Билет №1

1. ФГП изучает физические свойства породы и процессы с целью использования их для решения задач горного производства.

Физические параметры пород не являются константами,

ими можно управлять. Например, свойства пород могут ме-

няться при нагреве, охлаждении, насыщении их жидкостями,

воздействии на них электрического тока и т. д. Поэтому возни-

кает проблема исследования результатов таких воздействий

на породу.

Из вышеизложенного вытекают следующие научные и прак-

тические задачи физики горных пород.

1. )Исследование физических свойств горных пород, в том

числе:

установление значений физико-технических параметров по-

род, необходимых для расчета режимов работы и произ-

водительности существующего горного оборудования, при

проектировании горных предприятий и планировании их ра-

боты;

установление закономерностей изменения физических

свойств горных пород в условиях внешнего воздействия, при

непостоянном составе и строении пород.

2.)Исследование физических процессов в горных породах,

в том числе:

разработка новых методов воздействия на породы, выяв-

ление областей их применения, расчет их эффективности;

разработка принципиально новой технологии производства

горных работ;

создание систем контроля состава, состояния и поведения

горнььх пород в процессах горного производства.

Объекты изучения состава и строения по степени нарастания трудности можно расположить последовательно в следующем порядке: минерал(монокристалл) — минеральный агрегат (поликристалл) — порода: однофазная (плотная) мономинеральная; многофазная (пористая) полиминеральная; нарушенная; - массив разнородных горных пород (нарушенный и многофазный). При изучении горных пород в первую очередь определяют их минеральный состав и строение. Простейшее качественное определение минералов проводят по ряду внешних признаков: форме, цвету, блеску, спайности, твердости, горючести, запаху, шероховатости и т. д. Если внешних признаков недостаточно для точной диагностики минерала, пользуются характерными реакциями некоторых минералов с кислотами, щелочами или «методом паяльной трубки», который заключается в наблюдении изменений минералов при воздействии на них высокой температуры в различной химической среде.

2. Строение и состав минералов и горных пород

Под минерало м понимают природное тело, приблизительно

однородное по химическому составу и физическим свойствам,

образующееся в результате физико-химических процессов

в земной коре. К минералам относятся все самородные ме-

таллы и неметаллы. Всего известно около 3000 различных ми-

нералов. В большинстве это твердые кристаллические химиче-

ские соединения.

Устойчивые агрегаты (парагенетические ассоциации) одного

или нескольких минералов, образующие самостоятельные гео-

логические тела, называются горным и породами .

Кристаллы минералов имеют свою пространственную ре-

шетку, соответствующую закону распределения вещества

внутри кристалла. Известно семь типов (сингоний) кристалли-

ческих решеток, характеризующихся отношениями величин

кристаллических осей a, b и с (наименьших расстояний между

узлами решетки в трех направлениях) и углов между ними а,

р и у (рис. 1.1).

Кристаллические агрегаты минералов имеют определенную

макроструктуру, характеризующуюся размерами, формой кри-

сталлов и их взаимным расположением.

По химическому составу минералы делятся на шесть

основных групп: самородные элементы, сульфиды, оксиды, си-

ликаты, соли кислородных кислот, галогениды.

Тип и название горных пород определяются их минераль-

ным составом (относительным содержанием в породе минера-

лов) и строением (видом сложения горных пород из минералов

и минеральных агрегатов).

В строении горных пород различают структуру и текстуру.

Структура — это размеры, форма и взаимное расположение ми-

нералов в породе. Текстура — особенности, взаимное располо-

жение и ориентировка более крупных составных частей породы

(минеральных агрегатов).

Физика горных пород изучает состав и строение пород

с целью выявления количественных зависимостей от них

свойств, состояния и физических процессов в породах.

В связи с этим параметры строения и состава пород дол-

жны быть выражены количественно.

3.Зависимость упругих свойств пород от состава, строения и внешних условий.

Наличие в породе минералов, обладающих повышенными зна-

чениями параметров упругости, в общем случае увеличивает их

значения и для породы в целом.

Действительно, объем породы, сложенной в основном из

жестких зерен минералов, деформируется под действием все-

стороннего давления в меньшей степени, чем породы, в которой

этих зерен немного. Так как модуль объемного сжатия К об-

ратно пропорционален АV/V, следовательно, в первом случае К

будет больше, чем во втором.

В первом приближении зависимость К от минерального со-

става пород может быть представлена как арифметическое

средневзвешенное Кг минералов, слагающих породу.

Известно, что темноцветные минералы обычно имеют увели-

ченные модули упругости. Так, если Е ортоклаза равен

6,3- 104

МПа, а плагиоклазов — 2,8 • 104—9 • 104

МПа, то пироксенов — 14,4 • 104—16 • 104

МПа, а оливина — 21 • 104

МПа. Модуль Юнга кварца примерно равен 105

МПа. Поэтому при переходе от кислых пород к основным и ультраосновным наблюдается возрастание К и Е. В такой же последовательности происходит рост плотности пород. Это, в свою очередь, приводит к часто наблюдаемому возрастанию модулей упругости пород с увеличением их плотности.

Наиболее четко влияние минерального состава сказывается

только на упругие свойства изотропных и малопористых пород

(подгруппа строения 1.1).

В слоисты х порода х наблюдаются различные значе-

ния модулей упругости параллельно слоям и перпендикулярно

к ним.

Так, при сдавливании образца силой F перпендикулярно

к слоям общая его деформация А/ складывается из полных де-

формаций всех слоев А/ь А/2 и т. д. (рис. 3.6). При этом, так

как напряжения во всех слоях одинаковы, общий модуль Юнга

породы перпендикулярно к слоям Е ± будет равен

НЕ У (/,//:,•), (3.18)

(=1

или, переходя к относительному объему слоев Vi,

E-'^-tViET 1

. (3.19)

i=i

При сдавливании образца вдоль слоев деформации всех

слоев АI одинаковы, а напряжения суммируются по всей пло-

щади.

Билет №2

Современное состояние и перспективы совершенствования методики и способов изучения свойств массивов горных пород

При извлечении полезных ископаемых преимущественное воздействие на массив осуществляется механическими способами. В настоящее время в области физики горных пород обширные исследования ведут многочисленные научно-исследовательские институты и учебные университеты горного профиля. Дальнейшее развитие ФГП обуславливается возрастающими потребностями горного производства в изучении физических процессов в массивах пород глубоких горизонтов и новых месторождениях.

Свойства и состав горных пород

Понятие о минерале и горной породе, их составе, структуре и текстуре. В зависимости от характера преобладающего типа связей между частицами выделено 3 основных типа пород: рыхлые, твердые и связные. 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.

Все существующие виды горных пород являются объектами горных разработок. Для ведения горных работ необходимо изучать характеристики горных пород в их естественном состоянии. Поэтому вводятся понятия породного массива, горных пород в массиве, разрыхленных горных пород (горных масс) и отдельных изолированных кусков (образцов) горных пород.

Механические свойства пород и массива, методы их определения

Понятие о плотностных свойствах горных пород. Параметры, характеризующие плотностные свойства, методы их определения. Виды пористости. Классификация пор и трещин. Практическое использование плотностных характеристик горной породы.

