Минералы

Рекомендуемая литература

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

 

1. Что понимается под структурой и текстурой горных пород и какие их типы можно выделить для горных пород? Кубический образец со сто­роной 5 см имеет массу 320 г. Определить объемную массу и объемный вес горной породы.

2. Как можно оценить строение массива горных пород по результатам бурения скважин? Горная порода плотностью имеет общую пористость 5 %. Определить ее объемную массу, удельный и объемный вес.

3. Опишите основные методы укрепления массива горных пород. На ку­бический образец со стороной 2 м действует сжимающая нагрузка 5 тонн. Построить круг напряжений Мора и определить нормальные и касательные напряжения в площадке, ориентированной под углом 30° к плоскости нагружения.

4. Опишите классификацию кристаллов по типам сил связи. Для условий предыдущей задачи (№3) определить минимальные и максимальные нормальные и касательные напряжения. Указать, каким площадкам они соответствуют.

5. Опишите основные виды дефектов структуры кристаллов. В массиве горных пород действуют главные напряжения величиной 50, 30 и 15 МПа. Построить круги напряжений, характеризующие объемное на­пряженное состояние горной породы, и определить величину нормаль­ных и касательных напряжений, действующих в площадке, ориентиро­ванной под углом 45° к соответствующим осям.

6. Какие типы дислокаций определяют линейные дефекты кристаллов? Опишите механизм их движения и размножения. Определить работу деформирования целика горной породы сечением 1,5x1,5 м и высотой 3 м, если при вертикальном напряжении 25 МПа опускание кровли вы­работки (деформация целика) составило 30 мм.

7. Какие показатели характеризуют плотностные свойства горных пород? Определить модуль упругости горной породы для условий пре­дыдущей задачи (№6).

8. Опишите различные виды пористости горных пород. Модуль упруго­сти горной породы составляет 35 ГПа и коэффициент Пуассона - 0,25. Вычислить модуль сдвига и модуль объемного сжатия горной породы в Паскалях и .

9. Охарактеризуйте взаимосвязь нормальных и касательных напряжений в горной породе. Кубический образец горной породы со стороной 5 м при нагревании на 40° расширился во всех направлениях на 20 мм. Вычислить коэффициенты теплового линейного и объемного расширения данной породы.

10. Какие деформации соответствуют нормальным и касательным напря­жениям в горной породе? Кубический образец горной породы со сто­роной 5 см смеет прочность при сжатии 120 МПа. После 25 циклов за­мораживания и оттаивания образец разрушился при нагрузке 22 тонны. Является ли данная порода морозостойкой?

11. Как разделяются горные породы по характеру их деформирования? Покажите типичные графики деформации. Определить объем пор в ку­бическом образце горной породы, если ее общая пористость составляет 4 %, а сторона куба 5 см.

12. Опишите физические основы действия поверхностно-активных ве­ществ на горные породы. Целик высотой 3. м, поддерживающий кров­лю выработки, под действием вертикального давления в 30 МПа пере­шел в стадию незатухающей ползучести. Определить, на сколько мил­лиметров опустится кровля выработки за первые сутки, если модуль упругости породы - 4 ГПа, период релаксации - .

13. Как определить работу деформирования горных пород? При разруше­нии горных пород взрывом получен следующий гранулометрический состав разрушенной породы:

Размер кусков, см 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 Масса фракции, т 2 5 15 12 4 2

Построить гистограмму и полигон распределения кусков по размерам.

14. Опишите упругие свойства горных пород и их взаимосвязь. По дан­ным задачи №13 построить кумулятивную кривую грансостава разру­шенной породы, определить средний размер куска, коэффициент неоднородности дробления и степень дробления, если объемная масса взо­рванной породы составляет 2,8 .

15. Как распределяются напряжения в горных породах вокруг выработки? Покажите эпюры напряжений. Транспортировка руды осуществляется думпкарами вместимостью 20 . Какова должна быть их минимальная грузоподъемность, если объемная масса руды 3,5 и коэффициент разрыхления -1,8?

