Прогноз выбросоопасности пластов в месте вскрытия

2.2.1. Перед вскрытием квершлагами и другими полевыми выработками выбросоопасных или угрожаемых шахтопластов должен осуществляться прогноз их выбросоопасности в месте вскрытия. Результаты прогноза оформляют актом ( форма 4).

2.2.2. При подходе вскрывающей выработки к пологому пласту с расстояния не менее 10 м по нормали из забоя выработки на пласт бурятся разведочные скважины для уточнения положения, угла падения и мощности пласта глубиной не менее 10 м.

Проведение выработок, вскрывающих наклонные, крутонаклонные и крутые пласты, опасные (угрожаемые) по внезапным выбросам угля и газа, производится с предварительным бурением разведочных скважин длиной не менее 25 м при неснижаемом опережении не менее 10 м.

Схемы расположения скважин (не менее двух), их глубина и периодичность бурения определяются техническим руководителем и геологом шахты из расчета, что разведанная толща между пластом и выработкой должна составлять не менее 5 м. Фактическое положение скважин должно быть нанесено на рабочий эскиз выработки с привязкой к маркшейдерскому знаку. Контроль за положением забоя относительно пласта по данным разведочного бурения осуществляется под руководством геолога.

2.2.3. При подходе забоя вскрывающей выработки на расстояние не менее 3 м (по нормали) к угольному пласту бурятся контрольные скважины для установления показателей, используемых при прогнозе выбросоопасности пласта в месте вскрытия. Отбор проб угля с разделением их по угольным пачкам производится двойной колонковой трубой или с помощью кернонаборника. Контрольные скважины должны пересекать пласт на расстоянии 1,0 м за контуром выработки, при этом расстояние между ними в плоскости пласта должно быть не менее 2 м. Пробы отбираются с каждого метрового интервала скважин по всей мощности пласта. При вскрытии пологих пластов мощностью более 2 м отбор проб скважинами проводят до глубины, соответствующей входу выработки в пласт на полное сечение или обнажению пласта на всю мощность.

2.2.4. Пересечение пологого угольного пласта при прогнозе «неопасно» и отсутствии выброса при его вскрытии может осуществляться с применением текущего прогноза выбросоопасности.

2.2.5. В Кузнецком бассейне прогноз выбросоопасности пласта в месте вскрытия производится по показателю П_в:

                                                                                                     (2.3)

где Р_г. mах - максимальное давление газа в пласте на данной глубине от поверхности, кгс/см²;

f_min - наименьшее значение коэффициента крепости угля по угольным пачкам, выявленным разведочной скважиной, или по метровым интервалам разведочной скважины, у.е. (условных единиц).

При П_в ≥ 0 зона пласта в месте вскрытия считается опасной.

2.2.6. В месторождениях Печорского бассейна, Приморья и о. Сахалин угольные пласты в месте вскрытия считаются опасными при давлении газа в контрольных скважинах 10 кгс/см² и более.

2.2.7. При вскрытии квершлагом свиты сближенных крутых пластов осуществляется прогноз их выбросоопасности по двум разведочным скважинам, перебуривающим несколько пластов или все пласты свиты из одного положения забоя квершлага. При этом величину давления газа в пластах принимают одинаковой и равной наибольшему замеренному давлению в разведочных скважинах.

2.2.8. На шахтах Ростовской области прогноз выбросоопасности пластов в месте вскрытия осуществляется по скорости газовыделения g, йодному показателю Δ I и коэффициенту крепости угля f.

При приближении забоя вскрывающей выработки к пласту или пропластку мощностью более 0,2 м на расстояние не менее 3 м по нормали бурятся контрольные скважины (шпуры) на пласт (пропласток) для отбора проб угля и замера скорости газовыделения, а также для определения мощности пласта и количества пачек. Замер скорости газовыделения производится в двух скважинах не позднее чем через 2 мин после перебуривания пласта, причем герметизируемая измерительная камера должна соответствовать мощности пласта. Если при бурении наблюдаются предупредительные признаки выбросов, то бурение прекращается и выдается прогноз «опасно».

Герметизация скважин (шпуров) производится газозатвором ЗГ-1 или ПГШ.

Отбор проб для определения йодного показателя и коэффициента крепости угля производится по каждой пачке мощностью более 0,2 м.

Если отбор проб угля по пачкам невозможен, то f и Δ I определяются по общей пробе.

К учету принимаются максимальные значения g, Δ I и минимальное значение f.

Определение йодного показателя и коэффициента крепости угля по отобранным пробам производится в лаборатории ВостНИИ.

Ситуация перед вскрытием оценивается как невыбросоопасная при одновременном выполнении трех условий:

g ≤ 2 л/мин;                                                                                                                 (2.4)

Δ I ≤ 3,5 мг/г;                                                                                                               (2.5)

f ≤ 0,6 у.е.                                                                                                                    (2.6)

Если один из трех показателей не соответствует указанному условию, выдается прогноз «опасно».

Билет №12

1. Магнитные свойства пород

Магнитные свой¬ства горных пород характеризуются магнитной восприим¬чивостью, относительной магнитной проницаемостью, оста¬точной магнитной индукцией и коэрцитивной, или задер¬живающей, силой.

В зависимости от вели чины магнитной проницаемости все материалы разделяются на три группы: диамагнитные материалы, магнитная .проницаемость которых  < 1; па-рамагнетики с магнитной проницаемостью  > 1 и ферромагнитные материа¬лы; магнитная проницае¬мость ферромагнетиков намного больше еди¬ницы.

Намагниченность гор¬ных пород зависит от напряженности поля. При определенном зна-чении напряженности поля наступает насыще¬ние. При снижении на¬пряженности магнитно¬го поля до нуля намаг¬ниченность называется остаточным магнетиз¬мом. Напряженность по¬ля, при которой проис¬ходит полное размаг¬ничивание, называется коэрцитивной, или за¬держивающей, силой. Процесс намагничива¬ния и размагничивания породы протекает по так называ¬емой .петле гистерезиса.

Магнитные свойства пород используются при геофизи¬ческих методах контроля состояния массива горных пород, а также разведки полезных ископаемых и обога¬щении руд. В основу положено то, что намагни¬ченность полезных ископаемых и вмещающих пород различна по величине. Магнитные свойства горных пород используются также в индукционных методах разрушения, которые основаны на поглощении энергии магнитного поля горными порода¬ми. В результате этого в породе возникают температурные напряжения, приводящие породу к разрушению.

2. Радиоактивность горных пород и минералов

Радиоактивность горных пород, определяется содержанием в них радиоактивных элементов — членов радиоактивных рядов , , и радиоактивного изотопа . Содержание др. радиоактивных изотопов ( , и др.) существенно не влияет на общую Р. г. п., так как скорость их радиоактивного распада крайне мала. Среднее содержание обоих изотопов урана в земной коре (до глубины 16 км) составляет около 2,5×10-4% (весовых), тория 1,3×10-3%, радиоактивного изотопа калия 0,029%. Кроме того, в горных породах присутствуют продукты распада радиоактивных элементов, которые иногда мигрируют в окружающие породы и образуют в земной коре струи подземных газов (Не, Ar и т.д.). В почвах накапливается Rn, имеющий радиогенное происхождение.

Среди изверженных горных пород наибольшей радиоактивностью обладают кислые (U — 3,5 ×10-4; Th — 1,8×10-3), наименьшей — ультраосновные породы (U — 3×10-7; Th — 5×10-7). В кристаллических горных породах радиоактивные элементы частично входят в состав акцессорных минералов, ортита, циркона, монацита, апатита, сфена и др., а также частично присутствуют в форме окислов, химически не связанных с определёнными минералами.

Содержание радиоактивных элементов в осадочных горных породах (U — 3,2×10-4; Th — 1,1×10-3) определяется их происхождением; максимальные концентрации в органогенных осадках обусловлены присутствием углерода органического происхождения, фосфатов и др. веществ, являющихся важными осадителями урана (напротив, хемогенные осадки — гипс, каменная соль — отличаются низкой радиоактивностью).

В почвах отношение Th к U значительно выше, чем в коренных (массивных) породах, что связано с накоплением Th в неразрушаемых остатках пород и миграцией легкоподвижного U.

В молодых глубоководных морских отложениях наблюдается значительное накопление иония (изотопа Th, члена радиоактивного ряда ), в десятки раз большее по сравнению с равновесным его содержанием в уране. Это обусловлено химическими особенностями иония, благоприятствующими выпадению его из воды с осадками, в отличие от U, удерживающегося в растворе.

Кристаллические породы Луны (базальты, анортозиты) заметно обеднены радиоактивными элементами (U — 0,24×10-4,Th — 1,14×10-4), а породы Венеры характеризуются соотношениями U (2,2×10-4) и Th (6,5×10-4), близкими земным (каменные метеориты соответственно содержат U — 1,5×10-6 и Th — 4×10-6).

3.Воздействие электрического и магнитного полей

Электрические и магнитные поля могут воздействовать на горные породы непосредственно за счет смещения, электрического и магнитного ориентирования (поляризация и намагничивание), возбуждения электронов и ионов и т.д. или косвенно – через тепловое поле , в которое трансформируется электрическая энергия в породах.

В связи с этим выделяют три группы явлений:

1. нагрев пород;

2. непосредственное изменение свойств пород под воздействием поля (изменение прочности пород);

3. пробой пород. Магнитное поле оказывает заметное влияние только на ферромагнетики.

Изменение прочности пород. Электромагнитное поле не только является источником тепла в горной породе, но и непосредственно воздействует на кристаллическую решетку минералов, существенно изменяя их свойства. Внешнее электромагнитное поле способно воздействовать на дислокацию, переориентировать её или сдвинуть в определенном направлении, т.е. вызвать пластические деформации породы. В отдельных породах при воздействии на них электромагнитного поля уменьшается модуль упругости, предел прочности при сжатии и возрастает величина пластической деформации.

Пробой пород.При больших напряжениях электрического поля нарушается закон Ома и ток начинает непропорционально расти – сопротивление диэлектрика убывает. Такое явление приводит к таким явлениям как электротепловой пробой и электрический пробой.

Электротепловой пробой происходит при условии разогрева породы под воздействием высокого напряжения. В результате повышения температуры породы происходит уменьшение её сопротивления и увеличение тока, проходящего через породу. Такой процесс может неоднократно повторяться, в результате ток возрастает до большой величины и произойдет пробой. Отличительные признаки теплового пробоя нагрев горных пород, относительная длительность процесса и зависимость пробивного напряжения от температуры.

Электрический пробой происходит при условии образования и накопления в горной породе свободных электронов и ионов под воздействием внешнего электрического поля. Электрический пробой происходит в основном за счет ударной ионизации молекул и разрыва кристаллической решетки вещества электрическим полем. В отличие от теплового, электрический пробой совершается мгновенно. Главным факторов формирования электрического пробоя является напряженность электрического поля.

Билет №13

1. Управление горным давлением путем обрушения подрабатываемого массива пород.

УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ (а. stata соntrol, roof соntrol, ground pressure соntrol; Н. Beherschung des Gebirge, Beherschung des Gebirgsdrucks; ф. maotrise de la pression de terrains, соnduite de la pression de terrains; и. соntrol de presion de rocas) — совокупность мероприятий по ограничению интенсивности проявлений горного давления в целях обеспечения безопасности и необходимых производственных условий в горных выработках.

Управление горным давлением в капитальной или подготовительной выработке имеет своей целью ограничить смещения контура выработки и предотвратить вывалообразование в кровле. Оно осуществляется путём назначения адекватных конструктивных параметров крепей горных — несущей способности и податливости. Для блочных и тюбинговых крепей эти параметры регулируются моментом сопротивления, прочностными свойствами материала и деформационными свойствами податливых прокладок между элементами (если они имеются). У рамных крепей несущая способность регулируется, кроме того, расстоянием между рамами и конструкцией соединительных замков (узлов податливости). Управление горным давлением в подготовительных выработках, сохраняемых после прохода лавы, осуществляется также возведением охранных сооружений (полос, органной крепи и т.п.) за контуром выработки (см. Охрана горных выработок).

Одним из способов управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках является расположение их в разгруженных зонах, которые образуются при надработке очистными работами (подработка с этой целью практикуется редко).

Управление горным давлением в очистных выработках угольных шахт сводится к недопущению больших зависаний пород кровли. Наиболее распространено полное обрушение кровли и в значительно меньшем объёме полная закладка выработанного пространства. При первом из этих способов управления горным давлением непосредственная кровля самопроизвольно обрушается за задним рядом стоек призабойной крепи (индивидуальной или механизированной). Основная кровля в благоприятных условиях подбучивается обрушенной породой и сохраняет свою целостность. Когда мощность непосредственной кровли мала, подбучивания не происходит и основная кровля обрушается со сравнительно большим шагом. Для уменьшения этого шага применяется разрушение основной кровли взрывами специальных зарядов — торпед (торпедирование) и другие подобные мероприятия. При полной закладке выработанное пространство заполняется закладочным материалом. Применяются также способы частичной закладки, частичного обрушения, плавного опускания кровли и удержания на кострах.

Управление горным давлением при камерно-столбовой системе разработки рудных месторождений осуществляется путём оставления целиков, достаточных для поддержания вышележащих пород.

2.Взаимосвязь обрушения пород с опорным давлением на массив.

