1. Содержание жидкостей и газов в породах

Наличие пор и трещин в породах предопределяет возможность их заполнения различными жидкостями и газами.

Наиболее часто горные породы бывают насыщены водой, которая может содержаться в породах в разном виде. Разли-чают химически связанную, физически связанную и свободную воду.

Химически связанная вода наряду с другими моле-кулами и ионами входит в состав кристаллической решетки минералов, например гипса CaS04-2H20 или каолинита А12(ОН)4-Si205. Удаление такой воды приводит к разрушению минерала, превращению его в другое — безводное соединение. Наличие в породе химически связанной воды проявляется только при ее нагревании. Она обусловливает изменение свойств породы при высоких температурах. Из-за нарушения кристаллической решетки минералов при выделении из них хи-мически связанной воды происходят ослабление и разрушение пород, а в ряде случаев их упрочнение (например, глин). Физически связанная вода тесно соединена моле-кулярными силами притяжения с твердыми частицами породы, обволакивая их в виде пленки. Ее количество зависит от сма-чиваемости пород. Смачиваемость — это способность горной породы по-крываться пленкой жидкости. Величина смачивания твердой поверхности жидкостью характеризуется краевым углом 0 ме-жду плоскостью твердого тела и касательной к поверхности капли, проведенной из точки касания капли с телом. Смачиваемость пород обусловлена адсорбционной способностью, т. е. способностью концентрировать на своей поверхности молекулы жидкости за счет электростати-ческого притяжения. Большинство пород относится к хорошо смачиваемым водой (гидрофильным). Частично или полностью несмачиваемы (гидрофобны) сера, угли, битуминозные песча-ники и некоторые другие породы.

Адсорбционная способность пород возрастает при наличии в них растворимых солей, глинистых минералов (особенно с раздвижной кристаллической решеткой — монтмориллони-тов), а также с увеличением удельной поверхности твердой фазы. Поэтому наблюдается увеличение адсорбционной способ-ности с уменьшением размеров частиц рыхлой породы и уве-личением их угловатости.

2. Перемещение жидкостей и газов в породах.

Жидкости и газы способны перемещаться по поровым каналам и трещинам породы. Свойство породы пропускать сквозь себя флюиды называется ее проницаемостью.

Проницаемость бывает физическая (абсолютная) и фазовая (эффективная).

Физическая проницаемость — это проницаемость в случае фильтрации через породу однородной жидкости или газа. Фазовая проницаемость — это способность по-род, насыщенных неоднородной жидкостью, пропускать отдель-ные ее фазы.

Численно величина проницаемости описывается коэффи-циентом проницаемости k_{np, выводимым из уравнения Дарси, согласно которому количество жидкости Q (м}3), про-шедшей расстояние Atв образце породы, выражается следую-щим образом:

Q= k_npAPaSt/(Alr\)

где АРа — перепад давлений на пути фильтрации, Па; S — пло-щадь поперечного сечения образца, м2; t — время фильтрации, с; г): — вязкость жидкости, Па • с.

Из формулы (5.7) имеем

&пр= QAlr\/(SAP0t). (5.8) Коэффициент проницаемости выражается в м2.

Слоистым породам присуща анизотропия водопроницаемо-сти: проницаемость вдоль напластования больше, чем перпен-дикулярно к нему.

На водопроницаемость рыхлых пород влияет также их ми-неральный состав. Минералы с хорошо выраженной спайностью пропускают воду довольно слабо, так как в них при прочих равных условиях образуются поры меньших размеров, чем в минералах, не обладающих спайностью и хорошо окатанных. Вода лучше проходит через породы, сложенные минералами, обладающими хорошей смачиваемостью.

В случае циркуляции газов в породах пользуются понятием газопроницаемости пород: физическая сущность газопроницае-мости подобна водопроницаемости.

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

Прочность определяется величиной критических напряжений, после которых происходит его разрушение. Это напряжение различно для разных пород и для разных видов нагрузок. Такие напряжения называются пределами прочности.

Разрушение – это разрыв связей между ионами и атомами кристаллической решетки. Величина сил, необходимых для разрыва этих связей, зависит от типа межатомных связей и типа строения кристалла.

Теоретический расчет показывает, что при различных видах связей в кристаллах, в минералах и в породах разрыв произойдет при значениях касательных напряжений равных , при значениях нормальных напряжений. Поэтому напряжение разрыва, предел прочности на разрыв, должны быть в пределах 10⁴ МПа. В действительности предел прочности на разрыв составляет 10 МПа, т.е. в 1000 раз меньше. Причины падения фактической прочности в том, что реальные кристаллы обладают дефектами. Дефекты могут быть точечными: в кристаллах это выпадение ионов из решетки или замена заряженного иона на ион с нулевым зарядом (такие дефекты называются вакансии). В кристаллах могут быть и линейные искажения кристаллической решетки, которые называются дислокацией. В породе линейными дефектами могут служить границы минеральных зерен, образующие плоскости отрыва, а так же поры – объемные нарушения и искажения строения породы. Уровни разрушения пород бывают: мегаскопические, характерные для массива пород (это тектоника в природе, взрывные сдвижения и обвалы в техногенном процессе); макроскопические – определяются мелкими трещинами, контактами между слоями и структурными единицами пород (при воздействии бурового инструмента, экскаваторов, горных комбайнов); микроскопические – наблюдаются при измельчении пород в мельницах при мелкошпуровом бурении, определяются дислокациями и вакансиями в кристаллах.