Напряжение и деформации в горных породах. Упругие свойства пород. Пластические свойства горных пород. Зависимость упругих и пластических свойств горных пород от состава, строения и внешних условий. Роль упругих и пластических свойств горных пород в процессах их разрушения. Методы определения упругих и пластических свойств пород в лабораторных и натурных условиях. Испытания пород в условиях объемного напряженного состояния.

Ползучесть горных пород. Механизм ползучести. Реологические модели твердых тел. Релаксация напряжений в горных породах. Теория наследственной деформации. Методы определения реологических свойств горных пород.

Определение горно-технологических свойств пород. Крепость горных пород. Шкала крепости горных пород по М.М.Протодьяконову. Хрупкость и пластичность пород. Твердость пород. Вязкость пород. Дробимость пород. Абразивность пород.

Прочность горных пород

Прочность горных пород имеет решающее значение во всех процессах горного производства. Информация о прочностных свойствах и параметрах необходима для расчета разрушения пород различными способами, крепления, охраны и поддержания выработок, выбора и обоснований технологии очистных и подготовительных работ. Существует ряд теорий прочности. Наибольшее применение находит теория хрупкого разрушения А.Гриффитса.

Применительно к горным породам наибольшее распространение получила теория прочности Мора. В любой плоскости тела при нагружении породы возникают касательные и нормальные напряжения, которые взаимосвязаны и могут быть рассчитаны. Связь между предельными нормальными и касательными напряжениями может быть представлена графически с помощью кругов напряжений. Огибающую предельных кругов напряжений называют паспортом прочности горных пород.

Как показывают результаты исследований, большой прочностью обладают кварцсодержащие породы. Если в состав породы входят малопрочные минералы (слюда, кальцит), то ее предел прочности значительно снижается. Прочностные характеристики пород очень чувствительны к их структуре. Значительной прочностью (более 350 МПа) при сжатии обладают плотные мелкозернистые граниты. Прочность углей при сжатии изменяется от 1 МПа (коксовые угли) до 35 МПа (антрациты). Основное влияние на прочность горных пород оказывают их пористость и трещиноватость.

Гидравлические и газодинамические свойства горных пород

Наличие пор и трещин в породах предопределяет возможность их заполнения различными жидкостями и газами. Виды пор и трещин. Виды химически и физически связанной воды. Смачиваемость. Влагоемкость. Коэффициенты водонасыщенности и водоотдачи.

Перемещение жидкостей и газов в массиве горных пород вызывает разрушение массива, в отдельных случаях приводит к крупным катастрофам. Процессы движения жидкостей и газов характеризуются следующими параметрами: проницаемость, виды проницаемости, коэффициент проницаемости, коэффициент фильтрации, влияние состава и строения пород на водопроницаемость пород.

При изучении угольных пластов в массивах учитываются их характеристики, оценивающие особое поведение пластов в процессе их выемки. Это – газоносность, газообильность, самовозгораемость и выбросоопасность.

Внезапный выброс. Основные условия возбуждения и развития внезапных выбросов (разработанные проф. В.В.Ходот). Показатели выбросоопасности, зависящие от давления газов в массивах, газоотдачи и крепости пород.

Прогноз областей потенциальной удароопасности по А.Я.Бичу. Прогноз областей потенциальной выбросоопасности по методике ИГД им. А.А.Скочинского. Прогноз потенциальной выбросоопасности по методике МГИ. Сейсмоакустический метод контроля выбросоопасности в забоях подготовительных выработок (КарПТИ, Ю.А.Векслер).

Тепловые свойства горных пород

Физические основы распространения и накопления тепла в горных породах. Электронный и фононный типы передачи тепла. Свойства фонона. Стационарные и нестационарные потоки тепла. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Зависимость теплопередачи от свойства и состава горных пород.

Понятие теплоемкости. Коэффициент удельной теплоемкости. Зависимость удельной теплоемкости от состава, свойств горных пород и внешних условий.

Теплопроводность и температуропроводность пород. Коэффициенты теплопроводности и температуропроводности. Коэффициент теплоотдачи. Термонапряжение в горных породах. Различие теплопроводности в кристаллических и аморфных телах. Коэффициенты линейного и объемного теплового расширения обуславливают способность пород трансформировать тепловую энергию в механическую (внешнюю) работу. Зависимость тепловых свойств от строения и внешних факторов.

Виды воздействия теплового поля. Термические эффекты (дегидратация, диссоциация, окислительно-восстановительные процессы), способствующие термохимическим и физическим превращениям в горных породах. Влияние изменения температуры на тепловые, электромагнитные свойства горных

Электромагнитные и радиационные свойства горных пород

Поляризации пород. Электрическое сопротивление пород. Диэлектрическая проницаемость. Методы измерения электрических свойств пород на образцах и в массиве. Зависимость электрических свойств горных пород от состава, строения и внешних условий. Электрический пробой. Электрическая проводимость. Диэлектрические потери.

Электромагнитные процессы в горных породах. Магнитная проницаемость. Магнитная восприимчивость. Диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм. Коэрцитивная сила. Магнитострикционные свойства горных пород. Зависимость магнитных свойств пород от состава, строения, внешних условий и их применение.

Процессы управления горным давлением

Основные положения разработки месторождений с обрушением пород. Сдвижение и обрушение земной поверхности. Факторы, определяющие характер сдвижения и обрушения подрабатываемого массива горных пород при различных условиях залегания пластов.

Характер распределения опорного давления. Снижение и предотвращение вредного воздействия опорного давления на прилегающий массив. Условия снижения вредного влияния сдвижения пород на дневную поверхность и горные выработки.

Виды динамических проявлений горного давления: горные удары; условия возникновения, классификация. Прогнозирование и предотвращение горных ударов на различных стадиях отработки месторождений.

Внезапные выбросы угля и газа. Методы прогнозирования и предотвращения внезапных выбросов.

Опережающая выемка защитных пакетов, разработка и подработка опас-ных пластов. Дегазация, увлажнение и гидроразрыв пластов. Мероприятия по предупреждению горных ударов, внезапных выбросов, прорыва вод.

2. Горные породы как объект разработки

Объектами горных разработок являются все виды горных по-

род: коренные, залегающие в толще земной коры по месту

своего образования, и покрывающие их наносы — породы из-

мельченные, переотложенные или перенесенные. При разра-

ботке породы подвергаются различного рода воздействиям,

главным образом механическим: ударам, сдвигу, уплотнению,

перемещению, в результате чего изменяется их состояние.

В общем случае различают естественное или искусственно из-

мененное (взрывом, механическим разрушением, водопониже-

нием, химическим укреплением и т.п.) состояния горных пород.

Д ля ведения горных работ в забое необходимо знать ха-

рактеристики горных пород в их естественном состоянии. Для

других целей (погрузки, перемещения, складирования, дробле-

ния и др.) определяют и учитывают свойства пород в искус-

ственно измененном состоянии.

