- •1. Классификация свойств и параметров
- •1*4. Плотность пород
- •1.9. Основные правила изучения физико-технических параметров пород
- •2. Механические свойства горных пород
- •2.5. Прочность и разрушение пород
- •если
- •2.10. Упругие колебания в массивах горных пород
- •3.1. Распространение и накопление тепла
- •3.2. Теплоемкость
- •3.4. Тепловое расширение
- •3.5. Тепловые свойства массивов
- •3.6. Тепловые свойства рыхлых пород
- •4. Электромагнитные свойства горных пород
- •4.3. Особые случаи поляризации минералов и пород
- •4.4. Электропроводность
- •4.5. Диэлектрические потери
- •4.6. Магнитные свойства
- •4.8. Естественные электрические и магнитные поля
- •4.9. Радиоактивность пород. Воздействие излучений
- •5. Взаимная связь свойств, паспортизация пород.
- •Свойства пород Луны
- •СсЧк = 900*2? «Ю-5;
- •5.5. Паспортизация горных пород по физико-техническим параметрам
- •6. Воздействие внешних физических полей на горные породы
- •6.1. Влияние влаги
- •6.3. Термические напряжения в породах
- •6.7. Воздействие электрического и магнитного полей
- •7. Горнотехнологические характеристики пород
- •7.5. Классификация горнотехнологических параметров пород
- •7.6. Твердость, вязкость, дробимость и абразивность пород
- •8.6. Комбинированные методы разрушения
- •8.9. Дробление и измельчение цолезного ископаемого после извлечения
- •9. Управление состоянием массива горных пород
- •Обогащение и геотехнология
- •9.1. Осушение массивов
- •9.2. Процессы разупрочнения
- •9.5. Устойчивость бортов карьеров и отвалов
- •9.6. Тепловой режим шахт и рудников
- •9.8. Физико-химические (геотехнологические) методы
- •10; Методы контроля состояния массива горных пород
- •10.1. Свойства пород как источники информации
- •10.2. Исследование массивов методами полевой геофизики
- •10.3. Скважинные методы исследования
- •10.6. Методы контроля за составом полезных ископаемых
- •10.8. Методы контроля за отдельными технологическими процессами
Действительно, воспользовавшись формулой логарифмического средне взвешенного и приняв удельную электропроводность воды равной сгэ. в» можно написать
< Ь . м с |
a{1~w)ow . |
(4.91) |
|
|
Э . м |
э . в * |
|
Для |
большинства горных пород |
отношение оэ.пДь.м составляет не ме |
|
нее Ю4, поэтому |
о э.мс = 104ша.э.м, т. |
е. при w = 25% происходит возраста |
ние егэ.мс на один порядок. Практически в этомЧлучае огромную роль играют токопроводящие каналы, которые не учитываются в формуле (4.91). Поэтому рост Оэ.мс с увлажнением в реальных условиях еще более сильный (см. раз дел 6.1). В этом случае при содержании даже 10% влаги в породе а э.мс повы шается в 103 раз.
Рассмотрение связи между (Тэ.мс и Оэ.м показывает, что наиболее вероят ные значения оэ.Мс находятся на несколько порядков выше значений, опре деленных в лабораторных условиях па сухих образцах. Сравнение аэ.л сухих образцов с аэ.мс влажного массива практически не имеет смысла, поэтому необходимо определение аэ.л влажных пород.
Тогда.
^ Э . |
мс ___ |
[ и > м е |
Х и . |
м . р О э . |
n |
~ f ~ |
(1 ~ Ь |
^мс) ( У э . |
м |
* и |
. м . |
в |
] |
К |
и . |
л , |
в * |
и . |
Л . о |
^ э . |
Л |
[ ^ л С |
Г э . |
в*и. Л . |
О |
+ |
( 1 — |
м > л ) сгэ. М |
* |
И . |
л. в ] |
* |
|
И . |
м . |
в |
* и . |
м . |
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.92) |
Если порода представляет собой идеальный диэлектрик (Оэ. м/<Тэ. мс -*■ 0),
ТО
аэ- мс __ |
К и, л. п |
Р -1- Р2 |
|
|
|
(4.93) |
|||||
СТэ. л |
К |
и. М . |
и |
Р |
|
|
|
||||
|
|
|
|
||||||||
Наоборот, если порода сложена хорошо проводящими минералами, то |
|||||||||||
вэлмс |
* |
И |
. |
л . |
о |
(1-^2). |
|
|
|
(4.94) |
|
<*э. л |
* 1 |
1 |
. |
м . |
о |
|
|
|
|||
В |
формулах |
|
(4.92)—(4.94) |
приняты |
следующие |
обозначения: |
шмс, |
||||
* и . м . о , |
* и . м . в |
— соответственно |
полная |
объемная |
влагоемкость |
(шмс = |
|||||
= P i + |
Р 2) и коэффициенты извилистости токопроводящих каналов в мине |
ральном скелете и в насыщенном водой норовом пространстве для породы в массиве; шл, К и.л.01 *и .л .п — то же, для породы в образцах.
