51. Физическое состояние гп в массив

В массивах горных пород выделяют:

• начальное состояние(массив не нарушен никаким искусственным воздействием)

• нарушенное состояние(ведение горных работ)

Начальное состояние характеризуется естественными физическими полями - жидкостями и газами, насыщающие массивы горных пород.

Вода на земном шаре составляет около 1 % осей массы Земли. При этом на подземные води приходится более 20% всех мировых запасов воды—около км³.

В связи с тем, что при температуре 364 °С вода при любом давлении находится в парообразном состоянии, нижняя граница распространения подземных вод располагается на глубине 10 - 12 км.

До глубины примерно 30 м выделяют так называемую зону аэрации, в которой вода не полностью заполняет поры и пустоты в массивах пород, хорошо насыщена кислородом, поступает из атмосферы (так называемая верховодка).Ниже зоны аэрации располагаются безнапорные грунтовые воды со свободных зеркалом, и далее между водонепроницаемыми пластами напорные артезианские.

Все эти воды относятся к зоне насыщения, вода в которой полностью заполняет пустот и поры в породах и находится под давлением.

По условиям залегания выделяют:

• поровые,

• пластовые,

• трещинные,

• карстовые.

Газы, содержащиеся в массивах горных пород, различаются по химическому составу. Наиболее распространенными являются углекислый газ, сероводород, азот, метан, водород, пары воды. Наибольшее количество газов сконцентрировано в породах органического происхождения.

Газы в породах накапливаются, как правило, в результате биохимических процессов. Метан и водород — продукты метаморфизма углей. Сероводород появляется при взаимодействии сульфатных вод с метаном. За счет различного давления в разных точках массива наблюдаются перемещение (дренаж) газов в сторону пониженного давления и выделение в атмосферу, где газовое давление становится равным атмосферному. Эти зоны называются зонами газового выветривания. Горные породы в массивах находятся под воздействием различных естественных нагрузок — давления вышележащих слоен пород, сил тектонического движения земной коры, напора подземных вод, давления газов н др. Вся совокупность этих сил, приводящих к возникновению напряженнодеформированного состояния породы, называется горным давлением.

В плотных нетрещиноватых породах максимальные вертикальные напряжения вызванные действием гравитационных сил на глубине Н, могут быть рассчитаны по известному объемному весу пород γ:

γН

Горизонтальные напряжения и вызванные горизонтальнымн составляющими гравитационного поля, рассчитывают, используя уравнения теории упругости

νγН(1-ν)

v/(l—v) – коэффициент бокового распора и находится в пределах 0.2 - 0.9.

Наряду с напряжениями, вызванными действием гравитационных сил в массивах пород существует поле тектонических напряжений, возникающих вследствие тангенциального сжатия земной коры. Тектонические напряжения в первом приближении можно принять горизонтальными. Часто тектонические напряжения превосходят гравитационные в десятки раз.

Различные характер и форма залегания пород в массивах (слоистость, перемятость, трещниоватость, тектонические нарушения) различное чередование пород с разными свойствами вызывают:

• неравномерность распределения напряжений в массиве,

• появление зон повышенного\пониженного давлений,

• растягивающих и сдвигающих напряжений.

Измерения показывают, что реальные напряжения вблизи тектонических разломов всего на глубине нескольких сотен метров могут достигнуть 100 МПа. Наряду с естественными папряженнями породы в массиве могут испытывать напряжения, которые появляются в результате технологического воздействия на породы (бурение, взрывание, дробление и т. д.).

Естественные тепловые поля н массивах горных пород обусловлены внутренними источни ками тепла- распад радиоактивных элементов, приливное трение, гравитационную дифференциа цию, химические реакции и др. Приток тепла к земной по верхности происходит с глубин 700 км, плотность теплового потока изменяется примерно от 2*10^-2 до 13*10^-2 Вт/м².

Термические условия массива горных пород характеризуются геотермическим градиентом Г.

градиентом Г – показывает , на сколько градусов возрастает температура в массиве при углублении на 1 м.

В зависимости от строения массива ГП тепловое поле может исказиться. На распределение температур влияют:

• неоднородность,

• слоистость,

• складчатость толщи ГП

• движение жидкости и газов в породах.

