Решение задач по механике разрушения горных пород

Вот ответы на вопросы, оформленные так, чтобы их было удобно переписать в тетрадь школьнику, с использованием MathJax для формул и без Markdown. Вопросы к итоговой аттестации по дисциплине «Основы механики разрушения горных пород» 1. Дайте определение «горная порода» Горная порода — это природное агрегатное образование, состоящее из одного или нескольких минералов, или минеральных агрегатов, образующее самостоятельные геологические тела в земной коре. 2. Состав горной породы Горные породы состоят из минералов. Минералы — это природные химические соединения или чистые элементы, обладающие определённым химическим составом и кристаллической структурой. 3. На рисунке приведена структура графита, расшифруйте пункты 1, 2, а, С На рисунке изображена кристаллическая решетка графита. 1. 1 — это атом углерода. 2. 2 — это ковалентная связь между атомами углерода в пределах одного слоя. 3. а — это расстояние между атомами углерода в одном слое (длина связи). 4. С — это расстояние между соседними слоями графита. 4. Дайте классификацию горных пород по степени связи между зернами По степени связи между зернами горные породы делятся на: * Сцементированные (связные) породы: зерна прочно соединены между собой цементирующим веществом (например, песчаники, известняки). * Несцементированные (рыхлые) породы: зерна не имеют прочных связей между собой и легко рассыпаются (например, пески, глины). 5. Чем отличаются плывучие породы от остальных? Плывучие породы отличаются от остальных тем, что они способны переходить в текучее состояние при нарушении их естественной структуры или при воздействии воды. Это происходит из-за их мелкозернистого состава, высокой пористости и наличия большого количества воды, которая снижает силы сцепления между частицами. Примером являются плывуны — водонасыщенные пески или суглинки. 6. Какие характеристики горных пород являются важными при проектировании бурения? При проектировании бурения важны следующие характеристики горных пород: * Прочность (на сжатие, растяжение, сдвиг) — определяет сопротивление породы разрушению. * Твердость — влияет на износ бурового инструмента. * Абразивность — способность породы истирать буровой инструмент. * Плотность — влияет на выбор бурового раствора и устойчивость стенок скважины. * Пористость и проницаемость — определяют возможность фильтрации флюидов и устойчивость стенок скважины. * Трещиноватость — влияет на устойчивость стенок скважины и возможность поглощения бурового раствора. * Упругие свойства (модуль Юнга, коэффициент Пуассона) — важны для оценки напряженно-деформированного состояния массива. 7. Какими признаками характеризуется строение горных пород? Строение горных пород характеризуется следующими признаками: * Структура: размер, форма и взаимоотношение зерен (минералов), из которых состоит порода. * Текстура: пространственное расположение и ориентировка зерен или агрегатов зерен в породе. * Трещиноватость: наличие и характер трещин в породе. * Пористость: наличие и объем пустот в породе. * Слоистость: наличие слоев различного состава или строения. 8. Как связано происхождение горных пород с их строением? Приведите примеры Происхождение горных пород тесно связано с их строением, так как условия образования определяют состав, размер зерен, их форму и взаимное расположение. * Магматические породы: Образуются при остывании и кристаллизации магмы. * При медленном остывании глубоко под землей (интрузивные породы, например, гранит) образуются крупные, хорошо сформированные кристаллы (полнокристаллическая структура). * При быстром остывании на поверхности (эффузивные породы, например, базальт) образуются мелкие кристаллы или даже аморфное стекло (скрытокристаллическая или стекловатая структура). * Осадочные породы: Образуются в результате накопления и цементации обломков других пород, остатков организмов или химического осаждения. * Обломочные породы (песчаник, конгломерат) имеют зернистую структуру, где размер зерен зависит от энергии среды осадконакопления. * Химические осадочные породы (известняк, гипс) часто имеют мелкозернистую или скрытокристаллическую структуру. * Органические осадочные породы (уголь, мел) состоят из остатков организмов. * Метаморфические породы: Образуются из магматических или осадочных пород под воздействием высоких температур, давлений и химически активных флюидов. * Под воздействием направленного давления (региональный метаморфизм) образуются сланцеватые или гнейсовые текстуры, где минералы ориентированы перпендикулярно направлению давления (например, сланец, гнейс). * При высоких температурах и равномерном давлении (контактовый метаморфизм) образуются массивные, зернистые породы (например, мрамор, кварцит). 