Классификация свойств горных пород
Горные породы как объект разработки
СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Под горными породами понимают природные образования - агрегат минералов, слагающих самостоятельные геологические тела. Свойства горных пород определяются их составом и строением. Минеральным составом называется относительное объемное содержание в породе различных минералов. Строение горных пород может быть выражено в единстве двух понятий - структуры и текстуры. Под структурой понимают размер и форму, образующих породу минеральных зерен. Основные типы структур -кристаллическая, скрытокристаллическая, аморфная, порфировая, обломочная. Текстура характеризует взаимное пространственное расположение минеральных зерен. Различают массивную, пористую, слоистую текстуры.
Структура и текстура пород являются качественными (диагностическими) признаками. Совместно с минеральным составом они определяют петрографическое наименование породы. Напротив, название породы дает общее представление о ее минеральном составе и строении. Однако в силу чрезвычайно большого многообразия реальных горных пород, судить об их свойствах, основываясь только на названии породы, практически невозможно. Поэтому в принципе невозможно создать исчерпывающий справочник свойств горных пород. Каждый раз для конкретной породы необходимо непосредственное определение ее характеристик. Д)Ія знакомства с методами определения свойств горных пород предусмотрен цикл лабораторных работ.
|
|
Горная порода является сложным многокомпонентным телом. В ее состав входят как твердые минеральные частицы, так и жидкости и газы, которые находятся в порах и трещинах породы. По степени неоднородности состава и строения, а также изменчивости свойств горные породы не имеют аналогов среди других, используемых человеком материалов. Кроме того, слагаемые горными породами массивы, как правило, имеют развитую систему трещиноватости, тектонические нарушения, слоистое строение. Все это обусловливает существенную (десятки процентов) вариацию свойств горной породы даже в одной пробе. В этой связи единичный акт измерения какого-либо показателя не дает возможности достоверно оценить величину свойства породы. Объективная информация может быть получена только тогда, когда установлен вероятностный закон распределения конкретного показателя. Для эффузивных пород Урала средняя вариация свойств представлена в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Вариация свойств горных пород
Показатели свойств | Граница изменчивости в пределах слоя | Относительная ширина интервала, % | Коэффициент вариации единичных измерений, % |
Объемная масс, г/см. куб. | 2,2-3,2 | 3,5 | |
Пористость, % | 0,3-36 | ||
Скорость упругой волны, км/с | 1,2-6,5 | ||
Модуль упругости, ГПа | 3-85 | ||
Прочность при растяжении, МПа | 0,8-32 | ||
Прочность при сжатии, МПа | 12-227 | ||
Дробимость, | 1,0-18 | ||
Абразивность, мг | 1-104 | ||
Контактная прочность, МПа | 160-3900 |
В зависимости от состояния, определяющего технологию их разработки, различают следующие типы горных массивов: скальные, рыхлые (разрушенные), глинистые (связные). Часто выделяют особое состояние массива влажных пород - мерзлые, когда за счет отрицательных температур вода в массиве кристаллизуется, существенно изменяя свойства, особенно рыхлых и глинистых пород. Кроме того, скальные массивы разделяют по степени трещиноватости на несколько (обычно пять) технологических категорий.
|
|
Под свойством горной породы в общем случае понимают ее реакцию IKL внешнее воздействие. Численно каждое свойство характеризуется одним или несколькими параметрами. Существуют три основных способа воздействия на горную породу при ее добывании и переработке, соответствующие трем основным видам энергии - механической, термической и электромагнитной. Поэтому целесообразно выделить и три основных класса свойств. К этому следует добавить класс свойств, характеризующий поведение горной породы в гравитационном поле. Горные породы, содержащие радиоактивные элементы (уран, торий, радий) или радиоактивные изотопы таких элементов, как калий, кальций, вольфрам и др., характеризуются радиоактивными свойствами. Иногда этот класс свойств объединяют с электромагнитными, рассматривая их как реакцию горной породы на воздействие потоков микрочастиц или электромагнитных волн значительной жесткости (рентгеновские, гамма-лучи). Кроме того, горные породы характеризуются гидравлическими и газодинамическими свойствами, описывающими поведение породы при воздействии на нее жидкостей и газов. В целом данные свойства можно отнести к классу механических, так как последний включает в себя все свойства, проявляющиеся при воздействии на породу любого вещественного поля.
Таким образом, структура классификации свойств горных пород может быть представлена в следующем виде
I. Плотностные - характеризуют поведение породы в гравитационном поле.
II. Механические:
1) упругие - взаимосвязь обратимых деформаций и напряжений в горных породах;
2) акустические - закономерности распространения в породах упругих ноли;
3) прочностные - разрушаемость горных пород;
4) пластические - взаимосвязь необратимых деформаций и напряжений в горных породах;
5) реологические - изменение механических свойств пород во времени;
6) горно-технологические - поведение пород при воздействии на них различных инструментов и технологических процессов.
III. Тепловые - характеризуют поведение горных пород при нагреве и охлаждении.
IV. Электромагнитные:
1) электрические - поведение горных в электрическом поле;
2) магнитные - поведение пород в магнитном поле.
