Акустические свойства горных пород

Акустические свойства характеризуют распространение в горных породах знакопеременных упругих колебаний.

Упругие волны по частоте колебаний подразделяются:

1) инфразвуковые (частота до 20 Гц);

2) звуковые (от 20 до 2×10⁴ Гц);

3) ультразвуковые (от 20 кГц до 10³ МГц);

4) гиперзвуковые (> 10³ МГц).

Классификация упругих колебаний по характеру распр-я.

1) Продольные – это объемная волна, частицы породы испытывают напряжение растяжения.V_p.

=== рисунок ===

2) Поперечные – частицы подвергаются воздействию сдвига. Волна объемная, V_s.

=== рисунок ===

Продольные волны распространяются в любых средах, поперечные – только в твердых телах, т.к. сопротивление сдвигу в жидкостях и газах практически равны нулю.

3) Поверхностные – это плоские волны, присущие только твердым телам, частицы совершают движение по траектории эллипса. V_r.

=== рисунок ===

Эта траектория связана с тем, что частица испытывает меньшее сопротивление перемещению со стороны свободной поверхности.

Основной акустической характеристикой является скорость распространения волн. V_p > V_s > V_r.

В керновых образцах в зависимости от их геометрических параметров и параметров упругой волны, распространение волн происходит:

1) - аналогично тонкому стержню.

2) - аналогично в массиве.

3) - распространяются все типы волн.

Скорость продольной волны связана с модулем Юнга:

- скорость поперечной волны.

V_r » 0.92×V_s – поверхностная волна.

Скорость распространения упругих волн в т.ч. определяется упругими свойствами и плотностью, и практически не зависит от частоты.

Скорость волн возрастает с увеличением модуля Юнга коэффициента Пуассона.

Исп. такой показатель как удельное волновое сопротивление z = r×v «импеданс».

В слоистых породах скорость распространения волн вдоль слоев выше, чем по нормали v_{паралл.} = 1,0¸1,1v_{перпенд.}.

Коэффициент поглощения упругих колебаний.

=== рисунок ===

Скорость распространения волн в горных породах составляет 3¸5×10³ м/с. На скорость распространения волн оказывает существенное влияние пористость и трещиноватость. Скорость волны в трещиноватых и пористых породах снижается. Это обстоятельство используется для исследования степени нарушенности и других свойств массива.

Основные причины затухания колебаний:

1. Поглощение части энергии упругих колебаний породой и превращение ее в тепловую, обусловленную взаимным трением частиц, совершающих колебательные движения.

2. Рассеивание акустической энергии в неоднородностях породы.

=== рисунок ===

Акустические параметры фаз горных пород

В некоторых случаях поглощение упругих колебаний оценивают безразмерным показателем – логарифмический декремент затухания.

P = Q×V/f.

Наибольшая потеря распространяющейся волны происходит на границах сред с различными акустическими показателями.

Использование акустических свойств в горном деле.

Контроль напряженного состояния устойчивости и нарушенности массивов и выработок.

Обнаружение включений и опасных зон в массивах пород.

Прогноз опасных динамических явлений в массиве г.п.

Определение качества п.и. и контроль процессов его переработки.

Дополнения к акустическим свойствам.

Коэффициент преломления n, ед.

=== рисунок ===

Коэффициент отражения

В воздухе v = 331 м/с, r_возд. = 1,2 кг/м³; z = 400.

В воде v = 1485 м/с, r_вод. = 1000 кг/м³; z » 1.5×10⁶.

Воздух – порода 0.2% энергии волны проходит, а 99.8% отражается.

Вода – порода 31% энергии волны из воды в породу проходит, а 69% отражается.

Порода – порода 85% проходит, 15% - отражается.

Значения акустических параметров.

Методы определения акустических параметров

1. Прямое прозвучивание.

2. Продольное профилирование.

=== рисунок ===

V_s, V_p^м, V_R, E_g

Метод критических углов.

=== рисунок ===

a₁ – угол полного внутреннего отражения продольных волн;

Температурное поле в горных породах.

