Какие физические свойства горных пород

Физические свойства горных пород характеризуют их физическое состояние. К ним относятся: степень связности, пористость, плотность, структура, текстура, зернистость и др.

Структура характеризует внутреннее строение, т.е. форму, размер и взаимное расположение минералов в породе, состав цемента в осадочных породах, а также

Таблица 8

вид связей между зернами (табл. 8). Мелкозернистые породы при одинаковом минеральном составе, как правило, обладают более высокой прочностью, чем крупнозернистые или породы неравномернозернистого строения. Прочность и устойчивость осадочных горных пород зависят главным образом от состава цементирующего вещества, а также типа цементации. По составу цементирующие вещества в осадочных породах могут быть кремнистыми, известковыми, глинистыми, а также сложными, например карбонатно-глинистыми и слюдистыми. Наиболее прочными являются кремнистые и карбонатные цементы, наименее прочными – глинистые.

Текстура горных пород характеризует закономерности в распределении и расположении структурных элементов.

Важнейшие типы текстуры горных пород приведены в табл. 9.

Таблица 9

Для многих литологических разновидностей осадочных пород характерна слоистая текстура. На плоскостях раздела может наблюдаться повышенное содержание слюдистых минералов и остатков обуглившейся растительности, что приводит к ослаблению сцепления слоев. Слоистые породы в подземных выработках имеют более слабую сопротивляемость деформационным и разрушающим нагрузкам, чем монолитные. Элементы строения массива (структура и текстура) во многом определяют его прочностные свойства.

Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на трудоемкость рабочих процессов, является плотность (табл. 10). Под ней понимается масса единицы объема породы или отношение массы горной породы к ее объему:

Ρ=m/V,

где m – масса образца породы, кг; V – объем минеральных (твердых) частиц образца породы, м3.

В естественном состоянии масса образца горной породы состоит из твердой mт, жидкой mж и газообразной mг фаз (соответственно VТ – объем твердой фазы, а vn – объем пор). Если пренебречь массой газообразной фазы, то

Выделяют действительную (минеральную – без учета пор и трещин – mт/vт) и кажущуюся (с учетом пор и трещин) плотность.

Кажущуюся плотность определяют для сухих горных пород (высушенных при 105°С) и для пород с естественной влажностью.

Поровый объем оценивается относительным объемом всех пор (пустот), заключенных в породах между минеральными частицами или агрегатами.

Относительный объем называется общей пористостью Р(%) и выражается формулой

P = [Vп/(V0+Vп)]·100,

где Vп – объем породы, м3; V0 − объем минерального скелета, м3.

Отношение Kп=Vп/V0 называется коэффициентом пористости.

Из вышеприведенных формул вытекает, что

Р = [Кп(1+Кп)]·100.

Пористость характеризуется мелкими и сравнительно равномерно рассеянными в породе пустотами между частицами. Пористость горных пород изменяется в широких пределах – от сотых долей процента до нескольких десятков процентов (табл. 11). Пористость связана с прочностью пород: с уменьшением пористости прочность растет.

В отличие от плотных разрыхленные горные породы характеризуются насыпной плотностью. Насыпная плотность ρп зависит от плотности породы в массиве ρ и коэффициента ее разрыхления Кρ и равна отношению

Ρп = ρ/Кρ.

Таблица 10

Насыпная плотность зависит от гранулометрического состава рыхлой массы, формы и взаимного расположения кусков разрушенной породы, продолжительности нахождения в рыхлом состоянии, давления, вместимости и формы сосудов (подъемных, транспортных).

Плотность пород в разрыхленном состоянии влияет на процесс уборки, транспортировки и подъема.

Слоистость является одной из форм текстуры и обусловливается чередованием внакоплении осадков по крупности зерен, составу, окраске и пр. Слоистость оценивается обычно визуально: по признакам масштаба – макрослоистость; по геометрии – параллельная, косая, прерывистая; по резкости проявления – неясная, отчетливая. Со слоистостью связана способность горных пород разделяться на отдельные слои или расслаиваться.

Это явление уменьшает устойчивость обнажений горных выработок. Породы могут легко распадаться на слои на границах перерывов в осадконакоплениях.

В некоторых горных породах имеется система мелких субпараллельных плоскостей тектонического происхождения (тонкие пластинки, мелкие призмочки, линзы и т.д.). Это явление называется кливажом. Необходимо помнить, что по трещинам кливажа значительные массы угля и пород неожиданно могут отслаиваться и обрушаться, что может привести к травмированию людей, разрушению крепи, коммуникаций и пр. Поэтому при выполнении проходческих процессов в подземных выработках указанных пород необходимо тщательно выполнять закладку пустот зa крепью и соблюдать особую осторожность.

Одной из важных характеристик горных пород, оказывающих значительное влияние на процессы выемки и поддержания выработок, является трещиноватость. Различают следующие типы трещин: тектонические, трещины отдельности, выветривания, откоса, отслаивания, напластования и смещения.

Трещины по происхождению делятся на прирожденные и тектонические.

Прирожденная трещиноватость возникает в процессе превращения осадка в породу вследствие сокращения объема вещества. При этом возникает целая система трещин основных и торцевых, расположенных поперек основных.

