ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ ГОРНЫХ ПОРОД УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Санкт-Петербург

ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ ГОРНЫХ ПОРОД. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

(Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России);

Сост.: А.Н. Сергиенко, Г.В. Овчаренко.

СПб, 2014.20 с.

Методические указания составлены в соответствии с утвержденной программной учебной дисциплины «Физика горных пород». Приведены рекомендации по порядку выполнения лабораторных работ.. Каждая работа сопровождается пояснениями с рассмотрением в необходимых объемах теоретических вопросов.

Указания предназначены для студентов второго года обучения специ­альности 130412.65 «Технологическая безопасность и «горноспасательное дело» и могут быть использованы в учебном процессе студентами других специальностей, изучающих курсы «Физика горных пород»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………… стр.3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Тема: Определение плотности горных пород……………………… ……5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Тема: Определение плотности, объемного веса и

коэффициента пористости горных пород…………………………………7

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Тема: Определение параметров деформации горных пород…………….11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Тема: Определение удельного волнового сопротивления и

динамического модуля упругости методом импульсного

прозвучивания………………………………………………………………13

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Тема: Определение удельного электрического

сопротивления горных пород………………………………………………15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Тема: Определение магнитной восприимчивости горных пород с

помощью прибора ИМВ-3………………………………………………….17

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Тема: Исследование изменения деформаций в горных породах

во времени при одноосном напряженном состоянии…………………….19

Практическое занятие №1.

Тема. Определение плотности породы, насыпной вес и

количество транспортных средств для транспортировки

полезного ископаемого на обогатительную фабрику.

Практическое занятие №2.

Тема. Определение модуля упругости, модуля сдвига.

Практическое занятие №3.

Тема. Определение модуля объемного сжатия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………… 20

Цель дисциплины.

Целью изучения данной дисциплины является получение студентами знаний о физико-технических свойствах и физических процессах в горных породах, закономерностях изменения свойств и их параметров под воздействием различных физических полей, а также принципов использования свойств пород при решении задач горного производства.

Задачи дисциплины.

Основными задачами изучения дисциплины являются:

1. усвоение методов определения плотностных, упругих, пластических и реалогиче- ских свойств горных пород;

2. составление паспорта прочности горных пород и прочность в объемном напряженном состоянии;

3. применение критериев прочности горных пород (Кулона, Мора, Гриффитса);

4. определение системы трещин, параметры трещин, размер структурного блока, изотропное и анизотропное поведение массивов;

5. изучение влияния трещиноватости на деформационные и прочностные свойства горных пород;

6. усвоение методов определения свойств горных пород в натурных условиях.

В результате изучения данной дисциплины студенты должны:

иметь представление: об основных физико-механических параметрах горных пород, о их качественных и количественных характеристиках и методах их определения.

знать: определения, размерности, наиболее вероятностные численные значения важнейших физико-технических параметров горных пород, физическую сущность процессов, происходящих в горных породах и массивах при воздействии на них горными механизмами или физическими полями, тенденции и перспективные пути развития науки и техники в области физики горных пород.

уметь: определять основные физико-технические параметры горных пород в лабораторных и натурных условиях, устанавливать категории разрабатываемости пород, применять данные о них для выбора режимов работы горного оборудования и его параметров, ориентироваться в научно-технической литературе по физике горных пород, объяснять физические явления и процессы с позиции современного уровня познания материального мира.

приобрести практические навыки: в определении физико-технических параметров и категорий разрабатываемости горных пород в лабораторных и натурных условиях, в методиках наблюдения и установления закономерностей протекания физических процессов и контроля за состоянием массива горных пород.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ТЕМА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Цель работы. Изучение существующих методов плотности горных пород, проведение по опыт­ным данным необходимых вычислений.

Основные теоретические положения. плотностью g называется вес единицы объема породы, т. е. от­ношение веса породы к общему ее объему, состоящему из твердой, жидкой и газообразной фаз:

,

где Рт, РЖ, Р_Г — вес твердой, жидкой и га­зообразной фаз, Н;

V — объем образца горной породы, м³;

g — плотность, Н/м³.