V. Радиоактивные - специфическое поведение горных пород, содержащих радиоактивные элементы или изотопы.
Минералы, слагающие горные породы, могут находиться в аморфном (обсидиан) или кристаллическом состоянии. Причем абсолютное большинство пород относятся к классу кристаллов. Основной особенностью кристаллов является геометрически правильное расположение частиц (атомов, ионов или молекул) в пространстве, образующее кристаллическую решетку. В основе кристаллической решетки лежит элементарная кристаллическая ячейка. В зависимости от ее геометрии различают семь видов кристаллической сингонии, которые обеспечивают все многообразие форм реальных кристаллов. Каждая сингония отличается положением оси, плоскости и центра симметрии, координационным числом и атомным радиусом.
|
|
Влияние строения на свойства кристаллов и минеральных образований ярко прослеживается на примере алмаза и графита, которые являются двумя различными кристаллическими формами одного и того же химического элемента - углерода. Здесь в отличие от плотной упаковки алмаза, где каждый атом углерода помещается в центре тетраэдра, образованного атомами, являющимися его ближайшими соседями, кристалл графита имеет слоистое строение и легко делится на чешуйки. Силы связи (графита) между слоями ослаблены за счет большего расстояния между атомами по сравнению с расстоянием между атомами, находящимися в одной плоскости.
Упорядоченное расположение атомов в узлах кристаллической решетки обусловливает анизотропию свойств кристаллов, заключающуюся в различии величины векторных характеристик свойств, измеренных в разных направлениях. Действительно, уже сама симметрия кристаллов предопределяет тот факт, что расстояние между атомами, а следовательно, силы связи между ними в разных направлениях различны. В то же время горные породы, как правило, являются поликристаллическими телами, т.е. они состоят из очень большого числа сросшихся кристаллических зерен. Если в ориентации этих мелких кристаллов нет какого-либо определенного порядка, то горная порода будет изотропная.
Свойства кристаллов определяются не только пространственным расположением частиц в узлах кристаллической решетки, но типом связи между ними. Различают:
1. Ионные кристаллы.
Ионная связь возникает в результате того, что в процессе образования кристалла электроны от атомов с меньшей электроотрицательностью переходят к атомам с большей электроотрицательностью. Например, в каменной соли (галит) электрон от натрия переходит к атому хлора. В результате образуется пара ионов и. между которыми действует электростатическое (кулоновское) притяжение. В ионных кристаллах одинаковой структуры силы взаимодействия между ионами тем больше, чем выше их валентность и чем меньше сумма их атомных радиусов.
|
|
2. Атомные (ковалентные) кристаллы.
В узлах кристаллической решетки находятся нейтральные атомы, связанные обменным взаимодействием. Природа ковалентной связи может быть описана с помощью квантово-механических представлений, учитывающих волновые свойства электрона. Упрощенно механизм обменного взаимодействия можно представить следующим образом. Пусть имеются два атома (в простейшем случае - атомы водорода). При больших расстояниях между ядрами атомов атомы можно считать изолированными. По мере уменьшения расстояния увеличивается степень перекрытия электронного облака первого атома вторым, т.е. увеличивается вероятность перехода электрона к «чужому» протону. При дальнейшем сближении атомов (рис. 1.1) степень перекрытия облаков растет, и частота обменов электронов местами увеличивается настолько, что теряет смысл говорить о принадлежности электрона 1 протону а и электрона 2 - протону б. В этом случае в системе возникает новое состояние, при котором электроны принадлежат одновременно обоим ядрам. Такие электроны называются обобществленными.
Ковалентная связь возникает при взаимодействии одинаковых атомов с 4 по 7 группу таблицы химических элементов Менделеева, При этом 4-валентные элементы отдают в общее пользование четыре электрона, 5-валентные - три, 6-валентные - два и 7-валентные - один электрон, В этом случае у взаимодействующих атомов оказываются заполненными внешние оболочки обобществленными электронами. Ковалентная связь присуща наиболее твердым кристаллам, например алмазу.
Рис. 1.1. Схема обменного взаимодействия атомов
3. Металлические кристаллы.
Аналогично ковалентным кристаллам в узлах пространственной решетки металлических кристаллов размещаются совершенно одинаковые частицы. Следовательно, ионная связь возникнуть не может. Для установления ковалентной связи у металлов недостает валентных электронов (для большинства металлов координационное число равно 8-12). При кристаллизации металла его атомы сближаются настолько, что волновые функции электронов существенно перекрываются. Вследствие этого валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и могут свободно перемещаться по всему объему металла. Эти коллективизированные электроны и оказывают «цементирующее» действие, удерживая в узлах решетки положительно заряженные ионы металла. Из характера металлической связи видно, что она должна быть более гибкой и эластичной, чем ионная и ковалентная. Иллюстрацией этого является большая пластичность (ковкость) металлов. Наличие высокой концентрации свободных электронов обусловливает хорошую электропроводность и теплопроводность металлов.
4. Молекулярные кристаллы.
В узлах кристаллической решетки находятся устойчивые молекулы, которые сохраняют индивидуальность не только в газообразной, но и в жидкой и твердой фазах (,,.). Молекулы удерживаются в узлах решетки довольно слабыми силами, природа которых сводится к взаимодействию между молекулярными диполями (силы Ван-дер-Ваальса). Молекулярная связь самая непрочная и легко разрушается тепловым движением, вследствие чего молекулярные кристаллы плавятся при очень низких температурах, например лед.
Любой из указанных типов связи только в редких случаях встречается в чистом виде. Обычно связь между атомами в твердом теле представляет собой комбинацию различных типов связей. Например, в межатомном притяжении почти всегда содержится вклад сил Ван-дер-Ваальса.