Разрушение может быть хрупким и пластичным. При хрупком разрушении происходит одновременный разрыв связей по всей плоскости разрыва. На это требуется большое количество энергии за единицу времени.

Билет №9

1. Что понимается под паспортом прочности породы, какое напряженное состояние он характеризует?

Паспорт прочности горной породы - зависимость предельных разрушающих касательных напряжений от действующих в горной породе нормальных напряжений, графически представляющая собой огибающую серии предельных кругов напряжений.

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.

2. Особые явления в массивах горных пород при их разработке

Наряду со статическими формами проявлений горного давления, в массивах горных пород могут происходить динамические, внезапные разрушения участков массива пород, находящихся в определенных условиях напряженного состояния при больших действующих напряжениях. В естественной обстановке к подобным динамическим явлениям в земной коре относятся землетрясения. При ведении же горных работ таковыми являются - собственно динамические явления: шелушения горных пород, стреляния, динамическое заколообразование, горные удары, горно-тектонические удары, техногенные землетрясения; - газодинамические явления: внезапные выбросы полезного ископаемого (угля, соли) и газа или вмещающих горных пород и газа; внезапные высыпания с повышенным газовыделением; внезапные отжимы, сопровождающиеся газовыделением; прорывы газа в горные выработки (обычно из подошвы выработки, пройденной по полезному ископаемому). С физической точки зрения все динамические проявления представляют собой лавинообразные процессы хрупкого разрушения (трещинообразования) пород в том или ином объёме массива. Как правило, динамическим проявлениям предшествует усиление давления на крепь и целики, а после их реализации увеличивается напряжённость массива пород на смежных участках. В ряде случаев динамическим проявлениям сопутствует вспучивание почвы и выдавливание пород в выработку. Для газодинамических явлений характерным является выделение значительных количеств газа. Потоком газа, выделяемого при выбросе, порода или полезное ископаемое отбрасывается от забоя, а в массиве впереди забоя возникает полость, заполненная большей частью раздробленным материалом. Продолжительность процесса внезапного выброса составляет обычно от долей до нескольких секунд; в отдельных случаях она может достигать нескольких минут. Основными газами, выделяемыми при внезапных выбросах, являются метан, углекислый газ и азот. В одних случаях выделяется преимущественно какой-либо один из этих газов, в других - их смесь. Полости, образуемые впереди забоя в результате внезапного выброса, бывают разнообразной формы, чаще всего удлиненные груше- или кармановидные, но иногда близкие к сферической, разветвленные, сложной и неправильной конфигурации. Как правило, горловина полости бывает значительно более узкой, чем поперечный размер центральной ее части. Динамические проявления горного давления могут приобретать разнообразные формы, в зависимости от конкретных условий, на разных стадиях развития горных работ. Они могут происходить как в выработках, пройденных по полезному ископаемому, так и во вмещающих породах. Разрушению подвергаются вмещающие породы, как кровли, так и почвы. Наблюдаются динамические проявления в краевой части массива полезного ископаемого, а также и в целиках. В ряде случаев они возникают в целиках, расположенных в выработанном пространстве, на том или ином удалении от участков ведения горных работ, иногда даже в целиках ранее отработанных горизонтов. Изучение причин, условий и механизма динамических проявлений горного давления и разработка эффективных способов их прогнозирования, мер предупреждения и локализации является важнейшей задачей геомеханики, актуальность которой все время повышается в связи с ростом глубин разработки полезных ископаемых и повышением степени напряжённости массивов пород, в которых производятся горные работы. Вообще современный отечественный и зарубежный опыт показывает, что интенсивная разработка крупных месторождений полезных ископаемых при достижении определённого критического объёма приводит к резкой активизации процессов в недрах, которые не только усложняют эксплуатацию месторождений, но и вызывают различные негативные, порой катастрофические последствия. По-видимомуХибинские и Ловозерские месторождения вошли в эту фазу.