Плотность породы определяют либо при естествен­ной влажности, либо в абсолютно сухом состоянии. Во вто­ром случае образцы пород высушивают до постоянной массы при температуре 105— 110°С и охлаждают в эксикаторе. Массу образцов определяют, взвешивая их на технических весах.

Объем образцов определяют следующими методами: не­посредственным измерением линейных размеров; гидро­статическим взвешиванием; измерением объемомером (волюмометрический метод); пикнометрическим методом.

При определении объема образцов методом гидроста­тического взвешивания, измерения проводят с помощью жидкостного объемомера (волюмометрическим, пикнометрическим и другими подобными методами), образцы пород парафинируют. При этом их опускают на 1—2 с в сосуд с расплавленным и нагретым до температуры 80—90 °С парафином. Более высокая температура не допускается, так как парафин становится настолько жидким, что прони­кает в поры образцов. При более низкой температуре па­рафин загустевает и не прилипает к поверхности образцов. В случае образования на остывающей поверхности образцов пузырьков воздуха их удаляют нагретой иглой, а обра­зовавшиеся отверстия закрывают, проводя иглой плашмя, расплавляющимся в этом месте парафином.

Приборы и принадлежности. Весы с разновесами, об­разцы горных пород, пикнометр, объемомер, парафин, тигель для расплавления парафина, электропечь, стакан, дистиллированная вода, штангенциркуль.

Проведение опыта. А. Метод непосредственного изме­рения линейных размеров (применяется при исследовании пород, из которых можно изготовить образцы правильной геометрической формы).

При определении объема образцов каждый линейный размер вычисляют как среднее арифметическое двух парал­лельных ребер, лежащих в плоскости одной грани, и сред­ней между ребрами линии.

Для определения диаметра образца цилиндрической формы на каждом основании цилиндра измеряют по два взаимно перпендикулярных диаметра, затем вычисляют диаметр образца как среднее арифметическое четырех из­мерений.

Высоту образца вычисляют как среднее арифметическое четырех измерений образующих цилиндра, расположенных на двух взаимно перпендикулярных плоскостях, пересе­кающих цилиндр по его продольной оси.

Измерение образцов с длиной стороны или образу­ющей до 10 см производится с точностью до 0,1 мм, а боль­ших размеров — с точностью до 1 мм. Взвешивание образ­цов массой менее 0,5 кг проводят с точностью до 0,0001 кг, массой 0,5 кг и более — до 0,001 кг.

Порядок проведения опыта.

1. Измерить геометриче­ские размеры образца штангенциркулем.

2. Взвесить образец на весах.

3. Вычислить объем образца по средним его геометри­ческим размерам. .

4. Вычислить объемный вес породы.

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.

Таблица 1

Б. Метод гидростатического взвешивания (применяется для исследования образцов неправильной формы, не име­ющих инородных включений, каверн и трещин).

1. Отобрать образцы неправильной формы массой 0,005—0,008 кг из пород, не имеющих инородных вклю­чений и трещин, не свойственных данной породе.

2. Взвесить образец Р₁ на технических весах.

3. Плотно обвязав образец навощенной или шелковой нитью, опустить его на 1—2 с в сосуд с расплавленным парафином (объемный вес парафина принять g_п == 9300 Н/м³).

4. Взвесить образец Р₂, покрытый парафином.

5. Произвести гидростатическое взвешивание парафи­нированного образца Р₃. Для этого на чаше весов уста­новить сосуд с дистиллированной водой так, чтобы он при взвешивании не касался краев чаши. Образец подвесить к дужке коромысла и, полностью погрузив его в воду так, чтобы он не касался дна и стенок сосуда, взвесить.

6. По результатам взвешивания определить объемы па­рафина, парафинированного и

не парафинированного образ­цов и их объемный вес.

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу (табл. 2).

Таблица 2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Тема: Определение плотности, объемного веса и коэффициента пористости горных пород

Цель работы. Экспериментальное определение плотностных параметров горных пород – плотности ρ,объемного веса (и коэффициента пористости (Р), которые характеризуют количество горной массы и полезного ископаемого. Эти параметры широко используются при расчете запасов полезного ископаемого, производительности горных предприятий и оборудования, емкости транспортных средств, расхода взрывчатых веществ, объема отвалов, складов, а также при гравитационных методах обогащения и в разведочной геофизике. С некоторыми физическими свойствами горных пород удельный, объемный вес и пористость связаны корреляционными зависимостями.

