Физико-механические свойства горных пород

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет "МЭиФ" (менеджмента  экономики и финансов)

Кафедра менеджмента

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

По дисциплине

«Основы техники разведки МПИ »

На тему: «Физико-механические свойства горных пород»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка группы МД -11

                                                                                           Колмакова А.О.

                                                                                      Проверил: доц. Коротун В.Г.

                                                                                                                               

 

 

 

 

 

 

 

Магадан

2013

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 

1. гРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ 5

2. тРЕЩИНОВАТОСТЬ 8

3. УСТОЙЧИВОСТЬ 9

4. ПОРИСТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД 9

5. плотность горных пород 10

6. анизотропия 11

7. степень связности 12

8. твердость, прочность и хрупкость горных пород 13

 

9. КРЕПОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД………………………………………………………………………………..13

 

10. УПРУГОСТЬ………………………………………………………………………........................................14

 

11. АБРАЗИВНОСТЬ………………………………………………………………………………………..........14

 

12 БУРИМОСТЬ………………………………………………………………………………………………......15

 

13. ВОДНО-КОЛЛОИДНЫЕ СВОЙСТВА……………………………………………………………………...17

 

14. ДРУГИЕ КЛАССИФИКАЦИИ ГОРНЫХ  ПОРОД…………………………………………………………22

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………………………………......23  

 

 

 

 

 

Введение

 

Упругость, прочность на сжатие и  разрыв, пластичность - наиболее важные механические свойства горных пород, влияющие на ряд процессов, происходящих в пласте в период разработки и эксплуатации месторождений.

Так, например, от упругих свойств  горных пород и упругости пластовых  жидкостей зависит перераспределение  давления в пласте во время эксплуатации месторождения. Запас упругой энергии, освобождающейся при снижении давления, может быть значительным источником энергии, под действием которой  происходит движение нефти по пласту к забоям скважин. Действительно, если пластовое давление снижается, то жидкость (вода и нефть) расширяется, а поровые  каналы сужаются. Упругость пород  и жидкостей очень мала, но вследствие огромных размеров пластовых водонапорных систем в процессе эксплуатации значительное количество жидкости (упругий запас) дополнительно вытесняется из пласта в скважины за счет расширения объема жидкости и уменьшения объема пор  при снижении пластового давления.

Не менее существенный эффект упругости  жидкости и пласта заключается в  том, что давление в пласте перераспределяется не мгновенно, а постепенно после  всякого изменения режима работы скважины, после ввода новой или  остановки старой скважины. Таким  образом, при большой емкости  пласта и высоком пластовом давлении с самого начала эксплуатации пласт  будет находиться в условиях, для  которых характерны длительные неустановившиеся процессы перераспределения пластового давления. Скорости этих процессов  в значительной мере определяются упругими свойствами пород и жидкостей. Оказывается, что по скорости перераспределения  давления при известных упругих  свойствах пород и жидкости можно  судить о проницаемости и других параметрах.

В процессе эксплуатации месторождения  весьма важно знать также и  прочность пород на сжатие и разрыв. Эти данные наряду с модулем упругости  необходимы при изучении процессов  искусственного воздействия на породы призабойной зоны скважин (торпедирование, гидроразрыв пластов), широко применяемых  в нефтепромысловом деле для увеличения притока нефти.

При рассмотрении физических свойств  горных пород следует учитывать, что в зависимости от условий  залегания механические свойства породы могут резко изменяться.

 

 

 

1. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ

 

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ (а. granulometric соmposition; н. Kornverteilung; ф. соmposition granulometrique, granulometrie; и. соmposicion granulometrica, granulometria) —  распределение зёрен (кусков) по крупности  в массивах горной породы, горной массы, почве или искусственном продукте, характеризуемое выходом в процентах  от массы или количества зёрен.