3. Прогноз опасных динамических явлений в массивах горных пород

На стадии разведки месторождения или инженерно-геологических изысканий получают исходные данные для выполнения регионального прогноза удароопасности и выбросоопасности. При этом способность горных пород к накоплению упругой энергии оцененивают посредством испытаний механических свойств пород с использованием буровых кернов геологоразведочных скважин. Полную информацию о степени удароопасности пород можно получить по результатам испытаний в режиме контролируемого разрушения, сравнивая модули спада и модули упругости. Однако, эти методы испытаний ещё не являются широко распространёнными, поэтому некоторые предположения полезно делать и по результатам обычных стандартных испытаний. В частности, для пород, потенциально склонных к горным ударам, зависимости «нагрузка—деформация» близки к прямолинейным, т. е. деформирование пород соответствует закону Гука в интервале нагружения образцов, практически, вплоть до их разрушения. В породах, не склонных к горным ударам, при испытаниях наблюдается развитие пластических деформаций. Зависимости «нагрузка—деформация», начиная с некоторого уровня напряжений, выполаживаются, т. е. деформации растут быстрее, чем нагрузки, закон Гука не выполняется. Для угольных пластов, опасных по горным ударам, прямолинейные зависимости «нагрузка—деформация» соблюдаются в интервале напряжений до 80% от разрушающих. Детально исследуется структура массива пород, степень распространения и параметры тектонических нарушений, раздробленных и перемятых зон, пликативных нарушений, пережимов, раздувов и выклиниваний, а также изменение относительной мощности и механических характеристик отдельных пачек пород. Выявляются наличие в массиве прочных слоев или пластов пород, способных зависать над очистным пространством, создавая высокие концентрации напряжений вблизи забоя. Изучаются коллекторские свойства массива, устанавливаются показатели газоносности, газонасыщенности пород, величины давлений в них газов. Внезапные выбросы в угольных пластах могут происходить при минимальном давлении газа 2—3 кгс/см². Если давление газа достигает 10—15 кгс/см², выбросы обычно сопровождаются заполнением выработок газом, в подготовительных выработках происходит уплотнение выброшенных пород. Большое внимание уделяется анализу гидрогеологических условий. С увеличением содержания влаги в породе выбросоопасность снижается, поскольку, в первую очередь, возрастает способность породы к пластическим деформациям и снижается способность к хрупкому разрушению. Кроме того, адсорбирование влаги ведет к понижению сорбционной емкости породы по газу. Увлажнение пород сверх предела их адсорбционного насыщения в смеси с газом (для каменных углей разных марок этот предел составляет от 4 до 7%) приводит к обводнению этих пород. При этом помимо адсорбции происходит капиллярная конденсация воды. Приточная и капиллярная влага закупоривают тонкие поры горных пород, препятствуя десорбции газа. При увеличении же водопритока вода может заполнять также более крупные поры и трещины, еще более затрудняя фильтрацию газа. По результатам анализа керна геологоразведочных скважин делают первые выводы и о характере напряжённого состояния массива. В частности, разрушение керна на диски (дискование) или ориентированные разрушения контуров сечений скважин указывает на наличие повышенных напряжений позволяет судить о направлении их действия в массиве пород. Если разведку и изыскания ведут на месторождении или в бассейне, где уже осуществляют разработку, то для оценки удароопасности пород данного объекта существенное значение имеет анализ и сравнение горно-геологических условий этого объекта и объектов уже действующих, т. е. использование метода аналогий. В тех случаях, когда разведку или инженерно-геологические изыскания ведут с проходкой не только скважин, но и горных выработок, следует выполнять измерения тензора напряжений в натурных условиях, а также определения свойств пород с учётом низких порядков структурных неоднородностей. Оценка удароопасности пород на стадии разведки и изысканий носит обычно предварительный характер и уточняется на стадии строительства или эксплуатации объекта, при проходке выработок и ведении добычных работ для целей локального прогноза состояния конкретных участков массива.  При этом объективными признаками удароопасности и выбросоопасности, предвестниками горных ударов и выбросов являются:

• интенсивное разделение породных кернов на диски (при керновом бурении опережающих прогнозных скважин);

• изменение крупности штыба при бурении шпуров и скважин (в перенапряженных участках увеличивается до 10 раз и более с возрастанием крупности);

• возрастание коэффициента использования шпуров до единицы и даже более;

• увеличение дальности отброса от забоя и степени измельчения пород при взрывании;

• изменение блеска угля;

• образование облачка пыли у забоя;

• похолодание воздуха у забоя;

• усиление газовыделения;

• появление чешуйчатости пород и отделение от забоя вкрест наслоению пород тонких породных пластин (толщиной от нескольких миллиметров до 1—2 см),

