Классификация и основные виды горных пород

Горных пород, не изменивших внешний облик, вообще нет. Песок образовался при разрушении гранита, гнейса, песчаника или какой-то другой породы, песчаник при цементации песчинок и т. д. Получается, все горные породы образовались за счет других пород с изменением внешнего облика, часто минерального и химического состава.

Таким образом, признаков происхождения горные породы не имеют. Отсутствие признаков происхождения не позволяет составить алгоритмы их определения, компьютерные программы. Отсутствие признаков генезиса свидетельствует, что магматических, осадочных и метаморфических пород в природе нет. Это видимый мир геологии, или вымысел.

 

 

 

 

 

 

 

2. Основные свойства горных пород

2.1. Физические свойства горных  пород

 

Число физических свойств горных пород, проявляющихся в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. Однако для практики горного дела представляют интерес лишь те свойства, которые непосредственно связаны с процессами современной горной технологии. В геомеханике требуется знание, в первую очередь, механических и плотностных свойств, но вместе с тем могут представлять интерес и некоторые другие свойства, показатели которых достаточно чётко отражают состояние пород или отчетливо коррелируют с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки напряженного состояния пород и массивов. Кроме того, некоторые физические характеристики пород могут быть достаточно тесно взаимосвязаны с механическими и плотностными показателями свойств горных пород, но при этом более просто определяются на образцах или в массиве.

В качестве основного признака классификации физических свойств пород наиболее целесообразно принять внешние поля или воздействия, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства. На основе этого признака можно выделить следующие классы физических свойств горных пород: плотностные, механические, горнотехнологические, тепловые, электромагнитные, радиационные.

В табл.2/1 приведена классификация свойств с выделением внутри классов групп. 2 

 

 

 

 

 

Таблица 2.1

Классификация физических свойств горных пород

Класс	Группа	Наименование основных характеристик	Обозначение	Наиболее часто применявшаяся единица	Единица в СИ	Коэф перехода к СИ
Плотностные	Гравитационные        Структурные	Удельный вес Объёмный вес Удельная масса Плотность Пористость общая, открытая Коэффициент пористости	g0 g r0 r П П0    КП	гс/cм3 гс/cм3(тс/cм3) г/cм3 г/cм3 % %    -	Н /м3 - - кг/м3 % %    -	0.981 104 - - 103 1 1    1
Механические	Прочностные	Предел прочности при одноосном сжатии Предел прочности при одноосном растяжении Сцепление Угол внутреннего трения	[Sсж ]    [Sр ] [t0 ]    j	кгс/cм2    кгс/cм2 кгс/cм2    градус	Па    Па Па    рад	0.981 105    0.981 105 0.981 105    p/180
	Деформационные	Модуль упругости Коэф.поперечных деформаций Модуль сдвига Модуль всестороннего сжатия Модуль деформации	Е    n G        K    MДЕФ	кгс/cм2    - кгс/cм2        кгс/cм2    кгс/cм2	Па        Па        Па    Па	0.981 105        0.981 105        0.981 105    0.981 105
	Акустические	Скорости распространения волн в массиве продольной поперечной поверхностной Коэф. затухания	VPм VSм VLм a	см/с см/с см/с см-1	м/с м/с м/с м-1	10-2 10-2 10-2 1
	Реологические	Параметры ползучести Период релаксации	aП;d    t0	ca -1    лет	ca -1    с	1    31.5 106
Горнотехнологические		Коэф.крепости Коэф. разрыхления Коэф. трения	f    Kp fтр	-    - -	-    - -	1    1 1
Тепловые	Свойства состояния	Теплопроводность Температуропроводность Удельная теплоёмкость Температурныйкоэф. линейного расширения Температура фазовых превращений Удельная теплота плавления	I    а    С        a        Тф    L	ккал/(м ч 0С) м2/ч    ккал/(кг 0С)        1/ 0С        0С    ккал/кг	Вт/(м К)    м2/с    Дж/(кг К)    1/ К        0К    Дж/кг	1.163    2.78 104    4.1868 103        1        273.15+0С    4.1868 103
Электромагнитные	Электрические	Объёмное удельное электрическое сопротивление Диэлектрическая проницаемость Тангенс угла электрических потерь Электрическая прочность	rv    e    tgd    Eпр	Ом см    -    -    кВ/см	Ом м    -    -    В/м	10-2    1    1    105
	Магнитные	Магнитная восприимчивость Магнитная проницаемость Остаточная намагниченность Коэрцитивная сила	c    m    Ir    Hc	ед. СГС    -    ед. СГС    А/м	ед. СИ    -    А/м2    А/м	4p    1    10-3    1
Радиационные		Естественная радиоактивность Линейныйкоэф. поглощения гамма-излучения Эффективное сечение поглощения нейтронов Эффективное сечение рассеяния нейтронов	А        К        SП        SР	1/с        см-1        см2        см2	1/с        м-1        м2        м2	1        102        10-4        10-4

