитная восприимчивость (k), намагниченность (I_s), точки Кюри (T_c) и Нееля (TN) и коэрцитивная сила (H_c).  Магнитные свойства горных пород определяются содержанием в них главным образом ферромагнитных минералов, зависят также от их состава, кристаллической структуры, текстурно-структурных особенностей и характера распределения. В связи с этим различают свойства структурно-нечувствительные к текстурно- структурным особенностям горных пород (но не к кристаллической структуре минералов): намагниченность насыщения, точка Кюри; и структурно-чувствительные, которые, кроме того, зависят от размера и структуры ферромагнитных минералов: магнитная восприимчивость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила. Изменение концентрации ферромагнитных минералов в изверженных горных породах определяется тектоническими условиями их образования и составом магм. В одной тектономагматической зоне намагниченность статистически растёт от пород кислого состава к основным (минимальным значениям в гранитах складчатых зон). В целом с увеличением степени метаморфизма намагниченность уменьшается, хотя её значения сильно изменяются от типа метаморфизма. Например, серпентинизация перидотитов, в которых отсутствуют первичные магнитные минералы, приводит к образованию магнетита и росту намагниченности. 

2. Радиационные свойства.

Свойства, характеризующие выделение, поглощение, распространение и воздействие на минеральные составляющие радиоактивного излучения и потоков микрочастиц в горной породе.

Радиационные свойства используют для определения плот-ностных показателей горных пород и создания безопасных условий разработки радиоактивных руд, а также для их сортировки и обогащения. 

Радиационные свойства вещества проявляются при взаимодействии излучения с веществом. 

Радиационные свойства материалов зависят от направления лучистого потока относительно поверхности тела. 

Радиационные свойства горных пород - это естественная ( собственная) радиоактивность и поглощающая способность. Естественная радиоактивность обусловливается наличием в составе пород минералов, содержащих радиоактивные элементы, либо их изотопы. 

Радиационные свойства газомазутного пламени определяются радиационными свойствами топочных газов ( СО2 и НаО) и частиц сажистого углерода. Данные о радиационных свойствах газов были приведены выше, в первой главе. В настоящей главе рассматриваются радиационные свойства частиц сажи и факела в целом. 

Радиационные свойства материалов зависят от направления лучистого потока относительно поверхности тела. 

Радиационные свойства частиц угольной пыли различных твердых топлив могут быть определены, если известны их оптические параметры п и х и их дисперсия в инфракрасной области спектра теплового излучения пламени. 

Если радиационные свойства сильно зависят от частоты, при расчете переноса излучения необходимо учитывать несерость среды. К сожалению, в общем случае учет селективности представляет собой очень сложную зада-чу. Хауэлл и Перлмуттер [11] использовали метод Монте-Карло для решения задачи переноса излучения в плоском слое несерой среды. Для упрощенного описания зависимости радиационных свойств среды от частоты были предложены - различные модели. Например, поглощение излучения углекислым газом, водяным паром и стеклом происходит в ограниченных областях спектра, за пределами которых поглощение практически равно нулю. В таких случаях для описания зависимости коэффициента поглощения cv от частоты может быть использована модель полосы ( фиг. Согласно этой модели, коэффициент предполагается постоянным в пределах каждой полосы Av и равным нулю в интервалах между соседними полосами. 

Они подчеркивают высокие радиационные свойства лесостепи не только в летнее, но и в зимнее время. 

Различия в радиационных свойствах золы разных топлив обусловливаются различиями в оптических характеристиках пик и распределениях частиц по размерам. 

2. Характеристика сил связи в структуре горной породы.

Горная порода - это гетерогенная система, состоящая из частиц твердой фазы, представленной минералами-диэлектриками, полупроводниками, проводниками, жидкой фазы, создающей токопроводящие каналы между частицами твердой, жидкой и газовой фаз, находящихся в порах и полостях трещин.

Характеристика сил связи в структуре горной породы

В гетерогенных системах, какими и являются горные породы, различают силовые взаимодействия как внутри фаз, так и между фазами. Эти взаимодействия между зернами твердой компоненты и внутри них определяют устойчивость горной породы к механическим воздействиям: сопротивляемость пород разрушению.

Между компонентами горной породы действуют следующие силы: силы связи химической природы, молекулярные силы, ионно-электростатические силы, капиллярные и магнитные силы.

1) Силы связи химической природы. Эти силы обусловлены электрическим воздействием между атомами и могут быть ионными и ковалентными. Образование ионных сил вызвано электроотрицательностью взаимодействующих атомов, их способностью захватывать электроны «в личное пользование». При образовании ионной силы валентные электроны от атома с меньшей электро-отрицательностью переходят к атому с большей электро-отрицательностью с образованием двух противоположно заряженных ионов, между которыми возникает связь за счет кулоновского притяжения.