Источники тепла бывают: естественные и искуственные.

Естественные: 1) распад радиактивных элементов, 2) солнце, 3) тектонические и химические процессы (незначительная доля).

От солнца земля получает 10²² Дж. В год.

От распада элементов в 10 раз меньше, но энергия солнца проникает в глубь земной коры в среднем на 20 метров.

Основным источником тепла для горных пород является распад радиактивных элементов.

Температурное поле земли не равномерно.

Характеристики температурного поля.

1. нейтральная зона – это глубина, где не сказываются сезонные и суточные перепады температуры(Для Донбасса 20 м, на этой глубине температура составляет 8⁰.

2. Геометрическая ступень – это глубина при понижеии на которую температура пород увеличивается на 1⁰С.

Донбасс 30 м на 1⁰С;

Кривой рог 55 м на 1⁰С;

Комчатка 2,5 м на 1⁰С;

Япония 1,5 м на 1⁰С.

Тепловые параметры пород.

1. удельная теплоемкость С, кДж/кг ⁰К – количество тепла которое нужно передать породе, чтобы температура поднялась (уменьшилась) на 1⁰С. для горных пород С составляет 0,4 - 2 кДж/кг ⁰К;

для угля С = 1,3;

антрацит 0,93;

известняк 0,67 – 1,04;

песчаник 0,81;

сланцы 0,75

, .

Факторы, влияющие на теплоемкость.

Не влияет на теплоемкость:

Состояние породы (нормальное или расплавленное), зернистость и слоистость.

Зависит теплоемкость только от пористости, .

С₀ – теплоемкость минерального скилета.

2. коэффициент теплопроводимости , кДж/м с ⁰К – это количество тепла проходящее за единицу времени через единицу площади, при температурном градиенте равном еденице;

, .

Для горных пород = 0,1 – 7 Вт/м ⁰К.

Уголь 0,5 – 0,9;

Антрацит 0,4;

Песчаник 1,3 – 4,2;

Известняк 1 – 2,3;

Сланец 1,5 – 2,2;

Факторы влияющие на теплопроводимость:

1). Пористость Р , ;

2). Трещины Тр ;

3). Размер зерен d .

3. коэффициент температуропроводности а, м²/с. Характеризует скорости распостронения изотермической поверхности в породе;

, [м²/с]. м²/с.

4. коэффициент линейного теплового расширения , 1/⁰К;

5. коэффициент объёмного теплового расширения , 1/ ⁰К;

Коэффициенты линейного и объемного расширения:

.

Для горных пород составляет 2×(10^-6 – 10^-4) 1/⁰К.

Песчаник (0,5 – 1,2)×10^-5;

Извесняк (0,5 – 0,9)×10^-5;

Сланец 0,9×10^-5.

Факторы влияющие на коэффициент линейного расширения:

- зернистость d ;

- пористость ;

6. коэффициент теплоотдачи, k кДж/м²× с ×⁰К.

Характеризует порцесс передачи тепла из одной среды в другую через границу раздела.

7. удельная теплота плавления L, кДж/кг.

8. температурный интервал плавления (Т₁ – Т₂), ⁰К.

Специальные параметры для углей:

- теплопроводная способность

- термохимическая стойкость

- стекаемость

- выход летучих.

Лабораторный метод определения тепловых параметров.

Применяется метод мгновенного источника тепла. (см. Л. р. № 6)

Использование тепловых свойств в горном деле.

- расчет температурного режима шахт;

- огневое бурение. Основано на разрушении породы от термических напряжений вызванных высокой температурой сгорания бензина воздушной смеси;

- теплообмен в горных выработках;

- расчет глубины промерзания рыхлых и связных пород;

- расчет параметров замораживания пород при проходке горных выработок в обводненных породах;

- подземная выплавка серы;

- подземная газификация углей.

Если приток воды менее 1 м³/час применяется обычный способ бурения, а если более 8 м³/час применяются специальные способы.