Цели воздействия на породы различны, и они определяют

пределы знаний тех или иных свойств пород. Характеристики

свойств пород в различных объемах могут отличаться друг

от друга, например, из-за блочной трещиноватости.

3. Принципы теории твердого тела. Дефекты кристаллов.

Все реальные твердые тела, как монокристаллические, так и поликристаллические, содержат так называемые структурные дефекты, типы, концентрация, поведение которых весьма разнообразны и зависят от природы, условий получения материалов и характера внешних воздействий. Большинство дефектов, созданных внешним воздействием, термодинамически неустойчиво, а состояние системы в этом случае является возбужденным (неравновесным). Таким внешним воздействием может быть температура, давление, облучение частицами и квантами высоких энергий, введение примесей, фазовый наклеп при полиморфных и других превращениях, механическое воздействие и т. п. Переход в равновесное состояние (релаксация) может проходить разными путями и, как правило, реализуется посредством ряда метастабильных состояний^[2].

Дефекты одних типов, взаимодействуя (рекомбинируя) с дефектами того же или иного типов, могут аннигилировать или образовывать новые ассоциации дефектов. Эти процессы сопровождаются уменьшением энергии системы.

По числу направлений N, в которых простирается нарушение периодического расположения атомов в кристаллической решетке, вызванное данным дефектом, выделяют дефекты:

• Точечные (нульмерные, N=0);

• Линейные (одномерные, N=1);

• Поверхностные (двухмерные, N=2);

• Объемные (трехмерные, N=3);

В кристаллах элементарных веществ к точечным дефектам относят вакансии и межузельные атомы. В кристаллах соединений также возможные так называемые антиструктурные дефекты. В случае наличия в кристалле примесей, возникают также дефекты связанные с атомами примеси. Точечные дефекты, не связанные с наличием примесей называют собственными, связанные с наличием примесей — примесными. Для обозначения точечных дефектов чаще всего используют систему символов, состоящую из заглавной буквы, обозначающей тип дефекта, нижнего индекса, обозначающего положение дефекта, верхний индекс, обозначающий зарядовое состояние дефекта.

Билет №3

1. Вклад отечественных и зарубежных ученых в развитие научного направления «Физика горных пород».

К началу 60-х годов двадцатого столетия появились первые обобщающие труды по теоретических и экспериментальным исследованиям горных пород, на основании которых сформировалось основное содержание физики горных пород, пожалуй, занимает особое место, являясь не только самостоятельной, но и единственной накой, которая обогатила мировые знания целым рядом научных открытий. Большой вклад в развитие и становление горных пород внесли В.В. Ржевский, Н.В. Мельников, В.Н. Корбанова, А.И. Заборовский, В. Н. Дахнов, В.М.Добрынин, Э.И.Пархоменко, М.П.Воларович, М.М.Протодьяконов, П.М.Цымбаревич, Ю.А.Векслер, П.А.Ребиндер, А.С. Семенов, А.Г.Иванов, Ф.Гассман, Н. Кристенсен и многие другие.

2. Понятие о физико-технических свойствах пород и физических процессах.

Физико-технические свойства горных пород определяются внешними условиями, в которых находится порода, т.е. внешними полями. Каждое поле оценивается такими параметрами как напряженность, интенсивность, направленность.

Мы уже подробно рассмотрели механические явления в горных породах, оказывающее воздействие на деформационные, реологические и прочностные свойства горных пород.

Особым механическим полем, оказывающим воздействие на свойства горных пород, является акустическое поле – распространение в горных породах упругих волн, по существу тех же механических нагрузок, быстро меняющихся по направлению, во времени и характеризующихся интенсивностью, амплитудой и частотой колебаний.

Тепловое поле описывается температурой, градиентом температуры, тепловым потоком, направлением теплового потока, изменением его во времени, распределением температур и теплового потока в объеме породы.

Электрическое и магнитное поля оцениваются по напряжению и напряженности, по величине магнитной и электрической индукции и плотности потока.

Электромагнитное поле – распространение в породах электромагнитных волн характеризуется теми же параметрами, что электрическое и магнитное поля, дополнительно частотой колебаний.

Радиационное поле описывается интенсивностью, типом микрочастиц, обусловливающих поле, частотой колебаний.

Вещественное поле представлено водой или природными газами и оценивается по давлению, создаваемому полем (напором воды, например), градиенту давления, вязкости, химическому составу.

Физические поля в породах могут быть естественными и искусственными.

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

Искусственные поля возникают при ведении горных работ или их создают преднамеренно в целях направленного воздействие на состояние породы и её свойства. К таким искусственным полям относятся блуждающие токи, повышение температуры в забое скважины при бурении, динамические нагрузки на массив при взрывании.

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

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

В первую группу входят параметры, оценивающие обратимые изменение количества энергии или вещества внутри породы. К ним относятся:

F модуль объемного сжатия, характеризующий накопление потенциальной энергии в породе при всестороннем сжатии,

F диэлектрическая проницаемость, определяющая электроемкость породы,

F удельная теплоемкость, оценивающая способность породы накапливать тепло,

F влагоемкость, характеризующая способность породы накапливать влагу и т.п.

это те параметры, при снятии которых позволяют породе принимать исходные параметры. Большинство этих параметров имеют статический, накопительный характер.

К параметрам второй группы, оценивающим необратимые превращения данного вида энергии в породах в другой вид, относятся

F коэффициент пластичности,

F коэффициент диэлектрических потерь,

F удельная теплота плавления,

F коэффициенты поглощения упругих и электромагнитных волн,

F пределы прочности пород при сжатии, растяжении,

F коэффициент теплового расширения,

F электрическая и магнитная проницаемость.

К параметрам третьей группы, описывающим процессы передачи энергии, а также перемещения жидкости и газов в породах, относится

F коэффициент теплопроводности,

F удельная теплопроводность, магнитная проводимость,

F коэффициент преломления и отражения упругих волн,

F коэффициенты проницаемости и фильтрации.

3. Влияние минерального состава наиболее полно изучено для плотных малопористых пород. В этом случае скалярные параметры породы могут быть представлены как арифметическое средневзвешенное параметров минералов, ее слагающих:

где Х₀ — параметр породы при пори­стости Р = 0; X_i — параметр минерала, слагающего породу; V_i — относительное объемное содержание данного минерала.

Если порода сложена из минералов, параметры которых мало различаются между собой, то различное содержание их в породе практически не влияет на изменение ее свойств. Наоборот, если параметры одного из слагающих породу минералов существенно отличаются от параметров прочих минералов, то его содержание в породе будет заметно влиять на свойства породы в целом.

Одни и те же минералы могут иметь примерно одинаковые механические свойства, но будут резко отличаться по электрическим или тепловым. Поэтому минерал, оказывающий влияние, например, на величину электропроводности, не всегда определяет прочность породы.

Зависимость свойств пород от размеров зерен обусловлена тем, что с изменением размеров меняется площадь контактов между зернами на единицу объема породы. При этом контакты практически всегда имеют свойства, отличные от свойств внутризеренного вещества.

В породах возможна анизотропия физических характеристик, которая характеризуется коэффициентом анизотропии

где Х_парал и Х_перпен - значения параметра соответственно по напластованию и перпендикулярно напластованию.

