Электромагнитные способы разрушения горных пород

Электромагнитные способы разрушения горных пород разделяются на электродинамические электромагнитотермические.

Электродинамические (ЭД) способы основаны на осуществлении электрического пробоя. Электромагнитотермические (ЭМ), в свою очередь, подразделяются на электро­термические (ЭТ) способы, основанные на электротепловом пробое (ЭТП) и на разогреве пород электромагнитными по­лями без осуществления пробоя (ЭТН), магнитные, инфракрас­ные и оптические.

При ЭД способах разрушения пробой производят либо не­посредственно по горной породе, либо по жид­кости над поверхностью разрушаемой породы.

В первом случае разрушение происходит непосредственно за счет динамического действия электрического разряда в породе, приводящего к ее растрескиванию и разрыву по линии канала пробоя.

Электрический прибой по породе используют для раскалывания негабарита, отбойки от массива бурения скважин для его осуществления требуются высокие напряжения импульсного электрического поля.

Уменьшение электрической прочности Ну наблюдается с увеличением влажности, пористости пород» с возрастанием давления на них. Эти закономерности позволяют управлять процессом ЭД разрушения*

Положительным качеством электрического разрушения яв- ляется его быстродействие — практически мгновенный пробой и разрушение при достижении пробивного напряжения. Время осуществления пробоя — с. Разрушение наиболее эффективно в хрупких горных породах.

Электротермические разрушения пород пробоем (ЭТИ) подразделяются по частоте применяемого элек­тромагнитного поля на низкочастотные (частота поля до 1 МГц) и высокочастотные (частота поля от 1 до300 МГц).

Основной предпосылкой применения низкочастотных методов (НЧ) является относительно высокая первоначаль­ная проводимость тока пород. Горная порода разогревается под действием электрического поля, в ней образуется канал пробоя. Разрушение наступает либо непосредственно сразу после теплового пробоя, либо после дополнительного прогрева по­роды за счет усиленного выделения тепла в канале пробоя и возникновения разрушающих термических напряжений.

Вопрос №57 (Трещиноватость горных пород, система трещин, понятие, методы количественной оценки)

Трещиноватость горных пород может быть оценена различными коэффициентами трещиноватости.

Так, среднее число параллельных трещин, приходящееся на единицу расстояния, называется линейным модулем трещиноватости. Он удобен тем, что может характеризовать степень выраженности в массиве каждой системы трещин в отдельности.

Общую трещиноватость удобнее описывать объемным модулем трещиноватости, равным отношению 1 м³ массива к среднему объему структурного блока, отделенного трещинами.

Измерение параметров систем трещин ведут непосредственно на обнажениях массива. По всем трещинам измеряют элементы залегания, расстояния между ними, величину раскрытия, характер трещин, протяженность, искривленность и т. д.

По результатам измерений строят различные диаграммы, наглядно отображающие пространственную ориентировку трещин, например, розы трещин, на которых отмечают азимут их простирания или азимут падения.

Строят также диаграммы трещиноватости массива пород в изолиниях и карты трещиноватости по всему изучаемому массиву пород.

Кроме визуальных измерений параметров трещиноватости массива производят также оценку его нарушенности различными физическими методами, в частности по скорости распространения упругих колебаний. Если в монолитном образце породы принять скорость распространения упругих колебаний за эталонную, то появление любых нарушений в виде трещин должно ее уменьшать. Поэтому, измерив скорость распространения упругих волн в горной породе в массиве им и в образце и0бр, можно рассчитать акустический показатель трещиноватости:

A_i=(v_м/v_обр)²

Для практически монолитных пород A_i=1 0,9; для весьма трещиноватых мелкоблочных - около 0,1.

Определение параметров строения и состава массивов горных пород — гидрогеологических условий, элементов залегания, тектонического строения, размеров, формы, чередуемости породных тел — осуществляют в настоящее время геофизическими методами — непосредственно с поверхности (так называемыми методами полевой геофизики) и скважинными методами.

Вопрос №58 (Удельная теплоёмкость горной породы, понятие, способ определения количественная оценка)

Удельная теплоемкость, c – оценивающая способность породы накапливать тепло.

Удельная теплоемкость минералов и пород изменяется от 0,4 до 2 кДж/(кг* К). Обычно она выше удельной теплоемкости металлов.

У минералов с уменьшением их плотности наблюдается повышение удельной теплоемкости (рис.6.2). При этом их объемная теплоемкость ср изменяется от 1,5 до 3МДж/(м³*К).