ОПОРНОЕ ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ (а. abutment pressure, bearing pressure, end pressure; н. Stutzdruck; ф. pression d'appui, pression de culce; и. presion de apoyo) — горное давление в массиве пород, возникающее в результате создания (или естественного образования) в нём полостей (различных выработок, расслоений и т.п.). Представляет собой нормальные к пласту сжимающие напряжения, действующие вблизи опорного контура (на массивы, целики полезных ископаемых, закладку, обрушенные породы и крепь) по всему его периметру (периметру обнажения). Возникает вследствие перераспределения напряжённого состояния горных пород при нарушении сплошности массива и создаётся совместным действием веса покрывающей породной толщи и суммой изгибающих моментов зависающих над выработанным пространством или другой полостью пород.

Особое значение вопросы проявления опорного горного давления приобрели с началом разработки залежей полезных ископаемых (также свит пластов) с применением длинных очистных забоев. Опорное горное давление стало оказывать значительное влияние на характер, эффективность управления кровлей очистных забоев, крепления очистных и подготовительных выработок, на первые обрушения пород основной кровли, отжим угля в очистных забоях, проявления внезапных выбросов и горных ударов, пучения пород и т.п., а также на производительность выемочного оборудования и др.

Проявления опорного горного давления и их изменения в пространстве и во времени представляют сложную картину. В распределении опорного горного давления выделяется ряд пространственных зон, которые для удобства рассматривают отдельно в плоскости пласта и в сечениях по простиранию и падению. Так, в первом случае при равномерном движении очистного забоя выделяют зоны опорного горного давления (рис. 1): переднюю, заднюю, боковую (по падению и восстанию).

Кроме того, по характеру изменений опорного горного давления различают зоны: динамического проявления опорного горного давления; затухания динамических проявлений опорного горного давления; статического или псевдостатического состояния опорного горного давления. Определённая дифференциация наблюдается и в пределах самих зон опорного горного давления. Так, в передней выделяются подзоны: пониженных напряжений, сравнимых с gcpH (gcp — средний удельный вес пород; Н — глубина заложения выработки); повышенных напряжений; вторая подзона пониженных напряжений; напряжений, близких к gcpH (рис. 2).

Распределение зон опорного горного давления в конкретных горно-геологических условиях зависит от глубины работ, процессов деформаций и разрушений не только непосредственной и основной кровель, но и всей вышележащей толщи, свойств пласта, пород почвы и др. Механизм образования опорного горного давления в отдельных зонах различен. Тогда как действие опорного горного давления в передней зоне обусловлено динамикой зависаний пород покрывающей толщи на больших площадях вблизи забоя, в боковых зонах при достаточном их удалении от забоя этот фактор отсутствует. Динамика опорного горного давления в передней зоне выражена наиболее чётко. При прочих равных условиях она зависит от устойчивости так называемых краевых зон (зон, примыкающих к контуру, отработанной площади и подверженных опорному горному давлению), определяемой соотношением интенсивности опорного горного давления, механической характеристикой пласта, условиями состояния контактных поверхностей, а также продолжительностью действия нагрузки (последняя определяется скоростью подвигания очистных работ). Подвигание очистного забоя вызывает перемещение и изменения всех зон опорного горного давления вблизи забоя, но на достаточном удалении от него остаются некоторые из них, сохраняющие относительно стабильное состояние длительный период. По мере увеличения пролёта зависающей толщи горных пород интенсивность опорного горного давления и, как правило, ширина его передней зоны возрастают, а его максимум всё более приближается к забою (краю массива, целика). По существу аналогичная картина наблюдается и при увеличении глубины разработки.

3. Динамические проявления горного давления и меры борьбы с ними.

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. Для газодинамических явлений характерным является выделение значительных количеств газа. 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

Билет №14

1. Горные удары и их прогноз

Го́рный удар — хрупкое разрушение предельно напряжённой части пласта породы (угля), прилегающей к горной выработке, возникающее в условиях, когда скорость изменения напряжённого состояния в этой части превышает предельную скорость релаксации напряжений в ней вследствие пластических деформаций.

В горном ударе участвует упругая энергия пласта в очаге удара и энергия окружающих пород, данное явление сопровождается резким звуком, выбросом породы в горную выработку, образованием пыли и воздушных волн. Упругое расширение массива пород, прилегающих к очагу разрушения, порождает сейсмические волны, распространяющиеся при горном ударе большой силы на десятки и сотни километров. Разрушение происходит лавинообразно и совершается образованием устойчивой по форме полости при подпоре со стороны выброшенных пород. Следствием горных ударов становятся аварии на шахтах, сопряженные с разрушением крепи и оборудования, нанесением ущерба здоровью и гибелью людей.

В качестве локальных проявлений горных ударов выделяют стреляния, толчки и микроудары.

• Стреляние горных пород (бергшляг) – это быстрое откалывание и отскакивание кусков породы от обнаженной поверхности горных выработок, сопровождающееся звуковым эффектом, возникающее вследствие их хрупкого разрушения при соответствующем напряженном состоянии. Стреляние горных пород может являться признаком возможных горных ударов.

• Толчками принято называть горные удары, проявляющиеся в разрушении угленосной толщи за пределами контуров выработок без их выброса в горную выработку.

• Микроудары характеризуются разрушением горных пород и пластов угля в пределах сравнительно небольшого объема геологического пространства при быстром их выбросе в горную выработку. Сопровождаются обычно резким звуком, образованием пыли, сотрясением горных пород и усилением газовыделения в газоносных породах.

2.Контроль эффективности мероприятий по предотвращению внезапных выбросов угля и газа.

Внезапные выбросы - это быстропротекающий процесс разрушения горного массива, сопровождающийся отбросом угля и усиленным газовыделением. Обычно внезапные выбросы появляются при глубине разработки 200-300 метров, с ростом интенсивности с увеличением глубины разработки, мощности и угла падения пласта. Воркутинское месторождение считается опасным по выбросам при давлении в скважинах не менее 10 атмосфер.

Пласты подразделяются на:

• выбрасоопасные;

• угрожаемые;

• не выбрасоопасные.

1.3.1. Для безопасной разработки выбросоопасных и угрожаемых угольных пластов предусматривают следующие меры:

а) прогноз выбросоопасности;

б) опережающую отработку защитных пластов;

в) способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа и контроль их эффективности;

г) систему разработки и технологию в очистных и подготовительных забоях, снижающих вероятность возникновения внезапных выбросов угля и газа;

д) мероприятия по обеспечению безопасности работающих.

1.3.2. Прогноз выбросоопасности пластов применяют в порядке, предусмотренном разделом 2.

1.3.3. Вскрытие пластов, а также ведение очистных и подготовительных работ в пределах защищенных зон производят без применения прогноза выбросоопасности и способов предотвращения внезапных выбросов, а взрывные работы ведут в режиме, предусмотренном для сверхкатегорных по газу шахт.

1.3.4. Незащищенные выбросоопасные угольные шахтопласты или участки должны отрабатываться с применением прогноза и способов предотвращения внезапных выбросов.

1.3.5. Региональные способы предотвращения внезапных выбросов предназначены для заблаговременной обработки угольного массива впереди очистных и подготовительных забоев.

К региональным способам относятся: опережающая отработка защитных пластов, дегазация угольных пластов, увлажнение угольных пластов.

Локальные способы предназначены для приведения призабойной части угольного массива в невыбросоопасное состояние. Их осуществляют со стороны очистных или подготовительных забоев.

К локальным способам относятся: гидрорыхление, низконапорное увлажнение, низконапорная пропитка, гидроотжим с предварительным увлажнением, гидровымывание опережающих полостей, образование разгрузочных пазов и щелей в угольном пласте и вмещающих породах, бурение опережающих скважин, торпедирование угольного массива, образование разгрузочной щели по длине очистного забоя.

Во всех случаях применения региональных и локальных способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа необходимо осуществлять контроль их эффективности.

При интенсивном газовыделении и проявлении предупредительных признаков внезапных выбросов угля и газа во время локальной противовыбросной обработки массива (бурении опережающих скважин, гидроотжиме, гидровымывании опережающих полостей) необходимо применение мероприятий по предотвращению загазирований и развязывания газодинамических явлений в процессе выполнения способов предотвращения внезапных выбросов.

1.3.6. При разработке незащищенных выбросоопасных угольных шахтопластов должны применяться следующие мероприятия по обеспечению безопасности работающих:

производство взрывных работ в режиме сотрясательного взрывания;

устойчивое проветривание забоев с подсвежением исходящей из очистного забоя струи воздуха (кроме сплошной системы разработки);

регламентация последовательности выполнения технологических процессов и способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа при работе в опасных зонах;

организация телеметрического контроля за содержанием метана в очистных и подготовительных забоях, в том числе при сотрясательном взрывании в угольных и смешанных забоях;

устройство индивидуального и групповых пунктов жизнеобеспечения, переносных спасательных пунктов, телефонной связи; дистанционного включения и выключения машин и механизмов.

3.Механическое бурение пород (буримость).

Совокупность физико-механических свойств горных пород определяет их буримость, т. е. способность горных пород сопротивляться проникновению в них породоразрушающего инструмента. Буримость горной породы характеризуется механической скоростью бурения - значением углубления скважины за единицу времени.

Буримость горных пород изменяется по мере развития технических средств и технологии бурения. Она зависит от физико-механических свойств пород, способа бурения скважин, конструкции и качества породоразрушающего инструмента, диаметра, глубины и направления скважины, технологических параметров режима бурения, состояния технических средств, квалификации рабочих и уровня организации труда.

Для различных способов бурения разработаны и применяются следующие классификации:

• для вращательного механического бурения с XII категориями пород по буримости

• для шнекового бурения с VI категориями

• для ударно-канатного бурения при разведке россыпных месторождений с VI категориями

• для ударно-канатного бурения (исключая разведку россыпных месторождений) с VII категориями

Билет №15

1. Место физики горных пород среди других наук

Место физики горных пород и процессов среди других наук определяется объектами, методами и направленностью исследований. террасная доска пвх, террасная композитная доска По объектам исследований физика горных пород близка к геологическим наукам, а именно кристаллографии, минералогии, петрографии.

Без знания минерального состава и структурно-текстурных особенностей пород и условий их залегания невозможно изучение физических свойств пород, обоснованное объяснение физических явлений, происходящих в них. Поэтому данные о составе, строении, генезисе пород, их залегании физика горных пород заимствует у геологических наук и использует для своих исследований.

По методам исследований физика горных пород близка к физике твердого тела: явления и свойства объясняются и изучаются с позиций современной физики твердого тела, используются ее математический аппарат и экспериментальные методы.

Однако изучаемые физикой горных пород объекты значительно разнообразнее, более сложны и зависят от большего количества случайных факторов, чем в физике твердого тела. Законы возникновения и влияния всех этих факторов учесть одновременно практически невозможно.

В связи с этим в физике горных пород широко применяется аппарат теории вероятностей и математической статистики, используются экспериментально установленные закономерности и корреляционные зависимости, а физические явления в породах описываются феноменологически.

Направленность исследований физики горных пород и горной науки одна и та же. Физика горных пород решает вопросы совершенствования горного производства, изыскивает резервы повышения производительности труда через познание свойств горных пород.

2. Физико-геологическая обстановка условий месторождения

Эта дисциплина наряду с горной средой, геотехнологическими процессами добычи и средствами извлечения изучает химию и физику явлений, протекающих при этом в недрах земли. Предметом ФХГ как науки является изучение различных реальных объектов горной промышленности (месторождения, методы, средства добычи, процессы, явления т.д.), рассматривать которые надо во взаимосвязи с физикогеологическими условиями. Наиболее полно характеризовать условия залегания месторождения полезных ископаемых при его разработке можно, используя понятие «физико-геологическая обстановка», которое включает в себя характеристики геологических, гидрологических и геотермических условий залегания месторождения, а также физических и химических свойств полезного ископаемого и вмещающих пород, рассматриваемых во взаимосвязи с возможными методами разработки. Часть месторождения в зоне целенаправленного изменения состояния полезного ископаемого, представленная горной породой и насыщающими ее флюидами, правомерно характеризовать понятием «горная среда». В отличие от горных пород, представляющих собой различные минеральные ассоциации, горная среда - это одна или несколько гетерогенных систем с различными компонентами, присутствующими в твердой, жидкой и газообразной фазах. Геотехнологическая система - совокупность горной среды, физических или химических процессов добычи и средств для их реализации. В геотехнологической системе можно выделить ряд основных элементов. Например, таким элементом является узел приготовления рабочих агентов и переработки продуктивных растворов. Основным элементом является также транспортная магистраль - скважина, пробуренная в месте залегания полезного ископаемого, открывающая доступ рабочих агентов к залежи и обеспечивающая выдачу полезного ископаемого на гаоверхность. Рабочая зона - часть горной среды, охваченной воздействием рабочих агентов, состоящая из различных фаз (твердой, жидкой, газообразной), образующих систему с однородными частями, разделенными физическими границами. Компоненты системы - вещества, из которых образуются все фазы данной системы. К физическим свойствам компонентов относятся плотность, электро- и теплопроводность и т.д. Свойства веществ, характеризующие их способность участвовать в химических реакциях (процессах превращения одних веществ в другие), называют химическими. Геотехнологические свойства полезных ископаемых определяют их способность переходить в подвижное состояние с помощью размыва, растворения, выщелачивания, горения, плавления, возгонки и т.д. Геотехнологические процессы перевода полезных ископаемых в подвижное состояние разделяются на тепловые, массообменные, химические и гидромеханические. Основной принцип ФХГ можно сформулировать как исследование процесса добычи и изменений горной среды под влиянием рабочих агентов с целью перевода полезного ископаемого в подвижное состояние и извлечения его на поверхность, причем одно из возможных превращений для данной геотехнологической системы является доминирующим. Исходя из этого принципа в ФХГ следует выделить три основных направления: 1) изучение влияния физико-геологической обстановки и горной среды на процесс перевода полезного ископаемого в подвижное состояние; 2) изучение собственно превращений химического и физического характера (установление природы процесса и последовательности протекания отдельных стадий); 3) изыскание средств осуществления процессов добычи. Конечная цель ФХГ - развитие геотехнологических способов добычи, прогнозирование протекания процессов и оптимизация параметров технологии. Для осуществления технологического режима требуется решение целого комплекса научных, технических и экономических вопросов: выбор рабочих агентов и способ их доставки к рудному телу; управление технологическим процессом добычи (движением рабочих агентов в массиве, транспортированием полезного ископаемого на поверхность); переработка продуктивных флюидов. Решение этих вопросов должно обеспечивать высокую технологическую эффективность и экономическую рентабельность геотехнологических способов добычи.