9. Что такое структура горных пород? Структура горных пород — это совокупность признаков, характеризующих размер, форму, степень кристаллизации и взаимоотношение минеральных зерен (или обломков), из которых состоит порода. Она отражает условия образования породы. 10. Какова связь прочности горной породы с ее структурой? Прочность горной породы тесно связана с ее структурой. * Размер зерен: Мелкозернистые породы обычно прочнее крупнозернистых, так как имеют большую площадь контакта между зернами и меньше дефектов. * Форма зерен: Зерна неправильной, угловатой формы обеспечивают лучшее сцепление и, следовательно, большую прочность, чем округлые зерна. * Степень кристаллизации: Полнокристаллические породы, где все минералы хорошо сформированы и плотно прилегают друг к другу, обычно прочнее стекловатых или аморфных пород. * Взаимоотношение зерен: Плотное, равномерное распределение зерен с хорошим сцеплением обеспечивает высокую прочность. Наличие пустот или слабых связей снижает прочность. * Наличие цемента: В осадочных породах прочность сильно зависит от типа и количества цементирующего вещества. 11. Перечислите типы цементов осадочных горных пород Типы цементов осадочных горных пород: * Кремнистый цемент: Образован опалом, халцедоном, кварцем. Придает породе высокую прочность. * Карбонатный цемент: Образован кальцитом, доломитом. Распространен, прочность варьируется. * Железистый цемент: Образован оксидами и гидроксидами железа (гематит, лимонит). Придает породе красноватый или бурый оттенок. * Глинистый цемент: Образован глинистыми минералами. Обычно придает породе низкую прочность и пластичность. * Сульфатный цемент: Образован гипсом, ангидритом. Прочность варьируется, может быть растворим в воде. 12. Как на раскол горной породы влияет ее структура? Структура горной породы существенно влияет на характер ее раскола (разрушения): * Размер зерен: В мелкозернистых породах раскол часто происходит по границам зерен или через них, образуя относительно ровные поверхности. В крупнозернистых породах раскол может быть более неровным, обходя крупные зерна. * Форма зерен: Угловатые зерна могут создавать более извилистые поверхности раскола, тогда как округлые зерна могут способствовать более гладкому расколу. * Ориентация зерен: Если зерна имеют преимущественную ориентацию (например, в сланцах), раскол будет происходить преимущественно по плоскостям этой ориентации, образуя ровные поверхности. * Наличие слабых плоскостей: В породах с выраженной слоистостью или сланцеватостью раскол будет происходить по этим плоскостям, что приводит к образованию плоских обломков. * Тип связи: В породах с сильными ковалентными или ионными связями раскол может быть конхоидальным (раковистым), проходящим через зерна. В породах со слабыми связями (например, глинистый цемент) раскол будет происходить по границам зерен. 13. Опишите типы структур магматических горных пород Типы структур магматических горных пород: * Полнокристаллическая (голокристаллическая): Все минералы хорошо сформированы и видны невооруженным глазом. Характерна для интрузивных пород (гранит, габбро), образовавшихся при медленном остывании. * Скрытокристаллическая (афанитовая): Минералы очень мелкие, неразличимы невооруженным глазом, но видны под микроскопом. Характерна для эффузивных пород (базальт, андезит), образовавшихся при относительно быстром остывании. * Стекловатая (гиалиновая): Порода состоит из вулканического стекла, минералы отсутствуют или представлены единичными вкраплениями. Образуется при очень быстром остывании лавы (обсидиан, пемза). * Порфировая: В мелкозернистой или стекловатой основной массе породы присутствуют крупные, хорошо сформированные кристаллы (вкрапленники). Образуется при двухстадийном остывании: сначала медленном (образуются вкрапленники), затем быстром (образуется основная масса). * Пегматитовая: Очень крупнозернистая структура, где размеры кристаллов могут достигать нескольких сантиметров и даже метров. Характерна для пегматитов, образующихся из остаточных магматических расплавов, обогащенных летучими компонентами. 