Удельная теплоемкость плотной" породы зависит только от ее минерального состава и может быть рассчитана по формуле арифметического средневзвешенного

,где m_i - относительное массовое содержание минерала с удельной теплоемкостью с,-.

Рудные минералы, как правило, имеют низкую теплоемкость, поэтому в рудосодержащих породах теплоемкость ниже, чем в безрудных породах.

Теплоемкость не зависит от того, в каком состоянии находится порода — в аморфном или в кристаллическом. Например, теплоемкости кристаллического и плавленого кварца одинаковы и составляют 0,85 кДж/(кг*К).

Теплоемкость не зависит также и от всех прочих параметров строения породы - зернистости, слоистости и т. д.

Зависимость теплоемкости от пористости обусловлена значениями величин с воздуха и минералов.

Объемная теплоемкость пористой породы ср определяется также как арифметическое средневзвешенное.

Так как объемная теплоемкость воздуха равна только 1,29 кДж/(м³*К),

, где С_о и р₀ - соответственно удельные теплоемкость и плотность минеральной фазы породы.

Вопрос №59 (Удельная электрическая проводимость горных пород, понятие, условия проявления, количественная оценка)

Коэффициент σ_э=nqu, зависящий от вида и состояния проводящей породы, называется ее удельной электрической проводимостью.

удельная электрическая проводимость минералов не является строго постоянной величиной и изменяется в больших пределах.

Удельная электрическая проводимость плотных малопористых пород зависит от проводимости слагающих их минералов.

Так, при прочих равных условиях удельная электрическая проводимость породы находится в прямой зависимости от объемного содержания хорошо проводящих минералов (рис. 7.6).

Для породы, состоящей из двух минералов, один из которых представлен сферами с удельным электрическим сопротивлением ρ_э1 а другой заполняет пространство между сферами и имеет ρ_э2, удельное электрическое сопротивление

,где V_i — относительное объемное содержание сферических включений.

Если в породе имеются рудные минералы, расположенные в виде прожилков, то присутствие даже незначительного количества этих минералов резко повышает величину стэ пород. Это характерно для пород, содержащих халькопирит, пирротин, которые имеют полосчатое расположение в отличие, например, от галенита, располагающегося изолированными включениями.

Пределы изменения величины а э при изменении формы хорошо проводящих включений могут быть описаны уравнениями (2.1) (для удельной электрической проводимости слоистой породы вдоль слоистости σ_эii) и (2.2) (перпендикулярно слоистости σ_э⊥).

Слоистость пород вызывает анизотропию электрической проводимости, причем

σ_эii/σ_э⊥>1.

В сцементированных осадочных породах электрическая проводимость понижается, так как обычно цементирующими веществами бывают слабопроводящие минералы - кварц, гипс, кальцит и др.

Метаморфизация углей повышает их удельную электрическую проводимость. Особенно резко она увеличивается при содержании углерода более 87 %• С увеличением зольности электрическая проводимость углей понижается.

Выветривание пород, повышение пористости, развитая система трещин, не сопровождающиеся увлажнением, также уменьшают электрическую проводимость породы (рис. 7.7).

Мелкозернистые породы, особенно если они содержат коллоидные частицы, имеют при прочих равных условиях большую электрическую проводимость, чем крупнозернистые. Например, из осадочных пород, не имеющих рудных минералов, наибольшей электрической проводимостью обладает глина.

Вопрос №60 (Удельное волновое сопротивление при распространении упругой волны в горных породах)

(произведение плотности породы на скорость распространения упругой волны в ней.)

Этот показатель z носит название удельного волнового сопротивления (удельный акустический импеданс) и в сущности является отношением давления волны ρ к мгновенной скорости колеблющихся частиц v^’:

,где v'\ Удельное волновое сопротивление пород определяет их способность отражать и преломлять упругие волны.