3.Влияние минерального состава и строения пород на их физические свойства.

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 №16

1. Экспериментальное определение физико-технических параметров горных пород.

При измерении физико-технических параметров пород получен-ные данные должны обладать достаточной точностью, сопоста-вимостью и представительностью.

В настоящее время разработано большое количество раз-личных методов определения физико-технических параметров пород. Они делятся на лабораторные и натурные.

Лабораторными методами определяют физико-тех-нические параметры пород на образцах.

Лабораторный образец — это полностью подготов-ленный в соответствии с требованиями методики к испытаниям изолированный кусок породы (или минерала) с минимальным нарушением естественного состояния. В зависимости от раз-мера выделяют образцы малые (объемом до 1 см3), средние (до 200 см3) и большие (свыше 200 см8). В зависимости от степени обработанности образцы бывают правильной, полуправильной и неправильной формы.

Натурные методы определения параметров пород при-меняют непосредственно в природных условиях, как правило, без полного отделения изучаемого объема породы от окружаю-щего массива. Изучению может подвергаться либо отдельная горная порода в массиве, либо массив, состоящий из разных пород. Изучаемые объемы могут быть как небольшими (изме-ряемыми см3), так и превышающими десятки кубических метров.

Сравнение лабораторных методов с натурными показывает, что изучение свойств пород в образцах гарантирует большую стабильность измеренных величин, дает более достоверные данные для сравнения и классификации пород, позволяет бо-лее четко выявить зависимости свойств от различных факто-ров. Определение свойств на образцах, как правило, менее трудоемко и позволяет неоднократно производить измерения и уточнять результаты их.

Наряду с этим образец горной породы по объему часто со-ответствует объемам пород, подвергаемых физическому воз-действию при различных производственных процессах (напри-мер, при дроблении), что позволяет свойства образца исполь-зовать непосредственно в технологических расчетах.

Для процессов, происходящих в большом объеме массива, можно использовать методы пересчета свойств образца горной породы на свойства породы в массиве с учетом факторов, обу-словливающих отличие этих свойств.

Именно поэтому в настоящее время широкое распростране-ние имеют лабораторные методы определения физико-техниче-ских параметров образцов пород, многие из которых стандар-тизированы.

2. Напряжение и деформации в породах.

Под воздействием внешних сил тело изменяет форму и объем, в результате этого в нем возникают внутренние силы, стремящиеся к восстановлению прежней формы. Поверхностная плотность силы, возникающей в каждом элементе тела, называется напряжением. Напряжение σ — величина векторная. Она зависит от внутренних свойств породы (сил и характера связей между частицами), формы образца и от действия внешних сил. Силы, действующие в одном направлении, вызывают в образце линейное напряженное состояние, действующие в двух направлениях, но в одной плоскости — плоское напряженное состояние, а в остальных случаях — объемное напряженное состояние. В абсолютно плотной породе напряжения рассчитываются по формуле: , где S — площадь, на которую воздействует сила. В пористых породах , где S₀ — площадь контакта минеральных зерен; S_п — площадь, занятая порами. Напряжения концентрируются только в области контакта минеральных зерен Поэтому с увеличением пористости, трещиноватости и выветрелости, при прочих равных условиях, напряжения в породе возрастают. Степень возрастания истинных напряжений в пористой породе оказывается еще больше из-за местной концентрации напряжений, возникающей в углах трещин и пор. Рассмотрим тело произвольной формы, находящееся в равновесии под действием приложенных к нему внешних сил. Рассечем мысленно рассматриваемое тело какой-либо поверхностью на две части. Заменим действие одной части приложенной к сечению внутренними силами, так чтобы оставшаяся часть находилась в равновесии. Вообще говоря, внутренние силы неравномерно распределены по площади сечения. Выделим на сечении элементарную площадку на которую действует сила . В этом случае отношение называется вектором напряжения на площадке . Рассекая рассматриваемое тело плоскостями параллельными прямоуголной системе координат, можно прийти к элементарному кубику на каждую внешнюю грань которого действуют свой вектор напряжений. Проекции этих векторов на оси координат представляют девять компонентов напряжений — два касательных и одно нормальное на каждой грани кубика (рис. 10). Все они представляют одну физическую величину, называемую тензором напряжений. Запись тензора напряжений имеет следующий вид Сумма моментов относительно любого ребра рассматриваемого элементарного кубика должна быть равна нулю. Отсюда следует закон парности касательных напряжений: . Таким образом, напряженное состояние твердого тела в любой плоскости можно охарактеризовать действующими в нем нормальными и касательными напряжениями. Они взаимосвязаны и могут быть рассчитаны методом сложения векторов. На рис.11 приведен пример нагружения образца осевым () и боковым () усилиями (). Для отыскания нормального () и касательного () напряжения, действующего на наклонной площадке, расположенной под углом , можно воспользоваться графическим методом с помощью кругов напряжений Мора, которые строятся следующим образом (рис. 11): на оси абсцисс откладывают максимальное и минимальное значения нормальных напряжений, действующих на образец; на разности отрезков, как на диаметре, строится полуокружность. Значения касательного и нормального напряжений в любой точке образца могут быть определены, если задан угол наклона плоскости, в которой определяются напряжения. Под этим углом из точки пересечения круга с абсциссой проводят прямую до пересечения с полуокружностью. Координаты точки пересечения полуокружности с прямой численно равны значениям определенных напряжений. Каждому частному значению напряженного состояния соответствует свой круг напряжений. Напряжения в породах могут возникать под воздействием не только внешних сил, но и различных физических полей. Напряжения бывают термические, усадочные, обусловленные неравномерным охлаждением объема, остаточные, возникающие в результате неравномерного распределения напряжений из-за местной текучести материала, и др. На эти напряжения накладываются напряжения от внешнего воздействия, которые могут либо увеличивать, либо уменьшать их. Под воздействием внешних сил горная порода испытывает изменения линейных размеров, объема или формы, которые называются деформациями. Деформации, соответствующие нормальным напряжениям, выражаются через относительное изменение и линейных размеров образца Где l' и l — длина образца соответственно в деформированном и недеформированном состоянии. Относительные деформации, соответствующие касательным напряжениям, выражаются через тангенс угола сдвига граней элементарного объема образца. Ввиду малости угла справедливо соотношение . Деформации удлинения и сдвига можно разложить на составляющие по осям координат. В теории упругости, (раздел теория деформаций) дается вывод тензора деформаций, определяющий состояние деформации в любой точке тела:

3. Теория наследственной деформации. Методы определения реалогических свойств горных пород

Реологические свойства характеризуют изменение (рост) во времени деформацийв горных породах при постоянном напряжении (явление ползучести) либо изменение (падение) напряжений при постоянной деформации (явление релаксации). Ползучесть и релаксация напряжений связаны с переходом упругих деформаций в пластические, необратимые. Сложное реологическое поведение горных пород можно изучать экспериментально и теоретически. Экспериментально реологические свойства определяются испытанием горных пород или при постоянной нагрузке (простая ползучесть), или при постоянной деформации. Наибольшее распространение получили испытания при постоянной нагрузке, что связано со значительной простотой эксперимента по сравнению с испытаниями на релаксацию напряжений. Теоретический метод исследования заключается в установлении зависимости между действующими на горные породы напряжениями, вызываемыми деформациями, и их изменениями во времени. Проявление реологических свойств в значительной мере зависит от типа породы,влажности,трещиноватости, температуры, но решающим является уровень напряжённого состояния. Реологические свойства и их параметры широко используются при исследовании механических процессов вмассиве горных пород, в расчётах при оценке прочности иустойчивостигорных выработок,бортов карьеров, скважин, целиков, горнотехнических сооружений и др.

Билет №17

1. Цели и задачи дисциплины. Место физики горных пород среди других наук.

ФГП изучает физические свойства породы и процессы с целью использования их для решения задач горного производства. Место ФГП среди других наук определяется ее методами, объектами и направленностью исследований. По объектам исследований ФГП близка к геологическим наукам – кристаллографии, минералогии, петрографии. Без знания минерального состава и структурно-текстурных особенностей пород и условий их залегания невозможно изучение физических свойств пород, обоснованное объяснение физических явлений, происходящих в них. Поэтому данные о составе, строении, генезисе пород, их залегании ФГП заимствует у геологических наук и использует для своих исследований. По методам исследований ФГП близка к физике твердого тела, явления и свойства объясняются и изучаются с позиций современной физики твердого тела, используется ее математический аппарат и экспериментальные методы.

Изучение физических явлений в породах дает возможность совершенствовать как машины и механизмы, так и методы горной технологии, создавать принципиально новые способы добычи полезных ископаемых и извлечение полезных ископаемых из руд.

Из вышеизложенного вытекают следующие научные и практические задачи, которые решает ФГП: А) Установление физических, физико-технических и технологических характеристик горных пород, необходимых для расчета режимов работы и производительности существующего горного оборудования при проектировании горных предприятий и планирования их работы. Б) Разработка и создание принципиально новых физических методов воздействия на породы, выявление областей их применения, расчет их эффективности. В) Разработка принципиально новой технологии производства горных работ на базе изучения физических свойств пород. Г) Изыскание методов и путей создания систем контроля за составом, состоянием и поведением горных пород в процессах горного производства, основанных на изучении свойств пород.

2. Кинетическая (термофлюктуационная) теория разрушения твердых тел академика С.Н. Журкова.

Термофлуктуационная теориярассматривает разрушение не как критическое явление, наступающее при достижении предельного напряжения или деформации, а как кинетический процесс накопления повреждений, развивающийся в теле с момента приложения нагрузки. Механические напряжения только снижают активацион-ный барьер, облегчая разрыв когезионных связей в полимере. Непосредственное разрушение полимера объясняется образованием трещин в местах концентрации напряжений, а зарождение и развитие трещин рассматривается как следствие кинетического процесса термофлуктуационного разрыва связей. [1]

Современная термофлуктуационная теория хрупкой прочности полимеровобъединяет оба подхода и вводит понятие о безопасном и критическом напряжениях. [2]

Согласно кинетической термофлуктуационной теории, разработанной школой С.Н.Журкова, отказ полимерной конструкции происходит из-за разрушения химических связей полимера, которое вызывается совместным действием энергии теплового движения атомов и работы внешней силы. Разрыв связей, ослабленных действием внешней нагрузки, происходит благодаря флуктуации кинетической энергии, возникающей при тепловом колебании атомов. [3]

3. Электропроводимость горных пород

Перенос зарядов из одной точки проводника в другую, осущест-вляемый электронами и ионами, носит название электрической проводимости. Векторный показатель, характеризующий количе-ство элементарных зарядов, проходящих через единицу сечения проводника в единицу времени, называют

Подобно тому, как диэлектрическая проницаемость характе-ризует электрические свойства диэлектриков, удельная электри-ческая проводимость является электрическим параметром про-водников. Горные породы в основном входят в группу полупро-водников, характеризующихся свойствами как диэлектриков (бгСоо), так и проводников (породам присущи некоторые зна-чения удельной электрической проводимости аэ>0).

Прохождение тока через горные породы может осущест-вляться с переносом вещества (ионная, ионно-электронная про-водимость) и без переноса его (электронная и дырочная прово-димость) .

Ионный характер проводимости имеют все аморфные мине-ралы, галогенные соединения, нитраты, сульфаты и т. д. Элек-тронная проводимость характерна для окислов и сульфидов большинства тяжелых металлов.

По величине электрической проводимости все вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлек-трик и. Разная электрическая проводимость веществ с пози-ций квантовой теории объясняется различиями в энергетической схеме их кристаллов.

Свободным носителем тока может быть лишь электрон, уда-ленный от ядра атома на достаточно большое расстояние и на-ходящийся в зоне проводимости. Для того чтобы электрон мог попасть в зону проводимости, необходимо некоторое энергетиче-ское воздействие на него. Величина такого воздействия зависит от ширины так называемой запрещенной зоны, отделяю-щей валентную зону обращения электронов от зоны проводи-мости.

У проводников (металлов) запрещенная зона отсутствует. Приобретая под влиянием внешних факторов дополнительную кинетическую энергию, электроны легко переходят в зону про-водимости и становятся способными переносить заряды.

У полупроводников запрещенная зона Q3 имеет определен-ную ширину. Она выражается количеством энергии, которую не-обходимо затратить электрону для того, чтобы перейти в зону проводимости. Для горных пород-полупроводников величина Q3 чаще всего составляет 0,16- Ю-19—3-10~19 Дж (0,1—2 эВ). В этом случае электроны могут перейти в зону проводимости лишь под воздействием, превышающим величину Q3. Так, у гра-нитов Q3 находится в пределах (0,9—1,4)-Ю-19, у гнейсов — 0,96- 10^19, у габбро — (1,8—2,7) • Ю"19 Дж.