 

 

 

 

2.2. Плотностные свойства горных  пород

 

Плотностные свойства горных пород проявляются в результате действия гравитационного поля Земли. Их в свою очередь можно подразделить на две группы: гравитационные и структурные. К гравитационным свойствам относят удельный g0и объемный g вес пород, к структурным — их удельную массу r0, плотность (объемную массу) r, общую Пи открытую пористость П0, коэффициент пористости Кп.

Удельный вес—это вес единицы объема твердой фазы породы, т. е.

g0 = GT/VT                                                                                      (1)

где GT и VT—вес и объем твердой фазы образца.

Значения удельного веса горных пород в зависимости от удельного веса породообразующих минералов колеблются обычно в пределах 2,5—5,0 гс/см3.

Объемным весом называют отношение веса основных агрегатных фаз породы (твердой, жидкой и газообразной) к объему, занимаемому этими фазами:

g = G/V,                                                                                            (2)

где G —вес агрегатных фаз породы; V—объем, занимаемый этими фазами.

Объемный вес — это наиболее часто используемая плотностная характеристика горных пород, которая зависит от их состава и структуры. Он всегда меньше удельного веса и лишь для весьма плотных пород может приближаться к нему.

Удельная масса — это отношение массы твердой фазы горной породы к объему твердой фазы:

r0 = mT/VT,                                                                                   (3)

где mT и VT— масса и объем твердой фазы образца.

Плотность (объемная масса) горной породы определяется как масса единицы ее объема (твердой, жидкой и газообразной фаз, входящих в состав породы), т. е.

r = m/V,                                                                                          (4)

где m—масса всех агрегатных фаз породы; V—объем, занимаемый этими фазами.

Удельная масса и плотность породы могут быть выражены через ее удельный и объемный вес:

r0 = g0/g;                                                                                             (5)

r = g/g,                                                                                                (6)

где g—ускорение свободного падения.

В отличие от удельного и объемного весов плотность является параметром вещества в строгом физическом смысле.3

Наибольшую плотность имеют массивно-кристаллические изверженные породы, наименьшую — осадочные и некоторые эффузивные (вулканические туфы, пемзы).

Под пористостью горной породы понимают суммарный относительный объем содержащихся в ней пустот (пор). Суммарный относительный объем открытых (сообщающихся) пор характеризует открытую пористость По горной породы. Суммарный относительный объем закрытых (замкнутых) пустот называют закрытой или изолированной пористостью Пи. Пористость, которая определяет движение в породе жидкостей и газов, называют эффективной пористостью Пэ.Общая пористость Попределяется совокупностью закрытых и открытых пор. Отношение объема пор к объему минерального скелета называют коэффициентом пористости КП.

Поры по размеру разделяют на три класса: сверхкапиллярные (более 0,1 мм), капиллярные (0,002—0,1 мм) и субкапиллярные (менее 0,0002 мм).

Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор v к полному объему породы V:

П = (v / V)100%.                                                                           (7)

Пористость горных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до 90 % и более. Принято различать породы с пористостью низкой (менее 5%), пониженной (5—10%), средней (10—15%), повышенной (15—20%) и высокой (более 20 %).

 

3. Рыхлые горные породы. Песок

3.1 Общая характеристика рыхлых  пород

 

К этой группе горных пород обыкновенно относят песок и гравий, глину, растительную землю и всевозможные природные смеси этих веществ, образующие то, что мы называем почвой.

Все они представляют собой продукты разрушения каменных пород, иногда с примесью органических остатков и состоят из отдельных частиц, между собою вовсе не связанных, или связанных очень слабо.

Строителю приходится иметь с ними дело:

- В качестве  грунтов, на которых возводится  сооружение - в этом случае важно  знать сопротивление грунта давлению, его степень сжимаемости, степень  проницаемости водою и происходящие  в нем от подобных причин  изменения;

- В качестве  материала для устройства насыпей  и выемок, при чем кроме перечисленных  свойств важно знать величину  угла естественного откоса данного  грунта;

- В качестве  веществ, употребляемых как составные  части при изготовлении искусственных  материалов - кирпича, бетона, растворов  и пр.

К гравийно-песчаным и песчаным относят рыхлые или слабо сцементированные горные породы, состоящие из окатанных в различной степени обломков горных пород и зерен минералов. Эти породы используют в качестве сырья для производства песка, гравия и щебня из гравия для строительных работ.

