Плотностные свойства горных пород. Классификация свойств горных пород

Число физических свойств горных пород, проявляющихся в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. Однако для практики горного дела представляют интерес лишь те свойства, которые непосредственно связаны с процессами современной горной технологии. В геомеханике требуется знание, в первую очередь, механических и плотностных свойств, но вместе с тем могут представлять интерес и некоторые другие свойства, показатели которых достаточно чётко отражают состояние пород или отчетливо коррелируют с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки напряженного состояния пород и массивов. Кроме того, некоторые физические характеристики пород могут быть достаточно тесно взаимосвязаны с механическими и плотностными показателями свойств горных пород, но при этом более просто определяются на образцах или в массиве.

В качестве основного признака классификации физических свойств пород наиболее целесообразно принять внешние поля или воздействия, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства. На основе этого признака можно выделить следующие классы физических свойств горных пород: плотностные, механические, горнотехнологические, тепловые, электромагнитные, радиационные.

В табл.3.1 приведена классификация свойств с выделением внутри классов групп.

Плотностные свойства горных пород проявляются в результате действия гравитационного поля Земли. Их в свою очередь можно подразделить на две

Классификация физических свойств горных пород

Класс	Группа	Наименование основных характеристик	Обозначе-ние	Наиболее часто при-менявшаяся единица	Еди-ница в СИ	Коэф перехода к СИ
Плот-ност-ные	Гравита-ционные Струк-турные	Удельный вес Объёмный вес Удельная масса Плотность Пористость общая, открытая Коэффициент пористости	g₀ g r₀ r П П₀ К_П	гс/cм³ гс/cм³(тс/cм³) г/cм³ г/cм³ % % -	Н /м³ - - кг/м³ % % -	0.981 10⁴ - - 10³
Механические	Прочностные	Предел прочности при одноосном сжатии Предел прочности при одноосном растяжении Сцепление Угол внутреннего трения	[s_сж ] [s_р ] [t₀ ] j	кгс/cм² кгс/cм² кгс/cм² градус	Па Па Па рад	0.981 10⁵ 0.981 10⁵ 0.981 10⁵ p/180
	Деформационные	Модуль упругости Коэф.поперечных деформаций Модуль сдвига Модуль всестороннего сжатия Модуль деформации	Е n G K M_ДЕФ	кгс/cм² - кгс/cм² кгс/cм² кгс/cм²	Па Па Па Па	0.981 10⁵ 0.981 10⁵ 0.981 10⁵ 0.981 10⁵
	Акусти-ческие	Скорости распро-странения волн в массиве продольной поперечной поверхностной Коэф. затухания	V_P_м V_S_м V_L_м a	см/с см/с см/с см^-1	м/с м/с м/с м^-1	10^-2 10^-2 10^-2
	Реологические	Параметры ползучести Период релаксации	a_П;d t₀	c^a^-1 лет	c^a^-1 с	31.5 10⁶
Горно- техноло-гические		Коэф.крепости Коэф. разрыхления Коэф. трения	f K_p f_тр	- - -	- - -
Тепло-вые	Свойст-ва состоя-ния	Теплопроводность Температуропро-водность Удельная теплоёмкость Температурный коэф. линейного расширения Температура фазовых превращений Удельная теплота плавления	l а С a Т_ф L	ккал/(м ч ⁰С) м²/ч ккал/(кг ⁰С) 1/ ⁰С ⁰С ккал/кг	Вт/(м К) м²/с Дж/(кг К) 1/ К ⁰К Дж/кг	1.163 2.78 10⁴ 4.1868 10³ 273.15+⁰С 4.1868 10³
Электро-магнит-ные	Электрические	Объёмное удель-ное электрическое сопротивление Диэлектрическая проницаемость Тангенс угла элек-трических потерь Электрическая прочность	r_v e tgd E_пр	Ом см - - кВ/см	Ом м - - В/м	10^-2 10⁵
	Магнит-ные	Магнитная восприимчивость Магнитная проницаемость Остаточная намагниченность Коэрцитивная сила	c m I_r H_c	ед. СГС - ед. СГС А/м	ед. СИ - А/м² А/м	4p 10^-3
Радиа-ционные		Естественная радиоактивность Линейный коэф. поглощения гамма-излучения Эффективное се-чение поглощения нейтронов Эффективное се-чение рассеяния нейтронов	А К S_П S_Р	1/с см^-1 см² см²	1/с м^-1 м² м²	10² 10^-4 10^-4

группы: гравитационные и структурные. К гравитационным свойствам относят удельный g₀ и объемный g вес пород, к структурным — их удельную массу r₀, плотность (объемную массу) r, общую П и открытую пористость П₀, коэффициент пористости К_п.

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

где G_T и V_T — 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:

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:

где m_T и V_T — 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.

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:

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

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 П_о горной породы. Суммарный относительный объем закрытых (замкнутых) пустот называют закрытой или изолированной пористостью П_и. Пористость, которая определяет движение в породе жидкостей и газов, называют эффективной пористостью П_э. Общая пористость П определяется совокупностью закрытых и открытых пор. Отношение объема пор к объему минерального скелета называют коэффициентом пористости К_П.

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:

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 %).