В диэлектриках запрещенная зона имеет ширину, превышаю-щую работу, требуемую для отрыва электрона от кристалличе-ской решетки (до 13- 10~19 Дж и более). Поэтому проводимость металлов и полупроводников — электронная, а проводимость ди-электриков — ионная, так как работа отрыва иона меньше Q3.

Есть два основных отличия полупроводников от проводни-ков. Первое из них состоит в том, что электрическая проводи-мость проводников значительно выше, чем полупроводников, причем граничной считают электрическую проводимость по-рядка 10 См/м. Второе отличие — возрастание электрической проводимости полупроводников с повышением температуры (температурный коэффициент положителен), в то время как электрическая проводимость проводников при этом уменьша-ется (электрическое сопротивление растет — температурный ко-эффициент отрицателен).

Билет №18

1. Плотностные свойства пород.

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.

2. Теория хрупкого разрушения А. Гриффитса

Согласно теории хрупкого разрушения упругих телразрушение происходит вследствие образования в местах концентрации напряжений трещин и их развития до критической длины, после чего тело мгновенно разделяется на части.

Теория хрупкого разрушенияведет начало от работ А. А. Гриффита ( 1920), продолженных Дж. [1]

Согласно теории хрупкого разрушения упругих телразрушение происходит вследствие образования в местах концентрации напряжений трещин и их развития до критической длины, после чего тело мгновенно разделяется на части. [2]

Задача теории хрупкого разрушениязаключается в том, чтобы объяснить расхождение между прочностью, измеренной при обычных испытаниях, и прочностью, подсчитанной на основании предполагаемой молекулярной структуры вещества. [3]

Основоположником теории хрупкого разрушения твердых телсчитают Гриффитса [ 99, с. По Гриффитсу распространение трещины без дополнительной работы ( или самопроизвольное разрушение) возможно, если увеличение поверхностной энергии в результате развития трещины компенсируется соответствующим уменьшением упругой энергии деформации. [4]

Динамические задачи теории хрупкого разрушенияявляются более трудными, и до настоящего времени их решено очень мало даже в самых простых предположениях. Имеются, однако, экспериментальные факты, использование которых помогает решению. Оказывается, например, что напряженное состояние в окрестности носика движущейся трещины мало отличается от того, которое наблюдается в случае равновесной неподвижной трещины. Это позволяет на каждом этапе движения трещины искать решение статической задачи, соответствующей данной геометрии. [5]

Однако применение усовершенствованной теории хрупкого разрушенияпозволяет получать более углубленные выводы, относящиеся, в частности, к масштабному эффекту и изменчивости при тепловом ударе. Нетрудно установить также связь между термостойкостью и обычной статической прочностью. Это особенно важно для расчета деталей и конструкций, работающих в условиях переменных температур. [6]

3. Значение взаимосвязей свойств горных пород

Знание взаимосвязей физических свойств горных пород позво-ляет определить по известным параметрам другие. Это, в свою очередь, позволяет решать многие научные и практические за-дачи горной науки и горного производства. К ним могут быть отнесены следующие:

установление комплекса физических свойств пород в мас-сиве и их распределения по результатам измерения одного-двух параметров, наиболее легко определимых в массиве: напри-мер, по измеренным значениям удельного электрического сопро-тивления— коэффициент теплопроводности, прочность, крепость пород и т. д.;

снижение объема определений свойств пород благодаря воз-можности их расчета по известным взаимосвязям: например, по определенному только а_сж устанавливают по взаимосвязям еще и Е, v и т. д.;

установление физических свойств пород на образцах малых размеров по величине физических параметров, поддающихся измерению на таких образцах. Например, отсутствие достаточ-ного количества по объему и размерам проб лунного грунта потребовало для их определения использования взаимосвязи между Е и А, горных пород;

установление ряда свойств пород в условиях сложного воз-действия температур, давления, вакуума, которые непосредст-венно в этих условиях не могут быть измерены. Например, в установке высокого давления на малом образце определяют только модуль Юнга Е, а по взаимосвязи Е—Я — коэффициент теплопроводности;

эиспрессное установление требуемых для расчета процессов горного производства параметров по некоторым известным дру-гим параметрам, например, по крепости — модуля Юнга и пре-дела прочности при сжатии, нужных для расчета производи-тельности бурового станка; разработка методов контроля различных процессов в горных породах.

Билет №19

1. Дефекты в породах, их роль и влияние на прочность горных пород

На основе теоретического расчета потенциальной энергии ионов в кристаллах можно установить усилия, требуемые для разрушения твердых тел. Однако экспериментально получаемые величины прочности в сотни, а иногда и в тысячи раз меньше теоретических (для меди, например, в 1500 раз). Причина расхождений заключается в наличии множества различных дефектов в кристаллах, снижающих связи между частицами в их кристаллической решетке (рис. 26). 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 от их макростроения. 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 (см. приложение 7). 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.

2. Магнитные свойства пород

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА минераловигорных пород(а. magnetic properties of rocks; н. Gesteinsmagnetismus, magnetische Gestein- seigenschaften; ф. proprietes magnetiques des roches; и. caracteristicas magneticas de rocas, propiedades magneticas de rocas) — совокупность свойств, характеризующих способность минералов и горных пород намагничиваться во внешнем магнитном поле. Минералы подразделяются на диамагнетики (например,кварц,кальцит,полевые шпаты, самородноесереброизолото,флюорити др.), парамагнетики (железосодержащие силикаты,хлорит,слюдыи др.), антиферромагнетики (гематит, гётити др.), ферромагнетики (самородноежелезо,никельи др.) и ферримагнетики (магнетит,титаномагнетит, магномагнетит, хромит и др.). К слабомагнитным относятся диа- и парамагнитные минералы, к сильномагнитным — ферромагнитные и ферримагнитные минералы. Термин "ферромагнитные" (вещества, минералы) нередко употребляют для обозначения ферро- и ферримагнитных материалов. Кривая намагничивания для ферро- и ферримагнетиков приведена на рис. Полный цикл намагничивания (при намагничивании образца до насыщения I_s) характеризуется максимальной петлей магнитного гистерезиса. Если ферромагнетик не намагничивается до насыщения, получаем частный цикл гистерезиса (петля IRS). К основным характеристикаммагнитных свойствотносятсямагнитная восприимчивость(k),намагниченность(I_s), точки Кюри (T_c) и Нееля (TN) и коэрцитивная сила (H_c).

Магнитные свойства горных пород определяются содержанием в них главным образом ферромагнитных минералов, зависят также от их состава, кристаллической структуры, текстурно-структурных особенностей и характера распределения. В связи с этим различают свойства структурно-нечувствительные к текстурно- структурным особенностям горных пород (но не к кристаллической структуре минералов): намагниченность насыщения, точка Кюри; и структурно-чувствительные, которые, кроме того, зависят от размера и структуры ферромагнитных минералов: магнитная восприимчивость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила. Изменение концентрации ферромагнитных минералов в изверженных горных породах определяется тектоническими условиями их образования и составоммагм. В одной тектономагматической зоне намагниченность статистически растёт от пород кислого состава к основным (минимальным значениям вгранитахскладчатых зон). В целом с увеличением степениметаморфизманамагниченность уменьшается, хотя её значения сильно изменяются от типа метаморфизма. Например,серпентинизацияперидотитов, в которых отсутствуют первичные магнитные минералы, приводит к образованию магнетита и росту намагниченности.

3. Методы прогнозирования и предотвращения внезапных выбросов

Для безопасной разработки выбросоопасных и угрожаемых угольных пластов необходимо применять комплекс защитных мероприятий, а именно:

- прогноз выбросоопасности;

- опережающую отработку защитных пластов;

- способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа и контроль их эффективности;

- систему разработки и технологию в очистных и подготовительных забоях, снижающих вероятность возникновения внезапных выбросов угля и газа;

- мероприятия по обеспечению безопасности работающих.

Известно, что большую роль в подготовке и развитии выброса играет рост трещин под совместным воздействием горного и газового давления в плоскости наибольшего сжатия. Так, в призабойной области или вблизи фронта волны последовательного отрыва инициирующей выброс, трещины растут параллельно обнаженной поверхности забоя или фронта волны. Изучение условий их роста имеет большое значение для прогноза выбросов и для разработки мер борьбы с ними. Такое изучение выявляет характерные сочетания параметров, отвечающих опасности, и вскрывает закономерности, позволяющие исключить выбросы.

Теоретические разработки в области геодинамических явлений базируются на том, что причиной их является повышенное напряженное состояние горных пород, что приводит к разного рода энергетическим дисбалансам.

Прорыв в прогнозировании геодинамических явлений возник в результате разработки метода и соответствующей аппаратуры геоакустического выявления поверхностей ослабленного механического контакта.

Идея этого прогнозирования состоит в следующем. Прежде, чем обрушиться, породы кровли должны сначала отслоиться от вышележащего породного массива. Следовательно, вероятность обрушения пород кровли определяется наличием и местонахождением поверхностей потенциального и фактического расслоения пород. Или, иначе говоря, наличием и местонахождением поверхностей ослабленного механического контакта (ОМК). Как оказалось, в условиях слоистого массива угленосной толщи информация, получаемая с помощью спектрально-акустических измерений в основном и состоит в выявлении местонахождения залегающих в угленосной толще поверхностей ОМК и степени ослабленности по этим поверхностям. Показатель напряженного состояния массива оценивается отношением амплитуд акустических шумов от работающего горного оборудования, замеренных на высоких и низких частотах.

Все это указывает на целесообразность разработки автоматизированных способов оценки состояния призабойной части выбросоопасных пластов и создания автоматизированной многофакторной системы контроля параметров рудничной атмосферы и состояния призабойной части пласта на основе применения современных технических средств отбора информации, ее передачи и обработки.

Билет №20

1. Горно-технологические свойства горных пород

Горно-технологические свойства горных пород. — свойства и параметры, характеризующие реакцию горных пород на воздействие на них различных инструментов (например, буровых), механизмов (например, экскаваторов) или технологических процессов (например, взрыва). Распространение получил также синонимический термин "горно-технологическое свойство горных пород". Технологические свойства принято различать и объединять по видам, группам, категориям и классам, имеющим определённые диапазоны тех или иных технологических свойств и характеристик. На одном и том же месторождении даже одинаковые по наименованию горные породы могут относиться к различным категориям и классам. Технологические параметры горных пород подразделяются на несколько групп по принципу принадлежности к определённым процессам воздействия:

1) характеризующие общую разрушаемость горных пород механическим способом, например твёрдость,крепость,вязкость, дробимость и др.;

2) характеризующие разрушаемость горных пород определёнными механизмами, например буримость, сопротивляемость резанию, экскавируемость,взрываемость, удельные усилия внедрения и др.;

3) оценивающие воздействие породы на инструмент, например абразивность;

4) оценивающие качество полезных ископаемых, например коксуемость дляуглей, морозостойкость итермостойкостьдля строительногокамня;

5) устанавливающие производительность или эффективность различных процессов воздействия на горные породы (кроме разрушения), например обогатимость, флотируемость,устойчивостьв отвалах и др.;

6) определяющие эффективность воздействия на горных породах различными немеханическими методами с целью их разрушения, упрочнения, плавления и т.д., например термобуримость, нагрев высокой частоты, электромеханическая разрушаемость и др.

2. Гидравлические свойства горных пород.

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

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

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

По величине поры подразделяются на субкапиллярные (диаметр пустот менее 0,2 мкм), капиллярные (0,2-100 мкм) и сверхкапиллярные (более 100 мкм). Поры часто могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы.

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

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

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

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

Различают абсолютную, эффективную и относительную проницаемость.

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

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

Относительная проницаемость — отношение эффективной проницаемости к абсолютной.

Практической единицей измерения проницаемости является дарси (Д) — величина проницаемости, присущая образцу породы площадью 1 см², длиной 1 см, через который при давлении 9,8∙10⁴ Па проходит в 1 с 1 см³ жидкости вязкостью 10^-3Па∙с.[4].

В практике горного производства широкое распространение получил другой параметр — коэффициент фильтрации К_ф. Практически он представляет собой скорость фильтрации газа или жидкости через породы. Коэффициент фильтрации не учитывает влияние напора пластовых вод и их вязкости на изменение количества фильтрующейся воды. В случае фильтрации воды между коэффициентами пористости и фильтрации существует соотношение [4]: 1 Д = 1см/с = 864 м/сут.

В зависимости от значения коэффициента фильтрации породы подразделяются на водоупорные (К_ф<0,1м/сут), слабопроницаемые (0,1<К_ф<10), среднепроницаемые (10<К_ф<500) и легкопроницаемые (К_ф>500) [4].

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

Кроме фильтрационных, к гидравлическим свойствам массивов горных пород относятся:

• влагоёмкостъ — способность горных пород вмещать и удерживать воду;

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

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

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

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

• усадка — способность горной породы уменьшать объём при высыхании;

• просадочностъ — способность горной породы уменьшать объём при замачивании;

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

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

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

• липкость — способность горной породы прилипать к различным предметам

3. Поляризация пород.

В любой горной породе имеются свободные (электроны) и связанные (например,ионы) заряды.

При наложении на породу электрического поля в ней происходит смещение внутренних связанных зарядов. В результате на ее поверхности появляются неуравновешенные заряды. Это явление носит название электрической поляризации . Вектор поляризации Рэ —суммарный электрический момент единицы объема породы. В зависимости от механизма поляризации и типа частиц, участвующих в ней, выделяют четыре основные ее вида: электронную, ионную, дипольную и миграционную.