Гранулометрический состав — важный показатель физических свойств и  структуры материала. Общепринятой классификации по данным гранулометрического  состава не существует, что связано  с различием целей и объектов, для которых производится определение  гранулометрического состава. В  геологии (литологии), горном деле, обогащении полезных ископаемых, грунтоведении, почвоведении, технологии строительных материалов и  других областях техники применяют  различные классификации и шкалы  классов (фракций) крупности. Классы (фракции) обычно обозначают в мм, в обогащении полезных ископаемых классы крупнее  и мельче данного размера —  знаками плюс и минус соответственно. В геологии при оценке осадочных  горных пород различают: валуны крупные (свыше 500 мм), валуны средние (500-250 мм), валуны мелкие (250-100 мм), гальку (100-10 мм), гравий крупный (10-5 мм), гравий мелкий (5-2 мм), песок  грубый (2-1 мм), песок средний (0,5-0,25 мм), песок мелкий (0,25-0,1 мм), алеврит (0,1-0,05 мм), пыль (0,05-0,005 мм), глину (до 0,005 мм). В  горном деле гранулометрический состав горной массы, отделённой от массива, используют для оценки результатов буровзрывных работ, качества продуктов обогащения и учитывают при выборе типа и  параметров технологического оборудования в карьерах, на шахтах, дробильно-сортировочных, обогатительных, окомковательных фабриках.

Гранулометрический состав руд, углей, неметаллорудных материалов устанавливается  стандартами и техническими условиями, разрабатываемыми для определённых потребителей минерального сырья. В  зависимости от цели исследования и  размеров частиц гранулометрический состав определяют прямыми и косвенными методами гранулометрии.

Гранулометрический состав может  быть выражен в виде дискретной или  непрерывной зависимости содержания частиц от их размеров. Для определения  дискретной зависимости интервал размеров всех частиц анализируемого вещества подразделяют на классы (фракции) и  гранулометрический состав представляют в виде процентного содержания частиц каждой из фракций (фракционный состав). В зависимости от размера максимального  куска классификация по крупности  осуществляется грохочением пробы  на наборе сит (ситовой анализ) либо гидравлической классификацией материала. Величина фракции показывает содержание в веществе частиц в интервале размеров, ограничивающих фракцию. Графическое изображение гранулометрического состава в виде непрерывной зависимости называется кривой распределения. При построении её по оси абсцисс откладывают размеры частиц, а по оси ординат — суммарное содержание всех частиц от начала отсчёта до данной точки, получая интегральную (суммарную) кривую распределения. Если по оси ординат откладывают относительное содержание фракций, причём разность между средними размерами частиц каждой фракции стремится к нулю, получают дифференциальную кривую распределения (рис. 1). При определении гранулометрического состава строительных материалов результаты анализа иногда выражают в виде треугольника (чем ближе точка к вершине треугольника, тем больше в данном материале фракции, соответствующей этой вершине).

 По результатам анализов  гранулометрического состава составляют  таблицы, в которых отражают: класс  (в мм); выход отдельных классов  (по массе в килограммах и  в %); суммарный (кумулятивный) выход  по плюсу, т.е. выход суммарных  остатков или по минусу, т.е.  суммарный просев (в %). Данные  анализа также выражают графически, используя простые, полулогарифмические  и логарифмические сетки. На  оси абсцисс откладывают размеры  отверстий контрольных сит, на  оси ординат — суммарные остатки.  Крупность продукта характеризуют  в необходимых случаях верхним  (нижним) номинальным размером, т.е.  размером отверстий контрольного  сита, соответствующим установленному  допустимому значению остатка  просева. Крупность горной массы  оценивают также средним (средневзвешенным) размером куска (медианой).

Гранулометрический состав продуктов  взрывного и механического дробления  горных пород отражает вероятностный  процесс образования кусков (зёрен) различной крупности в результате их разрушения. Гранулометрический состав взорванной породы в любом случае можно выразить графиками (рис. 2), из которых видно, что с увеличением допустимого размера кусков количество крупной фракции породы, требующей вторичного дробления, во всех случаях (особенно при мелком негабарите) уменьшается.

 

 Таким образом, при постоянстве  гранулометрического состава взорванной  массы степень дробления, оцениваемая  по выходу негабарита, может быть  различной, неодинакова и производственная  оценка одного и того же  взрыва на предприятиях с различным  размером допустимого куска. Поэтому  одни и те же породы при  одинаковом гранулометрическом  составе могут считаться легковзрываемыми  или трудновзрываемыми в зависимости  от принятых допустимых размеров  кусков.