16. Укажите зависимость скорости распространения продольных и попе­речных волн от упругих свойств горных пород и размеров образца. При испытаниях горной породы на срез со сжатием в шахтных условиях получены следующие результаты: при углах среза 60; 45; 30 градусов прочность на срез составила, соответственно, 10; 25; 35 МПа. Постро­ить паспорт прочности и определить величину сцепления массива гор­ных пород.

17. Чем определяется и как оценивается затухание упругих колебаний в горных породах? Определить показатель масштабного эффекта, если при испытании кубических образцов горной породы размерами 2 и 4 см их прочность составила, соответственно, 54 и 38 МПа.

18. Опишите физическую сущность горных ударов и выбросов пород. Оп­ределить динамический модуль сдвига горной породы с объемной мас­сой 2,7 , если скорость распространения в ней поперечных упру­гих волн составляет 3800 .

19. Дайте сравнительную оценку статического и динамического методов определения упругих свойств горных пород. При проходке горной вы­работки сечением 8 продвигание забоя за цикл составляет 2 м. Сколько вагонеток вместимостью 1,5 потребуется для уборки взо­рванной породы, если ее коэффициент разрыхления - 1,8?

20. Как влияет скорость приложения нагрузки на упругие свойства горных пород и чем определяется различие в величине статических и динами­ческих показателей? Определить величину вертикальных и горизон­тальных напряжений в массиве на глубине 800 м, если средний объем­ный вес пород составляет 2,5 и коэффициент Пуассона - 0,25.

21. Укажите основные критерии прочности горных пород и условия их применения. Построить график деформации упруго-пластичной поро­ды, если ее прочность при сжатии составляет 150 МПа, предел упруго­сти - 100 МПа, а упругая продольная деформация величиной 0,002 со­ставляет половину от полной (разрушающей). Показать на графике и вычислить величины модуля упругости, модуля пластичности и модуля полной деформации.

22. Опишите существо теории прочности Мора и укажите физическую сущность огибающей предельных кругов напряжений. Глинистая поро­да с массой минерального скелета 2 кг переходит в пластичное состоя­ние при увлажнении до увеличения массы в 2,3 кг и в текучее - до 2,8 кг. Определить пределы пластичности, текучести и число пластичности данной породы.

23. Опишите процедуру построения паспорта прочности горных пород с его графической иллюстрацией. Вычислить величину основных упру­гих характеристик горной породы (модули упругости, сдвига, объемно­го сжатия, коэффициент Пуассона), если известны скорость распро­странения продольной - 5000 и поперечной - 2800 волн в мас­сиве; объемная масса породы - 2,8 .

24. Что называется сцеплением и углом внутреннего трения горных пород? Укажите их положение на графике паспорта прочности. Опре­делить количество теплоты, которое выделится в образце породы размерами 50x50x50 см в переменном электрическом поле напряженно­стью 2000 и частотой 1 МГц, если относительная диэлектрическая проницаемость горной породы - 3,5 и тангенс угла потерь - 0,25.

25. Опишите механизмы пластичности горных пород. Какое количество тепла выделится в кубическом образце горной породы со стороной 20 см в переменном электрическом поле напряженностью 5000 и час­тотой 15 кГц, если относительная диэлектрическая проницаемость по­род составляет 5,6 и тангенс угла диэлектрических потерь - 0,3?

26. Дайте определение предела упругости и модулей упругости, пластич­ности, полной деформации. Укажите их положение на графике дефор­мации. Вычислить электрическое сопротивление кубического образца горной породы со стороной 20 см, если ее удельное электросопротив­ление составляет 600 Oм м.

27. Что называется коэффициентом пластичности и коэффициентом хруп­кости, как они связаны с работой разрушения горных пород? Опреде­лить максимальный размер горной породы, при котором еще выполня­ется условие стержня, если скорость продольной волны в ней составля­ет 4500 и частота колебаний 25 кГц.