Ниже приведены скорости распространения волн, в которых можно выразить (z):

Вопрос №61 (Удельное электрическое сопротивление горных пород, понятие, условия проявления, количественная оценка)

Удельное электрическое сопротивление массивов горных пород измеряют методом кажущихся сопротивлений. Если пласт однородный и достаточно мощный, то рк = ρ_э=ρ_э^

по данным НКГ для карбонатов

I_nymax - интенсивность вторичного v- излучения соответственно напротив данного пласта, минимальное и максимальное в карбонатах; по данным ПС ΔE=ΔE*/ΔE_max (по Б. Ю. Вендельштейну), где ΔE*, ΔE_max— потенциалы собственной поляризации напротив изучаемого пласта и максимальный; по электрокаротажу для песков (1), песчаников (2), плотных известняков (3) (по В. Н Дахнову)

а — предела прочности при одноосном сжатии; б — предела прочности при сдвиге со сжатием; в — предела прочности при изгибе; 1 — испытываемый массив; 2 — гидродомкрат; 3 — насос Д л я больших слоистых массивов пород удельное электрическое сопротивление каждого пласта определяют в результате интерпретации данных ВЭЗ.

При наличии скважин ρ_э пластов пород определяют посредством каротажа методом КС.

Величина, обратная σ_э, называется удельным электрическим сопротивлением, измеряемым в омах на метр (Ом • м)

На величину удельного электрического сопротивления влияет не только общее содержание воды в породе, но и степень ее минерализации. Песчаники, насыщенные пресной водой и имеющие удельное электрическое сопротивление 100—300 О м - м и более, после насыщения минерализованной водой снижают ρ_э до 10—20 О м - м.

Удельное электрическое сопротивление некоторых глин при повышении давления до 10 МПа возрастает из-за выжимания влаги из пор и уменьшения сечения поровых каналов, заполненных водой. Сильно влажные угли с повышением давления также увеличивают свое электрическое сопротивление.(см.рис.9.4.)

Вопрос №62 (Упругие и пластические деформации горных пород условия возникновения, типичные графики их связи с напряжениями)

Характер и величина деформации зависят от типа и величины приложенных напряжений. Увеличение нагрузок приводит к возрастанию деформаций и в пределе возникает разрушение — порода теряет свою сплошность, разделяется на части. Деформации, не приводящие к разрушению, бывают упругие и пластические. В первом случае часто наблюдается прямая пропорциональность между величинами напряжений и соответствующих им упругих деформаций. При этом в породе накапливается потенциальная энергия, которая после прекращения действия внешних сил возвращает деформированный объем в исходное состояние.

Пластические деформации находятся в значительно более сложной зависимости от напряжений. Характерной чертой пластических деформаций является их необратимость после снятия нагрузки — форма и размеры тела полностью не восстанавливаются.

При увеличении напряжений можно постепенно наблюдать все три вида деформаций породы — упругую ε_Е, пластическую ε_пл и разрушающую ε_р (рис. 3.4).

В зависимости от соотношения величин этих деформаций горные породы могут быть подразделены на упругохрупкие (пластическая зона практически не наблюдается вплоть до разрушения), упругопластичные (разрушающей деформации предшествует зона пластической деформации) и пластические (упругая деформация практически отсутствует).

Вопрос №63 (Упругие свойства пород, понятие, основные количественные оценки)

Упругие свойства проявляются в способности пород восстанавливать исходную форму и размеры после снятия нагрузки. Полное восстановление размеров и формы возможно только в пределах упругих деформаций. Напряжения, при которых начинаются пластические деформации, называются пределом упругости σ_Е, являющимся одним из параметров упругости пород. Остальные параметры, численно оценивающие упругие свойства пород, — коэффициенты пропорциональности между напряжениями и соответствующими им упругими деформациями.

Если порода находится в объемном напряженном состоянии, то, очевидно, необходимо учитывать все действующие напряжении и возникающие деформации. Такое состояние пород наиболее полно может быть записано в виде тензора упругости. Так как каждая из девяти компонент деформаций связана с каждой из девяти компонент напряжений, всего для описания упругих свойств материала требуется 81 коэффициент. Если материал однороден, то все эти коэффициенты будут постоянны.

Обозначив их C_ijkl, можно записать тензор упругости, который является тензором 4-го ранга,

Здесь каждый индекс i, j, k,.l принимает значения осей х, у, z. Поскольку S_ij и e_kl— симметричные тензоры (см. разд. 3.3), каждый из них включает в себя только шесть различных элементов и число коэффициентов снижается до 36. Из них независимых только 21. С повышением симметрии кристалла число независимых коэффициентов снижается. Так, кристаллы ромбической сингонии имеют только 9 коэффициентов, тетрагональной и тригональной — по 6, а кубической — только 3.

Для случая полностью изотропного тела связь между напряжениями и деформациями может быть выражена системой шести уравнений (обобщенный закон Гука), куда входят три параметра упругости: Е, G и v, из которых независимы только два.

