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

Физические процессы в горных породах – это явление взаимодействия физического поля с горной породой, в результате которого в горной породе возникают и протекают различные изменения её состава, строения и состояния.
Физические свойства и параметры пород, характеризующие эти процессы, можно разделить на три большие группы.
1.Параметры, оценивающие обратимые изменения количества энергии или вещества внутри породы – модуль объёмного сжатия К, диэлектрическая проницаемость ε_r, удельная теплоёмкость с, влагоёмкость ω и т.д.
2. Параметры, оценивающие необратимые превращения данного вида энергии в породах в другой вид – коэффициент пластичности k_пл, удельная теплота плавления Q_пл, пределы прочности σ_сж, σ_р, коэффициент теплового расширения α и д.р.
3. Параметры, описывающие процессы передачи энергии, а также перемещения жидкости и газов в породах - коэффициент теплопроводности λ, удельная теплопроводность σ_э, магнитная проводимость σ_м, коэффициенты преломления п и отражения k_отр волн и т.д.


2. Экспериментальное определение физико-технических параметров пород
Методы определения физико-технических параметров пород делятся на лабораторные и натурные.
Лабораторными методами определяют физико-технические параметры пород на образцах.
Натурные методы определения параметров пород применяют непосредственно в природных условиях без полного отделения изучаемого объёма породы от окружающего массива. Изучению может подвергаться либо горная порода в массиве, либо массив, состоящий из разных пород. Изучаемые объекты могут быть как небольшими (см³) так и превышающими десятки кубических метров.
Сравнение лабораторных методов с натурными показывает, что изучение свойств пород в образцах гарантирует бо^΄льшую стабильность измеренных величин, даёт более достоверные данные. Поэтому лабораторные методы имеют широкое распространение.
Для того чтобы получить точные, сопоставимые и представительные данные о породе при изучении образцов, необходимо использовать математическую статистику и теорию вероятностей, в соответствии с которыми, в первую очередь необходимо проведение измерений на достаточно большом количестве образцов. Для этого по определённой методике отбирают пробы таким образом, чтобы они представляли все возможные в данном массиве колебания минерального состава и строения изучаемой породы.
Затем, рассчитав необходимое количество образцов, из этой так называемой генеральной совокупности производят их случайную выборку. Например, из 200 проб, представляющих генеральную совокупность, отбирают методом случайного выбора 7-13 проб. Из каждой пробы изготовляют не менее 3-5 образцов максимально допустимых по данной методике размеров.
Породы часто, а минералы всегда анизотропны, вследствие чего определение тензорных параметров производят на образцах в двух или трёх взаимно перпендикулярных направлениях и вычисляют коэффициенты анизотропии:

k_ан = Х_║/ Х_┴ (6.1)

где Х_║ и Х_┴ - значения параметров соответственно вдоль и перпендикулярно напластованию, слоистости или преимущественной ориентации минералов, пор и трещин в породе.

Результаты каждой группы измерений по всей случайной выборке проб подвергают статистической обработке с целью выявления, в первую очередь, среднего значения параметра, а затем его доверительного интервала.
Если какой-то параметр для одного типа породы или минерала определён на п образцах, то в случае нормального распределения результатов измерения наиболее близкое к истинному значению параметра будет среднее арифметическое Х¯ всех измерений Хi
Х = (1/п) Σ Хi (6.2)
Далее вычисляют:
Среднеквадратическое отклонение (ошибку) единичного результата
__─__________
S_n =√Σ (Х -Хi )²/(п –1) (6.3)


Коэффициент вариации, т.е. среднее относительное отклонение полученных результатов измерений от среднего арифметического,
_
К_вар = (S_n/ Х) 100 (6.4)

Доверительный интервал

_
ΔХ = t_nas_n / √п (6.5)

Коэффициент t_na (коэффициент Стьюдента) учитывает отличие случайной выборки от генеральной совокупности и зависит от числа образцов п и требуемой доверительной вероятности α (чаще всего α =0,85÷0,95).

Окончательный результат измерений записывается, например, так

λ= (3,2±0,2) Вт/(м·К) при α =0,95

_
Запись показывает, что среднее значение параметра λ равно 3,2 (Х), а отклонение его от среднего арифметического в 95 % случаев не превышает 0,2 (ΔХ).
Из формулы (6.5) легко определить необходимое число испытаний для обеспечения ошибки измерений не более ξ = ΔХ/ Х при известном К_вар изучаемого параметра


п = (t_na К_вар/ ξ)² (6.6)

Так, если К_вар = 20 %, ошибка измерения 15 %, то п =7 образцам (при α =0,95,

t_na = 1,96) .
Если при испытании породы получены параметры с учётом всех вышеизложенных требований по стандартной методике с указанием состава строения породы, то они наиболее стабильны, воспроизводимы и представительны и считаются стандартными справочными данными породы (ССД).
Для более наглядного представления изменчивости параметров пород пользуются вариационными кривыми. По оси абсцисс откладывают числовые значения изучаемого параметра, а по оси ординат - число образцов (в % от всего их числа или абсолютное), имеющих физический параметр, меньший или равный данному (рис.2)

Рис.2 Вариационные кривые распределения физических свойств горных пород:

а – интегральная: 1 – распределение объёмной массы известняка; 2 - то же доломита; 3 - то же гранита; б – дифференциальная: распределение предела прочности при сжатии рудных пород

Как известно, не одну физическую характеристику нельзя определить, не подвергнув породу внешнему воздействию. Однако степень этого воздействия может быть различна.

Внешнее поле, предельно ограниченное по величине и по времени воздействия на породу и практически не вызывающее каких-либо дополнительных изменений в ней, называется измерительным. Поле, параметры которого значительно изменяются в процессе эксперимента, называют воздействующим. В результате приложения измерительного поля получают одно какое либо значение физического параметра. Переменные воздействующие поля применяют с целью установления зависимости свойств пород от различных внешних факторов (например, прочности пород от степени их увлажнения).
Результаты нескольких измерений параметра в каждой фиксированной точке воздействующего поля обрабатывают вышеописанными методами математической статистики. На основе полученных данных в соответствующих координатах строят точечный график зависимости меду исследуемыми параметрами.
Поскольку при изучении свойств пород практически невозможно учесть всё многообразие факторов, которые оказывают влияние на эти свойства, на графике можно проследить только некоторую общую закономерность изменения одного параметра с изменением другого. Такой график тоже обрабатывают методами математической статистики и получают аналитическое выражение зависимости физико-технического параметра породы от изучаемого фактора. Для этой цели используют принцип Лежандра, согласно которому наилучшее приближение к искомой зависимости даёт форма кривой, при которой сумма квадратов отклонений отдельных измерений является минимальной. Полученная таким образом зависимость называется корреляционной, в которой в отличие от функциональной одному значению аргумента соответствует несколько значений функции (рис.3).

Рис.3. Корреляционные зависимости удельной теплоты сгорания q горючих сланцев от прочности при сжатии.

Корреляционные зависимости не отличаются большой точностью, но позволяют с достаточной для нужд горного дела вероятностью определять по одному показателю другой и поэтому широко применяются на практике.