• стреляния, толчки на буровой инструмент и зажатие штанг, слабые горные удары, сопутствующие производственным процессам (бурению и взрыванию шпуров и скважин, работе врубовых машин, комбайнов и т. п.). Примечательно, что стреляние, толчки и слабые горные удары, если они в данной ситуации стали проявляться, обычно представляют собой не единичные явления, а серии однохарактерных явлений, сопутствующие определённым добычным процессам. Например, стреляние в проходческих забоях обычно начинается сразу же после взрывания очередного вруба и представляет собой процесс отскакивания плиток породы, происходящего с короткими интервалами из наиболее напряженного участка приконтурного массива. Предвестником горных ударов и других динамических проявлений, причем наиболее изученным, является изменение сейсмоакустической активности массива, т е. изменение числа естественных сейсмоакустических (преимущественно звуковых) импульсов в массиве горных пород, связанных с микроразрушениями под влиянием возрастающих напряжений в соответствующих частях массива. На регистрации и анализе этих импульсов основаны сейсмоакустические методы прогноза горных ударов и выбросов. Применительно к различным породам количественные критерии сейсмоакустической активности (критическая интенсивность микроразрушений), свидетельствующие об удароопасности и выбросоопасности, могут быть существенно различны. Например, для условий различных шахт и пластов Кизеловского бассейна установлено, что пласты следует считать удароопасными, если при бурении скважины диаметром 42—45 мм, общая длина которой равна тройной мощности пласта, среднее число сейсмоакустических импульсов, отнесенное к 1 м скважины, превышает 2 - 5 импульсов. Сейсмоакустические наблюдения позволяют оценить интенсивность микроразрушений, определить местоположение очагов наиболее интенсивного микроразрушения и трещинообразования, выявить наличие удароопасных и выбросоопасных зон по критической скорости трещинообразования. Варьирование сейсмоакустической активности соответствует изменению напряженного состояния пород. Обычно перед горным ударом сейсмоакустическая активность резко возрастает, а затем, за 30 - 40 минут до удара, практически исчезает. Степень снижения сеймоакустической активности позволяет также оценивать эффективность мероприятий, направленных на устранение опасной ситуации. Следует, однако, иметь в виду, что аномальное возрастание сейсмоакустической активности (шумности) участка массива не всегда свидетельствует об удароопасной или выбросоопасной ситуации. В определенных случаях оно предшествует внезапным осадкам кровли, высыпаниям и другим явлениям в породном массиве, не представляющим опасности. Поэтому сейсмоакустический прогноз не всегда обеспечивает стопроцентную надежность и в таких случаях требует дополнения другими методами. Для регистрации и прогноза горных ударов применяют также сейсмические методы. Сейсмические станции, создаваемые в районах проявления горных ударов, наряду с сейсмоакустической аппаратурой оснащают чувствительными сейсмографами и наклономерами. Располагая пункты сейсмических наблюдений в различных точках шахтного поля, периодически составляют карты микросейсморайонирования, позволяющие выделять на определенные периоды сейсмически активные зоны, в пределах которых наиболее вероятно проявление горных ударов. В случае горного удара сейсмические наблюдения позволяют определить координаты в глубину гипоцентра, т. е. очага горного удара, оценить количество сейсмической энергии, установить частотный спектр, длительность, амплитуду и другие параметры возникших сейсмических колебаний. Поскольку во многих случаях горные удары происходят в целиках, оставленных в выработанном пространстве, на отработанных горизонтах, пластах, жилах, куда нет непосредственного доступа, такие наблюдения позволяют оценивать не только параметры происходящих горных ударов, но и уровня накопленной потенциальной энергии (а, следовательно, и удароопасной ситуации) на различных участках шахтного поля. Новые принципы прогнозирования выбросоопасности и определения безопасной зоны в призабойной части угольного пласта разработаны в Институте проблем комплексного освоения недр (ИПКОН РАН) под руководством профессора А. Т. Айруни. В их основе лежит оценка динамики состояния системы “уголь—метан—природная влага” в зависимости от внешних воздействий, связанных с различными природными и технологическими процессами.  Так установлено, что природная газопроницаемость выбросоопасных пластов в 1,5—2,5 раза выше природной газопроницаемости невыбросоопасных пластов, в то же время природная газопроницаемость выбросоопасных зон на 1—2 порядка ниже, чем у невыбросоопасных зон одного и того же пласта. Восстановление давления метана вдо природного значения в выбросоопасных зонах происходит в 5—10 раз медленнее, а абсолютное значение на 60—70% выше, чем в невыбросоопасных зонах. Угли выбросоопасных пластов в опасных зонах характеризуются тектонической перемятостью и нарушенностью, имеют зоны переизмельченного угольного вещества с размером зерен менее 1 мкм, которое заполняет первичные трещины и задерживает газ в угле при незначительных пригрузках. Это ведет к накоплению газа впереди движущегося забоя, которые выделяются с большой скоростью при возникновении сравнительно малых нарушений сплошности. Важным отличительным признаком выбросоопасных углей является наличие закономерной текстуры, обусловленной влиянием тектонических процессов в зонах дислокационных нарушений, и равномерно распределенных эмульсионных минеральных включений. На основе использования этих принципов и признаков открывается возможность разработки новых автоматизированных непрерывного и бесконтактного определения свойств и состояния призабойной части угольного пласта с дистанционной передачей информации на поверхность или непосредственно на систему управления механизмами.

