Свойство горных пород и полезных ископаемых

В развитии человеческого общества непреходящее значение имеют горное дело и сельское хозяйство, являющиеся источниками естественного сырья. Комплекс технологических процессов по его переработке направлен на приспособление природных богатств к потребностям человека.

Природные химические соединения встречаются в земной коре (литосфере) в виде образований (минералов), приблизительно однородных по своему составу, внутреннему строению и физическим свойствам. Подавляющее число минералов – твердые кристаллические вещества.

Горными породами называют естественные минеральные агрегаты более или менее постоянного состава и строения, слагающие литосферу в виде самостоятельных геологических тел. Горные породы состоят из одного (например, толща гипса, каменной соли) или нескольких минералов.

По происхождению горные породы подразделяют на магматические, или изверженные (гранит, диорит, базальт и др.), осадочные (известняк, глины, пески, песчаники и др.) и метаморфические (гнейс, кристаллические сланцы, мрамор и др.).

Магматические горные породы возникают при остывании и отвердении магмы и лавы; осадочные образуются посредством накопления (осаждения) продуктов разрушения земной коры на дне водоемов и водотоков; метаморфические представляют собой глубоко измененные осадочные и магматические породы под влиянием высоких давлений и температур.

Природные минеральные вещества, которые могут быть использованы человеком для его нужд, называют полезными ископаемыми (минеральным сырьем). Породы, имеющие полезные ископаемые, заключенные в их толще в виде прослоев, прожилков и не используемые в народном хозяйстве, считают пустыми породами.

Полезные ископаемые бывают газообразными (природный газ), жидкими (нефть) и твердыми. Настоящая дисциплина рассматривает только вопросы добычи твердых полезных ископаемых.

Различают полезные ископаемые: металлические (рудные) – сырье для производства черных, цветных, благородных, редких и радиоактивных металлов; неметаллические –сырье для металлургической (доломит, магнезит и др.), химической (сера, бор, фосфориты и др.) и других отраслей промышленности; горючие (уголь, горючие сланцы, торф и др.); строительные горные породы (граниты, мраморы, гравий, глины и др.).

Совокупность свойств, определяющих степень пригодности и экономической эффективности использования, называют качеством полезного ископаемого. Одни качественные свойства относят к полезным (например, теплоту сгорания угля, содержание извлекаемых металлов для руд), другие – к вредным, (например, зольность угля, высокую влажность, содержание примесей, затрудняющих плавку руд).

Естественные скопления полезных ископаемых в земной коре называют месторождениями. Месторождение будет промышленным, если его разработка целесообразна в данных экономических и географических условиях при современном уровне техники и технологии. В противном случае его считают непромышленным.

Массу или объём минерального сырья, заключенного в недрах на определенной площади, считают запасами полезных ископаемых. По народнохозяйственному значению выделяют запасы: балансовые, использование которых экономически целесообразно, и забалансовые, которые могут явиться объектом промышленного освоения, но использовать их в настоящее время экономически невыгодно. К промышленным относят часть балансовых запасов, за исключением проектных потерь. Проектные потери – это часть балансовых запасов, проектируемая к безвозвратному оставлению в недрах. Уровень развития и экономический потенциал государства зависят от производства и потребления минерального сырья.

По расчетам экономистов, среди природных ресурсов, используемых для удовлетворения потребностей общества, минеральные вещества составляют 80 %, а потребляемую энергию производят на 90 % за счет тепла, получаемого при сгорании полезных ископаемых: нефти, газа, угля, торфа. Достаточная обеспеченность общественного хозяйства минерально-сырьевыми ресурсами – непременное условие высоких темпов его развития и национальной безопасности государства.

Нефть — природная густая маслянистая горючая жидкость тёмного цвета со специфическим запахом. Большинство учёных считает, что нефть образовалась из органического вещества осадочных пород (остатков древних живых организмов).

Из нефти получают топливо (бензин, керосин, дизельное топливо, реактивное топливо), пластмассы, смазочные масла, химические волокна для производства тканей.

Нефть добывается с помощью специально пробуренных скважин и мощных насосов.

Нефть является главной статьёй российского экспорта. (Экспорт — это вывоз товаров в другие страны для их продажи.) Нефть поступает в различные районы России и за границу по нефтепроводам (длинные подземные трубы). Ещё нефть перевозят на нефтеналивных танкерах (специальных морских судах) и по железным дорогам в цистернах.

Природный газ не имеет цвета и запаха. Относится к горючим ископаемым. Используется как топливо для обогрева помещений, для приготовления пищи, на электростанциях, в котельных, на заводах, а также как сырьё для получения пластмасс, резины, волокна и других полезных веществ.