28. На основании модели упруго-пластичного тела (модель Максвелла) опишите характерные этапы затухающей и незатухающей ползучести горных пород. Определить величину напряжений на контуре горной выработки, пройденной на глубине 420 м, если средний объемный вес вышележащих пород составляет 2,8 , коэффициент Пуассона -0,3 и коэффициент концентрации напряжений - 2,2.

29. Дайте вывод основного уравнения реологии и укажите его примени­мость к процессу ползучести горных пород. При испытании глинистой породы на срез со сжатием при нормальных сжимающих напряжениях = 0; 5; 10; 15 МПа получены следующие значения прочности породы на срез, соответственно, = 3; 10; 15; 16 МПа. Построить паспорт прочности глинистой породы.

30. Что называется релаксацией напряжений и чем она обусловлена в гор­ных породах? При компрессионных испытаниях кубического образца глинистой породы размером 5 см получены следующие данные: при напряжениях 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 образец показал продольную де­формацию, соответственно, 2; 4; 8; 16 мм. Построить график деформа­ции и определить величину коэффициента сжимаемости глинистой по­роды.

31. Что понимается под длительной прочностью горных пород и как она соотносится с ползучестью? Определить нагрузку на прицепное уст­ройство скипа вместимостью 11 при подъеме полезного ископаемого с объемной массой 3,2 , если коэффициент разрыхления состав­ляет 1,8 и собственная масса скипа 11 тонн.

32. Опишите основные горно-технологические характеристики пород. При динамическом нагружении горной породы ее относительная про­дольная деформация в 4 раза превышает поперечную. Во сколько раз скорость продольной волны в массиве этих пород больше скорости по­перечной волны?

33. Охарактеризуйте методы локального прогноза горных ударов. До ка­кого значения снизятся за двое суток напряжения на контуре жестко закрепленной горной выработки, если начальное напряжение составля­ет 80 МПа, период релаксации - 4- с.

34. Дайте определение теплоемкости горных пород. Как она зависит от температуры и влажности пород? Разрушение кубического образца горной породы со стороной 5 см произошло при вертикальной нагрузке 8 т и боковой - 5 т. Определить предельное касательное напряжение, действовавшее в площадке под углом 30° к горизонтальной плоскости.

35. Охарактеризуйте механизм передачи тепла в горных породах, дайте определения теплопроводности и температуропроводности. Опреде­лить критическую глубину разработки, на которой возникает возмож­ность горных ударов, если прочность при растяжении горных пород составляет 25 МПа, коэффициент структурного ослабления - 0,8, ко­эффициент концентрации напряжений - 1,8, средний объемный вес по­род - 2,5 , а тектонические напряжения в массиве пренебрежимо малы.

36. Опишите тепловое расширение и возникновение термических напря­жений в горных породах. На расстоянии 20 м от источника энергия (амплитуда) упругой волны уменьшилась в 5 раз. Определить коэффи­циент затухания волны для данных условий.

37. Опишите механизм электропроводности горных пород проводников, полупроводников и диэлектриков. Определить удельную работу хруп­кого разрушения горной породы, если ее прочность составляет 150 МПа, а модуль упругости - 60 ГПа.

38. Что называется относительной диэлектрической проницаемостью и как она характеризует поляризацию горных пород? Определить проч­ность горной породы при одноосном растяжении, если огибающая кру­гов предельных напряжений принята в виде прямой с углом внутренне­го трения 35° и величиной сцепления - 40 МПа. Построить паспорт прочности.

39. Опишите основные механизмы поляризации горных пород. Прочность горной породы при одноосном растяжении составила 25 МПа, при одноосном сжатии - 150 МПа. Построить паспорт прочности и опреде­лить величину сцепления и угла внутреннего трения данной породы.

40. Что представляют собой диэлектрические потери в горных породах? Модуль пластичности горной породы составляет 25 ГПа, предел упру­гости - 40 МПа. Определить прочность при сжатии данной породы, ес­ли при ее разрушении общая относительная продольная деформация составила 0,0015, а упругая - 0,0005. Построить график деформации.