Трещины нередко заполнены минеральным веществом.

Под влиянием тектонических сил в породах возникают новые трещины – тектонические, которые направлены под разными углами к напластованию.

Таблица 11

На поверхности этих трещин часто имеются бороздки и зеркала скольжения.

Совокупность прирожденных и тектонических трещин приводит к значительному снижению прочностных свойств пород в массиве. В результате этого возникают прихваты бурового инструмента в процессе бурения, обрушение кровли, стенок выработок и пр. Трещиноватость горных пород определяется по числу трещин или расстоянию между ними.

Таблица 12

Классификация массивов скальных пород по степени трещиноватости приведена в табл. 12.

Физические свойства горных пород характеризуют их физическое состояние. К ним относятся: степень связности, пористость, плотность, структура, текстура, зернистость, гранулометрический состав и др.

Структура характеризует внутреннее строение, т. е. форму, размер и взаимное расположение минералов в породе, состав цемента в осадочных породах, а также вид связей между зернами.

Структура горных пород приведена в табл. 1.

Мелкозернистые породы при одинаковом минеральном составе, как правило, обладают более высокой прочностью, чем крупнозернистые или породы неравномерно-зернистого строения.

Прочность и устойчивость осадочных горных пород зависят главным образом от состава цементирующего вещества, а также типа цементации. По составу цементирующие вещества в осадочных породах могут быть кремнистыми, известковыми, глинистыми, а также сложными, например карбонатно-глинистыми и слюдистыми. Наиболее прочными являются кремнистые и карбонатные цементы, наименее прочными — глинистые.

Текстура горных пород характеризует закономерности в распределении и расположении структурных элементов.

Важнейшие типы текстуры горных пород приведены в табл. 2.

Таблица 2

Для многих литологических разновидностей осадочных пород характерна слоистая текстура. На плоскостях раздела может наблюдаться повышенное содержание слюдистых минералов и остатков обуглившейся растительности, что приводит к ослаблению сцепления слоев. Слоистые породы в подземных выработках имеют более слабую сопротивляемость деформационным и разрушающим нагрузкам, чем монолитные.

Элементы строения массива (структура и текстура) во многом определяют его прочностные свойства (рис. 7).

Рис. 7. Виды пустот в различных породах: а — скальная порода с проницаемостью по отдельным трещинам; б — кавернозная порода с крупными пустотами, подвергающимися растворению и выщелачиванию; в — рыхлая песчаная порода с высокой пористостью; г — рыхчая порода с небольшой пористостью вследствие плохой отсортированности зерен; д — песчаная порода с небольшой пористостью вследствие образования в порах цемента; е — глинистая порода

Под плотностью горных пород и породообразующих минералов следует понимать массу единицы объема со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами р0.

Она может быть определена по формуле

где т — масса образца породы, т; V — объем минеральных (твердых) частиц образца породы, м

Плотность некоторых горных пород и минералов приведена в табл. 3, а пористость — в табл. 4.

Слоистость является одной из форм текстуры и обусловливается чередованием в накоплении осадков по крупности зерен, составу, окраске и пр. Слоистость оценивается обычно визуально: по признакам масштаба — макрослоистость, микрослоистость; по геометрии — параллельная, косая, прерывная; по резкости проявления — неясная, отчетливая. Со слоистостью связана способность горных пород разделяться на отдельные слои или расслаиваться. Эго явление уменьшает устойчивость обнажений горных выработок. Породы могут легко распадаться на слои на границах перерывов в осадконакоплениях.

В некоторых горных породах имеется система мелких субпараллельных плоскостей тектонического происхождения (на тонкие пластинки, мелкие призмочки, линзы и т. д.). Это явление называется кливажем. Необходимо помнить, что по трещинам кливажа значительные массы угля и пород неожиданно могут отслаиваться и обрушаться, что может привести к травмированию людей, разрушению крепи, коммуникаций и пр. Поэтому при проведении горно-разведочных выработок в таких породах необходимо тщательно выполнять закладку пустот за крепью, соблюдать особую осторожность при выполнении проходческих процессов.

Трещиноватость — это также одно из характерных свойств массива горных пород. Различают следующие типы трещин: тектонические, трещины отдельности, выветривания, откоса, отслаивания, напластования и смещения.

Трещины по происхождению делятся на прирожденные и тектонические.

Прирожденная трещиноватость возникает в процессе превращения осадка в породу вследствие сокращения объема вещества. При этом образуется целая система трещин — основных и торцовых, расположенных поперек основных. Трещины нередко заполнены минеральным веществом.

Таблица 3

Таблица 5

Под влиянием тектонических сил в породах возникают новые трещины — тектонические, которые направлены под разными углами к напластованию. На поверхности этих трещин часто имеются бороздки и зеркала скольжения. Совокупность прирожденных и тектонических трещин приводит к значительному снижению прочностных свойств пород в массиве. В результате этого возникают прихваты бурового инструмента в процессе бурения, обрушение кровли, стенок выработок и пр.

Трещиноватость горных пород определяется по числу трещин или расстоянию между ними.

Классификация массивов скальных пород по степени трещиноватости приведена в табл. 5.