Россия — один из крупнейших экспортёров газа в мире. Природный газ поступает по газопроводам.

Уголь — горная порода, которая образуется в недрах Земли из остатков древних растений. Сначала образовался торф, а со временем он превратился в уголь. Существует несколько разновидностей угля: бурый уголь, каменный уголь, антрацит.

Бурый уголь. Сорт образовался из остатков торфа позже всех, поэтому он считается самым молодым. Особенность его в том, что у него очень низкая температура сгорания.

Каменный уголь. Это самая распространённая разновидность угля в деятельности человека. Он используется как топливо, из него получают пластмассы, краски и другие полезные материалы. Добывается как открытым способом, так и закрытым, в шахтах.

Антрацит. По своей структуре этот вид очень твёрдый, имеет самую высокую температуру сгорания. Залежи этого угля находятся очень глубоко под землёй.

Железо — это прочный металл, использовать который люди начали ещё много веков назад. Но найти его в чистом виде невозможно. Железо содержится во многих горных породах в виде соединения с другими минералами. Самое большое содержание железа — в железной руде.

Самое главное свойство железной руды — плавкость. Из железной руды на металлургических заводах выплавляют чугун, а из чугуна — сталь.

На сегодняшний день чугун и сталь используются во многих сферах жизни и деятельности человека, в том числе и во всех видах промышленного производства. Сталь — основное сырьё для машиностроения.

Известняк — обычно белый, серый или желтоватый камень. Он образовался из остатков морских организмов. Их отпечатки можно хорошо рассмотреть в известняке-ракушечнике. Применяется при строительстве зданий и дорог. Из известняка получают известь для приготовления строительных растворов. Особая разновидность известняка — мел.

Песок и глина — одни из самых распространённых горных пород. Они образуются в природе при разрушении других горных пород, например гранита.

Глина бывает белая, красная, коричневая, жёлтая, серая. Она непрозрачная, твёрдая, плотная, негорючая. При намокании глина становится вязкой и пластичной, а при высыхании сохраняет свою форму. Из глины изготавливают кирпичи, черепицу, посуду. Изделия из обожжённой глины называются керамическими.

Песок — сыпучая горная порода жёлтого или белого цвета, непрозрачная. Используется в строительстве, при изготовлении стекла.

Гранит — горная порода, состоящая из зёрен полевого шпата, кварца и слюды. Гранит очень прочный. Хорошо полируется. Применяется в строительстве. Из него изготавливают лестницы, колонны,  памятники. Многие станции метро облицованы гранитом. Красная площадь в Москве вымощена гранитной брусчаткой.

Гранит залегает глубоко в недрах Земли, но в некоторых местах глыбы горной породы выходят на поверхность. Здесь его и добывают.

Физико-механические свойства в совокупности описывают реакцию конкретной горной породы на различные типы нагрузки, что имеет большое значение при разработке скважин, строительстве, добыче полезных ископаемых и других работах, связанных с разрушением породных массивов. Благодаря этим сведениям можно рассчитать параметры режима бурения, правильно подобрать инструмент и определить конструкцию скважины.

Физико-механические свойства горных пород во многом зависят от входящих в их состав породообразующих минералов, а также от характера процесса формирования. Реакция породы на различные механические воздействия определяется особенностью ее структуры и химического состава.

Что такое горная порода

Горная порода — это образованная минеральными агрегатами или их обломками геологическая масса, обладающая определенными текстурой, структурой и физико-механическими свойствами.

Под текстурой понимают характер взаимного расположения минеральных частиц, а структура описывает все особенности строения, к которым относятся:

• характеристика минеральных зерен (форма, размер, описание поверхности);
• особенности соединения минеральных частиц;
• состав и структура скрепляющего цемента.

Текстура и структура в совокупности составляют внутреннее строение горной породы. Эти параметры в значительной степени определяются природой породообразующих материалов и характером геологических процессов формирования, которые могут протекать как в глубине, так и на поверхности.

В упрощенном понимании горная порода представляет собой слагающее земную кору вещество, характеризующееся определенным минеральным составом и дискретным набором физико-механических свойств.

Общая характеристика горных пород

Горные породы могут быть образованы минералами разного агрегатного состояния, наиболее часто — твердого. Значительно реже встречаются породы из жидких минералов (вода, нефть, ртуть) и газообразных (природный газ). Твердые агрегаты чаще всего имеют форму кристаллов определенной геометрической формы.

Из 3000 известных в настоящее время минералов лишь несколько десятков являются породообразующими. Среди последних выделяют шесть разновидностей:

• глинистые;
• карбонатные;
• хлоридные;
• окисные;
• сульфатные;
• силикатные.