Анизотропия, обусловленная следующими факторами:

• преимущественной ориентацией зерен одного и того же минерала (флюидальностью);

• линейным распределением зерен одного минерала по размерам (осадочной слоистостью);

• линейным распределением различных минералов в породе

• (слоистостью);

• преимущественной ориентацией или линейным распределением пор, плоскостей ослабления в породе (кливажом, рассланцованностыо). Как правило, в породах имеются различные сочетания перечисленных факторов.

Сухая пористая порода состоит из минерального скелета и газов, заполняющих поры. Газы очень плохо передают механические напряжения, тепло и электричество. Поэтому в породах энергия передается лишь через минеральный скелет. В то же время с увеличением пористости, особенно крупной и открытой, увеличивается число каналов, по которым может передаваться вещество, например жидкости и газы. В этом случае пористость является показателем строения породы. Если свойства связаны с накоплением энергии (например, теплоемкость), то поры, заполненные газами или жидкостями, становятся показателем состава породы.

Простейшая связь между каким-либо физическим параметром и пористостью Р может быть выражена формулой

где X — параметр породы при 0 < Р <1.

С увеличением пористости параметры двух различных пород имеют более близкие значения независимо от степени различия исходных значений (т. е. с увеличением пористости снижается влияние минерального состава на свойства породы).

При значениях Р, близких к нулю, влияние пористости на свойства становится незначительным.

Поскольку параметры зависят не только от относительного объема пор в породе, но и от формы и характера их распределения, функциональная зависимость свойств пород только от их пористости не может быть установлена.

Билет №4

1. Основные факторы, определяющие свойства минералов.

Хотя главные характеристики минералов (химический состав и внутренняя кристаллическая структура) устанавливаются на основе химических анализов и рентгеноструктурного метода, косвенно они отражаются в свойствах, которые легко наблюдаются или измеряются. Для диагностики большинства минералов достаточно определить их блеск, цвет, спайность, твердость, плотность.

Блеск (металлический, полуметаллический и неметаллический — алмазный, стеклянный, жирный, восковой, шелковистый, перламутровый и др.) обусловлен количеством отражаемого от поверхности минерала света и зависит от его показателя преломления. По прозрачности минералы разделяются на прозрачные, полупрозрачные, просвечивающие в тонких осколках и непрозрачные. Количественное определение светопреломления и светоотражения возможно только под микроскопом. Некоторые непрозрачные минералы сильно отражают свет и имеют металлический блеск. Это характерно для рудных минералов, например, галенита (минерал свинца), халькопирита и борнита (минералы меди), аргентита и акантита (минералы серебра). Большинство минералов поглощают или пропускают значительную часть падающего на них света и обладают неметаллическим блеском. Некоторые минералы имеют блеск, переходный от металлического к неметаллическому, который называется полуметаллическим.

Минералы с неметаллическим блеском обычно светлоокрашенные, некоторые из них прозрачны. Часто бывают прозрачными кварц, гипс и светлая слюда. Другие минералы (например, молочно-белый кварц), пропускающие свет, но сквозь которые нельзя четко различить предметы, называют просвечивающими. Минералы, содержащие металлы, отличаются от прочих по светопропусканию. Если свет проходит сквозь минерал, хотя бы в самых тонких краях зерен, то он, как правило, нерудный; если же свет не проходит, то он – рудный. Бывают, впрочем, и исключения: например, светлоокрашенный сфалерит (минерал цинка) или киноварь (минерал ртути) нередко прозрачны или просвечивают.

Минералы различаются по качественным характеристикам неметаллического блеска. Глина имеет тусклый землистый блеск. Кварц на гранях кристаллов или на поверхностях излома – стеклянный, тальк, разделяющийся на тонкие листочки по плоскостям спайности, – перламутровый. Яркий, сверкающий, как у алмаза, блеск называется алмазным.

Когда свет падает на минерал с неметаллическим блеском, то он частично отражается от поверхности минерала, а частично преломляется на этой границе. Каждое вещество характеризуется определенным показателем преломления. Поскольку этот показатель может быть измерен с высокой точностью, он является весьма полезным диагностическим признаком минералов.

Характер блеска зависит от показателя преломления, а оба они – от химического состава и кристаллической структуры минерала. В общем случае прозрачные минералы, содержащие атомы тяжелых металлов, отличаются сильным блеском и высоким показателем преломления. К этой группе относятся такие распространенные минералы, как англезит (сульфат свинца), касситерит (оксид олова) и титанит, или сфен (силикат кальция и титана). Минералы, состоящие из относительно легких элементов, также могут иметь сильный блеск и высокий показатель преломления, если их атомы плотно упакованы и удерживаются сильными химическими связями. Ярким примером является алмаз, состоящий только из одного легкого элемента углерода. В меньшей степени это справедливо и для минерала корунда (Al2O3), прозрачные цветные разновидности которого – рубин и сапфиры – являются драгоценными камнями. Хотя корунд состоит из легких атомов алюминия и кислорода, они так крепко связаны между собой, что минерал имеет довольно сильный блеск и относительно высокий показатель преломления.

Некоторые блески (жирный, восковой, матовый, шелковистый и др.) зависят от состояния поверхности минерала или от строения минерального агрегата; смоляной блеск характерен для многих аморфных веществ (в том числе минералов, содержащих радиоактивные элементы уран или торий).

Цвет

– простой и удобный диагностический признак. В качестве примеров можно привести латунно-желтый пирит (FeS2), свинцово-серый галенит (PbS) и серебристо-белый арсенопирит (FeAsS2). У других рудных минералов с металлическим или полуметаллическим блеском характерный цвет может быть замаскирован игрой света в тонкой поверхностной пленке (побежалостью). Это свойственно большинству минералов меди, особенно борниту, который называют «павлиньей рудой» из-за его радужной сине-зеленой побежалости, быстро возникающей на свежем изломе. Однако другие медные минералы окрашены в хорошо всем знакомые цвета: малахит – в зеленый, азурит – в синий.

Некоторые неметаллические минералы безошибочно узнаются по цвету, обусловленному главным химическим элементом (желтому – серы и черному – темно-серому – графита и др.). Многие неметаллические минералы состоят из элементов, которые не обеспечивают им специфической окраски, но у них известны окрашенные разновидности, цвет которых обусловлен присутствием примесей химических элементов в малых количествах, не сопоставимых с интенсивностью вызываемой ими окраски. Такие элементы называют хромофорами; их ионы отличаются избирательным поглощением света. Например, густо-фиолетовый аметист обязан своей окраской ничтожной примеси железа в кварце, а густой зеленый цвет изумруда связан с небольшим содержанием хрома в берилле. Окраска обычно бесцветных минералов может появляться вследствие дефектов кристаллической структуры (обусловленных незаполненными позициями атомов в решетке или вхождением посторонних ионов), которые могут вызвать селективное поглощение некоторых длин волн в спектре белого света. Тогда минералы окрашиваются в дополнительные цвета. Рубины, сапфиры и александриты обязаны своей окраской именно таким световым эффектам.

