Лекции по дисциплине «физика горных пород» навоий 2017 Жиянов А. Б. Курс лекции по дисциплине «Физика горных пород»

3. Пластические и реологические свойства пород (СРСП)

Приложение к породам нагрузок, превышающих их пределы упругости, приводит к возникновению необратимых пластических деформаций.

Пластическая деформация в породах обусловлена внутризёренным и межзёренным скольжением. Значительную роль во внутреннем скольжении играют дислокации – сдвиги одной части кристалла относительно другой.
Пластическая деформация происходит без нарушения сплошности тела.
Пластичность горных пород зависит от их минерального состава. Наличие жёстких кварцевых зёрен и полевого шпата в породе уменьшает её пластичность.
В углях наблюдается зависимость пластичности от содержания в них углерода. При переходе от слабометаморфизированных углей к антрацитам их пластичность уменьшается в 30 раз.
Повышение пластичности сопровождается снижением модуля упругости, в то же время коэффициент Пуассона пород растёт.
Длительное действие нагрузок на породы приводит к изменению их напряжённо-дефомированного состояния. Явления изменения деформаций и напряжений в горных породах под действием нагрузки во времени описываются реологическими свойствами.
Постепенный рост деформаций во времени называется ползучестью пород(крипом).
Явление ползучести – это тоже пластическое деформирование горной породы, только происходящее во времени. Ползучесть может проявляться даже при напряжениях, не превышающих предела упругости.
Значительная ползучесть присуща глинам, аргиллитам, глинистым сланцам и зависит от направления приложения нагрузки.
Явление обратное ползучести – постепенное снижение напряжений в породе при постоянной её деформации называется релаксацией напряжений.
Позучесть и релаксация – два проявления одного и того же реологического процесса.


Упругие колебания и акустические параметры пород
Упругие колебания – это процесс распространения в породе знакопеременных упругих деформаций ее частиц. Очевидно, что частота этих колебаний может быть самой различной в зависимости от частоты генератора, возбуждающего колебания, и частоты собственных колебаний тела.
Упругие волны по частоте колебаний подразделяют на инфразвуковые – с частотой до 20 Гц, гиперзвуковые – более 10¹⁰ Гц, звуковые – 20- 20 000Гц, ультразвуковые – более 20 000Гц. Частота гиперзвуковых колебаний приближается к частоте тепловых колебаний молекул ( 10¹³ Гц).
Волны низкой частоты, вызванные ударом, взрывом землетрясением и т.д., быстро затухающие и распространяющиеся в земной коре, носят название сейсмических.
Так как упругие волны представляют собой распространение в веществе деформаций, то в зависимости от их вида выделяют волны различных типов.
Деформации попеременного объемного сжатия и растяжения обуславливают распространение в веществе продольных упругих колебаний. Продольные волны распространяются в любой среде- газах, жидкостях и твердых телах, так как все вещества обладают сопротивлением объемному сжатию. Именно продольные волны вызывают звуковые явления.
Распространение попеременных деформаций сдвига в среде вызывает поперечные упругие волны. Последние присущи только твердым телам, ибо в жидкостях и газах сопротивление сдвигу отсутствует.
Эти два типа волн распространяются по всему объему породы и поэтому называются объемными.
Характер распространения упругих колебаний в горных породах определяется их акустическими параметрами. К ним относятся скорости распространения упругих волн, коэффициенты поглощения и волновое сопротивление. Породы характеризуются также различными коэффициентами отражения и преломления упругих волн.
Обычно под скоростью волны понимают скорость распространения фронта волны. Фронт волны - это геометрическое место точек среды, в которых в рассматриваемый момент времени фаза волны имеет одно и то же значение.
Скорость распространения упругих волн в горных породах определяется их упругими свойствами и плотностью. Она практически не зависит от частоты, что позволяет использовать для исследований любые частоты колебаний.
Распространение упругих волн в горных породах так же, как и в любом веществе, сопровождается постепенным уменьшением их интенсивности по мере удаления от источника излучения.
Коэффициент поглощения упругих колебаний зависит как от свойств породы (упругих, тепловых и коэффициента внутреннего трения ) так и от частоты колебаний. Для однородных тел и монокристаллов поглощение акустических волн определяется вязкостью и теплопроводностью тел. Как и для жидкостей, в этом случае зависимость коэффициента поглощения  продольной упругой волны от частоты  = f квадратичная ( формула Стокса- Кирхгофа ). :
= ,
где  - коэффициент вязкости ( внутреннее трение породы ), Па*с.
Коэффициентом отражения К_э называют отношение энергии отраженной волны А_о к энергии падающей волны А_п :
К_э= .

Акустические параметры слагающих горную породу фаз.

Фаза	Плотность Ро, кг\м^3	Скорость продольной волны ^vp. М\с.	Коэффициент поглощения , 1\м.
			F=10^5Гц		F=10^7Гц
Вода Воздух Лед	1000 1,29 918	1485 331 3200-3300	8,5*10^-5 1,24*10^3 -	8,5*10^-1 1,24*10^3 -

Скорость продольных упругих волн в слоистых породах.

Порода	Скорость продольной волны ^р, м\с.		Коэффициент анизотропии
	Вдоль напластования v	Поперек напластования v
Известняк Песчаник Мергель Серпентинит	5300 3800 4300 4600	5100 3200 3900 3800	1,04 1,19 1,10 1,18

Поглощение упругих волн вдоль слоистости всегда меньше, чем поперек, а с увеличением пористости и размеров зерен пород происходит увеличение . Неодинаково также поглощение различных типов волн.
Рыхлые породы практически не оказывают сопротивления сдвиговым усилиям, величина которых определяется внутренним трением, поэтому в них, подобно жидкостям, могут распространятся только продольные волны. В соответствии с этим, чем больше нарушенность массива пород (трещиноватость, выветрелость и т.д. ), т.е. чем больше он приближается к рыхлому состоянию, тем меньше скорость поперечных волн и тем больше их поглощение.