Среди минералов, составляющих определенный вид горной породы, 95 % приходится на породообразующие и около 5 % — на акцессорные (иначе вспомогательные), которые представляют собой характерную примесь.

Горные породы могут залегать в земной коре сплошными слоями либо образовывать отдельные тела — камни и валуны. Последние представляют собой твердые куски любого состава, за исключением металлов и песка. В отличие от камня, валун имеет гладкую поверхность и округлую форму, которые сформировались в результате обкатывания водой.

Классификация

В основе классификации горных пород лежит в первую очередь происхождение, на основании которого они подразделяются на 3 большие группы:

• магматические (иначе называются изверженными) — формируются в результате подъема из глубин мантийного вещества, которое в результате изменения давления и температуры затвердевает и кристаллизуется;
• осадочные — образуются в результате накопления продуктов механического или биологического разрушения других пород (выветривания, дробления, переноса частиц, химического разложения);
• метаморфические — являются результатом преобразования (например, перекристаллизации) магматических или осадочных пород.

Происхождение отражает характер геологического процесса, в результате которого образовалась порода, поэтому каждому типу формирования соответствует определенный набор свойств. В свою очередь, классификация внутри групп учитывает также особенности минерального состава, текстуры и структуры.

Магматические породы

Характер строения магматических пород определяется скоростью остывания мантийного вещества, которая обратно пропорциональна глубине. Чем дальше от поверхности, тем магма застывает медленней, формируя плотную массу с крупными минеральными кристаллами. Типичным представителем глубинной магматической породы является гранит.

Быстрый прорыв магмы на поверхность возможен через трещины и разломы земной коры. В таком случае мантийное вещество быстро затвердевает, образуя тяжелую плотную массу с мелкими кристаллами, часто неразличимыми на глаз. Наиболее распространенной породой такого типа является базальт, имеющий вулканическое происхождение.

Магматические породы подразделяются на интрузивные, которые сформировались в глубине, и эффузивные (иначе излившиеся), которые застыли на поверхности. Первые характеризуются более плотной структурой. Основными минералами магматических пород являются кварц и полевые шпаты.

Осадочные породы

По происхождению и составу выделяют 4 группы осадочных пород:

• обломочные (терригенные) — осадок накапливается из продуктов механического раздробления более древних пород;
• хемогенные — образуются в результате процессов химического осаждения;
• биогенные — формируются из остатков живой органической материи;
• вулканогенно-осадочные — формируются в результате вулканической деятельности (туфы, кластолавы и др).

Именно из осадочных пород добываются общераспространенные полезные ископаемые органического происхождения, обладающие горючими свойствами (нефть, асфальт, газы, каменный и бурый уголь, озокерит, антрацит и др.). Такие образования называют каустобилитами.

Метаморфические породы

Метаморфические породы формируются в результате преобразования более древних геологических масс различного генеза. Такие изменения являются следствием тектонических процессов, приводящих к погружению пород на глубину, в условия с более высокими значениями давления и температуры.

Перемещения земной коры также сопровождаются миграцией глубинных растворов и газов, которые взаимодействуют с минералами, вызывая образование новых химических соединений. Все эти процессы приводят к изменению состава, структуры, текстуры и физико-механических свойств пород. В качестве примера такого метаморфизма можно привести превращение песчаника в кварцит.

Общая характеристика физико-механических свойств и их практическое значение

К основным физико-механическим свойствам горных пород относят:

• параметры, описывающие деформацию под действием различных нагрузок (пластичность, плывучесть, упругость);
• реакции на вмешательство твердого тела (абразивность, твердость);
• физические параметры породной массы (плотность, водопроницаемость, пористость и др);
• реакции на механическое воздействие (хрупкость, прочность).

Все эти характеристики позволяют определить скорость разрушения горной породы, риск обвалов и экономическую стоимость бурения.

Данные по физико-химическим свойствам играют огромную роль в проведении работ по добыче общераспространенных полезных ископаемых. Особое значение имеет характер взаимодействия горной породы с буровым инструментом, влияющий на эффективность работы и износ оборудования. Этот параметр характеризуется абразивностью.

В отличие от других твердых тел, у горных пород физико-механические свойства характеризуются неравномерностью, то есть варьируют в зависимости от направления нагрузки. Такая особенность называется анизотропностью и определяется соответствующим коэффициентом (Кан).

Плотностные характеристики

К этой категории свойств относят 4 параметра:

• плотность — масса единицы объема только твердой составляющей породы;
• объемную массу — рассчитывается как плотность, но с учетом имеющихся пустот, к которым относят поры и трещины;
• пористость — характеризует количество пустот в структуре породы;
• трещиноватость — показывает количество трещин.

