Лекции по дисциплине «физика горных пород» навоий 2017 Жиянов А. Б. Курс лекции по дисциплине «Физика горных пород»

Тема: Основные определения физики горных пород.


План:

1. 
   Минералы и горные породы.
   
2. 
   Строение и состав минералов и горных пород.
   
3. 
   Горные породы как объект разработки. Массив. Горная масса. Образец.
   

1. 
   Минералы и горные породы.
   

Под минералом понимают природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в земной коре. К минералам относятся все самородные ме­таллы и неметаллы. Всего известно около 3000 различных ми­нералов. В большинстве это твердые кристаллические химиче­ские соединения.
Устойчивые агрегаты (парагенетические ассоциации) одного или нескольких минералов, образующие самостоятельные гео­логические тела, называются горными породами.
Кристаллы минералов имеют свою пространственную ре­шетку, соответствующую закону распределения вещества внутри кристалла. Известно семь типов (сингонии) кристалли­ческих решеток, характеризующихся отношениями величин кристаллических осей а, b и c (наименьших расстояний между узлами решетки в трех направлениях) и углов между ними α, β и γ (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схемы кристаллических решеток разных сингоний:

а – триклинной: б – моноклинной; в – ромбической; г – тетрагональной; д – тригональной,
е – гексагональной; ж – кубической.
Кристаллические агрегаты минералов имеют определенную макроструктуру, характеризующуюся размерами, формой кри­сталлов и их взаимным расположением.
По химическому составу минералы делятся на шесть основных групп: самородные элементы, сульфиды, оксиды, си­ликаты, соли кислородных кислот, галогениды.
Тип и название горных пород определяются их минераль­ным составом (относительным содержанием в породе минера­лов) и строением (видом сложения горных пород из минералов и минеральных агрегатов).
В строении горных пород различают структуру и текстуру. Структура – это размеры, форма и взаимное расположение ми­нералов в породе. Текстура – особенности, взаимное располо­жение и ориентировка более крупных составных частей породы (минеральных агрегатов).
Физика горных пород изучает состав и строение пород с целью выявления количественных зависимостей от них свойств, состояния и физических процессов в породах.
В связи с этим параметры строения и состава пород дол­жны быть выражены количественно.
Практически любая порода состоит из минерального и порового объема. Поровый объем оценивается относи­тельным объемом всех пор (пустот), заключенных в породах между минеральными частицами или их агрегатами. Относительный объем называется общей пористостью Р (%) и выражается формулой


P=[V_п/(V_o + V_п)]100, (1.1)

где, V_п – объем пор, м³;

V₀ – объем минерального скелета, м³.

Отношение объема пор к объему минерального скелета по­роды

К_п=V/V_o (1.2)

называется коэффициентом пористости. Из формул (1.1) и (1.2) вытекает, что

P=[K_п/(1+K_п)]100 (1.3)

По происхождению поры делятся на первичные, сфор­мированные при образовании пород, и вторичные, появившиеся в результате процессов метаморфизма, выщелачивания, пере­кристаллизации и т. о.

По величине поры подразделяются на субкапилляр­ные (диаметр пустот менее 0,2 мкм), капиллярные (диа­метр пустот 0,2-100 мкм) и сверхкапиллярные (диа­метр пустот более 100 мкм). Практически к порам в породах следует относить пустоты любых размеров и форм, однако та­кие пустоты в породах, как трещины и каверны, принято вы­делять, и рассматривать отдельно.
По форме поры могут быть самого различного типа – межзеренные, пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветви­стые и т. д. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь определяют форму порового пространства породы. По­следняя, в свою очередь, обусловливает различные физические процессы, например перемещение в породах воды и газов.
Поры часто могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы. Общий объем таких пор, отнесенный к объему всей породы, называется от­крытой (эффективной) пористостью Р_эф. При этом Р_эф <Р.
Пористость горных пород изменяется в значительных пре­делах: бывают породы практически непористые и такие, в ко­торых пористость достигает 90 %. В среднем же пористость горных пород составляет 1,5÷30 %.
Высокой пористостью обладают осадочные породы. Сред­няя пористость сланцев равна 8%, песчаников – 15%, извест­няков – 5÷10%. Пористость магматических пород обычно не­значительна. Исключение составляют изверженные разности пород, таких, как туфолавы, трахит (Р=55÷60%). Выветрив­шиеся магматические породы также имеют высокую пори­стость.
Пористость зависит от формы и размеров зерен, слагаю­щих породу, степени их отсортировавности, сцементированности и уплотненности. Если породы сложены частицами одинакового размера, то наименьшей пористостью обладают породы с ока­танными зернами, наибольшей – с угловатыми плоскими. Даже при одних и тех же размерах и форме частиц горной породы пористость может быть различной из-за разного взаимного их расположения.
У равномерно-зернистых сцементированных пород порис­тость больше, чем у неравномерно-зернистых, так как в по­следнем случае промежутки между крупными частицами за­полняются более мелкими.
Минеральный объем породы описывается следую­щими параметрами строения: размером и формой зерен; не­однородностью зерен по размерам и форме; относительным со­держанием составляющих зерен каждого размера и каждой формы; взаимной ориентацией зерен; степенью связи между зернами породы.
Из приведенного перечня параметров взаимная ориентация относится к текстурным признакам породы, остальные пара­метры – к структурным.
По размеру зерен породы делятся на крупно-, средне- и мелкозернистые, скрытокристаллические и стекловатые.
По форме минеральных зерен метаморфические породы бы­вают гранобластовые (изометричные зерна), лепидобластовые (пластинчатая форма), нематобластовые (столбчатая форма) и др.
По неоднородности в размерах и форме зерен выделяют раз­личные порфировые или порфировидные структуры.
По ориентации частиц породы и наличию пустотности по­роды подразделяют на массивные, пористые и слоистые.
Перечисленные характеристики строения пород имеют ко­личественное выражение.
Так, размер минеральных зерен оценивают по среднему их диаметру d_cр. Форма минеральных зерен и пор характеризуется коэффициентом К_фр, являющимся отно­шением их максимальных размеров l к взаимно перпендику­лярным минимальным d.
Неоднородность зерен по размерам определяют по вариаци­онным графикам, на которых по оси ординат откладывают от­носительное содержание частиц соответствующего диаметра, а по оси абсцисс – значения их диаметров (рис. 1.2, а).
Отношение максимального диаметра зерен, занимающих 90% площади образца (d₉₀), к максимальному диаметру зе­рен, занимающих 10 % площади образца