Электронная поляризация Р_эл возникает в атомах в результате смещения электронных орбит относительно положительно заряженных ядер. Так как с увеличением напряженности поля смещение электронных орбит увеличивается, величина Р_эл прямо пропорциональна напряженности электрического поля Еэ (упругая поляризация):

Рэл = аэЕэп,

где аэ — поляризуемость атома (коэффициент, характеризующий способность электронного облака данного атома деформироваться под воздействием внешнего электрического поля), Ф-м2; « — число поляризующихся в единице объема атомов, 1/м3. Электронная поляризация присуща всем атомам и молекулам и является наиболее быстрым видом поляризации (возникает за 10~¹5 с).

Ионная (атомная) поляризация Ри образуется за счет смещения в электрическом поле ионов или частей кристаллических решеток с ковалентной связью. При этом под воздействием электрического поля положительные и отрицательные ионы сдвигаются. Величина ионной поляризации также прямо пропорциональна Еэ внешнего поля:

Время установления ионной поляризации несколько меньше, чем электронной; оно составляет Ю^-14—Ю^-12 с.

Дипольная поляризация Рд наблюдается при наличии в породах ионов с полярными связями. В этом случае каждая молекула уже имеет некоторый дипольный момент при отсутствии внешнего электрического поля. Тем не менее в объеме породы, состоящем из таких молекул, из-за их хаотического расположения суммарный дипольный момент при отсутствии внешнего поля равен нулю. При его наличии диполи будут ориентироваться согласно внешнему полю, т. е. возникает электрическая поляризация объема породы.

Дипольная поляризация завершается в течение Ю^-10— Ю-7 с.

Миграционная (объемная) Рм поляризация возникает в многофазной породе, состоящей из частиц, обладающих различными электрическими свойствами, а также при наличии пор, заполненных электролитом.

При внесении породы в электрическое поле свободные электроны и ионы, содержащиеся в проводящих и полупроводящих включениях, начинают перемещаться в пределах каждого включения. В результате каждое включение приобретает дипольный момент и ведет себя подобно большому диполю.

Время завершения миграционной поляризации составляет 10-6—Ю-3 с.

Время установления дипольной и миграционной поляризации пород сравнимо с частотой применяемых на практике электромагнитных полей, поэтому указанные виды поляризации называются релаксационными или медленными в отличие от «мгновенного» смещения электронов и ионов. Суммарная поляризация породы, представляющая собой средний дипольный момент единицы ее объема, равна сумме всех видов поляризации:

Рэ = а0Е_э0п, (7.3)

где ао — условная средняя поляризуемость.

Поляризации пород сопутствует явление, называемое электрострикцией. Оно заключается в деформировании (подобно всестороннему сжатию) диэлектриков под действием электрического поля и присуще всем породам. Причинами электрострикции являются, с одной стороны, давление на породу заряженных частиц, создающих электрическое поле и притягивающихся друг к другу, с другой — смещение ионов и электронов в породе, вызываемое внешним полем.

Билет №21

1. Теплопроводность и температуропроводность пород

Минералы и горные породы, как правило, являются плохими проводниками тепла, они занимают в ряду твердых тел сравнительно узкую полосу с малыми значениями теплопроводности — 0,1—7 Вт/(м • К).

Большей теплопроводностью — до 30—40 Вт/ (м • К) обладают лишь некоторые рудные минералы, например, сфалерит (рис. 6.3).

Исключительно большое значение Я наблюдается у алмаза— до 200 Вт/(м-К) вследствие небольшого количества дефектов в кристаллической решетке, высокой энергии решетки и, следовательно, большой длины свободного пробега фононов.

Из породообразующих минералов большим значением теплопроводности [Я=7-М2 Вт/(м-К)] обладает кварц. Поэтому у плотных малопористых безрудных пород (группа In) наблюдается вышение X с увеличением содержания в них кварца.

Повышенную по сравнению с другими нерудными минералами теплопроводность имеют также гидрохимические осадки — каменная соль, сильвин, ангидрит, а пониженную — каменный уголь, асбест и другие породы.

Теплопроводность пород определяется способностью минералов, слагающих породу, проводить тепло, и для пород, представляющих собой статистические смеси минералов с хорошими контактными условиями, пригодна для расчета их теплопроводности формула логарифмического средневзвешенного (2.3).

В слоистых средах наблюдается большая теплопроводность вдоль слоистости Я ||, чем перпендикулярно слоистости . Коэффициент анизотропии теплопроводности слоистых горных пород в среднем составляет 1,1—1,5.

Анизотропией теплопроводности обладают не только породы, сложенные различными слоями, но и сланцеватые породы, и минералы с хорошей спайностью. Так, у слюды вдоль спайности теплопроводность в 6 раз выше, чем поперек спайности; для графита это отношение составляет 2 и более. Физическая сущность такого явления заключается в том, что частицы, входящие в кристаллическую решетку минерала, вдоль плоскости слоистости взаимодействуют интенсивнее, и наоборот, молекулярное движение перпендикулярно к плоскости спайности передается значительно хуже. Теплопроводность пористых пород является сложной функцией всех их составляющих фаз — жидкой, газообразной и твердой.Передача тепловой энергии в пористых породах может происходить как путем теплопроводности, так и путем конвекции заполнителя порового пространства (теплоотдачи). Однако если размеры пор по сравнению с исследуемым объемом малы, то явление конвекции можно не учитывать. Так, доля конвективного теплового потока в порах с радиусом 3 мм составляет 0,13 % от общего теплового потока. Можно не учитывать также явление передачи тепла излучением, если температура нагрева породы не превышает 1000 К.

2. Методы прогнозирования и предотвращения внезапных выбросов.

Внезапный выброс угля и газа - это очень грозное явление, жертвами которого периодически становится много шахтеров. Уголь, который выбрасывается в выработку из угольного пласта, находится в состоянии пыли. Такая пыль, когда ее много, ведет себя как паста и часто бывает, что в результате выброса эта пыль буквально запечатывает выработки прямо вместе с находящимися там людьми [1].

Выброс угля и газа является наиболее сложным из всех явлений и представляет собой быстроразвивающееся разрушение горного массива под действием горного и газового давления впереди забоя выработки с последующим отбросом разрушенного угля. Сила этого явления измеряется от нескольких тонн до нескольких тысяч тонн. Количество выбрасываемого метана при этом измеряется кубическими метрами и, как правило, значительно превышает количество выбрасываемого угля.

Естественно, что при таких последствиях выбросов угля и газа работа людей в шахтах становится небезопасной.

Отличительными признаками внезапного выброса угля и газа являются:

- отброс угля от забоя на расстояние, превышающее протяженность возможного размещения его под углом естественного откоса;

- образование в угольном массиве полости;

- смещение угля в выработку;

- повышенное по сравнению с обычным выделение газа в горную выработку.

Внезапному выбросу угля и газа могут предшествовать предупредительные признаки: резкое увеличение газовыделения в выработку, шелушение забоя, появление пылевого облака на груди забоя, удары и трески в массиве, выдавливание или высыпание угля из забоя, отслаивание кусочков угля от забоя, зажим, выталкивание или втягивание бурового инструмента, вынос газа и штыба при бурении.

Методы прогнозирования и предотвращения внезапных выбросов.

Для безопасной разработки выбросоопасных и угрожаемых угольных пластов необходимо применять комплекс защитных мероприятий, а именно:

- прогноз выбросоопасности;

- опережающую отработку защитных пластов;

- способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа и контроль их эффективности;

- систему разработки и технологию в очистных и подготовительных забоях, снижающих вероятность возникновения внезапных выбросов угля и газа;

- мероприятия по обеспечению безопасности работающих.

Известно, что большую роль в подготовке и развитии выброса играет рост трещин под совместным воздействием горного и газового давления в плоскости наибольшего сжатия. Так, в призабойной области или вблизи фронта волны последовательного отрыва инициирующей выброс, трещины растут параллельно обнаженной поверхности забоя или фронта волны. Изучение условий их роста имеет большое значение для прогноза выбросов и для разработки мер борьбы с ними. Такое изучение выявляет характерные сочетания параметров, отвечающих опасности, и вскрывает закономерности, позволяющие исключить выбросы.

Теоретические разработки в области геодинамических явлений базируются на том, что причиной их является повышенное напряженное состояние горных пород, что приводит к разного рода энергетическим дисбалансам.

Прорыв в прогнозировании геодинамических явлений возник в результате разработки метода и соответствующей аппаратуры геоакустического выявления поверхностей ослабленного механического контакта.

Идея этого прогнозирования состоит в следующем. Прежде, чем обрушиться, породы кровли должны сначала отслоиться от вышележащего породного массива. Следовательно, вероятность обрушения пород кровли определяется наличием и местонахождением поверхностей потенциального и фактического расслоения пород. Или, иначе говоря, наличием и местонахождением поверхностей ослабленного механического контакта (ОМК). Как оказалось, в условиях слоистого массива угленосной толщи информация, получаемая с помощью спектрально

акустических измерений в основном и состоит в выявлении местонахождения залегающих в угленосной толще поверхностей ОМК и степени ослабленности по этим поверхностям. Показатель напряженного состояния массива оценивается отношением амплитуд акустических шумов от работающего горного оборудования, замеренных на высоких и низких частотах.

Все это указывает на целесообразность разработки автоматизированных способов оценки состояния призабойной части выбросоопасных пластов и создания автоматизированной многофакторной системы контроля параметров рудничной атмосферы и состояния призабойной части пласта на основе применения современных технических средств отбора информации, ее передачи и обработки.

3. Дегазация, увлажнение и гидроразрыв пластов.

ДЕГАЗАЦИЯ месторождения — естественные или искусственные процессы удаления газов из их источников (угольные пласты, вмещающие породы, рудные залежи, скопления свободных газов в зонах тектонических нарушений). Цель дегазации — снижение поступления газа в горные выработки, предотвращение его внезапных выделений. В зависимости от формы и генезиса газового скопления, величин природной газопроницаемости и газоносностипластов, интенсивности изменения природной системы "уголь (порода, руда) — газ — природная влага" под воздействием горных работ, характера воздействий на источник газа, сроков ведения горных работ и дегазации, от схемы бурения дегазационных (газосборных) скважин применяются: заблаговременная дегазация в пределах шахтных полей, ограждающая дегазация, предварительная дегазация, передовая дегазация, дегазация смежных угольных пластов-спутников, дегазация выработанных пространств отработанных и действующих выемочных участков, дегазация зон трещиноватых пород вблизи геологических нарушений закрытого типа и комплексная дегазация.  Дегазация бывает: пассивной, при которой источник интенсивного выделения газа в горные выработки изолируется от шахтной атмосферы и каптированный газ выводится либо за пределы опасного участка в струю воздуха для разжижения до допустимых норм, либо на дневную поверхность; активной, когда процессы сбора и изолированного от горных выработок вывода газа на поверхность производятся под вакуумом, создаваемым специальными искробезопасными водокольцевыми вакуум-насосами. С начала 40-х гг. применяется активная дегазация; в СССР — с 1951 в Кузбассе, а к 1983 — более чем в 218 шахтах Донецкого, Кузнецкого, Карагандинского, Печорского и Львовско-Волынского угольных бассейнов, на шахтах месторождений Урала, Дальнего Востока и острова Сахалин с суммарным дебитомотсасываемого метана свыше 5 млн. м³/сутки.  Заблаговременная дегазация осуществляется через вертикальные скважины, пробуренные с поверхности до угольных пластов за 3-8 лет до начала горных работ. Для повышения газопроницаемости и интенсивности газоотдачи пластыобрабатываются с поверхности через скважины гидропескоструйными и гидрорасчленяющими способами. Ограждающая дегазация применяется при проведении выработок по газоносным пластам и породам при дебите метана в одиночную выработку свыше 3 м³/мин. При этом виде дегазации в обе стороны от проводимой выработки через 20-60 м по её длине бурят длинные (до 100 м) дегазационные скважины диаметром 80- 150 мм, которые служат барьером газу, движущемуся в выработку. Отсос газа из скважины под вакуумом до 20,6 кПа снижает на 50-70%метанообильность проводимой выработки.

Предварительная дегазация разрабатываемых пластов скважинами диаметром 80- 150 мм осуществляется для снижения природной газоносности пласта и давления метана в пласте до начала очистных работ в шахтном поле; уменьшает также опасность внезапных выбросов газа и угля. Дегазационные скважины бурят из пластовых или полевых выработок по восстанию, падению и простиранию пласта. Наиболее эффективны восстающие скважины, пробуренные через 10-20 м друг от друга на всю высоту этажа. Схема расположения скважин и частота бурения (расстояние между соседними скважинами) зависят от способа подготовки участка, применяемой системы разработки, интервала между окончанием бурения скважин и началом очистной выемки, величины газопроницаемости пласта и скорости подвигания лавы. Максимальная эффективность предварительной дегазации 50-60%. Для повышения газопроницаемости применяется подземный гидроразрыв и физико-химическая обработка пласта слабыми растворами кислот, способствующая растворению части составляющих пласт компонентов.

