содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

2.3. ПЛОТНОСТНЫЕ СВОЙСТВА

Плотность породы — ее масса в единице объема. В системе единиц СИ плотность пород выражают в кг/м3, в практических расчетах горного дела — в т/м3. Различают истинную и объемную плотность пород, а также плотность пород в массиве и в отбитом от массива состоянии. Истинная плотность — масса единицы объема твердого скелета породы (без учета объема пор, трещин и пустот). Истинная плотность породы (кг/м3)

ри = Gt/V т,

где Gт — масса какого-либо объема минерального скелета породы Vт (м3), кг.

Истинная плотность угля зависит от содержания в нем органического вещества и минеральных компонентов: чем больше содержание углерода в угле, тем больше истинная плотность .

Объемная плотность породы — масса единицы объема породы, содержащего минеральный скелет, поры, трещины и пустоты. Если в пласте мысленно выделить 1 м3, то его масса
 

численно будет равна объемной плотности полезного ископаемого. Объемная плотность породы (кг/м3)

р = Gп/(V т + Vп. т. ),

где Gп — масса объема породы, учитывающего объем твердого скелета и объем пор, трещин и пустот Vn. т (м3), кг.

В процессе метаморфизма угольное вещество теряет влагу, кислород, азот, водород, обогащается углеродом (содержание углерода в буром угле в среднем равно 70 %, в каменном — 82 % и в антраците — 95 %) и уплотняется. Объемную плотность угля в массиве принимают в среднем равной: для бурого 1200 (интервал колебаний 1060—1410), для каменного 1300— 1400 (интервал 1220—1580) и для антрацита 1600 (интервал 1420—1880) кг/м3.


2.4. КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА

Коллекторские свойства характеризуют способность горной породы удерживать и пропускать жидкости и газы. К коллекторским свойствам пород относят пористость, трещиноватость,
 

влагоемкость и проницаемость. Коллекторские свойства породы в основном определяются ее структурой, строением порового и трещиноватого пространства и поэтому тесно связаны с механическими, плотностными и технологическими свойствами.

Пористость породы — свойство содержать поры, под которыми понимают пространства, свободные от органического и минерального вещества и имеющие в разных направлениях размеры примерно одного порядка. В массиве поры в породе и угле могут быть заполнены воздухом, метаном, углекислым и другими газами, водой и растворами солей.

Поры в угле бывают самых различных форм и размеров — от долей нанометра (1 нм=10“9 м) до нескольких миллиметров. Если поры сообщаются друг с другом и с окружающей средой, то их называют открытыми. Изолированные друг от друга и от внешней среды поры получили название замкнутых, Открытые и замкнутые поры образуют общую пористость



Объем микропор нарастает по мере увеличения степени метаморфизма угля.

Фильтрующая или эффективная пористость породы — объем пор, доступных для фильтрации жидкости или газа. При одной и той же общей пористости фильтрующая пористость для разных веществ (например, метана и воды) может значительно отличаться.

Трещиноватость угля характеризуется наличием в нем трещин — плоских разрывов угольного вещества. Они имеют разное происхождение и бывают самых различных форм и размеров. Трещины, образовавшиеся в процессе генезиса и метаморфизма угля и ориентированные перпендикулярно к плоскости наслоения и друг к другу, называют эндогенными, а трещины, появившиеся в массиве в результате внешних, преимущественно тектонических воздействий и расположенные обычно под острыми углами к плоскости наслоения, — экзогенными.

Удельная длина трещин — суммарная длина всех трещин на единице площади какого-либо сечения в породе (м/м2). По данным ИГД им. А. А. Скочинского, с ростом нарушенности удельная трещиноватость отбитых углей увеличивается с 300 до 4190 м/м2. При этом среднее зияние (раскрытость) трещины уменьшается с 27 до 4 мкм. Объемная плотность трещиноватости — площадь поверхности всех трещин в единице объема горной породы (м2/м3). Значения удельной длины трещин и объемной плотности трещиноватости обычно отличаются друг от друга.

В практике встречается понятие кливаж, под которым понимают способность угольного пласта разделяться по развитой сети мелких параллельных трещин на более или менее одинаковые части в основном плитообразной формы. При разрушении угольного массива кливажные трещины используют как плоскости ослабления.

Трещинная пористость (пустотность) породы—объем полостей — всех трещин, содержащихся в единице объема породы.

Влагоемкость — способность горной породы поглощать и удерживать жидкость. Ее определяют по максимальному объему жидкости, которую может содержать единица объема (м3/м3) или массы (м3/кг) породы при определенном давлении.

Жидкость, поглощаемая породой, находится в порах и трещинах как в свободном (несвязанном), так и в связанном виде. Так называемая свободная влага перемещается в пористо-трещиноватой структуре под действием собственного веса или под напором воды. Связанная влага удерживается в породе сорбционными, капиллярными и другими силами. Связанная вода выделяется из породы при нагреве свыше 110 °С.

При увлажнении породы и оставлении ее на воздухе при температуре 30 °С и относительной влажности воздуха 96 % часть внешней влаги испаряется и в образце остается так называемая гигроскопическая влага, которая характеризует породу в воздушно-сухом состоянии.

Влажность горных пород зависит от их влагоемкости, водного режима месторождения, структуры порового пространства. Обычно с увеличением доли микропор и ростом степени метаморфизма угля его влажность уменьшается. В табл. 2.3 приведены усредненные данные о содержании влаги в отбитых углях и угольных пластах (по В. С. Веселовскому).