41. Выведите формулу для расчета процесса нагревания горных пород в переменном электрическом поле. Определить удельную работу разру­шения горной породы, если ее прочность составляет 60 МПа, модуль упругости - 4 ГПа, коэффициент пластичности - 2,2.

42. Укажите особенности намагничивания горных пород диа-, пара- и ферромагнетиков. Определить величину сцепления горной породы при линейной огибающей кругов напряжений Мора, если угол внутреннего трения породы 45° и разрушение произошло при нормальных и каса­тельных напряжениях, соответственно, 25 и 60 МПа. Построить пас­порт прочности.

43. Что называется гранулометрическим составом разрушенных горных пород? Дайте графическое изображение гистограммы и полигона рас­пределения кусков горной породы по размерам. Определить предел упругости горной породы, если ее разрушение произошло при напряже­нии 35 МПа и относительной пластической деформации 0,002. Модуль пластичности горной породы - 5 ГПа.

44. Укажите основные характеристики гранулометрического состава раз­рушенных пород. Построить графики зависимости коэффициентов крепости (основного и модернизированного) от прочности горных по­род при сжатии в интервале от 0 до 400 МПа. Оценить разницу в коэф­фициентах при = 50 и 150 МПа.

45. Что называется коэффициентом разрыхления горных пород, от каких факторов зависит его величина? Рассчитать и показать на графике из­менение отношения скоростей продольной и поперечной волн ( ) при изменении коэффициента Пуассона от 0,1 до 0,5, если все прочие показатели остаются неизменными.

46. Опишите процедуру построения паспорта прочности разрушенных горных пород. Какое количество тепла получит кубический образец горной породы со стороной 4 см, нагретый на 20°, если объемная теп­лоемкость породы 1,8 ?

47. Как определяются деформационные характеристики разрушенных по­род? Какое количество тепла проходит через стержень горной породы сечением 10x10 см за 5 минут при градиенте температур 3 , если коэффициент теплопроводности породы составляет 5 ?

48. Укажите основные принципы и методы борьбы с горными ударами и выбросами. Определить контактную прочность горной породы, если при внедрении штампа диаметром 3 мм разрушающая нагрузка соста­вила 8 кН.

49. Как изменяется состояние глинистых пород в зависимости от их влаж­ности? Вычислить коэффициент хрупкости горной породы с модулем упругости 50 ГПа, если ее общая работа разрушения составила 20 , а предел упругости - 30 МПа.

50. Опишите механизмы набухания и липкости (адгезии) глинистых по­род. Целик горной породы высотой 2,5 м разрушился при напряжении 150 МПа и продольной деформации 8 мм. Вычислить модуль общей (полной) деформации горной породы.

51. Опишите процедуру построения паспорта прочности глинистых по­род. Определить объемную теплоемкость горной породы, если на ци­линдрическом образце диаметром 6 см, высотой 15 см и массой 1,2 кг определена удельная теплоемкость 700 .

52. Укажите существо компрессионных испытаний глинистых пород и деформационные характеристики глин. Определить удельный тепловой поток в горной породе, если перепад температур на 1 м составляет 5° и коэффициент теплопроводности - 1,5 .

53. Как изменяются деформационные характеристики скальных и раздельнозернистых пород при замораживании? Построить график зави­симости коэффициента Пуассона от отношения скоростей распростра­нения в горной породе продольной волны в массиве и стержне ( ) в диапазоне от 1 до 3.

54. Как изменяется прочность влажных горных пород в области отрица­тельных температур? Определить скорость распространения в массиве пород поперечной волны, если скорость продольной волны составляет 5500 и коэффициент Пуассона - 0,3.

55. Почему свойства массива отличаются от свойств слагающих его гор­ных пород (в образце)? На сколько градусов следует нагреть горную породу для ее разрушения, если прочность ее составляет 25 МПа, мо­дуль упругости - 40 ГПа и коэффициент теплового линейного расши­рения -5 ?

56. Опишите процедуру построения паспорта прочности массива горных пород по результатам натурных испытаний. Продольная упругая волна в тонком стержне длиной 25 см распространяется за 4 с. Вычислить динамический модуль упругости горной породы, если ее плот­ность – .