Ковалентные силы между различными атомами возникают в том случае, когда происходит обобществление электрона различными атомами.

Энергия связи (количество энергии, выделяющейся при образовании данной связи между атомами) сил химической природы достигает 200 - 1200 Дж/моль. Радиус эффективного действия (3 - 4)10^-10 м, т.е. эти силы являются близкодействующими.

К связям химической природы относят и водородную связь. Она возникает тогда, когда между двумя отрицательно заряженными ато-мами вещества появляется атом водорода. Такая связь характерна для водородосодержащих соединений. Энергия этой связи достигает 40 Дж/моль.

2. Твердая компонента горной породы.

Твердая компонента горных пород состоит из минеральных частиц различной природы. Основное участие в строении твердого скелета горных пород принимают несколько десятков минералов, хотя общее их количество достигает 2000. Эти минералы получили название породообразующих. Породообразующие минералы имеют кристаллическое строение и делятся на следующие группы: первичные силикаты (кварц, полевые шпаты, оливин, пироксены и др.), в структуре которых преобладают ковалентные связи; простые соли (карбонаты, сульфаты, галоиды) с преобладанием в структуре ионных связей; глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда и др.) с несколькими видами связей; органическое вещество.

Силикаты являются главными породообразующими минералами магматических, метаморфических и большого числа осадочных горных пород. Силикаты являются диэлектриками. Среди осадочных горных пород широко распространены простые соли. Их основной особенностью является большая растворимость в воде. Это связано с ионным типом внутрикристаллических связей.

Глинистые минералы, образованные в процессе химического выветривания горных пород силикатной группы, отличаются высокой дисперсностью (линейный размер глинистого минерала - 10^-6 м и менее, удельная поверхность каолинита достигает 10 м²/г, а монтмориллонита - 800 м²/г) и слоисто-ленточным строением. Но главнейшей особенностью глинистых минералов является их способность к электрическому заряжению своей поверхности в результате изоморфизма.

каолинит < монтмориллонит < гидрослюда.

В естественных условиях залегания глинистой горной породы отрицательный заряд поверхности глинистых минералов нейтрализован катионами-компенсаторами, которые располагаются на внешней поверхности глинистой частицы: положительные катионы, с одной стороны, и отрицательные заряды глинистой частицы, с другой стороны, образуют двойной электрический слой. Двойной электрический слой состоит из адсорбционного и диффузионного слоев ионов.

Глинистый минерал вместе с возникшим двойным электрическим слоем образует мицеллу, размер которой значительно превосходит размер частицы глинистого минерала, являющегося ядром мицеллы. В результате мицелллообразования объем глинистой горной породы при увлажнении может увеличиться многократно, причем процесс набухания развивается во времени. Размер мицеллы определяется природой глинистого минерала: чем больше величина структурного отрицательного заряда на поверхности глинистого минерала и выше дисперсность, тем больше прирост объема.

В водной среде вокруг ядра возникает раствор с аномальными физическими свойствами: в адсорбционной части двойного электрического слоя, т.е. непосредственно около ядра мицеллы, образуется прочно связанная вода. В диффузионном слое возникает связанная вода.

Образование связанной воды приводит к тому, что глинистая горная порода, будучи высокопористой (пористость доходит до 70 %), тем не менее, является водонепроницаемой. Фильтрация жидкости через поры, в которых находится связанная вода, возможна только при создании значительного перепада давления.

Плотность горных пород в значительной степени определяется плотностью входящих в их состав минералов, жидкости и газа, находящихся в порах, величиной пористости. Плотность с_т твердой компоненты большинства горных пород (масса единицы объема твердой фазы) составляет (2,2 - 2,84)10³ кг/м³. Масса единицы объема горной породы с (плотность) всегда меньше плотности с_т минерального скелета породы. Такое отличие обусловлено наличием пор в горной породе. С увеличением содержания в породе тяжелых минералов плотность породы растет. Плотность сухой горной породы называется объемной массой.

2. Жидкая компонента ГП.

Жидкая компонента горной породы

Жидкая фаза в горной породе представлена как полярной, так и неполярной жидкостями. В естественных условиях залегания горные породы обводнены поровыми, пластовыми, карстовыми и пр. водами, минерализованными различными солями и в различной концентрации. В качестве неполярной жидкости выступает нефть, газоконденсат.

Нефть и вода, находящиеся в горной породе, имеют физические характеристики, отличающиеся от приведенных в табл.1. Но если для нефти эти изменения невелики, то для воды могут достигать больших значений. Например, электропроводность свободной воды в горной породе в значительной степени зависит от концентрации ионов в ней и изменяется в широком диапазоне: от 10^-3 до 10³ См/м.