Так как масса воздушных полостей по сравнению с твердым веществом ничтожна, у пористых горных пород плотность всегда больше объемной массы. Если кроме пор в породе имеются трещины, эта разница увеличивается.

У пористых горных пород значение объемной массы всегда превышает плотность. Эта разница увеличивается при наличии трещин.

От количества пустот зависят другие физико-химические свойства горных пород. Пористость уменьшает прочность, что делает породу более восприимчивой к разрушению. Тем не менее такая масса более шершавая и сильнее повреждает буровой инструмент. Пористость также влияет на водопоглощение, проницаемость и влагоемкость.

Самые пористые горные породы имеют осадочное происхождение. В метаморфических и магматических породах общий объем трещин и пустот очень небольшой (не более 2 %). Исключение составляют несколько пород, отнесенных к категории излившихся. Они имеют пористость до 60 %. Примером таких пород являются трахиты, туфовые лавы и др.

Проницаемость

Проницаемость характеризует взаимодействие бурового раствора с горными породами в процессе бурения скважин. Эта категория свойств включает 4 характеристики:

• фильтрацию;
• диффузию;
• теплообмен;
• капиллярную пропитку.

Первое свойство данной группы является определяющим, так как влияет на степень поглощения бурового раствора и разрушение пород в зоне перфорации. Фильтрация вызывает набухание и потерю устойчивости пластов глинистых горных пород после первичного вскрытия. На этом параметре основаны расчеты по добыче нефти и газа.

Прочность

Прочность характеризует способность горной породы противостоять разрушению под воздействием механической нагрузки. Математически это свойство выражается в критической величине напряжения, при которой порода разрушается. Это значение называют пределом прочности. Фактически он устанавливает порог воздействия, до достижения которого порода устойчива к определенному типу нагрузки.

Существуют 4 вида пределов прочности: на изгиб, сдвиг, растяжение и сжатие, которые характеризуют сопротивляемость соответствующим механическим нагрузкам. При этом воздействие может быть одноостным (односторонним) или многоостным (происходит со всех сторон).

Прочность является комплексной величиной, в которую включены все пределы сопротивляемости. На основе этих значений в системе координат строят специальный паспорт, представляющий собой огибающую кругов напряжений.

Самый простой вариант графика учитывает только 2 значения, например, растяжения и сжатия, пределы которых откладываются на осях абцисс и ординат. На основании полученных экспериментальных данных чертят круги Мора, а затем — касательную к ним. Точки внутри кругов на таком графике соответствуют значениям напряжения, при которых порода разрушается. Полный паспорт прочности включает все виды пределов.

Упругость

Упругость характеризует способность породы восстанавливать первоначальную форму после снятия деформирующей нагрузки. Это свойство характеризуется четырьмя параметрами:

• модулем продольной упругости (иначе Юнга) — представляет собой численное выражение пропорциональности между значениями напряжения и вызываемой им продольной деформацией;
• модулем сдвига — мера пропорциональности между касательным напряжением и относительной деформацией сдвига;
• модулем объемной упругости — рассчитывается как отношение напряжения к относительной упругой деформации по объему (сжатие происходит равномерно со всех сторон);
• коэффициентом Пуассона — мера пропорциональности между величинами относительных деформаций, происходящих в разных направлениях (продольном и поперечном).

Модуль Юнга характеризует жесткость породы и ее способность к упругому сопротивлению нагрузке.

Реологические свойства

Эти свойства иначе называют вязкостными. Они отражают снижение прочности и напряжений в результате длительного действия нагрузки и выражаются в двух основных параметрах:

• ползучести — характеризует постепенное увеличение деформации при постоянном напряжении;
• релаксации — определяет время уменьшения напряжений, возникающих в породе при непрерывной деформации.

Явление ползучести проявляется тогда, когда значение механического воздействия на породу меньше, чем предел упругости. При этом нагрузка должна быть достаточно длительной.

Методы определения физико-механических свойств горных пород

В основе определения этой группы свойств лежит опытное вычисление реакции на нагрузки. Например, для установления пределов прочности образец породы сжимают под прессом или растягивают, выясняя уровень воздействия, который приводит к разрушению. Параметры упругости определяются по соответствующим формулам. Все эти методы называют нагружением физическими инденторами в условиях лаборатории.

Некоторые физико-механические свойства могут определяться и в натурных условиях с использованием метода обрушения призм. Несмотря на сложность и высокую стоимость, такой способ более реалистично определяет ответ природного геологического массива на нагрузку.