57. Что называется масштабным эффектом и чем он обусловлен в горных породах? Объемная масса горной породы 2,7 , модуль упругости 50 ГПа, коэффициент Пуассона - 0,25. Вычислить скорость распро­странения продольной волны в массиве и стержне данной породы. На образцах какого размера могут быть получены эти данные, если часто­та упругих колебаний составляет 60 кГц?

58. Укажите существо косвенных методов оценки свойств массива горных пород. Вычислить электрическую емкость 1 горной породы, если ее относительная диэлектрическая проницаемость составляет 4,5. 59. Как влияет горное давление и влажность на свойства горных пород? При нагружении горной породы до 80 % ее прочности ( = 150 МПа) относительная продольная деформация составила 0,005. Является ли данная порода потенциально удароопасной, если ее модуль упругости 40 ГПа и предел упругости - 70 МПа? Проиллюстрировать вывод гра­фиком деформации горной породы.

60. Как оценивается трещиноватость массива горных пород? Горная по­рода с модулем упругости 16 ГПа разрушилась при напряжении 50 МПа. Определить удельную работу разрушения породы, если ее коэф­фициент пластичности составляет 1,8.

 

При выполнении контрольной работы следует выбирать вариант, со­ответствующий последней цифре номера зачетной книжки.

Вариант Номера контрольных вопросов и заданий

О

При оформлении контрольной работы ответы следует располагать в порядке номеров, указанных в задании, переписывая полностью сам во­прос.

 

 

 

1. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. -M.: Недра, 1984.-360 c.

2. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. –M .: Не­дра, 1976.-527 с.

3. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / Под ред. Н.В.Мельникова, В.В.Ржевского, М.М.Протодьяконова. -M.: Недра, 1975.-279 с.

4. Лабораторные методы определения свойств горных пород: Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ / О.Г.Латышев, M.А.Азанов. - Екатеринбург: Изд. УГГГА, 1997. -76 с.

 

 

Под минералом понимают любое природное химическое соединение, образовавшееся при различных химических и физико-химических процессах в земной коре. К минералам относятся также индивидуализированные элементы, обнаруживаемые в земной коре (самородные металлы и металлоиды).

Минералы могут быть газообразные (природный газ), жидкие (нефть, ртуть, вода) и твердые (рудные минералы и др.). Количество природных соединений ограниченно; всего на настоящее время, известно около 4100 различных минералов. В большинстве случаев это твердые кристаллические химические соединения. Каждый год открывают в среднем около 50 новых минералов. В настоящее время многие минералы выращиваются искусственно.

Минералы распределяются в земной коре весьма неравномерно. В образовании горных пород основную роль играют только около 30 так называемых породообразующих минералов, из которых наиболее распространены полевые шпаты — натриевые, калиевые и кальциевые алюмосиликаты, составляющие 60% верхней части земной коры, амфиболы и пироксены — 17%, кварц — 12% и слюды — 3,8%.

Большинство других минералов присутствует в породах в незначительном количестве. Однако именно они имеют огромное значение для различных производств. В тоже время, такие добавочные (акцессорные) минералы оказывают большое влияние на свойства горных пород.

Минералы встречаются в виде одиночных хорошо образованных кристаллов и зерен, рассеянных в породе, поликристаллических плотных и землистых масс, натеков, налетов, корочек и желваков. Некоторые кристаллы, такие, как кварц, полевой шпат и сподумен, могут быть очень больших размеров, однако большинство минералов встречается в виде мелких кристаллов.