,где E — модуль продольной упругости (модуль Юнга) породы:

G — модуль сдвига, коэффициент пропорциональности между касательным напряжением т и соответствующей упругой деформацией сдвига γ:

v — коэффициент Пуассона;

Модуль продольной упругости Е и модуль сдвига G ветствуют основным видам напряжений и деформаций этому считаются основными характеристиками упругости породы. Они связаны с коэффициентом Пуассона следующей зависимостью:

В случае равномерного трехосного сжатия породы в пределах зоны упругости наблюдается прямая пропорциональная зависимость между давлением ρ_v и относительным изменением обьема породы ΔV/ V, где V исходный объем образца; ΔV –изменение обьема породы под нагрузкой.

Соответствующей коэффициент пропорциональности К называется модулем объемного (всестороннего) сжатия. Он также связан с Е и v пород:

Модули Е, G и К, как и напряжение, выражаются в Паскалях. Наиболее вероятные значения модуля Юнга в породах 10³ ÷ 3*10⁵ МПа. Коэффициент Пуассона v — величина безразмерная, числовые значения его в соответствии с теорией упругости находятся в пределах 0 ≤v ≤ 0, 5, для горных пород v = 0,2÷ 0,4.

В связи с этим модуль сдвига G всегда меньше модуля Юнга, а К может быть как меньше, так и больше Е (рис. 3.5).

Модули упругости характеризуют способность пород сопротивляться деформированию, т. е. определяют жесткость пород. Величина, обратная модулям, оценивает податливость пород и носит название коэффициента соответствующей деформируемости (например, 1/К—коэффициент объемного сжатия).

Вопрос №64 (Физические и горно-технологические свойства горной породы, понятие, количественная мера свойства)

Физические свойства горных пород. Физические свойства характеризуются плотностью, пористостью и пластичностью горных пород.

Плотность пород – физическая величина, равная отношению массы породы к их объему определяется по формуле:

(г/см³) где m – масса породы, г; V – объем породы, см³;

Пористость породы – физическая величина, равная отношению всех пустот к общему объему породы в сухом состоянии определяется по формуле:

где V_п – объем всех пустот;

Пористость породы характеризуется коэффициентом пористости.

Пластичность горных пород - физические свойства горных пород сохраняют остаточную деформацию после прекращения действия внешних сил.

Влажность горных пород характеризует содержание воды в породе. Коэффициент влажности (относительная влажность) определяется по формуле:

где w - влажность приходящейся на 1г абсолютно сухой породы.

К горно-технологическим характеристикам и классификациям горных пород относятся: крепость, твердость, абразивность, буримость, взрываемость и трещиноватость.

Крепость горных пород – оценивается по шкале проф.М.М.Протодьяконова, которая равна отношению временного сопротивления горных пород одноосного сжатия на 100 и определяется по формуле:

Твердость горных пород – это способность породы оказывать сопротивление проникновению в него твердого тела.

Абразивность горных пород – это способность породы изнашивать контактирующий с ней поверхность горных машин или горного оборудования в процессе их работы. Буримость горных пород – это способность породы сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента. Буримость породы характеризуется скоростью бурения – м/час.

Взрываемость горных пород – это сопротивляемость горной породы разрушению действием взрыва.

Трещиноватость горных пород и массивов – это совокупность трещин определенных размеров, частоты их расположения и ориентации в массиве горных пород. Трещиноватость определяются планиметрическим, фотопланиметрическим, керневым, сейсмическим и экспресс методами.

Численно каждое физическое свойство породы оценивается одним или несколькими параметрами (характеристиками) являющимися количественной мерой свойства.

Под физическим свойством породы понимают ее особое поведение (ответную реакцию) при воздействии на нее определенных физических полей или сред.

Вопрос №65 (Физические процессы горного производства, понятие. Основные технологические процессы, позволяющие установить количественные соотношения между параметрами процесса и физическими свойствами пород)

Физические процессы горного производства - область горной науки и производства, которая включает совокупность методов, способов и средств человеческой деятельности по изучению и контролю физико-химических свойств и состояния горных пород и массивов, процессов добычи и переработки полезных ископаемых, а также по управлению этими свойствами и процессами с целью совершенствования существующих и создания новых горных технологий.

К физическим процессам горного производства относятся процессы взаимодействия с горными породами инструментов, механизмов, агрегатов или реагентов, которые по технологическим признакам подразделяются на осушение, оттаивание, разрушение взрывом, дробление, измельчение, упрочнение, поддержание горных выработок; перемещение и складирование горных пород; переработку и обогащение полезных ископаемых; контроль за свойствами, качеством, составом, строением, состоянием и поведением пород при технологических процессах.