Билет №10

1. Гидравлические и газодинамические свойства пород.

Измельчение горных пород, выделение из них полезных 

компонентов, контроль состава связаны с разделением мине-

ралов, свойства которых предопределяют технику и технологию  измельчения и обогащения. Поэтому физика горных пород  Минеральный состав и строение, а  т а к ж е многофазность гор- изучает  т а к ж е всю совокупность минералов, слагающих  ных пород предопределяют различное их поведение при воз- породы.  действии нагрузок, тепла, электрического поля, т. е. различные  Подобно тому как свойства массива горных пород обу- их физические свойства.  словлены свойствами, расположением и взаимной связью об- Под  ф и з и ч е с к и м  с в о й с т в о м породы понимают ее  разующих его пород, свойства образца обусловлены свойст- особое поведение (ответную реакцию) при воздействии на нее  вами, расположением и связью слагающих его минералов.  определенных физических; полей или сред.  Основные физические закономерности наиболее четко про- Численно каждое физическое свойство породы оценивается  являются при изучении образцов горных пород и минералов.  одним или несколькими  п а р а м е т р а м и

являющимися количественной мерой 

2) характеризующие разрушаемость пород определенными  свойства.  механизмами, например буримость, сопротивляемость резанию,  Свойства пород и соответствующие им параметры, харак- экскавируемость, зарубаемость, взрываемость, удельные усилия  теризующие ответную реакцию пород на воздействие определен- внедрения и т. д.;  ных инструментов (например, буровых), механизмов или тех- нологических процессов  ( н а п р и м е р , в з р ы в а ) , н а з ы в а ю т  г о р н о - 3) оценивающие воздействие породы на инструмент, напри- т е х н о л о г и ч е с к и м и .  мер абразивность;  4) оценивающие качество полезных ископаемых, например  Всю совокупность физических и горно-технологических па- коксуемость для углей, морозостойкость и термостойкость для  раметров пород, описывающих их поведение в процессах раз- строительного камня;  работки, принято называть  ф и з и к о - т е х н и ч е с к и м и  п а - р а м е т р а м и .  5) устанавливающие производительность или эффективность  Факторы, обусловливающие численное значение тех или  иных процессов воздействия на горные породы (кроме разру- иных физико-технических параметров горных пород и минера- шения), например обогатимость, флотируемость, устойчивость  лов и их изменчивость, подразделяют на две группы. Это  в отвалах и т. д.;  в н у т р е н н и е факторы, своей сущностью связанные с породой  6) определяющие особое поведение пород при разработке  (минералом) и определяющие ее название (минеральный со- месторождений полезных ископаемых, например выбросоопас- став и строение для пород, химический состав и кристалличе- ность, метаноносность, самовозгораемость и др.;  ская решетка для минералов), и  в н е ш н и е (различные физи- 7) оценивающие эффективность воздействия на горные по- ческие поля, внешнее воздействие, окружающие и проникаю- роды различными немеханическими методами с целью их раз- щие в породу среды), обобщенно называемые  в н е ш н и м  рушения, упрочнения, плавления и т. д.; например термобури- п о л е м .  мость, критерий эффективности нагрева токами высокой ча- стоты, электротермомеханическая разрушаемость и др.  В физике горных пород под понятием «внешнее поле» под- Физико-технические параметры, описывающие объемный,  разумевают тот вид энергии или вещества, под воздействием  накопительный процесс, являются  с к а л я р н ы м и и не зави- которого в данный момент находится порода.  сят от направления действия внешнего поля (например, плот- Физико-технические параметры подразделяют по виду со- ность, теплоемкость).  ответствующих внешних полей, вызывающих ответную реак- Остальные параметры зависят от направления поля дейст- цию породы.  вия и степени ориентации минеральных частиц и поэтому в об- Исходя из этого выделяют  м е х а н и ч е с к о е поле (давле- щем виде описываются векторами и тензорами. Они называются  ние) и соответствующие ему механические свойства пород,  т е н з о р н ы м и .  т е п л о в о е  поле (температура, тепловой поток) и тепловые  Классификация наиболее часто применяемых физико-техни- свойства,  э л е к т р и ч е с к о е ,  м а г н и т н о е и  р а д и а ц и о н - ческих свойств и параметров пород приведена в табл. 2.1. Оп- н о е поля и такие же свойства пород. Кроме того, существует  ределения параметров даны при рассмотрении соответствую- еще  в е щ е с т в е н н о е поле (флюиды) и соответствующие ему  щих свойств горных пород в образце.  гидравлические и газодинамические свойства. Воздействие  Известно более ста физико-технических параметров пород,  знакопеременных нагрузок на горные породы описывается аку- измерить такое количество их для всех видов и разновидностей  стическими свойствами, воздействие электромагнитных волн —  пород не представляется возможным.  электромагнитными свойствами.  С целью сопоставления разных пород, совместного их рас- Как те, так и другие связаны с волновыми процессами и  смотрения, анализа и классификации выделяют некоторую ог- поэтому могут быть объединены в общую группу  в о л н о в ы х  раниченную группу физико-технических параметров, являющу- свойств.  юся минимально необходимой и достаточной для характери- Как следует из определения,  г о р н о - т е х н о л о г и ч е с к и е  стики породы как физического и геологического тела и объекта  п а р а м е т р ы соответствуют конкретным условиям и сред- горной разработки одновременно. Такие параметры горных по- ствам воздействия на породы.  род носят; название  б а з о в ы х (табл. 2.2).  Горно-технологические параметры пород подразделяются на  К базовым отнесено 12 элементарных, исходных и незави- несколько групп по принципу принадлежности к определенным  симых физических параметров, позволяющих вычислять макси- процессам технологического воздействия:  мальное количество других параметров пород.  1) характеризующие общую разрушаемость пород механи- Базовые физические параметры  с л у ж а т общим фундамен- ческим способом, например твердость, крепость, вязкость и  том для изучения всех пород. Поэтому их определение является  дробимость;  2. Влажность и влагоемкость пород. Водопроницаемость

ВЛАЖНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

количество воды, содержащееся в данный момент в порах, трещинах и других пустотах пород в естественных условиях. Определяется разностью веса образца влажной породы и веса того же образца мосле высушивания при 105 — 110°. Различают весовую влажность — процентное отношение веса воды к весу образца породы после его высушивания, объемную влажность — отношение объема воды к объему породы, приведенную влажность — процентное отношение объема воды, заключенной в породе, к объему всей породы и другие формы выражения влажности.

Влагоемкость горных пород - способность пород вмещать и удерживать определенное количество воды.ВЛАГОЁМКОСТЬ горных пород (а. rock'sspecificretention, rock'smoisturecapacity; н. WasseraufnahmevermogenderGesteine, Bergfeuchte; ф. capacitehygrosсоpiquedesroches; и. capacidadhigroscypicadelasrocas) — способность горных пород удерживать в пустотах (порах, кавернах и трещинах) воду.

Влагоемкость оценивается по относительному или объёмному содержанию (в %) влаги путём взвешивания образцов породы, насыщенных водой и высушенных до постоянного веса. По характеру распределения воды в пустотах породы различают гигроскопическую (характерную для грунтов, залегающих близко к поверхности), молекулярную, капиллярную и полную влагоемкость. Максимальная гигроскопическая влагоемкость определяется количеством влаги, которое порода способна поглотить из воздуха с относительной влажностью 94%. Для песков гигроскопичность по массе в среднем около 1%, для лёссов, илов 5-10%, глин 15-20%. Молекулярная влагоемкость (количество воды, удерживаемой за счёт молекулярного взаимодействия на поверхности зёрен минералов) зависит от характеристики смачиваемости поверхности зёрен и степени их дисперсности. Например, кварцевые пески имеют наименьшую молекулярную влагоемкость — около 1,5%, лёссы — около 14%, глины — до 40% (по массе). Капиллярная влагоемкость соответствует количеству воды, удерживаемой в пустотах породы за счёт действия капиллярных сил. Её величина возрастает с уменьшением среднего размера пустот главным образом поровых каналов и для песков составляет несколько %, для глин — от 18 до 50%. Полная влагоемкость — максимальное количество воды, которое способна удерживать водонасыщенная порода в естественных условиях её залегания; предельное значение полной влагоемкости равно открытой пористости пород и колеблется в среднем от 0,5 до 60% и более (для рыхлых пород, туфов, бурых углей, глин, известняков).  Влагоемкость учитывается при расчётах систем водоосушения, параметров установок и технологии нагнетания в породы и пласты углей воды с целью их разупрочнения, при разработке методов борьбы с внезапными выбросами, определении потребности воды при подземном выщелачивании руд, расчётах процесса подземной выплавки серы, тампонаже и др.

Водопроницаемость горных пород

        способность горных пород пропускать воду. Степень водопроницаемости зависит от размера и количества сообщающихся между собой пор и трещин, а также от отсортированности зёрен горных пород. К хорошо проницаемым горным породам относятся галечники, гравий, крупнозернистые пески, интенсивно закарстованные и трещиноватые породы. Практически непроницаемыми (водоупорными) породами являются глины, плотные суглинки, нетрещиноватые кристаллические, метаморфические и плотные осадочные породы.