Бесцветные минералы могут быть окрашены механическими включениями. Так, тонкая рассеянная вкрапленность гематита придает кварцу красный цвет, хлорита – зеленый. Молочный кварц замутнен газово-жидкими включениями. Хотя цвет минералов – одно из самых легко определяемых свойств при диагностике минералов, его надо использовать с осторожностью, так как он зависит от многих факторов.

Несмотря на изменчивость окраски многих минералов, цвет порошка минерала весьма постоянен, а потому является важным диагностическим признаком. Обычно цвет порошка минерала устанавливают по черте (т.н. «цвету черты»), которую оставляет минерал, если им провести по неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквиту). Например, минерал флюорит бывает окрашен в разные цвета, но черта у него всегда белая.

Спайность — весьма совершенная, совершенная, средняя (ясная), несовершенная (неясная) и весьма несовершенная — выражается в способности минералов раскалываться по определённым направлениям. Излом (ровный ступенчатый, неровный, занозистый, раковистый и др.) характеризуют поверхности раскола минерала, произошедшего не по спайности. Например, кварц и турмалин, поверхность излома которых напоминает скол стекла, имеют раковистый излом. У других минералов излом может быть описан как шероховатый, неровный или занозистый. Для многих минералов характеристикой служит не излом, а спайность. Это означает, что они раскалываются по гладким плоскостям, непосредственно связанным с их кристаллической структурой. Силы связи между плоскостями кристаллической решетки могут быть различными в зависимости от кристаллографического направления. Если в каких-то направлениях они гораздо больше, чем в других, то минерал будет раскалываться поперек самой слабой связи. Так как спайность всегда параллельна атомным плоскостям, она может быть обозначена с указанием кристаллографических направлений. Например, галит (NaCl) имеет спайность по кубу, т.е. три взаимоперпендикулярных направления возможного раскола. Спайность характеризуется также легкостью проявления и качеством возникающей спайной поверхности. Слюда обладает весьма совершенной спайностью в одном направлении, т.е. легко расщепляется на очень тонкие листочки с гладкой блестящей поверхностью. У топаза спайность совершенная в одном направлении. Минералы могут иметь два, три, четыре или шесть направлений спайности, по которым они одинаково легко раскалываются, либо несколько направлений спайности разной степени. У некоторых минералов спайность вообще отсутствует. Поскольку спайность как проявление внутренней структуры минералов является их неизменным свойством, она служит важным диагностическим признаком.

Твердость – сопротивление, которое минерал оказывает при царапании. Твердость зависит от кристаллической структуры: чем прочнее связаны между собой атомы в структуре минерала, тем труднее его поцарапать. Тальк и графит – мягкие пластинчатые минералы, построенные из слоев атомов, связанных между собой очень слабыми силами. Они жирные на ощупь: при трении о кожу руки происходит соскальзывание отдельных тончайших слоев. Самый твердый минерал – алмаз, в котором атомы углерода так прочно связаны, что его можно поцарапать только другим алмазом. В начале 19 в. австрийский минералог Ф.Моос расположил 10 минералов в порядке возрастания их твердости. С тех пор они используются как эталоны относительной твердости минералов, т.н. шкала Мооса

2. Важнейшие признаки строения горных пород, их характеристики

Под минераломпонимают природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в земной коре. К минералам относятся все самородные ме-таллы и неметаллы.

Всего известно около 3000 различных минералов. В большинстве это твердые кристаллические химические соединения. Устойчивые агрегаты (парагенетические ассоциации) одного или нескольких минералов, образующие самостоятельные геологические тела, называются горными породами.

Кристаллы минералов имеют свою пространственную решетку, соответствующую закону распределения вещества внутри кристалла. Известно семь типов (сингоний) кристаллических решеток, характеризующихся отношениями величин кристаллических осей a, b и с (наименьших расстояний между узлами решетки в трех направлениях) и углов между ними. Кристаллические агрегаты минералов имеют определенную макроструктуру, характеризующуюся размерами, формой кристаллов и их взаимным расположением.

По химическому составу минералыделятся на шесть основных групп: самородные элементы, сульфиды, оксиды, силикаты, соли кислородных кислот, галогениды.

Тип и название горных пород определяются их минеральным составом (относительным содержанием в породе минералов) и строением (видом сложения горных пород из минералов и минеральных агрегатов).

В строении горных пород различают структуру и текстуру.

Структура— это размеры, форма и взаимное расположение минералов в породе.

Текстура— особенности, взаимное располо-жение и ориентировка более крупных составных частей породы (минеральных агрегатов).

Физика горных пород изучает состав и строение пород с целью выявления количественных зависимостей от них свойств, состояния и физических процессов в породах. В связи с этим параметры строения и состава пород должны быть выражены количественно.

3.Какие внешние факторы оказывают существенное влияние на свойства горных пород?

Способность горных пород реагировать на внешние воздействия изменением размеров, формы и целостности относится к механическим свойствам.

Способность горных пород изменять без разрушения форму и размеры в результате направленного на них силового воздействия называется деформируемостью.

Прочность горных пород — это способность их в определенных условиях воспринимать силовые воздействия без разрушения.

Реальная (техническая) прочность отличается от теоретической, под которой понимается прочность связи между элементарными частицами, слагающими идеальную кристаллическую решетку. Например, одностороннее растяжение ионного кристалла (по Г.С. Жданову) составляет 3000 МПа. Для реальных тел отношение теоретической прочности к технической достигает больших значений: для железа — 4500, цинка — 2000, хлористого натрия — 600.

Твердость пород — это их способность сопротивляться внедрению в них постороннего тела.

Горные породы могут деформироваться в пределах упругости и претерпевать пластические (остаточные) деформации.

Способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействий называется упругостью.

Способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и сохранять остаточные деформации после устранения воздействий называется пластичностью.

Горные породы при их нагружении характеризуются проявлением упругой и пластической деформаций, так как не являются идеально упругими или идеально пластическими телами.

Минералы в большинстве случаев деформируются как упругохрупкие тела: их разрушение характеризуется моментом, когда напряжения достигают предела упругости; деформации следуют закону Гука. Повышение температуры и всестороннего давления может привести к тому, что минералы будут деформироваться как упругопластические тела.

Горные породы деформируются, не следуя закону Гука: так как они

имеют дисперсное строение, их связь между напряжением и деформацией носит сложный характер.

Упругое поведение тела, в том числе горных пород, может быть охарактеризовано модулем Юнга (упругости) Е, коэффициентом Пуассона ц или модулем сдвига G. Иногда необходимо знать модуль объемного сжатия к. Указанные константы изотропного тела взаимно связаны:

E = 2G(1 + µ);

(6.1) Е = 3k(1 — µ).

Для горных пород, которые относятся к анизотропным телам, константы Е

и ц должны быть заданы в виде кривых зависимости от направления.

Модуль упругости определяется рядом факторов. Различают модуль упругости Е, возникающий при однократном нагружении; модуль упругости £н, получаемый в результате исключения остаточных деформаций методом многократной нагрузки и разгрузки; динамический модуль упругости Е, вычисляемый по скорости распространения упругих волн. Они различíû: Å < Eí < Eä.