Га зоем кость — способность угля или иной горной породы поглощать и удерживать газы. Она определяется в лабц-раторных условиях. Наибольшее значение имеет газоемкость угля по отношению к метану или метаноемкость. Численно метаноемкость (м3/кг) выражают объемом метана, который способна поглотить единица массы угля при определенном давлении газа и определенной температуре. Максимально возможную метаноемкость угля при какой-либо температуре называют потенциальной метаноемкость ю.

Метаноемкость угля зависит от структуры порового пространства, давления и температуры системы уголь — метан, наличия в порах и трещинах влаги. Метан, содержащийся в угле, находится в свободном (несвязанном) и связанном с углем и

водой состояниях.
Метаноемкость угля возрастает с увеличением степени его метаморфизма.

Метаноносность — объем метана, содержащийся в свободном и связанном состояниях в единице массы угля, находящегося в массиве или отбитого вместе с метаном. Метаноносность бывает природная, под которой понимается метаноносность угля, находящегося в неподверженном влиянию горных работ массиве, и остаточная. Различают остаточную метаноносность после дегазации пласта и остаточную метаноносность отбитого угля. Метаноносность зависит от метаноемкости, давления и температуры газа, а также зольности и влажности угля.

Проницаемость угля или иной горной породы — способность ее пропускать жидкость или газ.

Значение коэффициента газопроницаемости колеблется для разных пластов от 0,6 до 1,3 мД и составляет в среднем по разрабатываемым в бассейне пластам 0,95 мД.


Коллекторские свойства пород и условия водопритока в горные выработки определяют коэффициент водообильности шахты — отношение объема воды (м3), откачиваемой из шахты и дренажных устройств, к количеству добытого угля (т) за один и тот же период. Этот коэффициент для Донбасса ориентировочно равен 2,8, Кузбасса — 1,5, Карагандинского бассейна — 0,4, Подмосковного бассейна — 10,5 м3/т.


2.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Горное давление и другие силовые воздействия на горные породы вызывают в последних изменения размеров — деформации. Различают упругие и пластические деформации горных пород.

Упругие деформации происходят почти мгновенно вслед за изменением нагрузки и имеют обратимый характер. Если образец угля испытывает упругие деформации, то после снятия нагрузки он полностью восстанавливает форму и размеры, существовавшие до приложения этой нагрузки.

Пластические деформации имеют более или менее длительный характер после приложения нагрузки и носят необратимый характер. В результате пластических деформаций после снятия нагрузки тело не восстанавливает свои первоначальные размеры. В этом случае в горной породе имеет место остаточная деформация. Пластические деформации породы могут быть вызваны постоянной и переменной нагрузками.
 

Модуль упругости, определенный при сжатии образца, обычно в 1,5—4 раза выше модуля при растяжении. Модуль упругости, определенный в динамических условиях, когда нагрузку на образец прикладывают в течение очень короткого времени (например, в виде удара), обычно больше, чем при постоянной нагрузке. При увлажнении и повышении температуры модель упругости уменьшается.

Важным механическим свойством пород является их прочность — способность сопротивляться разрушению под действием механических нагрузок. Предельное напряжение, при котором образец угля или другой горной породы разрушается, называют пределом прочности. Различают пределы прочности на сжатие, растяжение, сдвиг, изгиб, кручение. Предел прочности угля зависит от степени его углефикации, пористости, трещиноватости, строения и влажности.

Уголь, как и другие горные породы, достаточно хорошо выдерживает напряжение сжатия и практически не выдерживает растягивающих нагрузок. Предел прочности угля на растяжение обычно не превышает 10 % предела прочности на сжатие. Поэтому прочность угля оценивают по пределу прочности на сжатие.

Предел прочности на сжатие большинства осадочных пород не превышает 200 МПа. Предел прочности на сжатие угля колеблется от долей единицы у коксовых углей до 20 МПа у антрацитов. Известны случаи, когда предел прочности на сжатие у антрацитов достигал 35 МПа. Предел прочности угля при объемном сжатии в 8—10 раз больше чем при одноосном.



Длительная прочность — прочность породы при приложении к ней нагрузки в течение длительного времени. Длительная прочность образца угля всегда меньше прочности, определенной в течение короткого времени.

При различных процессах горного производства коэффициент крепости одной и той же породы может быть разным. Поэтому существуют также другие классификации, которые учитывают особенности производственных процессов. Так, при ведении горно-строительных работ применяют классификацию пород по СНиП или буримости.

Пластичность породы — ее способность сохранять деформацию после устранения деформирующих сил. Пластическая деформация горной породы — остаточная деформация без макроскопических нарушений сплошности материала, образующаяся в результате силового воздействия.

При пластической деформации напряжения в породе не остаются постоянными. Скорость и величина их изменения определяются реологическими свойствами, которые характеризуются длительной прочностью, ползучестью и релаксацией напряжений. Ползучесть породы — способность к увеличению деформаций при постоянной нагрузке.

Под релаксацией напряжений понимают самопроизвольное затухающее ослабление напряжений в породе при постоянной ее деформации.

Свойством, противоположным пластичности, является хрупкость горной породы — способность разрушаться при механических воздействиях без заметной пластической деформации.