2. Состояние воды ГП.

Вода в горной породе в зависимости от температуры находится в твердом (лед), жидком и парообразном состояниях. Влияние льда на разрушение горной породы достаточно очевидно: при замерзании вода, находящаяся в трещинах горной породы, увеличивает занимаемый ею объём. Это и приводит к прорастанию трещин в горной породе, способствует её разупрочнению. Состояние воды в горной породе в значительной степени определяется характером ее взаимодействия с твердой компонентой породы. По характеру этой связи воду в горной породе делят на два вида: свободную и связанную. Свободная вода представляет собой водные растворы продуктов растворения твердой компоненты горной породы. Различают гравитационную и иммобилизованную свободную воду. Гравитационная вода движется через толщу горных пород под действием силы тяжести. Иммобилизованная вода - это та же гравитационная (по своим физическим свойствам), но находится она в замкнутых, изолированных порах, ограничивающих перемещение воды.

2. Пористость и проницаемость ГП.

Пористость - одна из важнейших структурных характеристик горных пород, характеризует величину объема пор в единице объема породы.

Пористость характеризуется двумя показателями:

* общая пористость

n = V_пор / V_обр,

где V_пор - объём пор, V_обр - объём образца,

V_обр = V_пор + V_твч,

V_твч - объём, занимаемый твердыми частицами в горной породе;

* коэффициент пористости

e = V_пор / V_твч .

Величина общей пористости n и коэффициент пористости e связаны между собой соотношением

n = e / (1 + e).

Коэффициент пористости e связывает между собой объемную массу горной породы и ее плотность:

с_о = с(1 + e).

По величине поры горных пород разделяются на субкапиллярные (диаметр пустот не превышает величины 0.2 мкм), капиллярные (диаметр пустот 0.2 - 100 мкм), сверхкапиллярные (диаметр пустот более 100 мкм). Пористость горных пород изменяется в больших пределах: (0 ч 90) %. Высокой пористостью обладают осадочные горные породы. В среднем же пористость горных пород равна (1,5 ч 30) %.

Различают пористость активную и пассивную.

Под активной пористостью понимают такую, через поры которой жидкость способна проникать в глубь тела (открытая пористость).

Пассивная пористость - это пористость породы, поры которой недоступны для проникновения жидкости (закрытая пористость).

На разрушение горной породы влияние оказывает и активная, и пассивная пористость, причем в процессе механического нагружения доля активной и пассивной пористости в величине общей пористости породы постоянно изменяется. Влияние пористости на разрушение горных пород в значительной степени определяется наличием или отсутствием жидкой фазы в породе.

Под проницаемостью понимают свойство горных пород пропускать сквозь себя жидкость, газы при наличии перепада давления. Когда исследуется способность воды проходить через горную породу, то говорят о водопроницаемости.

Величина пористости горных пород в значительной степени определяет их водопроницаемость. Наиболее важными факторами, влияющими на водопроницаемость, является геометрия поровых каналов (размер пор и их извилистость), величина раскрытия трещин, свойства водных растворов (вязкость, поверхностное натяжение, плотность при изменении концентрации ионов), дисперсность и минеральный состав горных пород, гидрофильность или гидрофобность поверхностей поровых каналов и трещин.

Необходимо хорошо понимать, что увеличение пористости горных пород не всегда приводит к росту их водопроницаемости. Например, пористость глинистых горных пород доходит до нескольких десятков процентов, но это не обеспечивает роста их водопроницаемости. Причину этого мы уже знаем: образование двойного электрического слоя и связывание глинистыми минералами молекул воды в поровых каналах малого диаметра.

2. Аксиома реологии. Виды идеальной деформации.

Первая аксиома реологии: Под действием всестороннего равномерного давления все изотропные тела ведут себя одинаково: как идеальноупругие тела.

В соответствии с первой аксиомой реологии различие материалов трех шаров не обнаруживается при возникновении в телах объёмной деформации, вызываемой шаровой частью напряженного состояния. В соответствии с разложением тензора напряжений на два слагаемых это означает, что это делает сдвиговая деформация, изменяющая форму тела при действии касательных напряжений.

Сделаем небольшое уточнение. Изотропные материалы, подвергнутые всестороннему сжатию, изменяют свой объём, плотность, не меняя при этом своей формы. В анизотропных же материалах действие всестороннего давления вызывает различные изменения линейных размеров в разных направлениях, это приводит к искажению первоначальной формы тела (деформационная анизотропия).

В механике сплошной среды рассматриваются идеализированные тела, наделенные различными свойствами. Тело, при деформировании которого возникает только упругая деформация, называют идеально упругим. Также определяется идеально пластическое и идеально вязкое тела.