Различие в результатах лабораторных определений сгэ на влажных образцах И нату пых, вычисленное по уравнениям (4.93)—(4.94), значительно меньше данных, рассчитанных по уравнению (4.90).
4.9. Радиоактивность пород. Воздействие излучений
Е с т е с т в е н н а я р а д и о а к т и в н о с т ь пород об условлена наличием в их составе либо минералов, содержащих радиоактивные элементы (уран U, торий Th, радий Ra), либо радиоактивных изотопов калия (К4°) (табл. 4.3), кальция, рубидия, циркония, олова, теллура, вольфрама, рения и висмута.
Кроме того, ряд минералов обладает способностью адсорби ровать из окружающей среды радиоактивные элементы и изотопы, вследствие чего наличие таких минералов в породах также повы шает их радиоактивность. Так, повышенной радиоактивностью
в результате сорбции элементов обладают г л и н а |
и г л и н и |
с т ы е с л а н ц ы . Поэтому присутствие глин в |
осадочных по |
родах (например, в мергелях) увеличивает их радиоактивность. Радиоактивных элементов в земной коре очень мало. По при
ближенным оценкам, |
в литосфере |
содержится урана (U236)2,l |
X |
|||||
X 10" 6%, |
урапа (U238)3* 10"4% , |
тория (Th237) 8-10"4%, радия |
||||||
(Ra228)l*10"4%. |
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
4.3 |
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
Содержание радиоактивных элементов в породах |
|
|
|||||
Порода' |
U, г/т |
Th, |
к 40, |
|
Порода |
и, |
Th, г/т |
|
г/т |
% |
|
г/т |
|||||
Базальт |
0,9 |
4,0 |
0,75 |
Извостняк |
1,3 |
2,1 |
|
|
Диабаз |
0,8 |
2,0 |
— |
Нефть |
до 100 ' 0,0005 |
|||
Гранит |
До 5 |
13,0 |
4,4 1 |
Уголь каменный |
2,4 |
10,5 |
|
|
Как известно, при радиоактивном распаде, связанном с пере |
||||||||
стройкой |
ядер элементов, |
происходит |
излучение |
а- и |
р-частиц |
|||
и у-лучей. |
|
представляют |
собой положительно заря |
|||||
Альфа-ч а с т и ц ы |
женные ядра атомов гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, а-частицы вылетают из вещества с начальной скоро
стью от |
1,2 |
X 109 до 2,3 • 109 см/с и |
энергией |
соответственно от |
3-10"13 |
до |
1,7• 10"12 Дж. |
|
|
Длина пробега а-частиц незначительна. В воздухе она соста |
||||
вляет 3—10 см, а в кварце, например, всего |
лишь 38,3 мкм. |
|||
Б е т а - ч а с т и ц ы — это поток |
электронов (позитронов), |
вылетающих из ядра элемента с разной скоростью. У некоторых |3-частиц скорость близка к скорости света. Длина пробега Р-ча- стиц в среднем значительно больше, чем ot-частиц, и в воздухе со ставляет от 1 см до 9 м в зависимости от начальной скорости. Мак
симальная энергия р-частиц |
изменяется от |
3,2 • 10“14 до 5,1 х |
X 10"13 Дж. |
|
|
Г а м м а - л у ч и — это |
очень короткие |
электромагнитные |
волны с длиной волны менее 1 А (10"8 см), опи характеризуются массой и энергией кванта.
Энергия у-квантов может колебаться от 8-10"16 до 4,8 х X 10"13 Дж в зависимости от длины волны. Так, энергия у-кваи- тов радиоактивного изотопа кобальта Со80 составляет 1,8-10'13 — - 2,1 *10-13 Дж. ,
Проникающая способность у-лучей наибольшая. Пучок у-кван- тов радиоактивного кобальта ослабляется в 2 раза лишь слоем
свинца толщиной 1,6 см или алюминия толщиной |
12 смГ |
Величина радиоактивности горных пород оценивается пара |
|
метром у д е л ь н о й р а д и о а к т и в н о с т и |
— количе |
ством распадающихся в 1 с атомов в 1 кг вещества. Так, удельная радиоактивность радия составляет 3,7 • 1013 с“1 • кг"
Радиоактивность горных пород определяется по интенсивности их излучения. Для измерений радиоактивности применяют радио метры, сцинтилляционные анализаторы и т. д. Эти приборы пред ставляют собой ловушки радиоактивного излучения, снабженные счетчиками у-квантов, а- и |3-частиц.
