Общие понятия о физических явлениях в горных породах

Физико-технические свойства горных пород определяются внешними условиями, в которых находится порода, т.е. внешними полями. Каждое поле оценивается такими параметрами как напряженность, интенсивность, направленность.

Мы уже подробно рассмотрели механические явления в горных породах, оказывающее воздействие на деформационные, реологические и прочностные свойства горных пород.

Особым механическим полем, оказывающим воздействие на свойства горных пород, является акустическое поле – распространение в горных породах упругих волн, по существу тех же механических нагрузок, быстро меняющихся по направлению, во времени и характеризующихся интенсивностью, амплитудой и частотой колебаний.

Тепловое полеописывается температурой, градиентом температуры, тепловым потоком, направлением теплового потока, изменением его во времени, распределением температур и теплового потока в объеме породы.

Электрическое и магнитное поляоцениваются по напряжению и напряженности, по величине магнитной и электрической индукции и плотности потока.

Электромагнитное поле– распространение в породах электромагнитных волн характеризуется теми же параметрами, что электрическое и магнитное поля, дополнительно частотой колебаний.

Радиационное полеописывается интенсивностью, типом микрочастиц, обусловливающих поле, частотой колебаний.

Вещественное поле представлено водой или природными газами и оценивается по давлению, создаваемому полем (напором воды, например), градиенту давления, вязкости, химическому составу.

Физические поля в породах могут быть естественными и искусственными.

Естественные поля– это исходное горное давление, тепловое поле, водонасыщенность пород, радиационное поле.

Искусственные полявозникают при ведении горных работ или их создают преднамеренно в целях направленного воздействие на состояние породы и её свойства. К таким искусственным полям относятся блуждающие токи, повышение температуры в забое скважины при бурении, динамические нагрузки на массив при взрывании.

Физические процессы в горных породах– это явления взаимодействия физического поля с горной породой, в результате которого в породе возникают и протекают различные изменения её состава, строение, состояния.

Физические свойства и параметры пород, характеризующие эти процессы можно разделить на три большие группы.

В первую группувходят параметры, оценивающиеобратимые изменение количества энергии или вещества внутри породы. К ним относятся:

• модуль объемного сжатия, характеризующий накопление потенциальной энергии в породе при всестороннем сжатии,

• диэлектрическая проницаемость, определяющая электроемкость породы,

• удельная теплоемкость, оценивающая способность породы накапливать тепло,

• влагоемкость, характеризующая способность породы накапливать влагу и т.п.

это те параметры, при снятии которых позволяют породе принимать исходные параметры. Большинство этих параметров имеют статический, накопительный характер.

К параметрам второй группы,оценивающимнеобратимые превращенияданного вида энергии в породах в другой вид, относятся

• коэффициент пластичности,

• коэффициент диэлектрических потерь,

• удельная теплота плавления,

• коэффициенты поглощения упругих и электромагнитных волн,

• пределы прочности пород при сжатии, растяжении,

• коэффициент теплового расширения,

• электрическая и магнитная проницаемость.

К параметрам третьей группы, описывающимпроцессы передачи энергии, а такжеперемещения жидкости и газов в породах, относится

• коэффициент теплопроводности,

• удельная теплопроводность, магнитная проводимость,

• коэффициент преломления и отражения упругих волн,

• коэффициенты проницаемости и фильтрации.

Все эти параметры зависят от направления измерения и приложения поля.

Рисунок 3. 1 . Обобщенная схема природы и взаимосвязей физических свойств горных пород

1. область проницаемости; 2. – область поглощения; 3 – область необратимых изменений и разрушения.

Воздействие внешних полей на свойства горных пород

Причины изменения свойств пород под воздействием внешних факторов можно разделить на три группы:

1. изменение состава породы: заполнение пор жидкостью и газом, переход воды в лед в порах при понижении температуры;

2. изменение степени уплотнения породы: обжатие за счет смятия пор, закрытия трещин при сжимающих механических нагрузках, нагревании или охлаждении; разрыхление, раскрытие трещин за счет растягивающих механических нагрузок нагревание или охлаждении; появление дополнительной пористости, пустотности за счет растворения минералов;

3. изменение сил связей между отдельными частицами породы: понижение при их нагреве за счет приближение состояния минералов к точке плавления; при насыщении пород водой за счет проникновения жидкости между частицами породы; повышение их при нагреве за счет спекания частиц, при охлаждении за счет смерзания.