         В. г. п. может определяться по скорости фильтрации, равной количеству воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения фильтрующей породы. Эта зависимость выражается формулой Дарси: v = kI, где v — скорость фильтрации, k — коэффициент фильтрации, I — напорный градиент, равный отношению падения напора h к длине пути фильтрации

         

        Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости (см/сек, м/сут). Таким образом, скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице, тождественна коэффициенту фильтрации.

         В связи с тем, что вода в породах может передвигаться под влиянием различных причин (гидравлического напора, силы тяжести, капиллярных, адсорбционных, капиллярно-осмотических сил, температурного градиента и др.), количественная характеристика В. г. п. может выражаться, помимо коэффициента фильтрации, также коэффициентами водопроводимости и пьезопроводности. При гидрогеологических исследованиях и расчётах коэффициента водопроводимости (произведение коэффициента фильтрации на мощность водоносного горизонта) является показателем фильтрационной способности горной породы.

         В зависимости от геологического строения водоносные породы в фильтрационном отношении могут быть изотропными, когда водопроводимостьодинакова в любом направлении, и анизотропными, характеризующимися закономерным изменением водопроницаемости в разных направлениях.

         Изучение В. г. п. необходимо при поисках и разведке подземных вод для целей водоснабжения, при устройстве гидротехнических сооружений, эксплуатации различных типов подземных вод, при расчётах допустимых понижений уровня вод и радиусов влияния водозаборных скважин, при проектировании и осуществлении осушительных и оросительных мероприятий.

3. Содержание газов, определение газоносности

Газонасыщенность  горных пород – степень заполнения пустот (пор, кавернитрещин) вг. п. Природными газами. Г. обусловлена сорбционной способностью минералов, слагающих породу, пористостью и трещиноватостью г. п., давлением газов. Численно оценивается коэффициентом газонасыщения Kг, равным отношению объёма природного газа, заполняющего породу, к объёму открытых пор и пустот в породе. Применительно к твёрдым п. и. (в осн. углю) Г. определяется как объёмное кол-во свободных и сорбир. газов (гл. обр. метана), содержащихся в единице массы или объёма г. п. и извлекаемых путём откачки, вакуумирования или вытеснения жидкостью. B натурных условиях при измерении Г. массивов г. п. учитывают в первую очередь газы, свободно выделяющиеся из пород (см. Метанообильность выработок).          Применительно к залежам природного газaкоэфф. Г. характеризует долю объёма открытых пор породы, занятых свободным газом в термобарич. условиях пласта. Kоэфф. Г. породы (Kг) количественно оценивают по её водонасыщенности (Kв) исходя из баланса несмешивающихся флюидов в порах породы; Kг = (1-Kв). При продвижении вод и обводнении пласта наблюдается остаточная Г., соответствующая кол-ву неподвижного газа (защемлённого в порах, разобщённого). Kг определяют в скважинах: по материалам промыслово-геофиз. исследований (в осн. по данным Электрического каротажа) c привлечением сведений o петрофиз. свойствах пород; по данным детальной газометрии в процессе бурения скважины c приведением к условиям залегания; на керне - исследованием равновесных и остаточной водонасыщенностей. Изучение Г. применяют для оценки породы как коллектора, подсчёта запасов и контроля за разработкой м-ний газа.

На практике данный метод осуществляют следующим образом. Снимают каротажную диаграмму по скважине (рисунок 1). Затем с каротажной диаграммы определяют глубину залегания угольного пласта, угол падения пласта, расстояние до нижележащего угольного пласта по нормали, число вышележащих угольных пластов, замеряют значение электросопротивления аргиллита и песчаника, замеряют значение естественной радиоактивности угля, аргиллита и пород непосредственной кровли и почвы, а искомую величину природной газоносности пласта, вычисляют по вышеприведенной формуле (1). 

Билет №11

1. . Методы определения гидравлических и газодинамических свойств горных пород.

Физико-технические свойства горных пород. Классификация свойств пород. Базовые физико-технические свойства пород. Влияние минерального состава и строения пород на их свойства. Изотропность и анизотропность свойств пород. Внешние факторы, их влияние на свойства пород. Методы изучения состава и строения горных пород. Влияние на физико-технические свойства химического состава минералов. Многофазность пород, их плотность, пористость, трещиноватость и гранулометрический состав.

1.2. Механические свойства горных пород. Напряжения и деформации в горных породах, методы их определения. Упругие свойства пород. Динамический и статистический модуль упругости. Зависимость упругих свойств пород от состава, строения и внешних усилий. Роль упругих свойств пород в процессах их разрушения. Реологические свойства пород. Ползучесть горных пород. Релаксация напряжений в горных породах. Методы определения реологических свойств пород. Пластические свойства горных пород, необратимость деформаций. Прочностные свойства горных пород. Пределы прочности пород при сжатии, растяжении, сдвиге. Угол внутреннего трения, коэффициент сцепления горных пород. Зависимость прочностных свойств пород от состава, строения и внешних условий. Значение прочностных свойств пород в процессах их разрушения и упрочнения. Гидравлические и газодинамические свойства пород. Влажность и влагоемкость пород. Водопроницаемость. Закон Дарси. Содержание газов в породах. Размокаемость и растворимость пород, ослабление и упрочение пород. Переработка горны пород. Интенсивность деформаций при переработке пород в различных перерабатывающих механизмах. Затраты энергии на переработку. Аэромеханические свойства измельченных горных пород.