К песку относят обломки пород и зерна минералов размерами свыше 0,05 до 5 мм, к гравию — свыше 5 до 70 мм,  к валунам — свыше 70 мм. Частицы размером до 0,05 мм считают пылевидными и глинистыми. Поддержанию песка, гравия и валунов выделяют (табл. 3.1) следующие типы пород.  

 

Таблица 3.1

Типы рыхлых пород

Породы	Содержание, %
	песка	гравия	валунов
Песчаная	Свыше 90 до 100	До 10	-
Песчано-гравийная	» 10 » 90	Свыше 10 до 85	До 5
Песчано-гравийно-валун-ная	» 10 » 85	»10 » 85	Свыше 5 до 80

Песчаные, песчано-гравийные и песчано-гравийно-валунные породы оценивают следующими общими показателями: содержанием песка, гравия и валунов; петрографической характеристикой, включающей наименование породы в соответствии с табл. 1.14, генетическую принадлежность, данные о наличии или отсутствии прослоев глинистых и других засоряющих пород, радиационно-гигие-ническую оценку. Кроме этих основных показателей, для оценки гравийно-песчаных и песчаных пород применяют дополнительные (объемную насыпную массу, коэффициент разрыхления, естественную влажность), а также технологические показатели (выход щебня при дроблении гравия, промывистость, обогатимость песка и др.).

 

3.2. Песок, его характеристика, свойства и применение

Песок представляет смесь зерен распавшейся от выветривания горной породы; так, например, при выветривании гранита образуется первоначально песок, содержащий зерна кварца, листочки слюды, глинистые частицы (получившиеся при распадении полевых шпатов), а также и не успевшие разрушиться гранитные зерна, состоящие из нескольких минералов.

Вода, перенося песок с возвышенностей на низменные места, округляет все эти зерна трением друг о друга и отмывает их, унося с собой наиболее мелкие частицы - глину. Таким образом, там, где скорость течения воды сразу замедляется, образуются отложения зерен, более или менее отсортированных водою по их величине и удельному весу, а, следовательно, и более разнородных.

Камень, искусственно разбитый на мелкие куски, называется щебнем. 4

По конфигурации (форме песчинок) и по местонахождению различают: пески делятся:

- Горный  песок - находимый на месте своего  первоначального образования и  не обработанный текущей водою, вследствие чего песчинки с  шероховатой поверхностью, неровны  по величине, остро ребристые, с  угловатыми зернами и между  ними попадаются более крупные, не распавшиеся куски коренной  породы (дресва);

- Грунтовый, погребной или овражный песок  отличается от предыдущего только  тем, что его отложения бывают, покрыты позднейшими наносными  слоями и поэтому в нем иногда  содержатся землистые примеси. Оба  эти песка ценятся за угловатую  форму зерен, обусловливающую хорошее  сцепление их в строительных  растворах, но часто встречающиеся  в таких, недостаточно промытых  водою, песках примеси глины и, в особенности, растительной земли  весьма понижают их достоинство.

- Речной  песок, наоборот, обыкновенно довольно  чист (если не содержит ила  или случайных примесей, кусочков  древесной коры, гнилушек), но зерна  его округленные.

- Морской  песок также с округленными  зернами, обычно мельче речного  и, кроме того, содержит соли, входящие  в состав морской воды.

- Ещё  песок может быть, озёрными, флювиогляциальными  и эоловыми.

По минералогическому составу чаще всего встречаются пески (горная порода) кварцевые, глауконито-кварцевые, полевошпатово-кварцевые (см. Аркозы), слюдистые и другие..

Кварцевый песок - считается лучшим SiO2.

Один из самых распространенных породообразующих минералов.

По структуре - каркасный силикат.

Кристаллические модификации: гексагональная (устойчив выше 573°C) и тригональная (устойчив ниже 573 °С) модификации.

Часты двойники, образует зерна, зернистые кристаллы, агрегаты и сплошные массы.

Цвет разнообразный:

бесцветный кварц - горный хрусталь, фиолетовый кварц - аметист, дымчатый кварц - раухтопаз, черный кварц - морион, золотистый кварц - цитрин.

Твердость 7; плотность 2,65 г/см3. Пьезоэлектрик.

Кварцевые пески и кварциты используются в керамической и стекольной промышленности; монокристаллы кварца - в оптическом приборостроении и как пьезоэлектрический материал; окрашенные разновидности кварца - в ювелирном деле.

Полевые шпаты, группа самых распространенных породообразующих минералов подкласса каркасных силикатов; около 50% массы земной коры. Изоморфные смеси алюмосиликатов K, Na, Ca, Ba.