Горная среда, горная порода, полезные ископаемые, и их свойства

Полезные – ископаемые чаще всего находятся в недрах Земли в виде каких-то соединений, которые возникли в результате конкретных геологических процессов — магматизма, метаморфизма и седиментации.

В геотехнологии рассмотрение отдельно взятых горных пород и полезных ископаемых неприемлемо, необходимо исследован горную среду, представляющую собой одну или несколько гетерогенных систем с различными компонентами, присутствующими в твердой, жидкой или газообразной фазах. При этом наибольшее значение имеют геотехнологические свойства полезных компонентов, поскольку именно они определяют способность полезного ископаемого к фазовым превращениям. Исследования горной среды заключаются в изучении состояния, состава и строения полезного ископаемого и горных пород, его вмещающих (таблица 2).

Таблица 2 – Способы определения

Характеристика рудного тела и вмещающих пород	Способ определения
Состояние: положение залежи, мощность, обводненность, условия питания и разгрузки	Бурение разведочных скважин, гидрогеологические и геофизические исследования
Состав: минеральный, химический, гранулометрический, состав и рН пластовых вод	Лабораторные исследовавния
Строение: структура и текстура руд, пористость и трещиноватость, неоднородность в разрезе и плане	Изучение керна, лабораторные исследования

Продолжение таблицы 2

Характеристика рудного тела и вмещающих пород

Способ определения

Свойства: фильтрационные (проницаемость, водопроводимость); размываемость, вязкость, пластичность, размокаемость, влагоемкость, влагоотдача, хрупкость, консолидация, крепость (предел прочности на сжатие, сдвиг, растяжение, изгиб, модуль Юнга, коэффициент Пуассона) и т.д.

Натурные и лабораторные исследования

Состояние горного массива определяется степенью заполнения пор, трещин и пустот газами или жидкостью, температурой залежи и окружающей среды, а также положением залежи в горном массиве.

Под изучением состава горных пород подразумевается: определение вещественного состава их, исследование морфолого-минералогических ассоциаций, образующих полезное ископаемое, изучение минералогического состава, химического, т.е. определение неких элементов и соединений; определение гранулометрического микроагрегатного составов залежи.

Наряду со структурой, текстурой полезных ископаемых особое значение имеет изучение их пористости; особенно важно знать активную, или открытую, пористость, которая определяет возможность осуществления многих геотехнологических методов, так как позволяет перемещаться в массиве рабочим агентам и полезному ископаемому под воздействием градиентов давления.

2.1.1 Гидравлические свойства горного массива имеют наибольшее значение для геотехнологических методов.

Свойство горных пород пропускать через себя жидкости и газы характеризуется коэффициентом проницаемости К_п (мкм²) и коэффициентом фильтрации К_ф (м/сут, см/с), которые связаны между собой соотношением

К_ф = К_п ρ_ж / μ (1)

где ρ_ж – плотность жидкости;

μ—вязкость жидкости.

Кроме фильтрационных, к гидравлическим свойствам горных пород относится: влагоёмкость, водоотдача, водоустойчивость, капиллярность, набухание, усадка, просадочность, смачиваемость, адсорбция, абсорбция, липкость.

2.1.2 Тепловые свойства полезных ископаемых лежат в основе геотехнологических методов, использующих свойство части горной породы при определенной температуре переходить из твердой в жидкую или газообразную фазу.

2.1.2.1 Плавление — способность полезного ископаемого переходить в жидкое состояние. Оно характеризуется температурой плавления.

2.1.2.2 Испарение (парообразование) — способность полезного ископаемого переходить из твердой или жидкой фазы в газообразную. Оценивается теплотой испарения.

2.1.2.3 Сублимация — способность полезного ископаемого переходить их твердого состояния в газообразное. В количественном отношении это свойство характеризуется теплотой сублимации.

2.1.2.4 Кристаллизация — способность полезного ископаемого к образованию и росту кристаллов из расплава, раствора или газа.

2.1.2.5 Конденсация — способность полезного ископаемого переходить из газообразного в твердое или жидкое состояние.

2.1.3 К электрическим свойствам относятся электропроводность, электрическая прочность, поляризация, электрическое поле.

2.1.3.1 К магнитным свойствам горных пород относятся магнитная восприимчивость и остаточная намагниченность.

2.1.3.2 К радиационным свойствам горных пород относятся естественная радиоактивность и способность горных пород поглощать α-, β- и γ-излучение, а также нейтронное излучение.

2.1.4 К механическим свойствам горных пород относятся:

- тиксотропность (способность горных пород, содержащих коллоидные фракции, под воздействием динамических нагрузок к обратимым переходам из твердого состояния в жидкое), зависящая от вида воздействия, его интенсивности и длительности; показателями способности горной породы к разупрочнению являются чувствительность и предел структурной прочности;

- прочность (способность сопротивляться разрушению под воздействием внешних сил), характеризуемая пределом прочности при одноосном сжатии или растяжении, сопротивлением срезу пределом прочности при изгибе, коэффициентом крепости;

- твердость (способность оказывать сопротивление локальному воздействию), количественно характеризуемая показателем статической и динамической твердости;

- вязкость разрушения (способность горной породы сопротивляться развитию в ней трещин);

- упругость (способность горной породы восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры), характеризуемая модулем Юнга, коэффициентом Пуассона, модулем сдвига, коэффициентом всестороннего сжатия;

- пластичность (способность горной породы изменять форму без разрыва сплошности при силовом воздействии и сохранять эту форму при снятии действующей нагрузки), характеризуемая степенью пластичности, коэффициентами пластичности и уплотнения;

- компрессионная способность (способность горной породы сжиматься при вертикальной нагрузке и невозможности бокового расширения), характеризуемая коэффициентами уплотнения и консолидации, модулями осадки и полной деформации;

- хрупкость (способность к внезапному разрушению при нагрузке без заметных пластических деформаций), характеризуемая коэффициентом хрупкости.

2.1.5 Акустические свойства горных пород, при прохождении через горную породу звуковых волн, характеризуются акустическими проводимостью и поглощением.

Кроме перечисленных свойств, горные породы характеризуются удельным весом и плотностью. Под удельным весом понимается отношение веса твердого к объему породы (без объема порового пространства). Под плотностью понимается масса единицы объема горной породы.