Вопрос №66 (Физическое состояние горных пород в массиве)

В массивах горных пород выделяют начальное состояние, когда массив не нарушен никаким искусственным воздействием, и нарушенное состояние, появляющееся в результате ведения горных работ.

Начальное состояние характеризуется естественными физическими полями. В первую очередь, это жидкости и газы насыщающие массивы горных пород. Вся совокупность сил (давление вышележащих слоев, сил тектонического движения ЗК, напора подземных вод, давления газов и др.) приводит к возникновению напряженно-деформированного состояния породы и называется – горным давлением.

Также действуют гравитационные силы, тектонические напряжения (возникающие вследствие тангенсального сжатия ЗК), естественные тепловые поля, возникающие в результате распада радиоактивных элементов, приливное трение, химич. реакций и др. Сезонное колебание температур, магнитное поле земли, локальные магнитные поля, электрические поля, теллурические поля (действие солнечной радиации), окислительно-восстановительные реакции, при активном участии подземных вод, фильтрационные потенциалы (в результате фильтрации жидкости по трещинам и порам породы).

Вопрос №67 (Характеристика горно-технологических параметров горных пород)

Технологические параметры горных пород подразделяются на несколько групп по принципу принадлежности к определённым процессам воздействия:

1) характеризующие общую разрушаемость горных пород механическим способом, например твёрдость, крепость, вязкость, дробимость и др.;

2) характеризующие разрушаемость горных пород определёнными механизмами, например буримость, сопротивляемость резанию, экскавируемость, взрываемость, удельные усилия внедрения и др.;

3) оценивающие воздействие породы на инструмент, например абразивность;

4) оценивающие качество полезных ископаемых, например коксуемость для углей, морозостойкость и термостойкость для строительногокамня;

5) устанавливающие производительность или эффективность различных процессов воздействия на горные породы (кроме разрушения), например обогатимость, флотируемость, устойчивость в отвалах и др.;

6) определяющие эффективность воздействия на горных породах различными немеханическими методами с целью их разрушения, упрочнения, плавления и т.д., например термобуримость, нагрев высокой частоты, электромеханическая разрушаемость и др.

А также имеет особое значение коэф. набухания, характеризующий способность породы увеличивать свой объем при насыщении V_н водой и коэф. усадки оценивающий способность породы уменьшать объем при высыхании V_c:

Кн = Vн/V; Ку = Vc/V (при этом Кн > 1, Ку < 1)

Липкость — способность грунтов и разрыхленных пород при определенном содержании влаги прилипать к поверхности инструмента и оборудования. Сущность прилипания заключается в том, что при определенной влажности толщина пленок воды, обволакивающих частицы грунта, становится такой, что они с одинаковой силой взаимодействуют как с минеральными частицами, так и с поверхностью соприкасающихся с ними предметов.

В некоторых породах, содержащих в основном физически связанную воду, при сотрясении происходит преобразование последней в свободную. Это явление носит название тиксотропии.

Вопрос №68 (Электрические и магнитные методы, применяемые для определения нарушенности массива горных пород)

Диэлектрическую проницаемость массивов пород определяют по распространению электромагнитных волн в породах (скорости, коэффициентам поглощения и отражения), а также непосредственно методом диэлектрического каротажа скважин или имитацией лабораторного эксперимента с накладными датчиками (развернутый конденсатор).

Естественная радиоактивность горных пород измеряется радиометрами непосредственно с поверхности либо в скважинах (гамма-каротаж).

Магнитная проницаемость массивов пород устанавливается либо по данным магниторазведки, либо в результате магнитного каротажа скважин.

Практически все физические свойства пород в массиве с той или иной достоверностью могут быть также рассчитаны по данным лабораторного эксперимента. Расчетные методы требуют знания отличительных структурных особенностей массива и характера зависимости свойств от этих особенностей.

Так, объемную массу массива пород можно рассчитать по известной объемной массе лабораторных образцов:

где ω — объемная влажность массива; Кскв — коэффициент скважности массива, представляющий собой отношение дополнительной трещинной пористости Рт к истинному объемному содержанию плотной фазы [Кскв = Рт/(1—Р)]; р_лi — объемная масса породы (определенная в лаборатории), относительное объемное содержание которой в массиве V_i.