Общие сведения о горных породах.

Горные породы – это природные агрегаты одного или нескольких минералов, образующие самостоятельные геологические тела [1,2,3].

По происхождению горные породы делятся на 3 группы.

М а г м а т и ч е с к и е п о р о д ы – образовавшиеся при застывании магмы. Эти породы являются первичными (гранит, сиенит, дунит, габбро, базальт, диорит и др.).

О с а д о ч н ы е п о р о д ы – породы, возникшие путем отложения (механического, химического или органического) из воды или воздуха продуктов разрушения магматических или метаморфических пород (песчаники, известняки, доломиты, алевролиты, глинистые сланцы).

М е т а м о р ф и ч е с к и е п о р о д ы – породы, возникшие в результате преобразования магматических и осадочных пород под воздействием высоких давлений, температур и горячих газо-водяных растворов (кварцит, кристаллические сланцы, гнейсы, мрамор).

В зависимости от характера связей отдельных зерен различают следующие типы пород:

рыхлые породы – механические смеси различных минералов или зерен одного минерала, не связанных между собой (песок, гравий, галечник);

связные – породы с водно-коллоидными связями отдельных частиц между собой (глины, суглинки, ил);

твердые (скальные и полускальные) – породы с жесткой, упругой связью между отдельными частицами.

Большинство горных пород относится к твердым породам (кварциты, граниты, песчаники, базальты и др.).

Свойства горных пород в первую очередь зависят от их минерального состава и строения. Содержание в породе различных минералов, выраженное в процентах, называется ее количественным минеральным составом. Под строением породы понимается их структура и текстура.

Структура - это аморфное или кристаллическое строение, форма, размер минеральных зерен и характер связей между ними (мелкозернистая, крупнозернистая, стекловатая, порфировая, обломочная).

Текстура – взаимное расположение в породе структурно однотипных частиц (массивная, пористая, слоистая).

Пример: Роговики относятся к классу силикаты. Плотные с раковистым изломом мелкозернистые породы серого, темно-зеленого, черного иногда розовато-серого цвета. Состоят в основном из кварца и слюды (биотита), часто присутствуют полевые шпаты, гранат, магнетит, изредка роговая обманка, пироксены и другие минералы. Текстура массивная иногда пятнистая. По характеру новообразованных минералов различают роговики биотитовые, амфиболовые и другие. Образуется при контактовом метаморфизме осадочных (песчано-глинистых) и магматических пород.

Известня́к — осадочная горная порода органического, реже хемогенного происхождения, состоящая преимущественно из карбоната кальция (CaCO3) в виде кристаллов кальцита различного размера.

Известняк, состоящий преимущественно из раковин морских животных и их обломков, называется ракушечником. Кроме того, бывают нуммулитовые, мшанковые и мраморовидные известняки — массивнослоистые и тонкослоистые. При метаморфизме известняк перекристаллизуется и образует мрамор.

Входящий в состав известняка карбонат кальция способен медленно растворяться в воде, а также разлагаться на углекислый газ и соответствующие основания. Первый процесс — важнейший фактор образования карста, второй, происходящий на больших глубинах под действием глубинного тепла Земли, даёт источник газа для минеральных вод.

2. Определение плотностных свойств горной породы.

Плотностные свойства обусловлены действием на породу гравитационного поля сил Земли (силы земного притяжения). К плотностным свойствам относятся: плотность, объемная масса, удельный вес, объемный вес и пористость породы [1].

Плотность – масса единицы объема твердой фазы породы

, (2.1)

где m – масса образца горной породы, кг;

V_т – объем твердой части образца горной породы, м³.

Объемная масса– масса единицы объема породы в естественном состоянии

, (2.2)

где V – объем образца горной породы в естественном состоянии, м³.

Удельный вес – вес единицы объема твердой части породы

, (2.3)

где G – вес образца горной породы, кН.

Удельный вес породы и ее плотность связаны соотношением

(2.4)

где g – ускорение силы тяжести.

Объемный вес - вес единицы объема породы в ее естественном состоянии

(2.5)

Под пористостью горной породы понимается суммарный относительный объем содержащихся в ней пустот (пор).

Общая пористость является расчетной характеристикой, величина которой устанавливается исходя из значений плотности породы и объемной массы по формуле:

(2.6)

где П – общая пористость горной породы, выраженная в процентах.

Определение плотностных свойств, следует начинать с определения объемной массы горной породы.

Для определения объемной массы чаще всего применяются 2 метода:

1) метод гидростатического взвешивания;

2) определение объемной массы породы на образцах правильной геометрической формы.

Метод гидростатического взвешивания.Метод основан на определении объема образца горной породы по весу вытесненной им жидкости. Для проведения опыта из пробы горной породы отбираются 5-6 образцов произвольной формы весом от 20 до 40 г [2].

