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.Vp.
=== рисунок ===
2) Поперечные – частицы подвергаются воздействию сдвига. Волна объемная, Vs.
=== 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. Vr.
=== рисунок ===
Эта траектория связана с тем, что частица испытывает меньшее сопротивление перемещению со стороны свободной поверхности.
Основной акустической характеристикой является скорость распространения волн. Vp > Vs > Vr.
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.
Vr » 0.92×Vs – 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 vпаралл. = 1,0¸1,1vперпенд..
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
Плотность, кг/м3 | Фаза | Скорость Vp, м/с | Коэффициент поглощения, Q, м-1 |
Жидкость | 8.5×10-1¸10-5 | ||
1.29 | Воздух | 1.24×10-1¸10-3 | |
Лед | 3200-3300 | - |
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, rвозд. = 1,2 кг/м3; z = 400.
В воде v = 1485 м/с, rвод. = 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.
среда | Vр, м/с | z |
Вода | 1.5×106 | |
Воздух | ||
Лед | 3200-3300 | 3.2×106 |
Известняк | 1.3×107 | |
Песчаник | 2000-3000 | 8×106 |
Сланцы | 5×106 | |
Масло | 1.2×106 |
Методы определения акустических параметров
1. Прямое прозвучивание.
2. Продольное профилирование.
=== рисунок ===
Vs, Vpм, VR, Eg
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.
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГОРНЫХ ПОРОД. | | | МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ |
Дата добавления: 2017-10-09; просмотров: 4383;