Модуль упругости, полученный при испытании образцов горных пород для различных видов деформации при растяжении Ер, изгибе £и и сжатии .Есж, неодинаков: Ер < Е„ < Есж. Количественное соотношение примерно следующее: EJEV = 1,1ч3; Еи/Есж = 0,25ч0,35.

Породы одного и того же минералогического состава, но разной степени уплотненности имеют разные модули упругости. Если породы находятся под все увеличивающимся напряжением, то они имеют повышенные значения Е.

Модуль упругости горных пород по мере увеличения глубины их залегания возрастает. Наибольшее влияние на модуль упругости оказывают минералогический состав, структура, текстура, условия залегания, природа вещества, заполняющего поровые пространства, и др.

Повышение песчанистости приводит к увеличению Е

породы. Его значения определяются главным образом модулем упругости основного породообразующего минерала, но Есжм

< Есжм.

Билет №5

1. Какие внешние факторы оказывают существенное влияние на свойства горных пород?

Способность горных пород реагировать на внешние воздействия изменением размеров, формы и целостности относится к механическим свойствам.

Способность горных пород изменять без разрушения форму и размеры в результате направленного на них силового воздействия называется деформируемостью.

Прочность горных пород — это способность их в определенных условиях воспринимать силовые воздействия без разрушения.

Реальная (техническая) прочность отличается от теоретической, под которой понимается прочность связи между элементарными частицами, слагающими идеальную кристаллическую решетку. Например, одностороннее растяжение ионного кристалла (по Г.С. Жданову) составляет 3000 МПа. Для реальных тел отношение теоретической прочности к технической достигает больших значений: для железа — 4500, цинка — 2000, хлористого натрия — 600.

Твердость пород — это их способность сопротивляться внедрению в них постороннего тела.

Горные породы могут деформироваться в пределах упругости и претерпевать пластические (остаточные) деформации.

Способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействий называется упругостью.

Способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и сохранять остаточные деформации после устранения воздействий называется пластичностью.

Горные породы при их нагружении характеризуются проявлением упругой и пластической деформаций, так как не являются идеально упругими или идеально пластическими телами.

Минералы в большинстве случаев деформируются как упругохрупкие тела: их разрушение характеризуется моментом, когда напряжения достигают предела упругости; деформации следуют закону Гука. Повышение температуры и всестороннего давления может привести к тому, что минералы будут деформироваться как упругопластические тела.

Горные породы деформируются, не следуя закону Гука: так как они

имеют дисперсное строение, их связь между напряжением и деформацией носит сложный характер.

Упругое поведение тела, в том числе горных пород, может быть охарактеризовано модулем Юнга (упругости) Е, коэффициентом Пуассона ц или модулем сдвига G. Иногда необходимо знать модуль объемного сжатия к. Указанные константы изотропного тела взаимно связаны:

E = 2G(1 + µ);

(6.1) Е = 3k(1 — µ).

Для горных пород, которые относятся к анизотропным телам, константы Е

и ц должны быть заданы в виде кривых зависимости от направления.

Модуль упругости определяется рядом факторов. Различают модуль упругости Е, возникающий при однократном нагружении; модуль упругости £н, получаемый в результате исключения остаточных деформаций методом многократной нагрузки и разгрузки; динамический модуль упругости Е, вычисляемый по скорости распространения упругих волн. Они различíû: Å < Eí < Eä.

Модуль упругости, полученный при испытании образцов горных пород для различных видов деформации при растяжении Ер, изгибе £и и сжатии .Есж, неодинаков: Ер < Е„ < Есж. Количественное соотношение примерно следующее: EJEV = 1,1ч3; Еи/Есж = 0,25ч0,35.

Породы одного и того же минералогического состава, но разной степени уплотненности имеют разные модули упругости. Если породы находятся под все увеличивающимся напряжением, то они имеют повышенные значения Е.

Модуль упругости горных пород по мере увеличения глубины их залегания возрастает. Наибольшее влияние на модуль упругости оказывают минералогический состав, структура, текстура, условия залегания, природа вещества, заполняющего поровые пространства, и др.

Повышение песчанистости приводит к увеличению Е

породы. Его значения определяются главным образом модулем упругости основного породообразующего минерала, но Есжм

< Есжм.

2. Плотностные характеристики горных пород; их зависимость от условий образования и строения.

Горными породами называют агрегаты минералов, образующих самостоятельные геологические тела. К физическим параметрам плотностных свойств относят плотность, удельный вес и пористость (общая, открытая). При расчете параметров технологических процессов проведения подземных горных выработок, а также механических процессов, проходящих в массиве горных пород, большое значение уделяется плотности. Различают плотность породы в массиве (в естественном залегании), образце и разрыхленном состоянии. Плотность горной породы определяется как масса (кг) единицы ее объема (м3) со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами. В системе единиц СИ единицей плотности р является килограмм на кубический метр:

где m — масса агрегатных фаз породы, кг; V — объем, занимаемый этими фазами, м3. Плотность горных пород и мощность породного массива, определяющая глубину заложения подземной выработки от поверхности Земли, оказывают значительное влияние на напряженное состояние горных пород на поверхностях выработки и устойчивость обнажений. Под весом горной породы понимают силу H, которая оказывает давление на горную крепь подземных выработок. Вес определяется через массу обрушившихся или отслоившихся над крепью пород:

где m — масса, кг; g — ускорение свободного падения, м/с2. Подставляя в это уравнение значение массы из предыдущего уравнения, получим

где V — объем обрушившихся над выработкой пород, оказывающих давление на крепь, м3. Под пористостью понимают суммарный относительный объем содержащихся в горной породе пустот. Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор Vп к полному объему породы V:

Коэффициент пористости Кп представляет собой отношение объема пор Vп к объему содержащегося в породе минерального вещества (твердой фазы) V0:

Общая пористость может быть рассчитана по плотности минера,льцого вещества (твердой фазы) и плотности породы:

где ρм — плотность минерального вещества, кг/м3. Аналогично может быть рассчитан и коэффициент общей пористости:

В отличие от плотных разрыхленные горные породы характеризуются насыпной плотностью, коэффициентом разрыхления, гранулометрическим составом, углом естественного откоса, углом внутреннего трения и др. Коэффициент разрыхления Кр равен отношению объема разрыхленной породы Vр к объему ее в массиве (целике):

Насыпная плотность ρн зависит от величины плотности породы в массиве ρ и коэффициента ее разрыхления Кр и определяется их отношением:

Коэффициент разрыхления и насыпная плотность зависят от гранулометрического состава рыхлой массы, формы и взаимного расположения кусков разрушенной (рыхлой) породы, продолжительности нахождения в рыхлом состоянии (степени самоуплотнения), давления (столба рыхлой массы), вместимости и формы сосудов (подъемных и транспортных), в которых размещается порода. Наименьшую разрыхленность при прочих равных условиях имеют песчаные и глинистые породы (Кр=1,15÷1,2), а наибольшую — скальные хрупкие (Кр=1,3÷1,8 и более). Плотностные свойства определяются в натурных условиях (плотность в массиве, насыпная плотность, коэффициент разрыхления, открытая пористость), лабораторным путем (плотность в образце, пористость) и расчетным (общая пористость, коэффициент общей пористости). Плотность пород в разрыхленном состоянии используется при расчете процессов уборки породы, транспортных и подъемных операций. При расчете параметров буровзрывных работ используется плотность ВВ в различных состояниях.