При Г ==3,3 • 10^-2 К/м температура на глубине 1км составляет 48 °С, а на глубине 3 км 115°С На некоторых глубоких рудниках естественная температура горных пород приближается к 80-90 °С. При этом меняется ряд свойств горных пород (реологические, электрические и др.). С возрастанием температуры снижается вязкость растворов, циркулирующих в массиве, усиливается их фильтрация, возрастают корость диффузии молекул и ионов, растворимость пород.

Верхний слой горных пород подвержен сезонным колебаниям температур.

При разработке сульфидных руд и каменных углей возможны локальные источники повышенного нагрева горных пород вызванные их окислением

возможно повышение температуры пород при выполнении различных технологических операций, даже не связанных с тепловым воздействием на породы. Например, при механическом бурении забой скважины интенсивно разогревается. В месте контакта с инструментом породы могут нагреться до температуры 800 °С.

Магнитное поле Земли характеризуется вектором полной напряженности Т. В естественных условиях вектор Т направлен приблизительно на север и в глубь Земли.

Распределение элементов геомагнитного поля на поверхности Земли показывает, что Земля приближенно может рассматриваться как однородно намагниченный шар с магнитным моментом, равным 6.77 • 10²¹ А*м².

Напряженность магнитного поля Земли колеблется в пределах от 24 до 48 А/м. Существуют локальные магнитные поля, которые могут значительно превосходить магнитное поле Земли. Геомагнитное поле непостоянно но времени.

Изменения геомагнитного поля создают в массивах пород электрические поля.

Плотность нормального электрического поля Земли составляет 1.1 • 10^-9 Кл/м²., общий потенциал всей поверхности Земли— 5,4 • 10⁸ В. На фоне нормального электрического поля выделяются поля более высоких папряженностей —теллурические и локальные.

Причина т е л л у р и ч ее к их полей: изменение электрического состоянии ионосферы под воздействием солнечной радиации. Электромагнитные поля в атмосфере индуцируют переменные поля в земной коре. Поэтому теллурические поля переменные, они могут быть одновременно охарактеризованы векторами напряженности электрического и магнитного полей.

В аномальных случаях напряженность теллурических полей достигает (5—6) • 10^-3 В/м. Эти токи не влинют существенно на физические свойства пород. они служат важным источником информации о составе и строении массивов горных пород.

Локальные поля, как правило, постоянны и образуются на контактах различных пород с разным типом электрической проводимости.

Причины локальных полей-возникновение окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных, фильтрационных, термоэлектрических и биологических явления в породах, а также взаимное трение отдельных массивов в процессе горообразования, сдвижений и т. д. Напряженности этих нолей могут быть различны.

Локальные поля, приуроченные к месторождениям полезных ископаемых, имеют небольшую напряженность и могут служить лишь источником информации о массивах пород.

Наибольшей интенсивностью обладают естественные ноля электрохимической природы, наблюдаемые в сульфидных, угольных и графитовых месторождениях и возникающие в результате окислительно-восстановительных реакций при активном участии подземных вод. Окислительные реакции сопровождаются высвобождением электронов в атомах окисляющих элементов. Залежь заряжается положительно. Если же протекают восстановительные реакции, связанные с присоединением электронов, залежь заряжается отрицательно. Наличие в двух частях залежи обеих процессов приводит к тому, что в окружающей среде возникает разность электрических потенциалов.

На контактах разных пород с различной минерализацией подземных вод возникают диффузионно-адсорбционные явления. Из раствора с большей минерализацией в раствор с меньшей минерализацией происходит диффузия ионов.

Диффузионный потенциал:

где К_с — коэффициент свободного диффузионного потенциала,

Чаще всего диффузионно-адсорбционные потенциалы возникают на контакте глин и песков.

Фильтрационные потенциалы появляются в результате фильтрации жидкости по трещинам и порам породы, стенки которых способны адсорбировать ионы одного знака (чаще отрицательные). Положительные же заряды выносятся но направлению движения, и результате чего возникает разность потенциалов между началом и концом фильтрационного потока. Напряженность электрического поля, вызванного фильтрацией, Е_ф зависит от минерального состава, пористости пород, гидрогеологических факторов (напора) и может быть подсчитана но формуле

где — разность потенциалов между стенкой канала и раствором;

—средняя скорость движения раствора;

г₀— радиус канала (поры).

Аномалии напряженности электрического ноля, возникающие в результате локальных токов, достигают нескольких сотен милливольт.