Отобранный образец взвешивается (G) и опускается на 1-2 секунды в сосуд с расплавленным парафином. После парафинирования образец взвешивается вторично (G₁). Затем его погружают в сосуд с дистиллированной водой и образец взвешивается в третий раз (G₂).

По результатам опыта объемная масса вычисляется по формуле:

(2.7)

где - объемная масса, кг/м³;

- плотность парафина, г/м³)

- плотность дистиллированной воды кг/м³.

Определение объемной массы породы на образцах правильной геометрической формы.Масса образца (m) определяется взвешиванием его на весах, а объем (V) – непосредственным измерением линейных размеров [2].

Величина объемной массы для образцов цилиндрической формы рассчитывается по формуле:

=1,274*(145\(4*4^2))=2,88 кг/м^3

(2.8)

где m – масса образца, кг;

h – высота образца, м;

d – диаметр образца, м.

При известной пористости удельный вес породы g₀ определяется из выражения

g₀ = 100g/(100 – П)

g₀ = 100*2,88/(100 – 12,5) = 3,29 г/см³ = 32,9 МПа

где П - пористость горной породы.

Объемный вес для образцов цилиндрической формы рассчитывается по формуле:

g = 1,274G¤hd², г/см³,

где G – вес образца, г;

h – высота образца, см;

d – диаметр образца, см.

g = 1,274*145¤(4*4²) =2,88 г/см³

так как 1 г/ см ~ 10 КН/м , то объемный вес γ = 28,8 КН/м

Плотность породы определяется пикнометрическим методом. Метод основан на изменении веса пикнометра, наполненного жидкостью, при замене части этой жидкости навеской мелкораздробленной породы.

При известной пористости плотность горной породы определяется из выражения

P₀=100´P¤(100–П)кг/м³.

P₀=100´2,88*10³¤(100–12,5) = 3,29*10³кг/м³.

Результаты вычислений заносятся в таблицу 1.

Таблица 1

Плотностные свойства горной породы

3. Определение предела упругости, пределов прочности породы

на сжатие и растяжение.

Упругость – способность горных пород полностью восстанавливать свои первоначальные формы и размеры после снятия нагрузки [1,2].

Предел упругости s_у – напряжение, при котором в горной породе начинается пластическая деформация. Определяется как отношения силы, соответствующей пределу упругости породы при сжатии Р_у, на площадь поперечного сечение образца горной породы S.

=7500/12,56=597,13 кгс/см=59,7 МПа

S=0,785*4*4=12,56 см (3.1)

где - сила соответствующая пределу упругости при сжатии, Н;

– площадь поперечное сечение образца цилиндрической формы.

Предел прочности на сжатиеs_сж – критическое значение одноосного сжимающего напряжения, при котором происходит разрушение породы.

Существует несколько методов определения предела прочности пород на сжатие, такие как: метод определения предела прочности на сжатие на образцах правильной геометрической формы, на образцах полуправильной формы и на образцах неправильной или произвольной формы. Первый из них является наиболее точным.

Рис.1 Определение прочности горных пород при одноосном сжатии:

1 – образец; 2 – каленые прокладки; 3 – центрирующее устройство; 4 - плиты пресса.

Испытания этим методом проводятся на цилиндрических образцах на гидравлическом прессе. Нагрузка равномерно повышается вплоть до разрушения образца с фиксацией максимального ее значения.

Величина предела прочности на сжатие определяется по формуле:

=10000/12,56=796,18 кг/м^2=

= 79,6 МПа (3.2)

где – разрушающая нагрузка при сжатии образца, Н;

Предел прочности на растяжение s_р– критическое значение одноосного растягивающего напряжения, при котором происходит разрушение породы. Для определения прочности пород на растяжение используется метод прямого (непосредственного) растяжения, а также ряд косвенных методов.

Метод прямого растяжения. Определение s_р этим методом производится на образцах правильной геометрической формы на разрывной машине с приложением к образцу растягивающих усилий. Величина предела прочности на растяжение для образцов цилиндрической формы вычисляется по формуле:

= 100/12,56=7,96 кг/м^2=0,79 МПа (3.3)

где - разрушающее растягивающее усилие, Н.

Метод диаметрального сжатиязаключается в раскалывании цилиндрических образцов сжимающими усилиями, приложенными по диаметрально противоположным образующим.

Испытания проводятся на гидравлическом прессе. Образец горной породы кладется на бок между плитами пресса и к нему прикладывается сжимающее усилие, за счет которого в плоскости диаметрального сечения возникают напряжения растяжения, приводящие к раскалыванию образца. Предел прочности на растяжении определяется по формуле Герца:

или (3.4)

где - разрушаемое усилие, Н.

Рис.2. Определение прочности пород при растяжении методом диаметрального сжатия:

1 – Образец (керн); 2 – опорные плиты.

Результаты вычислений заносятся в таблицу 2.

Таблица 2

Прочностные свойства горной породы