3. Упругие и пластические свойства пород

Упругие свойства горных пород - Свойства, характеризующиеся модулем продольного растяжения (Ε), модулем поперечного сжатия (δ) или другими упругими константами (модулем всестороннего сжатия, коэффициентами Ламэ, скоростями распространения упругих волн). В сейсмологии и сейсморазведке изучаются в основном скорости распространении упругих волн (в сейсморазведке - продольных, в сейсмологии - продольных и поперечных). Значения скоростей продольных и поперечных волн для идеально упругих изотропных тел (и в первом приближении для горных пород) определенным образом связаны с другими упругими константами и плотностью. Упругие свойства для пород одного состава могут изменяться в довольно широких пределах, главным образом в зависимости от степени метаморфизма, выветрелости, трещиноватости, водонасыщенности.

пластические свойства горных пород

Пластичность зависит от минерального состава горных пород и уменьшается с увеличением содержания кварца, полевого шпата и других жестких минералов. Высокими пластическими свойствами обладают влажные глины и некоторые хемогенные породы. Пластичность скальных пород (граниты, кристаллические сланцы, песчаники) проявляется в основном при высоких температурах.

Билет №6

1. Ползучесть горных пород.Роль реологических своиств пород в расчетах горного давления

ПОЛЗУЧЕСТЬ горных пород (а. creepofrocks; н. KriechenderGesteine; ф. fluagedeterrain, fluagederoche; и. fluidezderocas, fluenciaderocas) — медленная непрерывная пластическая деформация горных пород под воздействием постоянной нагрузки или механических напряжений. Ползучесть в той или иной мере присуща всем твёрдым телам, как кристаллическим, так и аморфным, подвергнутым любому виду нагружений.

Ползучесть имеет место при температурах от криогенных до близких к температуре плавления. Деформация и скорость ползучести при постоянной нагрузке увеличивается с ростом температуры. Ползучесть горных пород описывается кривой ползучести (рис.), которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и нагрузке (напряжении).

2. Какова природа звуковых волн

Звуковыми волнами называются распространяющиеся в среде упругие волны, обладающие частотами в пределах 16 - 20000 Гц.

Следует отметить, что благодаря своему устройству человеческое ухо способно воспринимать не любые колебания, а лишь такие, частота которых лежит в пределах от 16 до 20000 колебаний в секунду. Колебания с частотами, большими 20000 Гц, носят название ультразвуков и могут восприниматься специальными приборами. Колебания с частотами, меньшими 16 Гц, носят название инфразвуков, и для их восприятия также сконструированы специальные приборы, расширяющие возможности наших органов чувств.

Несколько одновременно приходящих звуковых колебаний, частоты которых находятся в определённом соответствии, создают впечатление созвучия, приятного (консонанс) или неприятного (диссонанс). Большое число одновременных звуковых колебаний с самыми различными частотами создаёт впечатление шума.

Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, то есть чередующимися разрежениями и сгущениями воздуха. Это обусловлено тем, что эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твёрдых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твёрдые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

Порождаются звуковые волны каким-либо колеблющимся телом: голосовыми связками, мембраной динамика, музыкальными инструментами и так далее.

3. Докажите, что отношение скоростей продольных и поперечных волн в породах зависит только от коэффициента Пуассона.

Коэффициент Пуассона (обозначается как  или ) — величина отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению. Этот коэффициент зависит не от размеров тела, а от природы материала, из которого изготовлен образец. Коэффициент Пуассона и модуль Юнга полностью характеризуют упругие свойства изотропного материала.

При приложении к телу растягивающего усилия оно начинает удлиняться в продольном направлении, а поперечное сечение уменьшается. Коэффициент Пуассона показывает, во сколько раз относительное уменьшение поперечного размера деформируемого тела больше относительного увеличения его длины, при его растяжении. Для абсолютно хрупкого материала коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно несжимаемого — 0,5. Для большинства сталей этот коэффициент лежит в районе 0,3, для резины он примерно равен 0,5.

Билет №7

1. Физическая природа прочности пород, теория прочности

Под прочностью или трещиноcтойкостью понимается способность твердого тела сопротивляться развитию в нем трещины. Величина прочности оценивается либо значением напряжения, при котором тело разрушается, либо работой деформаций.

Трещины хрупкого разрушения в горных породах следует рассматривать как поверхность разрыва вектора перемещения. На такой поверхности все три компоненты u, v, wэтого вектора могут иметь разрыв. Имеется три вида независимых кинематических движений верхней и нижней поверхностей трещины относительно друг друга при разрушении тела: нормальный отрыв, поперечный и продольный сдвиги.

Типы движений противоположных поверхностей трещины, расположенной до деформирования в одной плоскости, можно описать следующим образом:

* нормальный отрыв: две противолежащие поверхности трещины стремятся разойтись симметрично относительно плоскости, в которой была расположена трещина до деформации; между сторонами трещины возникает полость;

* поперечный сдвиг: две противолежащие поверхности трещины скользят одна по другой в одной плоскости, но в противоположных направлениях (срез);

* продольный сдвиг: две противолежащие поверхности трещины в процессе деформирования тела претерпевают кручение в противоположном направлении и оказываются после деформации в различных плоскостях (кручение).

Наиболее опасными с точки зрения развития разрушения являются трещины нормального отрыва. Это связано с тем, что при таком варианте разрушения не происходит потерь энергии, связанных с преодолением сил трения между противоположными поверхностями трещины.

При разрушении на разрыв различают прочность теоретическую и техническую (реальную). Под теоретической прочностью понимают прочность бездефектного твердого тела. В этом случае прочность определяется только величиной энергии связи между частицами (атомы, молекулы) твердого тела. Величина теоретической прочности тела на разрыв (развивается трещина нормального отрыва) составляет примерно одну десятую от значения модуля Юнга: = 0,1E = 103 ч 104 МПа.

Расчетная величина теоретической прочности некоторых кристаллических минералов: NaCl - 3950 МПа, MgO - 17300 МПа, LiF - 11400 МПа, теоретическая прочность аморфного неорганического стекла составляет 8000 МПа.

Под дефектами твердого тела понимаются любые нарушения кристаллической решетки (внедренные атомы другого вещества и вакансии в узлах кристаллической решетки - это точечные дефекты; дислокации - линейные дефекты; к дефектам относят и механическое повреждение поверхности твердого тела - царапины).

Под технической прочностью понимают прочность реального твердого тела со всеми дефектами. Величина технической прочности значительно (на 2 порядка) меньше теоретической прочности.

2. Кинетика процесса разрушения. Дефекты в породах, их роль и влиянии на прочность горных пород.