14. Виды текстуры и их влияние на характер разрушения горных пород Текстура — это пространственное расположение и ориентировка минеральных зерен или агрегатов зерен в породе. Виды текстур: * Массивная (беспорядочная): Минеральные зерна расположены хаотично, без определенной ориентации. Характерна для многих магматических и метаморфических пород (гранит, мрамор). Разрушение такой породы обычно происходит по наиболее слабым плоскостям или по границам зерен, без выраженной направленности. * Слоистая: Минералы или обломки расположены параллельными слоями. Характерна для осадочных пород (песчаник, сланец). Разрушение происходит преимущественно по плоскостям слоистости, что приводит к образованию плоских обломков. * Сланцеватая (гнейсовая): Минералы ориентированы параллельно друг другу, образуя плоскости сланцеватости. Характерна для метаморфических пород (сланец, гнейс). Разрушение происходит легко по этим плоскостям, что обуславливает анизотропию прочности. * Пористая (пузыристая): Наличие многочисленных пустот (пор, пузырьков). Характерна для эффузивных пород (пемза, туф). Пористость значительно снижает прочность породы, делая ее более хрупкой и склонной к разрушению по границам пор. * Флюидальная: Минералы ориентированы параллельно направлению течения магмы или лавы. Характерна для некоторых эффузивных пород. Разрушение может быть анизотропным, с предпочтительным расколом вдоль плоскостей флюидальности. 15. Какие силы действуют между компонентами горных пород? Между компонентами горных пород (атомами, ионами, молекулами, зернами минералов) действуют различные типы сил: * Межатомные и межионные силы: * Ковалентные связи (например, в кварце, алмазе) — очень прочные, образуются за счет общих электронных пар. * Ионные связи (например, в галите, кальците) — образуются за счет электростатического притяжения между разноименно заряженными ионами. * Металлические связи (в самородных металлах) — образуются за счет обобществленных электронов. * Ван-дер-ваальсовы силы (например, между слоями графита, в глинистых минералах) — слабые силы притяжения между молекулами. * Межзерновые силы: * Силы сцепления (адгезии и когезии) — возникают на границах зерен минералов. * Силы цементации — химические связи, образующиеся между зернами за счет цементирующего вещества. * Силы трения — возникают при контакте зерен в несцементированных породах. * Молекулярные силы: В породах, содержащих воду, действуют силы поверхностного натяжения воды, капиллярные силы, а также силы гидратации. 16. В чем заключается проявление механических свойств горных пород? Проявление механических свойств горных пород заключается в их способности сопротивляться внешним механическим воздействиям (нагрузкам) и изменять свою форму или разрушаться под их действием. Эти свойства определяют поведение породы в различных условиях и включают: * Прочность: Способность породы сопротивляться разрушению (разрыву, сжатию, сдвигу) без потери целостности. * Деформируемость: Способность породы изменять свою форму и размеры под действием нагрузки. Включает упругие, пластические и вязкие деформации. * Твердость: Способность породы сопротивляться проникновению в нее другого тела (царапанию, вдавливанию). * Хрупкость: Способность породы разрушаться без значительной пластической деформации. * Пластичность: Способность породы необратимо деформироваться без разрушения. * Вязкость: Способность породы сопротивляться деформации, зависящая от скорости приложения нагрузки. * Абразивность: Способность породы истирать контактирующие с ней материалы. 17. Что такое деформация горной породы? Деформация горной породы — это изменение ее формы и/или размеров под действием внешних или внутренних сил (напряжений). Деформации могут быть: * Упругими: Исчезают после снятия нагрузки, и порода полностью восстанавливает свою первоначальную форму. * Пластическими (остаточными): Сохраняются после снятия нагрузки, порода не восстанавливает свою первоначальную форму. * Вязкими (ползучесть): Развиваются во времени при постоянной нагрузке. 18. Что такое напряжение в горной породе? Напряжение в горной породе — это мера внутренних сил, возникающих в породе в ответ на внешние воздействия (нагрузки) или внутренние процессы (например, температурные изменения, фазовые переходы). Напряжение определяется как сила, действующая на единицу площади. Обозначается обычно греческой буквой сигма \(\sigma\). \[ \sigma = \frac{F}{A} \] где \(F\) — сила, действующая на площадь \(A\). Напряжения могут быть: * Нормальными: Действуют перпендикулярно к площадке (сжатие или растяжение). * Касательными (сдвиговыми): Действуют параллельно площадке. Напряжения в горной породе могут быть вызваны гравитацией, тектоническими процессами, давлением флюидов, температурными изменениями и другими факторами. 19. В чем заключается процесс релаксации горной породы? Процесс релаксации горной породы заключается в самопроизвольном уменьшении напряжений в породе с течением времени при постоянной деформации. Это происходит за счет перераспределения внутренних напряжений и развития пластических или вязких деформаций. Другими словами, если порода деформирована и удерживается в этом состоянии, то напряжения внутри нее постепенно снижаются. Релаксация напряжений является важным фактором, влияющим на долговременную устойчивость горных выработок и сооружений.