Минералы имеют свою пространственную решетку, соответствующую закону распределения вещества внутри кристалла. Известно семь типов (сингоний) кристаллических решеток, характеризуемых отношениями размеров кристаллических осей a, b, c (наименьших расстояний между узлами решетки в трех направлениях) и углами между ними α, β, γ (рис. 1):

первая сингония — триклинная(a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ ≠ 90°);

вторая сингония — моноклинная (a ≠ b ≠ c; α =γ =90°; β ≠ 90°);

третья сингония — ромбическая (a ≠ b ≠ c; α =γ =β ≠ 90°);

четвертая сингония — тетрагональная (a = b ≠ c; α =γ =β =90°);

пятая сингония — тригональная (a = b = c; α =β =γ ≠ 90°);

шестая сингония — гексагональная (a = b ≠ c; α =β =90° γ =120° );

седьмая сингония - кубическая (a = b= c; α =β =γ =90°);

Физические свойства одиночного кристалла определяются его химическим составом и силами связей между частицами, входящими в пространственную решетку.

Существуют следующие типы связей – ионная (полярная), ковалентная (гомеополярная), металлическая, молекулярная.

Если взаимодействующие атомы имеют различную электроотрицательность, валентные электроны[1] от атома с меньшей электроотрицательностью переходят к атому с большей электроотрицательностью. В результате образуется ионная, или полярная, связь, обусловленная кулоновскими силами взаимодействия. Характерными представителями минералов с ионным типом являются галит КС1 и сильвин КС1.

В случае если соединяющиеся атомы имеют равные или между собой близкие значения электроотрицательности, то связывающие их электроны располагаются симметрично по отношению к ядрам этих атомов. Возникает ковалентная[2], или гомеополярная, связь, которую имеют, например, кварц и алмаз; минералы, обладающие такой связью, характеризуются большой твердостью и высокой температурой плавления.

В узлах решетки металлов находятся лишь положительные ионы[3]. Валентные электроны отделены от своих атомов и легко могут переходить от одного иона к другому; такого типа связи называются металлическими, их имеют, например, самородные золото и медь.

Если решетка кристалла образуется не атомами, а нейтральными молекулами, то связь между ними обуславливается электростатическими силами притяжения, возникающими вследствие поляризации взаимодействующих молекул; такие связи называются молекулярнымии по величине меньше предыдущих.

Свойства поликристаллических агрегатов наряду со свойствами составляющих кристаллов также зависят от сил сцепления между кристаллами. Эти силы обычно слабее внутрикристаллических и близки по величине к молекулярным.

Кристаллы анизотропны; их свойства зависят от направления, в котором производится измерение.

В агрегатах кристаллы обычно не ориентированы, располагаются беспорядочно, поэтому минеральные агрегаты в целом почти изотропны. Они имеют различную макроструктуру, определяющую их свойства. Макроструктура характеризуется размерами, формой кристаллов и их взаимным расположением. Широко распространены зернистые, лучистые, волокнистые, болитовые и другие минеральные агрегаты.

Характерным признаком некоторых минералов является спайность — способность раскалываться по плоским блестящим поверхностям. Явление спайности — следствие наличия в минералах направлений с ослабленным сцеплением частиц. Весьма развита спайность, например, у слюды. Агрегаты, сложенные такими минералами, анизотропны.

По химическому составу минералы принято делить на следующие группы:

самородные элементы (золото, серебро, мышьяк, сера, сурьма, алмаз);

сульфиды(халькозин Сu₂S, сфалерит ZnS, киноварь HgS, пирит FеS₂);

окислы (куприт Сu₂О, корунд А1₂O₃, гематит Fе₂O₃, кварц SiO₂);

силикаты (оливин, тальк, мусковит, биотит, серпентин, каолинит, калиевые полевые шпаты );

соли кислородных кислот — сульфаты, вольфраматы, карбонаты и т. д. (ангидрид СаSO₄, барит ВаSO₄, шеелит СаWO₄, кальцит СаСО₃);

галоидные соединения (флюорит СаF₂, галитNаС1, сильвин КС1).

Минералы подразделяются по генезису[4] на группы. Различают магматогенные минералы, образовавшиеся как непосредственно из магмы, так и из магматогенных горячих растворов, экзогенные (осадочные) минералы, возникшие вблизи поверхности Земли при участии агентов выветривания, и метаморфические минералы, образовавшиеся на глубине в результате изменения других минералов.

Часто один и тот же минерал может образовываться в различных условиях. Например, слюда может быть магматогенной и метаморфической.