Различают следующие дефекты:

точечные — вакансии (отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки), или атомы внедрения (вклинившиеся в междуузлие другие атомы, в том числе и инородные атомы);  линейные — винтовые дислокации, вызванные сдвигом одной части кристалла относительно другой, и краевые дислокации — линии искажения, которые проходят вдоль края лишней атомной плоскости;  поверхностные — несовершенства, возникающие на плоскостях контакта различных кристаллов.

Для горных пород наибольшее значение имеют поверхностные и  линейные дефекты, обуславливающие их прочность.

Плотность (количество) дислокаций в кристаллах высока и может составлять от 10² до 10¹² на 1 см². Увеличение плотности дислокаций ослабляет минералы, вызывает в них пластические деформации и т. п. Вместе с тем пересыщенность дислокациями может привести и к упрочнению кристаллов по сравнению с кристаллами, имеющими меньшее количество дефектов, за счет запутывания и закрепления концов дислокаций и исчезновения свободных плоскостей скольжения кристаллов. При этом хрупкость кристаллов увеличивается.

В поликристаллических горных породах прочность в основном определяется силами взаимного сцепления  непосредственно соприкасающихся  между собой частиц и в первую очередь зависит отихмакростроения.

Поскольку в любом куске  горной породы существует некоторое  количество макроскопических дефектов — мелкие трещины, поры, неоднородности, плоскости ослабления, картину хрупкого разрушения породы, согласно теории, разработанной  А.А. Гриффитсом и академиком П.А. Ребиндером, можно представить так: при нагрузке образца в углах трещин и на неоднородностях создаются микроконцентрации напряжений σ. В момент, когда σ превысит предел прочности, в данной точке происходит микросдвиг, напряжение мгновенно снижается и перераспределяется на другие точки, в которых, в свою очередь, возникают микросдвиги. Нарастание этого процесса приводит к разрушению породы.

У большинства пород прочность  сцепления между зернами ниже прочности самих зерен и линия  разрыва при разрушении проходит между кристаллами.

Из породообразующих минералов  наибольшей прочностью обладает кварц, предел прочности на сжатие которого превышает 5000 кгс/см²; у полевых шпатов, пироксенов, авгита, роговой обманки, оливина и других железисто-магнезиальных минералов он составляет 2000—5000 кгс/см²; у кальцита — около 200 кгс/см². В связи с этим наибольшей прочностью обычно обладают кварцсодержащие породы объемным весом около 2,65-10³ кгс/м³.

Если в горной породе присутствуют слабые минералы (кальцит, слюда), то ее предел прочности значительно снижается. Прочностные характеристики пород  очень чувствительны к их структуре. Прочность сцементированных пород  в первую очередь определяется прочностью цемента (матрицы), а не прочностью заполнителя.

Горные породы хорошо выдерживают  напряжения сжатия и очень плохо  — напряжения растяжения; пределы  прочности на растяжение редко превышают 10% прочности на сжатие. Это объясняется  большим количеством нарушений  и неоднородностей в породах, слабыми силами сцепления между  частицами. У металлов, например, отношение  находится в пределах 1—3.

Пределы прочности пород  на сдвиг, изгиб и другие виды деформаций всегда меньше σ_сж и больше σ_р, причем по своей величине более близки к σ_р.

Наивысшие значения предела  прочности на сжатие имеют плотные  мелкозернистые кварциты и нефриты  — 5000—6000 кгс/см². Значительной прочностью (более 3500 кгс/см²) обладают плотные мелкозернистые граниты, несколько меньшей — габбро, диабазы и крупнозернистые граниты. Прочность углей изменяется в зависимости от степени их метаморфизации от 10 (коксовые угли) до 350 кгс/см² (антрациты).

Пределы прочности на растяжение большинства пород не превышают 200 кгс/см². Наивысшая прочность на растяжение характерна для кварцитов и малопористых перекристаллизованных мелкозернистых мраморов.

3. Паспорт прочности горных пород

Для количественной и качественной оценки поведения горных пород при различных видах напряженного состояния используют обобщенную характеристику, называемую паспортом прочности. В настоящее время общепризнано, что для построения паспорта прочности наиболее приемлемой является теория прочности Мора. В теории Мора постулируется, что ответственными за разрушение являются касательные напряжения, а само разрушение носит характер сдвига по площадкам, на которых достигается предельное состояние, причем величина предельного касательного напряжения является функцией нормального напряжения, действующего на площадке скольжения:

Для характеристики напряженного состояния связь между σ и τ может быть представлена графически с помощью так называемых кругов напряжений, которые строят следующим образом. По оси абсцисс откладывают максимальное σ1 и минимальное σ3 значения главных напряжений, действующих на образец. На разности отрезков, как на диаметре, строится круг (рис. 4.6).

Этот способ изображения напряженного состояния характеризуется не только величиной главных напряжений σ1 и σ3, но и напряжениями σα и τα, действующими по произвольным площадкам, проходящим через рассматриваемую точку. Графически значения касательного и нормального напряжений в любой точке образца могут быть найдены, если задан угол α плоскости, в которой определяются напряжения. Под этим углом из точки пересечения окружности с абсциссой проводят прямую до ее пересечения с окружностью. Ордината точки пересечения окружности с прямой численно равна значению касательных напряжений τα, абсцисса — значению нормальных напряжений σα, действующих в плоскости. Если напряжения σ1 и σ3 на которых построен круг Мора, достигают таких величин, что вызывают предельное напряженное состояние, при котором происходит нарушение сплошности, то соответствующий крут будет называться предельным. Все точки, лежащие внутри контура круга, указывают на то, что материал может выдерживать такое напряженное состояние, а за пределами его контура — свидетельствуют о разрушении. Если для нескольких разных видов напряженного состояния опытным путем получить предельные круги напряжений и нанести их на одну диаграмму, то все это семейство предельных кругов напряжений Мора имеет общую огибающую, которая состоит из двух ветвей, располагающихся симметрично относительно оси абсцисс. Эта симметрия обусловлена тем, что при всяком нормальном напряжении равновероятны два противоположно направленных касательных напряжения. На рис. 4.7 изображена огибающая, построенная к трем характерным кругам Мора: для одноосного растяжения, для одноосного сжатия и для неравномерного всестороннего сжатия. Предельный круг одноосного растяжения (1), соответствующий напряженному состоянию (σ1=σр; σ2—σ3=0), разместится слева от начала координат. Он пересечет ось σ в точках σр и 0. Предельный круг одноосного сжатия (II) таким же образом пересечет ось σ в точках 0 и σсж справа от начала координат. Предельный круг объемного сжатия (III) пересечет ось σ в точках σ1>0 и σ3>0.

Можно построить сколько угодно предельных кругов, соответствующих условиям объемного напряженного состояния. Огибающая к предельным кругам характеризует напряженное состояние породы в момент ее разрушения и носит название паспорта прочности. Очевидно, что если круг исследуемого напряженного состояния пересечет огибающую, то такая комбинация напряжений вызовет разрушение, если он располагается под огибающей, то состояние разрушения еще не достигнуто.

Билет №8