Передовая дегазация разрабатываемого пласта скважинами применяется в комплексе с предварительной дегазацией для повышения эффекта дегазации на 15-30%. При передовой дегазации используется эффект влияния подвигающегося очистного забоя на напряжённо-деформируемое состояние разрабатываемого пласта впереди линиизабоя. Дегазация смежных подрабатываемых и надрабатываемых пластов скважинами предназначается для существенного снижения метанообильности выработок выемочного участка пласта, вынимаемого с опережением по отношению к остальным пластам свиты. При дегазации смежных пластов используется эффект их разгрузки от подработки или надработки, активизирующий процесс десорбции газа из смежного пласта. При под- и надработке смежных пластов повышается их газоотдача в зонах разгрузки и расслоения. Выделяющийся газ улавливается через скважины и поступает в дегазационную систему шахты. Выемка защитных пластов (наиболее действенное противовыбросное региональное мероприятие) в комплексе с дегазацией смежных (подзащитных выбросоопасных) пластов способствует более эффективной опережающей отработке защитных пластов.Дегазация смежных пластов даёт максимальный эффект снижения газообильности шахт за счёт отсоса газа из наиболее крупного источника газа — выработанных пространств. Дегазация смежных пластов фланговыми скважинами позволяет отсасывать до 90% всего газа в пределах шахтного поля. Дегазация выработанных пространств — процесс удаления концентрированных метано-воздушных смесей из выработанных пространств при выемке пластов с большими потерями угля (по мощности или в целиках угля) и смежных пластов, залегающих на близком расстоянии от разрабатываемого (в пределах зоны беспорядочного обрушения боковых пород). Дегазация выработанных пространств осуществляется при помощи отводов газопровода, введённых в изолированное от воздухопроводящих выработок выработанное пространство, или коротких скважин, пробуренных в купола обрушения боковых пород. Комплексная дегазация — сочетание различных способов и схем дегазации для максимально возможного искусственного снижения метано-обильности шахт. Эффективность комплексной дегазации достигает 80-90%.

Билет №22

1. Управление горным давлением путем обрушения подрабатываемого массива пород.

Управление горным давлением в очистных выработкахугольныхшахтсводится к недопущению больших зависаний пород кровли. Наиболее распространено полноеобрушение кровлии в значительно меньшем объёме полнаязакладка выработанного пространства. При первом из этих способов управления горным давлением непосредственная кровля самопроизвольно обрушается за задним рядом стоекпризабойной крепи(индивидуальной или механизированной). Основная кровля в благоприятных условиях подбучивается обрушенной породой и сохраняет свою целостность. Когда мощность непосредственной кровли мала, подбучивания не происходит и основная кровля обрушается со сравнительно большим шагом. Для уменьшения этого шага применяется разрушение основной кровливзрывамиспециальныхзарядов— торпед (торпедирование) и другие подобные мероприятия. При полной закладкевыработанное пространствозаполняетсязакладочным материалом. Применяются также способы частичной закладки, частичногообрушения, плавного опускания кровли и удержания на кострах.

2. Определение объемного веса горных пород.

Плотность — скалярная физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его единичного объёма. Для неоднородного вещества плотность в определённой точке вычисляется как предел отношения массы тела (m) к его объёму (V), когда объём стягивается к этой точке. Средняя плотность неоднородного вещества есть отношение m/V.

Плотность измеряется в кг/м³ в системе СИ и в г/см³ в системе СГС.

Для постановки гравиразведки и особенно истолкования результатов необходимо знать плотность горных пород, ибо это единственный физический параметр, на котором базируется гравиразведка.

Плотностью породы (или объемным весом) называется масса (m) единицы объема (v) породы .

σ =m/V

Обычно плотность определяется для образцов, взятых из естественных обнажений, скважин и горных выработок. Наиболее простым способом определения плотности образца является взвешивание образца в воздухе (m) и в воде и затем расчет σ . На этом принципе построен наиболее распространенный и простой прибор для измерения плотности - денситометр, позволяющий определять с точностью до 0,01 г/см3.

Также для измерения плотности используются:

пикнометр — прибор для измерения истинной плотности ;

ареометр (денсиметр, плотномер) — измеритель плотности жидкостей ;

Бурик Качинского и бур Зайдельмана — приборы для измерения плотности почвы.

Для достоверности и представительности измерения следует производить на большом количестве образцов (до 50 штук). По многократным измерениям плотности образцов одного и того же литологического комплекса строятся вариационная кривая или график зависимости значений от количества образцов, обладающих данной плотностью. Максимум этой кривой характеризует наиболее вероятное значение плотности для данной породы. Существуют гравиметрические и другие геофизические способы полевых и скважинных определений плотности.

Плотность горных пород и руд зависит от химико-минералогического состава, т.е. объемной плотности твердых зерен, пористости и состава заполнителя пор (вода, растворы, нефть, газ). Плотность изверженных и метаморфических пород определяется в основном минералогическим составом и увеличивается при переходе от пород кислых к основным и ультраосновным. Для осадочных пород плотность определяется прежде всего пористостью, водонасыщенностью и в меньшей степени составом. Однако она сильно зависит от консолидации осадков, от их возраста и глубины залегания, с увеличением которых она растет.

Различают минералогическую плотность горных пород (отношение массы высушенных и измельчённых до исчезновения пор твёрдых частиц породы к объёму, ими занимаемому), плотность абсолютно сухой породы и плотность породы, заполненной флюидами (отношение массы твёрдой, жидкой и газообразной фаз горной породы к объёму, занимаемому этими фазами). Измерение плотности горных пород на образцах ведётся главным образом гидростатическим способом, реже гамма-гамма методами. В естественном залегании плотность горных пород определяют по данным плотностного гамма-гамма-каротажа либо (что менее точно) оценивают по данным гравиметрических исследований в горных выработках или путём расчётов по гравиметрическим съёмкам.

3. Механические свойства горных пород.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА горных пород (а. mechanical properties of rocks; н. mechanische Eigenschaften der Gesteine; ф. proprietes mйcaniques des roches; и. caracteristicas mecanicas de rocas, propiedades mecanicas de rocas) — характеризуют изменения формы, размеров и сплошности горных пород под воздействием механических нагрузок, которые создаются в результате действия естественных (горное давление, тектонические движения) или искусственных факторов (взрывные работы, резание, дробление пород и т.д.).

Механическое нагружение вызывает в горных породах напряжения и деформации. По виду деформаций и связи с вызвавшими их напряжениями механические свойства подразделяют на упругие (модуль Юнга, коэффициент Пуассона и др.), пластические (модуль полной деформации, коэффициент пластичности и др.), прочностные (пределы прочности горных пород при сжатии, растяжении и др.) и реологические свойства (период релаксации, предел длительной прочности и др.). К показателям механических свойств относят также характеристики воздействия на горные породы жидкостей и газов (например, коэффициент размокания), горнотехнологические параметры горные породы (показатели крепости, твёрдости, буримости, взрываемости, дробимости и др.).

Механические свойства определяют прямыми или косвенными измерениями напряжений и деформаций в горных породах в процессе их различного нагружения. В массиве чаще используют косвенные методы оценки механических свойств — по глубине и усилиям проникновения острого инструмента в горных породах, по зависимости между скоростью упругих волн и механическими свойствами.

На величину показателей механических свойств влияют анизотропия горной породы, силы и характер связей между частицами, ориентация ослабленных зон и слоев горной породы, размер зёрен, пористость, минеральный состав. Это предопределяет широкую вариацию показателей механических свойств от точки к точке в массиве (рис.).

Более монолитные скальные горные породы имеют высокие значения модуля Юнга, прочностных параметров, низкие значения показателей пластичности. Осадочные горные породы, как правило, обладают более низкой прочностью и упругими свойствами, повышенными значениями показателей пластичности, хорошо выраженными реологическими свойствами.

Любые изменения состояния горной породы и её структурных характеристик влияют на величину механических свойств. Увеличение влажности снижает упругие и прочностные, но повышает пластические параметры пород; трещиноватость и высокая пористость пород снижают прочностные и упругие параметры пород. Разрушенная горная порода также способна сопротивляться в определённой степени внешним нагрузкам. Например, несущую способность разрушенных горных пород оценивают особыми механическими свойствами — параметрами запредельного деформирования и прочности, определяемыми на специальных жёстких испытательных прессах.

Механические свойства предопределяют результат практически любого механического воздействия на горные породы, возникающего в процессах эксплуатации месторождения и переработки полезных ископаемых. Знание показателей механических свойств необходимо также для расчётов горного давления, выбора методов и средств поддержания горных выработок, расчётов размеров целиков и т.д., а также при расчётах всех немеханических способов разрушения и упрочнения горных пород. При сочетании высокой прочности и упругости горных пород применяют динамические способы разрушения, при пластичности и малой прочности — статическое нагружение пород при разрушении. Наиболее трудно поддаются разрушению горные породы, обладающие высокой прочностью и пластичностью одновременно. При этом целесообразно использование комбинированного воздействия на горные породы (например, термомеханического).

Билет №23

1. Взаимосвязь обрушения пород с опорным давлением на массив

Действие опорного давления на прилегающий рудный массив характеризуется:

• коэффициентом концентрации опорного давления Ко = σд / (γН) (где σд — действующее напряжение);

• шириной зоны опорного давления, т.е. расстоянием от кромки очистного забоя до точки в глубине массива, где действующие напряжения отличаются от первоначальных на 5—7 %;

• максимальной величиной опорного давления и зоной его действия;

• характером деформаций пород в зоне опорного давления.

Характер распределения опорного давления и динамика его изменения находятся в тесной взаимосвязи с состоянием располагающегося над выработанным пространством массива горных пород. Эта взаимосвязь особенно большое значение имеет при применении систем с обрушением, когда необрушающиеся зависающие породы могут создавать такое опорное давление, в результате которого раздавливается прилегающий рудный массив, разрушаются подготовительные и нарезные выработки, могут возникать горные удары. Для снижения опорного давления, обеспечения безопасной и эффективной отработки необходимо постоянное и планомерное обрушение подрабатываемых пород по мере подвигания фронта очистных работ. Изучению механизма опорного давления во взаимосвязи с состоянием налегающих пород при различных системах разработки как в нашей стране, так и за рубежом посвящены многие исследования в лабораторных и производственных условиях. Было установлено, что в прочных породах максимум опорного давления приходится на участки, близко прилегающие к очистному забою, а в породах, склонных к пластическим деформациям — он удален в глубь массива. Отмечается, что зона распространения опорного давления во втором случае занимает большую площадь, чем в первом. В реальных условиях максимум опорного давления в прочных породах обычно располагается на расстоянии 1,0—1,5 м от груди забоя, а в пластичных — более 2,0—2,5 м. В краевой части массива различают зоны пониженных I, повышенных II и первоначальных III напряжений (рис. 8.7).

2. Определение удельного веса, объемного веса и коэффициента пористости горных пород.

Удельный вес—это вес единицы объема твердой фазы породы, т. е.

g0 = GT/VT (1)

где GT и VT—вес и объем твердой фазы образца.

Значения удельного веса горных пород в зависимости от удельного веса породообразующих минералов колеблются обычно в пределах 2,5—5,0 гс/см3.

Объемным весом называют отношение веса основных агрегатных фаз породы (твердой, жидкой и газообразной) к объему, занимаемому этими фазами:

g = G/V, (2)

где G —вес агрегатных фаз породы; V—объем, занимаемый этими фазами.

Объемный вес — это наиболее часто используемая плотностная характеристика горных пород, которая зависит от их состава и структуры. Он всегда меньше удельного веса и лишь для весьма плотных пород может приближаться к нему.

Удельная масса — это отношение массы твердой фазы горной породы к объему твердой фазы:

r0 = mT/VT, (3)

где mT и VT — масса и объем твердой фазы образца.

Плотность (объемная масса) горной породы определяется как масса единицы ее объема (твердой, жидкой и газообразной фаз, входящих в состав породы), т. е.

r = m/V, (4)

где m—масса всех агрегатных фаз породы; V—объем, занимаемый этими фазами.

Удельная масса и плотность породы могут быть выражены через ее удельный и объемный вес:

r0 = g0/g; (5)

r = g/g, (6)

где g—ускорение свободного падения.

В отличие от удельного и объемного весов плотность является параметром вещества в строгом физическом смысле.[4]

Наибольшую плотность имеют массивно-кристаллические изверженные породы, наименьшую — осадочные и некоторые эффузивные (вулканические туфы, пемзы).

Под пористостью горной породы понимают суммарный относительный объем содержащихся в ней пустот (пор). Суммарный относительный объем открытых (сообщающихся) пор характеризует открытую пористость По горной породы. Суммарный относительный объем закрытых (замкнутых) пустот называют закрытой или изолированной пористостью Пи. Пористость, которая определяет движение в породе жидкостей и газов, называют эффективной пористостью Пэ. Общая пористость П определяется совокупностью закрытых и открытых пор. Отношение объема пор к объему минерального скелета называют коэффициентом пористости КП.

Поры по размеру разделяют на три класса: сверхкапиллярные (более 0,1 мм), капиллярные (0,002—0,1 мм) и субкапиллярные (менее 0,0002 мм).

Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор v к полному объему породы V:

П = (v / V)100%. (7)

Пористость горных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до 90 % и более. Принято различать породы с пористостью низкой (менее 5%), пониженной (5—10%), средней (10—15%), повышенной (15—20%) и высокой (более 20 %).

3. Гидрогазодинамические свойства пород.

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.

Билет №24

1. Динамические проявления горного давления и меры борьбы с ними

Наиболее общей формой проявления горного давления является деформирование горных пород, которое приводит к потере ими устойчивости, формированию нагрузки на крепь, динамическим явлениям (горным ударам, внезапным выбросам). Поэтому при проведении горных выработок предварительно рассчитывают горное давление для определения прочности несущих элементов подземных сооружений (стенок выработок, целиков и крепей) и выбора способов управления горным давлением.

Первые методы расчёта горного давления основывались на гипотезе, согласно которой горное давление вызвано весом определённого объёма пород, приуроченного к данному несущему элементу. Одной из наиболее распространённых была гипотеза Турнера (Франция, 1884), на основе которой горное давление в целиках при камерно-столбовой системе разработки определяется весом столба пород (от уровня залежи до поверхности), ограниченного в плане осями симметрии прилегающих к целику камер или просеков. На этой гипотезе основан метод расчёта Л. Д. Шевякова.