1.3. Тепловые, электрические, магнитные и радиационные свойства горных пород. Физические основы распространения и накопления тепла в горных породах. Тепловые свойства пород: теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, тепловое расширение горных пород. Количественный анализ тепловых свойств пород и процессов в технологии обогащения полезных ископаемых. Электромагнитное поле как особый вид материи. Поляризация пород. Диэлектрическая проницаемость пород. Зависимость электрических и магнитных свойств пород от состава, строения и внешних условий. Воздействие электрических полей на породы и его эффективность. Радиоактивность пород. Радиоактивные минералы. Методы и аппаратура определения радиоактивности пород. Радиационные методы в процессах обогащения и переработки полезных ископаемых.

1.4. Горно-технологические показатели горных пород. Технологические показатели скальных, плотных, мягких, вязко-пластичных и сыпучих полезных ископаемых. Крепость, хрупкость, дробимость горных пород. Технологические показатели разрыхленных пород. Воздействие воды на дисперсные породы. Твердость, абразивность. Связь технологических показателей с физическими свойствами.

1.5. Разрушение горных пород. Классификация методов разрушения горных пород. Прогнозная оценка применения методов разрушения. Модели физических методов разрушения горных пород. Особенности механического, теплового, электрического и комбинированного методов разрушения. Идеальная прочность минералов и горных пород. Хрупкое разрушение горных пород. Деформационные и тепловые потери энергии при механическом разрушении.

Механизм ударного разрушения. Дробление, измельчение горных пород. Разрушение расколом. Дробление соударением. Дробление (измельчение) раздавливанием. Оптимальная степень дробления (измельчения). Динамическое и статистическое дробление.

Характеристика теплового, электрического и комбинированного методов разрушения горных пород. Способы передачи энергии и средства реализации теплового, электрического и комбинированного методов разрушения пород.

2. Газодинамические явления в шахтах и виды их прогноза

При ведении горных работ в шахтах происходят различные газодинамические явления: внезапные выбросы угля, пород и газа, горные удары, отжим призабойной части угольных пластов, выдавливания угля, внезапные поднятия пород почвы горных выработок, обрушения горных пород и угля, сползание вмещающих пород при отработке угольных пластов крутого залегания, суфлярные выделения газа. Все эти явления создают различные опасности в шахтах, приводят к травмированию горнорабочих, ухудшают технико-экономические показатели горных работ. Некоторые явления, имеющие различную природу и механизм, иногда очень трудно различить по внешним признакам происшедшего явления. Для надежного прогнозирования и предотвращения этих явлений необходимо располагать сведениями о предупредительных и внешних признаках, происшедшего явления, знать природу и механизм этих явлений, а также иметь достоверную классификацию явлений для правильного их распознавания. Природа и механизм некоторых газодинамических явлений довольно хорошо изучены (суфлярные выделения, обрушения пород и угля и другие). По поводу природы и механизма внезапных выбросов угля, породы и газа, внезапных поднятий пород почв в горных выработках и некоторых других явлений до настоящего времени нет единого мнения.

Прогнозирование осуществляется с целью оконтуривания участков, опасных по суфлярным выделениям газа. Для накопления исходного материала с целью прогнозирования расположения зон, опасных по суфлярным выделениям, необходимо иметь детальные сведения о происшедших ранее суфлярах, а также планы горных работ, на которых нанесены места происшедших суфляров и геологические нарушения, выявленные геологоразведочными скважинами или горными работами с указанием типа нарушения (закрытое или открытое). При разработке сближенных пластов на планы горных работ должны быть нанесены проекции угольных целиков, оставленных на смежных пластах, а также взаимное расположение горных работ в свите разрабатываемых пластов. В связи с тем, что суфляры геологического происхождения имеют зональное проявление, связанное с характером и ориентировкой геологических нарушений, последние должны проектироваться по падению или простиранию пласта на участки шахтного поля, намеченные к отработке. Размеры, опасных по суфлярным выделениям зон, при дизъюнктивных нарушениях составляет около 20 м в каждую сторону от плоскости смесителя нарушения. В случае пликативных нарушений или пликативных осложненных дизъюнктивными, ширина опасных по суфлярам зон равна ширине пликативного нарушения. На смежных пластах часть угольного массива под и над целиками может быть опасной по суфлярным выделениям газа.

3. Методы прогноза выбросоопасности угольных пластов