Физические свойства горных пород

Физические свойства горных пород характеризуют их физическое состояние. К ним относятся: степень связности, пористость, плотность, структура, текстура, зернистость, гранулометрический состав и др.

Структура характеризует внутреннее строение, т. е. форму, размер и взаимное расположение минералов в породе, состав цемента в осадочных породах, а также вид связей между зернами.

Структура горных пород приведена в табл. 1.

Мелкозернистые породы при одинаковом минеральном составе, как правило, обладают более высокой прочностью, чем крупнозернистые или породы неравномерно-зернистого строения.

Прочность и устойчивость осадочных горных пород зависят главным образом от состава цементирующего вещества, а также типа цементации. По составу цементирующие вещества в осадочных породах могут быть кремнистыми, известковыми, глинистыми, а также сложными, например карбонатно-глинистыми и слюдистыми. Наиболее прочными являются кремнистые и карбонатные цементы, наименее прочными — глинистые.

Текстура горных пород характеризует закономерности в распределении и расположении структурных элементов.

Важнейшие типы текстуры горных пород приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Для многих литологических разновидностей осадочных пород характерна слоистая текстура. На плоскостях раздела может наблюдаться повышенное содержание слюдистых минералов и остатков обуглившейся растительности, что приводит к ослаблению сцепления слоев. Слоистые породы в подземных выработках имеют более слабую сопротивляемость деформационным и разрушающим нагрузкам, чем монолитные.

Элементы строения массива (структура и текстура) во многом определяют его прочностные свойства (рис. 7).

Рис. 7. Виды пустот в различных породах: а — скальная порода с проницаемостью по отдельным трещинам; б — кавернозная порода с крупными пустотами, подвергающимися растворению и выщелачиванию; в — рыхлая песчаная порода с высокой пористостью; г — рыхчая порода с небольшой пористостью вследствие плохой отсортированности зерен; д — песчаная порода с небольшой пористостью вследствие образования в порах цемента; е — глинистая порода.

Под плотностью горных пород и породообразующих минералов следует понимать массу единицы объема со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами р₀.

Она может быть определена по формуле.

где т — масса образца породы, т; V — объем минеральных (твердых) частиц образца породы, м Плотность некоторых горных пород и минералов приведена в табл. 3, а пористость — в табл. 4.

Слоистость является одной из форм текстуры и обусловливается чередованием в накоплении осадков по крупности зерен, составу, окраске и пр. Слоистость оценивается обычно визуально: по признакам масштаба — макрослоистость, микрослоистость; по геометрии — параллельная, косая, прерывная; по резкости проявления — неясная, отчетливая. Со слоистостью связана способность горных пород разделяться на отдельные слои или расслаиваться. Эго явление уменьшает устойчивость обнажений горных выработок. Породы могут легко распадаться на слои на границах перерывов в осадконакоплениях.

В некоторых горных породах имеется система мелких субпараллельных плоскостей тектонического происхождения (на тонкие пластинки, мелкие призмочки, линзы и т. д.). Это явление называется кливажем. Необходимо помнить, что по трещинам кливажа значительные массы угля и пород неожиданно могут отслаиваться и обрушаться, что может привести к травмированию людей, разрушению крепи, коммуникаций и пр. Поэтому при проведении горно-разведочных выработок в таких породах необходимо тщательно выполнять закладку пустот за крепью, соблюдать особую осторожность при выполнении проходческих процессов.

Трещиноватость — это также одно из характерных свойств массива горных пород. Различают следующие типы трещин: тектонические, трещины отдельности, выветривания, откоса, отслаивания, напластования и смещения.

Трещины по происхождению делятся на прирожденные и тектонические.

Прирожденная трещиноватость возникает в процессе превращения осадка в породу вследствие сокращения объема вещества. При этом образуется целая система трещин — основных и торцовых, расположенных поперек основных. Трещины нередко заполнены минеральным веществом.

Таблица 3.

Таблица 5.

Под влиянием тектонических сил в породах возникают новые трещины — тектонические, которые направлены под разными углами к напластованию. На поверхности этих трещин часто имеются бороздки и зеркала скольжения. Совокупность прирожденных и тектонических трещин приводит к значительному снижению прочностных свойств пород в массиве. В результате этого возникают прихваты бурового инструмента в процессе бурения, обрушение кровли, стенок выработок и пр.

Трещиноватость горных пород определяется по числу трещин или расстоянию между ними.

Классификация массивов скальных пород по степени трещиноватости приведена в табл. 5.