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;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.04 сек.