Аналогичные гипотезы о горном давлении на крепь подготовительных выработок исходили из предположения о действии на крепь веса столба пород от выработки до поверхности с основанием, равным пролёту выработки. Однако оно приводило даже для небольших глубин к нагрузкам, которые не могла бы выдержать крепь. Поэтому были выдвинуты гипотезы о действии на крепь веса пород в пределах треугольного или сводчатого объёма с основанием, по-прежнему равным пролёту выработки. Наибольшую известность получила гипотеза русского учёного М. М. Протодьяконова (1907), в которой указанный объём представляет собой параболический свод. Его высота (b) связана с полупролётом выработки (а) соотношением: b=а/f, где f — тангенс угла внутреннего трения для сыпучих пород или коэффициент крепости для связных. Расчёты по этой формуле для глубин до 200-300 м (при отсутствии тектонических напряжений) дают практически приемлемые результаты.

2. Определение параметров деформации горных пород.

Динамические методы определения деформационных (упругих) свойств пород основаны на измерении скоростей упругих колебаний, возбуждаемых в исследуемых образцах в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, т.е. фактически являются в то же самое время методами определения акустических свойств пород.

Эти методы разработаны значительно позднее, чем статические, но получают все большее распространение благодаря простоте, малой трудоемкости измерений и применению удобных в работе и надежных серийных измерительных приборов.

Наибольшее распространение в практике исследования свойств горных пород получил импульсный динамический метод, в основе которого лежит пропускание через образец исследуемой породы повторяющихся импульсов ультразвуковых колебаний, по значениям скоростей распространения которых рассчитывают упругие характеристики.

Определение акустических, а затем и упругих свойств импульсным динамическим методом обычно ведут путем прямого прозвучивания и продольного профилирования образцов горных пород. Для прозвучивания образца (рис. 6.3, а) к одному из его торцов прижимают ультразвуковым излучением.

3. Горно-технологические показатели горных пород

свойства и параметры, характеризующие реакцию горных породна воздействие на них различных инструментов (например,буровых), механизмов (например,экскаваторов) или технологических процессов (например, взрыва). Распространение получил также синонимический термин "горно-технологическое свойство горных пород". Технологические свойства принято различать и объединять по видам, группам, категориям и классам, имеющим определённые диапазоны тех или иных технологических свойств и характеристик. На одном и том же месторождении даже одинаковые по наименованию горные породы могут относиться к различным категориям и классам. Технологические параметры горных пород подразделяются на несколько групп по принципу принадлежности к определённым процессам воздействия:

1) характеризующие общую разрушаемость горных пород механическим способом, например твёрдость,крепость,вязкость, дробимость и др.;

2) характеризующие разрушаемость горных пород определёнными механизмами, например буримость, сопротивляемость резанию, экскавируемость,взрываемость, удельные усилия внедрения и др.;

3) оценивающие воздействие породы на инструмент, например абразивность;

4) оценивающие качество полезных ископаемых, например коксуемость дляуглей, морозостойкость итермостойкостьдля строительногокамня;

5) устанавливающие производительность или эффективность различных процессов воздействия на горные породы (кроме разрушения), например обогатимость, флотируемость,устойчивостьв отвалах и др.;

6) определяющие эффективность воздействия на горных породах различными немеханическими методами с целью их разрушения, упрочнения, плавления и т.д., например термобуримость, нагрев высокой частоты, электромеханическая разрушаемость и др.

Билет №25

1. Цели и задачи дисциплины. Место физики горных пород среди других наук.

ФГП изучает физические свойства породы и процессы с целью использования их для решения задач горного производства. Место ФГП среди других наук определяется ее методами, объектами и направленностью исследований. По объектам исследований ФГП близка к геологическим наукам – кристаллографии, минералогии, петрографии. Без знания минерального состава и структурно-текстурных особенностей пород и условий их залегания невозможно изучение физических свойств пород, обоснованное объяснение физических явлений, происходящих в них. Поэтому данные о составе, строении, генезисе пород, их залегании ФГП заимствует у геологических наук и использует для своих исследований. По методам исследований ФГП близка к физике твердого тела, явления и свойства объясняются и изучаются с позиций современной физики твердого тела, используется ее математический аппарат и экспериментальные методы.

Изучение физических явлений в породах дает возможность совершенствовать как машины и механизмы, так и методы горной технологии, создавать принципиально новые способы добычи полезных ископаемых и извлечение полезных ископаемых из руд.

Из вышеизложенного вытекают следующие научные и практические задачи, которые решает ФГП: А) Установление физических, физико-технических и технологических характеристик горных пород, необходимых для расчета режимов работы и производительности существующего горного оборудования при проектировании горных предприятий и планирования их работы. Б) Разработка и создание принципиально новых физических методов воздействия на породы, выявление областей их применения, расчет их эффективности. В) Разработка принципиально новой технологии производства горных работ на базе изучения физических свойств пород. Г) Изыскание методов и путей создания систем контроля за составом, состоянием и поведением горных пород в процессах горного производства, основанных на изучении свойств пород.

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

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

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

Коэффициент затухания: для скальных ненарушенных горных пород в диапазоне частот 1-100 Гц составляет 10-6-10-3 м-1, для частот 1-10 кГц — 5•10-2-1м-1; для рыхлых пород в диапазоне 1-100 Гц — 10-2-10-1м-1. Скорости распространения продольных волн для магматических пород (гранит, диабаз, габбро) 4500-6800 м/с, метаморфических (кристаллические сланцы) 4000-5600, осадочных (известняки, доломиты) 3200-5500, в грунтах 300-1900 м/с.

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

3. Тепловое расширение пород

Коэффициенты линейного и объемного теплового расширения пород являются важнейшими теплофизическими характеристи-ками, обусловливающими способность пород трансформировать тепловую энергию в механическую, т. е. во внешнюю работу.

Связь между коэффициентом теплового расширения пород и минеральным составом осуществляется не непосредственно, а через произведение параметров утК или ееЕ. Большие значения параметра аЕ присущи, например, кварцу.

Вследствие этого высокие значения коэффициента теплового расширения характерны для кварцитов (1,1 -Ю-5 К~!) и грани-тов (0,8- Ю-5 К"1). Кристаллы и слоистые горные породы имеют различное теп-ловое расширение в разных направлениях. Для них угфЗа.

Так, у диопсида, например, ут/а=1,5, у роговой обманки ут/а = 2,5. Монокристалл кальцита при нагревании расширяется только в одном направлении, а в остальных направлениях он сокращается.

Расширение кварца в одном из направлений превышает расширение его в других направлениях в 2 раза. Установлено влияние химического состава пород на их тепловое линейное расширение. Коэффициент линейного теплового расширения а кварцитов увеличивается с увеличением размеров зерен.

Это связано с увеличением сил поверхностного натяжения при уменьшении размеров зерен, противодействующих силам теплового расширения.

Билет №26

1. Тепловые свойства горных пород

свойства, определяющие термодинамическое состояние и тепловые процессы, идущие в горных породах. К тепловым свойствам относятся теплопроводность, теплоёмкость, термостойкость и др. Для расчёта тепловых процессов необходимо знать температуры плавления, кипения и разложения породы, а также — удельную теплоту плавления и испарения.

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

2. Базовые физико-технические параметры горных пород

Физико-технические параметры, описывающие объемный, накопительный процесс, являются скалярными и не зависят от направления действия внешнего поля (например, плотность, теплоемкость). Остальные параметры зависят от направления поля действия и степени ориентации минеральных частиц и поэтому в общем виде описываются векторами и тензорами.

Они называются тензорными. Классификация наиболее часто применяемых физико-технических свойств и параметров пород. доска сухая8% недорого. Определения параметров даны при рассмотрении соответствующих свойств горных пород в образце.

Известно более ста физико-технических параметров пород, измерить такое количество их для всех видов и разновидностей пород не представляется возможным.

С целью сопоставления разных пород, совместного их рассмотрения, анализа и классификации выделяют некоторую ограниченную группу физико-технических параметров, являющуюся минимально необходимой и достаточной для характеристики породы как физического и геологического тела и объекта горной разработки одновременно.

Такие параметры горных пород носят; название базовых. К базовым отнесено 12 элементарных, исходных и независимых физических параметров, позволяющих вычислять максимальное количество других параметров пород.

Базовые физические параметры служат общим фундаментом для изучения всех пород. Поэтому их определение является обязательным.

1. Влияние минерального состава и строения пород на их физические свойства

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.

3. Управление горным давлением в окрестности капитальных и подготовительных выработок.

УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ — совокупность мероприятий по ограничению интенсивности проявлений горного давленияв целях обеспечения безопасности и необходимых производственных условий вгорных выработках. Управление горным давлением в капитальной илиподготовительной выработкеимеет своей целью ограничить смещения контура выработки и предотвратить вывалообразование в кровле. Оно осуществляется путём назначения адекватных конструктивных параметровкрепей горных— несущей способности и податливости. Для блочных итюбинговых крепейэти параметры регулируются моментом сопротивления, прочностными свойствами материала и деформационными свойствами податливых прокладок между элементами (если они имеются). Урамных крепейнесущая способность регулируется, кроме того, расстоянием между рамами и конструкцией соединительных замков (узлов податливости). Управление горным давлением в подготовительных выработках, сохраняемых после проходалавы, осуществляется также возведением охранных сооружений (полос,органной крепии т.п.) за контуром выработки (см.Охрана горных выработок).

Одним из способов управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках является расположение их в разгруженных зонах, которые образуются при надработке очистными работами(подработка с этой целью практикуется редко).

Билет №27

1. Определение горно-технологических свойств пород. Твердость, хрупкость и пластичность пород.

Метод Шрейнера позволяет определять не только твердость породы, но и оценивать ее упругость и пластичность. На рис. 5.1 представлены зависимости δ=f(F) для хрупких, упруго-пластичных и пластичных пород. Хрупкие породы характеризуются разрушением без заметных пластических деформаций. Упруго-пластичные породы до разрушения претерпевают как упругие (участок О—А), так и пластические (участок А—С) деформации. Для пластичных пород характерно отсутствие хрупкого разрушения. Упруго-пластичные свойства пород характеризуются коэффициентами хрупкости и пластичности. Коэффициент хрупкости представляет собой отношение работы, затраченной на деформирование образца до предела упругости, к общей работе деформации до момента разрушения, которые пропорциональны площадям ОАР и ОВСО на рис. 5.1.

Коэффициентом пластичности называется отношение общей работы деформации до момента разрушения к полной работе упругих деформаций породы:

Л. А. Шрейнер предложил классификацию пород по пластичности, в которой коэффициент пластичности изменяется от 1 до 6. Для высокопластичных пород, которые не дают хрупкого разрушения под штампом, коэффициент пластичности принято считать равным бесконечности. В Институте горного дела им. А. А. Скочинского предложен метод определения твердости путем внедрения штампов в необработанную поверхность образцов. Используются образцы объемом 150—200 см3 с двумя примерно параллельными гранями и цилиндрические штампы диаметром 2—4 мм. Получаемый показатель авторы назвали контактной прочностью Рк. Он меньше твердости по штампу и корреляционная связь между ними выражается соотношением:

Твердость — это свойство горной породы сопротивляться внедрению или вдавливанию в нее более твердого тела, в частности породоразрушающего инструмента. При внедрении инструмента ограниченного сечения в месте контакта формируется зона материала, находящаяся в сложном напряженном состоянии. Твердостью в значительной степени определяется буримость горной породы; существуют методы определения буримости на основе показателей твердости. Для горных пород, являющихся поликристаллическими телами, выделяется твердость отдельных минералов (зерен) и агрегатная твердость. В зависимости от характера нагружения образца различают статическую и динамическую твердость. Для определения относительной твердости используют шкалу Мооса, состоящую из 10 эталонных минералов, расположенных в порядке возрастания твердости: 1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — ортоклаз, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз. Наиболее широкое распространение получили методы определения твердости вдавливанием. Для металлов известны методы Бринелля (вдавливание стального закаленного шарика); Роквелла (вдавливание шарика или алмазного конуса); Виккерса (вдавливание алмазной четырехгранной пирамиды). Для определения твердости горной породы, которую называют агрегатной, пользуются следующими способами. По методу Шрейнера определяется твердость по штампу. Сущность метода заключается в определении удельной нагрузки при внедрении штампа с малой площадью контакта в отшлифованную поверхность образца. Площадь контакта настолько мала, что происходит поверхностное разрушение с образованием лунки выкола. Штампы могут быть стальными калеными или твердосплавными, по форме — цилиндрическими или коническими, с площадью торца 1—5 мм2 в зависимости от твердости пород. Применяемые образцы имеют либо форму цилиндров d=50—60 мм, либо пластин толщиной 30—50 мм. При меньших размерах может произойти не поверхностное, а объемное разрушение. Испытания проводят на специальных установках УМГП-3. Это настольный механический пресс с электроприводом, оснащенный регистрирующей аппаратурой, которая записывает диаграмму F—δ (нагрузка — абсолютная деформация). Твердость по штампу определяется по формуле

где F — нагрузка в момент разрушения, Н; Sш — площадь штампа, мм2. С уменьшением твердости пород следует применять штампы с большей площадью. В противном случае под штампом не происходит хрупкого разрушения. При вдавливании в пластичные и сильно пористые породы разрушение происходит не всегда. В этом случае мерой твердости условно считают предел текучести.

