» » Определение физических свойств горных пород в условиях залегания

Определение физических свойств горных пород в условиях залегания

07.08.2016

Термодинамика рассматривает явления, обусловленные совокупным действием огромного количества непрерывно движущихся частиц, из которых состоят твердые тела. Благодаря очень большому количеству частиц, беспорядочное движение приобретает новые качества: макроскопические свойства систем из большого количества частиц в обычных условиях не зависят от начального положения этих частиц, в то время как механическое состояние системы в значительной степени зависит от начальных условий. Представляют интерес и те физические характеристики, которые могут быть корреляционно взаимосвязаны с плотностными и механическими свойствами, полученными геофизическими и другими методами исследований.
Для решения задач, сформулированных в работе, определялись физические свойства горных пород в условиях их естественного залегания на заданной глубине для соответствия условиям подобия в физических и теоретических моделях. Термодинамическая теория (В.Ф. Лавриненко) позволяет достаточно точно определить следующие характеристики ненарушенного массива горных пород с учетом коэффициента уплотнения минерального вещества Ky: объемную массу породы уγ = Kуγо; коэффициент Пуассона μ = 0,5-(Ку-1)(6Ку)-1(1-Ky-0’33)-1; модуль Юнга (модуль продольной упругости) E0 = σz((1-Ky)-0'33)-1; модуль объемной упругости Ко = σzΔV-1; коэффициент сжимаемости β = Ko-1; модуль сдвига G = 3Ko(1-2μ)[2(μ+1)]-1; скорость продольной упругой волны Vp = 3[Ko(1-μ)γy-1(1+μ)-1]0,5; скорость поперечной упругой волны Vδ = [1,5Ko(1-2μ)γy-1(1+2μ)-1]0,5; относительную объемную деформацию ΔV = (Ky-1)Кy-1; относительную линейную деформацию ε = 1-Ky-0'33; температуру массива пород Tм = ΔVω-1; магнитную восприимчивость v = CT-1, где С -температура Кюри и др.
Определение физических свойств горных пород в условиях естественного залегания производили до глубин 3000 м по данным геологического строения исследуемого участков шахтных полей. Так, например, результаты моделирования ненарушенного массива для расчетного вертикального профиля, расположенного на 92-й маркшейдерской оси в точке ее пересечения с линией среднего простирания +1214 м на глубине 1200 м шахты «Им. Ленина» ПАО «КЖРК» показали, что объемная масса руды возросла на 0,79 МН/м3, а вмещающих пород - на 0,22 МН/м3. В условиях объемного сжатия прочность руды увеличилась с 70 до 120,8 МПа, а пород - с 180 до 350 МПа. Соответственно, возросли и абсолютные значения модуля Юнга с 0,843*10в5 до 1,63*10в5 для пород и с 0,324*10в5 до 0,593*10в5 МПа для руд. Для формирования массива исходных данных (граничных значений данных) при моделировании поведения горных пород использовались следующие показатели: глубина горных работ H = 0-3000 м, предел прочности пород на одноосное сжатие для гранитов, амфиболитов σсж = 37 - 380 МПа; базальтов σсж = 30-500 МПа; модуль Юнга породы Eо, МПа; модули упругости для глинистых сланцев, галитов, гнейсов 1-3х10в3 МПа, базальтов, диабазов, дунитов 1-3*10в5 МПа; коэффициенты поперечных деформаций для сланцев, гнейсов v = 0,01-0,08; дунитов, амфиболитов v = 0,4-0,46; скорости продольных упругих волн в осадочных породах 1,5-4,5 км/с, плотных известняках 6-7 км/с; коэффициент поглощения энергии упругих колебаний в породах средней крепости и трещиноватости v = 0,15-0,17, крепких и монолитных v = 0,1-0,12.
Точность подготовки исходных данных подтверждается сравнением расчетных значений с измеренными в геологоразведочных скважинах значениями температуры пород Криворожского бассейна на глубинах 1400-2700 м, расхождение которых не превышает 7 - 9%. Различие измеренных методом разгрузки и рассчитанных значений упругих деформаций горных пород на глубинах до 1200 м в полях шахт «Октябрьская» и «Им. Ленина» ПАО «КЖРК» - 3-5%. Рассчитанная и экспериментально установленная плотности пород под давлением до 1,5*10в3 МПа различаются между собой в среднем на 1,32%, а плотность минералов - на 2,15%. Значения относительной объемной деформации минералов при давлении до 4*10в3 МПа были сопоставлены с экспериментальными данными для условий высокого давления, и расхождение не превысило 7,9-10,6%), а измеренная и рассчитанная скорости распространения продольных упругих волн в породном массиве, не нарушенном горными работами, различались на 6-8%.