Радиоактивность породы может быть также определена как относительный параметр Гакт (радиактивность, приведенная к от носительному содержанию урана):
Гакт |
ппМва |
|
(4.95) |
П э М п |
|
||
где пп и пэ— количество |
вылетающих |
в 1 мин частиц соответст |
|
венно из |
образца породы |
и эталона, |
содержащего уран; М п и |
М э — масса породы и эталона, кг; а — массовое содержание урана в эталоне.
Величина радиоактивности Гакт относительная, |
она называется |
|||
г р а м м - э к в и в а л е н т о м у р а н а |
на |
1г |
породы. |
|
Исследование радиоактивности |
пород |
находит широкое |
||
применение в практике горного |
дела. |
Так, |
в |
уранодобыва |
ющей промышленности естественная радиоактивность руд ис пользуется на всех стадиях их добычи — для выявления границ рудных тел, сортировки урановых руд и т. д. Используется также повышенная радиоактивность калийных солей для их сортировки. В последнее время получает развитие радиометрический метод выборки кусков пустой породы из углей за счет повышенной ра
диоактивности первой по сравнению с углем. |
волны — рентге |
|
Сверхвысокочастотные |
электромагнитные |
|
новские лучи (/ = 1016 |
1020 Гц) и у-лучи (/ >> 1020 Гц) обладают |
|
особыми, отличными от |
обычных, законами |
распространения |
и поглощения в горных породах.' Взаимодействие этих лучей с ве ществом характеризуется двумя существенными факторами — малой длиной волны и большой энергией кванта. Поэтому в зако нах их распространения обнаруживаются некоторые общие черты с законами распространения микрочастиц. Появляется иная, чем jr низкочастотных электромагнитных волн, зависимость ме жду частотой и их поглощением в веществе.
Так, уже с диапазона рентгеновских лучей между коэффициен том поглощения 0 и длиной волны Ху обнаруживается следующая
приблизительная |
зависимость: |
в ^ Х * . |
(4.96) |
Это означает, что, в отличие от электромагнитных волн более низкой частоты (например, светового диапазона), с повышением частоты поля резко возрастает способность лучей проходить сквозь вещества. Объясняется это тем, что длина воли (10"8 —
—10"12 м) становится меньше расстояния между узлами (ионами)
вкристаллах и атомы вещества уже не препятствуют прохождению
лучей. Кроме того, существенную роль играют большие зна чения энергии.
В любой среде рентгеновские и у-лучи распространяются со скоростью, мало отличающейся от скорости света (разница не пре вышает 0,01%).
Проходя через вещество, рентгеновские и у-лучи теряют энер гию вследствие поглощения и рассеяния. Поглощение предста вляет собой превращение энергии в другой вид (для рентгенов ских лучей это переход в энергию вторичного излучения). Рассея ние — это хаотическое изменение направления лучей в результате столкновения с частицами. В горных породах преобладает послед нее явление — доля энергии, приходящейся на рассеивание, со ставляет около 90% общих потерь.
Полный к о э ф ф и ц и е н т п о г л о щ е н и я у-лучей 0 равен сумме коэффициентов собственно поглощения и рассеяния. Чем больше плотность вещества, тем более сильное поглощение испытывают рентгеновские и у-лучи.
Связь интенсивности гамма-излучения с плотностью пород р экспоненциальная :
J y = J y Q b - a x p 9 |
(4.97) |
где / 70 и J v — интенсивность |
лучей при выходе из источника и на |
расстоянии от него; а — параметр, зависящий только от энергии излучения.
Рентгеновские лучи наиболее широко применяются при ис следовании минералов и горных пород.
Используются методы поглощения, |
интерференции и спект |
рального анализа. М е т о д п о г л о |
щ е н и я ( д е ф е к т о |
с к о п и я ) основан на зависимости ослабления прошедших через вещество рентгеновских лучей от неоднородности его строения, минерального состава я плотности. Этот метод применяют, на пример, для исследования характера распределения золы в угле и коксе. Уголь по сравнению с минеральными примесями слабее поглощает рентгеновские лучи, поэтому в месте скопления послед них на снимках обнаруживаются тени. Метод дефектоскопии при меняют также при определении качества слюды и в других тех нологических процессах.
Исследование пород часто производят с использованием рент геновского микроскопа, что позволяет выявить некоторые особен ности их строения и минерального состава, которые невозможно определить оптическим микроскопом.