2. Электрические свойства горных пород

К основным электрическим свойствам относятся: электрическое сопротивление или обратная ему величина — электропроводность, поляризуемость и диэлектрическая постоянная. Наибольшее значение в практике геологических и горных исследований имеет изучение удельного электрического сопротивления пород и минералов, определяемого как сопротивление куба вещества (со сторонами 1 м) электрическому току, направленному перпендикулярно одной из его граней. Удельное электрическое сопротивление зависит от сопротивления минералов, слагающих горные породы, и флюидов, заполняющих поры, от влажности, пористости, структуры породы, температуры и давления в массиве. К хорошо проводящим (10-6-10-4 Ом•м) относятся самородные металлы, к полупроводникам (10-5-103 Ом•м) — большая часть рудных минералов (пирит, пирротин, галенит, ковеллин, сфалерит и др.); к диэлектрикам — большая часть породообразующих минералов, в том числе все минералы класса силикатов, сульфатов, карбонатов, некоторые оксиды (кварц, корунд). Минеральный скелет горных пород проводит ток значительно хуже, чем природные растворы, заполняющие поры и трещины, поэтому с увеличением увлажнённости горных пород, их пористости электрическое сопротивление уменьшается в 10-30 раз. При замерзании воды в порах и других пустотах сопротивление возрастает на 2-3 порядка. Удельное электрическое сопротивление горных пород растёт также с увеличением их газо- и нефтенасыщенности. Поскольку структура, пористость и влажность различны для основных генетических горных пород — осадочных, изверженных и магматических, то соответственно различно и их электрическое сопротивление. Наименьшие значения сопротивления характерны для осадочных горных пород (за исключением каменной соли, гипса и ангидрита), что объясняется их повышенной пористостью и увлажнённостью, более высокие значения имеют метаморфические горные породы, сопротивление которых растёт с увеличением степени метаморфизма (до тысячи Ом•м), наибольшие сопротивления наблюдаются у изверженных горных пород (тысячи — десятки тысяч Ом•м). Удельное сопротивление большей части руд зависит от процентного содержания в них хорошо проводящих минералов и их структурно-текстурного соотношения с непроводящими минералами. Наибольшей проводимостью (10-2-10 Ом•м) обладают массивные колчеданные и полиметаллические руды.

3. Диэлектрическая проницаемость пород

Диэлектрическая проницаемость е минералов и горных пород изменяется с повышением температуры и давления. Закономерность изменения ε в условиях высоких температур и давлений существенно зависит от частоты электрического поля. При повышении температуры диэлектрическая проницаемость большинства минералов и горных пород до некоторого значения сохраняется постоянной или слабо увеличивается, а затем возрастает интенсивно. С повышением частоты электрического поля расширяется область температуры, в которой в изменяется слабо. Предельная температура в этой области зависит не только от частоты электрического поля, но и от кристалло- и петрохимических особенностей минералов и горных пород. Минералы, содержащие в своем составе лишь катионы Fе2+, F3+ или сочетание их с Nа+ и Са2+, обнаруживают при 100 °С высокие значения e (альмандин, геденбергит, эгирин, рибекит, родусит, актинолит и др.) и интенсивное увеличение диэлектрической проницаемости с повышением температуры. Минералы магнезиального состава (энстатит, антофиллит, тремолит) и полевые шпаты с высоким сопротивлением (ортоклаз, микроклин) в диапазоне 10—107 Гц проявляют слабую дисперсию и характеризуются значительной областью небольшого изменения e (см. табл. 45). Широкий диапазон значений диэлектрической проницаемости горных пород (от сотен до нескольких единиц при f=103 Гц) в интервале температур 200—1000 °С существенно сужается с повышением частоты и обычно находится в пределах 5—10. Диэлектрическая проницаемость большинства исследованных пород с ростом давления увеличивается. Это объясняется увеличением числа поляризованных частиц в единице объема. Плавный характер зависимости e = f(р) для минералов и горных пород нарушается при физико-химических процессах — дегидратации, диссоциации карбонатов и др. Для решения ряда геологических и геофизических задач необходимы взаимосвязи между различными параметрами минерального вещества при высоких термодинамических параметрах.

Билет №28

1. Внезапные выбросы угля и газа.

Внезапный выброс угля и газа - это очень грозное явление, жертвами которого периодически становится много шахтеров. Уголь, который выбрасывается в выработку из угольного пласта, находится в состоянии пыли. Такая пыль, когда ее много, ведет себя как паста и часто бывает, что в результате выброса эта пыль буквально запечатывает выработки прямо вместе с находящимися там людьми [1].

Выброс угля и газа является наиболее сложным из всех явлений и представляет собой быстроразвивающееся разрушение горного массива под действием горного и газового давления впереди забоя выработки с последующим отбросом разрушенного угля. Сила этого явления измеряется от нескольких тонн до нескольких тысяч тонн. Количество выбрасываемого метана при этом измеряется кубическими метрами и, как правило, значительно превышает количество выбрасываемого угля.

Естественно, что при таких последствиях выбросов угля и газа работа людей в шахтах становится небезопасной.

Отличительными признаками внезапного выброса угля и газа являются:

- отброс угля от забоя на расстояние, превышающее протяженность возможного размещения его под углом естественного откоса;

- образование в угольном массиве полости;

- смещение угля в выработку;

- повышенное по сравнению с обычным выделение газа в горную выработку.

Внезапному выбросу угля и газа могут предшествовать предупредительные признаки: резкое увеличение газовыделения в выработку, шелушение забоя, появление пылевого облака на груди забоя, удары и трески в массиве, выдавливание или высыпание угля из забоя, отслаивание кусочков угля от забоя, зажим, выталкивание или втягивание бурового инструмента, вынос газа и штыба при бурении.

2. Определение параметров деформации горных пород

Динамические методы определения деформационных (упругих) свойств пород основаны на измерении скоростей упругих колебаний, возбуждаемых в исследуемых образцах в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, т.е. фактически являются в то же самое время методами определения акустических свойств пород.

Эти методы разработаны значительно позднее, чем статические, но получают все большее распространение благодаря простоте, малой трудоемкости измерений и применению удобных в работе и надежных серийных измерительных приборов.

Наибольшее распространение в практике исследования свойств горных пород получил импульсный динамический метод, в основе которого лежит пропускание через образец исследуемой породы повторяющихся импульсов ультразвуковых колебаний, по значениям скоростей распространения которых рассчитывают упругие характеристики.

Определение акустических, а затем и упругих свойств импульсным динамическим методом обычно ведут путем прямого прозвучивания и продольного профилирования образцов горных пород. Для прозвучивания образца (рис. 6.3, а) к одному из его торцов прижимают ультразвукового излучения

3. При наложении на породу электрического поля в ней происходит смещение внутренних связанных зарядов — сдвижение центров положительных и отрицательных зарядов в кристаллах таким образом, что на поверхности породы появляются неуравновешенные связанные заряды. Эти заряды создают электрическое поле, направленное противоположно внешнему полю и ослабляющее его. Это явление называется поляризацией породы

Билет №29

1. Определение магнитной восприимчивости горных пород

Магнитные свойства горных пород определяются содержанием в них главным образом ферромагнитных минералов, зависят также от их состава, кристаллической структуры, текстурно-структурных особенностей и характера распределения. В связи с этим различают свойства структурно-нечувствительные к текстурно- структурным особенностям горных пород (но не к кристаллической структуре минералов): намагниченность насыщения, точка Кюри; и структурно-чувствительные, которые, кроме того, зависят от размера и структуры ферромагнитных минералов: магнитная восприимчивость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила. Изменение концентрации ферромагнитных минералов в изверженных горных породах определяется тектоническими условиями их образования и составоммагм. В одной тектономагматической зоне намагниченность статистически растёт от пород кислого состава к основным (минимальным значениям вгранитахскладчатых зон). В целом с увеличением степениметаморфизманамагниченность уменьшается, хотя её значения сильно изменяются от типа метаморфизма. Например,серпентинизацияперидотитов, в которых отсутствуют первичные магнитные минералы, приводит к образованию магнетита и росту намагниченности.

2. Значение взаимосвязей свойств горных пород

Знание взаимосвязей физических свойств горных пород позво-ляет определить по известным параметрам другие. Это, в свою очередь, позволяет решать многие научные и практические за-дачи горной науки и горного производства. К ним могут быть отнесены следующие:

установление комплекса физических свойств пород в мас-сиве и их распределения по результатам измерения одного-двух параметров, наиболее легко определимых в массиве: напри-мер, по измеренным значениям удельного электрического сопро-тивления— коэффициент теплопроводности, прочность, крепость пород и т. д.;

снижение объема определений свойств пород благодаря воз-можности их расчета по известным взаимосвязям: например, по определенному только а_сж устанавливают по взаимосвязям еще и Е, v и т. д.;

установление физических свойств пород на образцах малых размеров по величине физических параметров, поддающихся измерению на таких образцах. Например, отсутствие достаточ-ного количества по объему и размерам проб лунного грунта потребовало для их определения использования взаимосвязи между Е и А, горных пород;

установление ряда свойств пород в условиях сложного воз-действия температур, давления, вакуума, которые непосредст-венно в этих условиях не могут быть измерены. Например, в установке высокого давления на малом образце определяют только модуль Юнга Е, а по взаимосвязи Е—Я — коэффициент теплопроводности;

эиспрессное установление требуемых для расчета процессов горного производства параметров по некоторым известным дру-гим параметрам, например, по крепости — модуля Юнга и пре-дела прочности при сжатии, нужных для расчета производи-тельности бурового станка; разработка методов контроля различных процессов в горных породах.

3. Определение удельного электрического сопротивления горных пород.

По результатам замеров кажущегося сопротивления одним зондом мы можем определить границы пластов и лишь приближенно судить о величине удельного электрического сопротивления горных пород. Для более точного определения удельного сопротивления пластов по кривым кажущегося сопротивления применяют специальную методику — боковое электрическое зондирование (сокращенно БЭЗ)1. Эта методика заключается в измерении кажущегося сопротивления с помощью не скольких пяти (семи градиент-зондов) или реже потенциал-зондов различной длины. Чем больше длина зонда, тем больше радиус его исследования. Применение комплекта зондов различ­ной длины позволяет при интерпретации учесть влияние бурового раствора на величину кажущегося сопротивления, найти истинное сопротивление пласта, установить наличие проникновения фильтрата бурового раствора в пласт, оценить удельное сопротивление и глубину зоны проникновения раствора. Для успешной интерпретации диаграмм по методу БЭЗ необходимо также иметь кривую изменения фактического диаметра скважины с глубиной (кавернограмму) и кривую изменения удельного сопротивления бурового раствора по стволу скважины.

Билет №30

1. Дефекты в породах, их роль и влияние на прочность горных пород

На основе теоретического расчета потенциальной энергии ионов в кристаллах можно установить усилия, требуемые для разрушения твердых тел. Однако экспериментально получаемые величины прочности в сотни, а иногда и в тысячи раз меньше теоретических (для меди, например, в 1500 раз). Причина расхождений заключается в наличии множества различных дефектов в кристаллах, снижающих связи между частицами в их кристаллической решетке (рис. 26). 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 от их макростроения. 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 (см. приложение 7). 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.

2. Исследование изменения деформаций в горных породах во времени при одноосном напряженном состоянии.

Реологические свойства характеризуют изменение (рост) во времени деформаций в горных породах при постоянном напряжении (явление ползучести) либо изменение (падение) напряжений при постоянной деформации (явление релаксации). Ползучесть и релаксация напряжений связаны с переходом упругих деформаций в пластические, необратимые.

Сложное реологическое поведение горных пород можно изучать экспериментально и теоретически. Экспериментально реологические свойства определяются испытанием горных пород или при постоянной нагрузке (простая ползучесть), или при постоянной деформации. Наибольшее распространение получили испытания при постоянной нагрузке, что связано со значительной простотой эксперимента по сравнению с испытаниями на релаксацию напряжений. Теоретический метод исследования заключается в установлении зависимости между действующими на горные породы напряжениями, вызываемыми деформациями, и их изменениями во времени.

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

3. Определение удельного волнового сопротивления и динамического модуля упругости методом импульсного прозвучивания.

Характер распро­странение упругих колебаний в породах определяется их акустическими параметрами, к которым относятся: ско­рость распространения упругих волн, коэффициенты по­глощения, преломления и отражения, удельное волновое сопротивление.

Удельное волновое сопротивление (удельный акусти­ческий импеданс) – это отношение давления звуковой вол­ны р к мгновенной скорости v’ колеблющихся частиц или произведение плотности породы  на скорость распространения в ней упругой волны:

Удельное волновое сопротивление характеризует спо­собность горных пород отражать и преломлять упругие волны.

Метод импульсного прозвучивания позволяет опреде­лить важнейшие динамические показатели горных пород:

модуль упругости, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, модуль объемной упругости и акустическую жесткость.

Динамический модуль упругости Е_дин определяется по скорости распространения упругих волн

Е_дин = V_p² • ,

где V_p — скорость упругой волны в стержне, м/с;

 — плот­ность образца горной .породы, Н • с²/ м⁴.

Следовательно, определив скорость распространения продольных и поперечных волн в образцах породы, можно определить динамические показатели свойств горных пород.

Скорость распространения продольных звуковых волн определяют с помощью установки УКБ-1м. Дефектоскоп УКБ-1м работает с искательными головка­ми, номинальные рабочие частоты которых составляют 25, 60 и 150 кГц.

В данной работе используется метод прямого прозвучивания, при котором излучатель и приемник располага­ются на противоположных концах образца породы. При этом скорость прохождения продольной волны определяется по формуле:

V_p = L/t,

где L – длина образца, м;

t — время прохождения ульт­развуковой волны, с.

В образец с помощью излучателя посылаются ультра­звуковые импульсы, которые принимаются, усиливаются и подаются на электронно-лучевую трубку.