 

2. Трещиноватость

ТРЕЩИНОВАТОСТЬ горных пород - явление разделения горных пород земной коры трещинами различной протяжённости, формы и пространственной ориентировки.

По происхождению трещиноватость горных пород разделяется на нетектоническую, тектоническую и планетарную.

Нетектонические трещиноватости горных пород - следствие растрескивания горных пород в процессе охлаждения (для магматических пород), уплотнения, дегидратации, развития экзогенных процессов (гравитационного оползания, резких колебаний температуры), ведения горных работ ("технологическая" трещиноватость) и т.п.

Тектоническая трещиноватость горных пород развивается в связи с напряжениями, возникающими в горных породах под влиянием глубинных тектонических сил. Выделяются трещины отрыва и трещины скалывания, которые образуют системы, закономерно ориентированные по отношению к крупным тектоническим структурам; в связи с развитием последних происходит растрескивание горных пород.

 При планетарной трещиноватости горных пород напряжения в земной коре возникают под действием планетарных явлений (например, изменения частоты вращения и формы Земли, "твёрдых приливов" и т.п.).

 Трещиноватость горных пород  в зависимости от методов измерения  характеризуется: 

• размером отдельности горных пород;
• интенсивностью (суммарной шириной раскрытия трещин на единицу длины скважины, мм/м);
• удельным водопоглощением (поглощением воды массивом на единицу длины скважины и единицу гидростатического напора в единицу времени, л/с•м2);
• реометрической проницаемостью (падением давления воздуха при его растекании в скважине на единицу длины в единицу времени, Па/м•с)
• и другими параметрами.

 Укрупнённая оценка трещиноватости  горных пород даётся с помощью  диаграмм трещиноватости, отражающих  преимущественную ориентацию систем  трещин, среднее их раскрытие,  шероховатость и др.

Наличие в разрезе скважины сильнотрещиноватых и разрушенных пород приводит к снижению механической скорости бурения, выхода керна, износостойкости алмазной коронки, резкому увеличению расхода  алмазов, способствует поломке резцов, осложнениям вследствие поглощения промывочной жидкости и обрушения  стенок скважины. Для оценки степени  нарушенности пород трещинами можно  воспользоваться показателем трещиноватости Т, который вычисляется по формуле

Т=       при α<90°                                 

Где α- угол наклона трещины; - средняя длина столбика керна (отношение общей длины столбика к их числу).

Трещиноватость по керну может  быть оценена по методике ЦНИГРИ [1], согласно которой все породы по трещиноватости разделены на четыре класса: слаботрещиноватые (коэффициент трещиноватости трещиноватые ( ); сильнотрещиноватые ( раздробленные ( .

Коэфициент трещиноватости пород  первого класса рассчитывается по формуле

=1/ ,                                          

где - относительный выход столбиков керна (отношение общей длины столбиков керна к проходке за рейс).

Формула (I.2) применима при средней длине столбиков более 0,2 м и выходе керна более 70 %. Значение коэффициентов последующих классов определяется по формуле

=

(q=2- знаменатель геометрической прогрессии; n- порядковый номер класса пород).

 Явление трещиноватости имеет  как положительные, так и отрицательные  практические следствия. 

Рассечение горных пород трещинами  способствует проницаемости земной коры для глубинных растворов (флюидов), несущих рудные компоненты, которые, откладываясь в трещинах, формируют  месторождения полезных ископаемых. Глубинные горизонты трещиноватых пород могут быть коллекторами пресной  воды, нефти и газа.

Трещиноватость горных пород обеспечивает хорошее дробление горных пород  при отбойке, способствует применению экономичных систем разработки с  самообрушением руды. Трещиноватые породы лишены склонности к динамическим проявлениям  горного давления.

Отрицательное влияние трещиноватости горных пород состоит в понижении  устойчивости массивов горных пород. Прочностные  характеристики массива трещиноватых горных пород повышают цементацией, силикатизацией, битумизацией и смолоинъекционным упрочнением.