Основные теоретические положения. Удельным весом называется вес единицы объема вещества (твердой фазы горной породы):

(1)

где ρ- плотность породы;

Gт- вес породы;

Vт- объем твердой фазы.

Удельный вес минералов фактически равен их объемному весу, удельный вес горных пород всегда больше их объемного веса из-за присутствия некоторого количества пустот, трещин, пор ,заполненных газами или водой.

Удельный вес минералов всегда зависит от их химического состава и структуры. По удельному весу минералы делятся на легкие (2,5 г/см3) и тяжелые (4 г/см3)

Удельный вес горных пород зависит от удельного веса слагающих их минералов и может быть рассчитан по формуле:

(2)

где ρe- плотность каждого минерала, слагающего породу;

е – число минералов, слагающих породу;

Ve – доля объема, занимаемого каждым минералом.

Объемным весом называется вес единицы объема тела в естественном состоянии (с порами, трещинами и т.д.):

, Н/м 3 (г/см3, кг/м3) (3)

где ᵞo- объемный вес породы;

G – вес породы ( вес тела);

Vo – объем породы (тела в естественном состоянии).

Объемный вес большинства горных пород колеблется от 1,5 до 3,5 г/см3. Большой объемный вес имеют рудные полезные ископаемые (до 5,5 г/см3). Низким объемным весом обладают гидрохимические (гипс, каменная соль) и органические (торф, бурый уголь и др.) осадочные горные породы.

Если замерить не вес, а массу единицы объема породы, то получают соответствующую удельную “ “ и объемную “ “ массу (плотность) породы. Объемный вес породы и ее объемная масса связаны соотношением:

,

где g - ускорение силы тяжести, м/ с²;

Кроме объемного, удельного весов горной породы существует еще насыпной вес - вес единицы объема разрыхленной породы:

, Н/ м³ (г/см³ , кг/м³), (4)

где Gн – насыпной вес породы;

Vp – объем разрыхленной породы к объему той же породы в плотном состоянии.

, (5)

Коэффициент разрыхления породы всегда больше единицы, поскольку объем разрыхленной породы за счет дополнительного объема пустот больше объема плотной породы. Коэффициент разрыхления угля находится в пределах 1,2-1,5, осадочных пород (песчаников, алевролитов и аргиллитов) – 1,4-2,2, магматических пород – 1,8-2,5.

Пористость – относительный объем всех пустот (пор), заключенных в единице объема породы.

Коэффициент общей пористости:

, (6)

где: К – пористость горной породы;

Vпор- объем всех пор и трещин в породе.

Коэффициент приведенной пористости - К_пр - характеризует отношение объема пор породы к единице объема твердой фазы породы:

, (7)

Поры в горных породах по происхождению делятся на первичные, формирующихся при образовании горных пород и вторичные, появившихся в результате различных процессов метаморфизации, выветривания, выщелачивания и т.д.

По размеру поры подразделяются на три группы - сверх капиллярные диаметром пор 0,1 мм; капиллярные - 0,0002-0,1мм и субкапиллярные – 0,0002мм.

Поры бывают открытыми и закрытыми (изолированными). Открытые поры сообщаются друг с другом и атмосферой. Их суммарный относительный объем составляют открытую пористость (Кот) горной породы.

, (8)

Относительный объем веса закрытых пустот в теле называется закрытой пористостью;

, (9)

Пористость, при которой возможно течение в породе жидкостей и газов под действием обычных в природе градиентов, называется эффективной пористостью:

, (10)

Пористость горных пород колеблется в пределе от 0 до 90%.

Эксперимент.

1) Отбор проб и приготовление образцов породы.

Каждая подгруппа в составе 3-5 человек определяет: объемный вес; плотность и пористость каменного угля и одного из видов осадочной (магматической) горной породы.

От пробы этих же пород отбирают несколько образцов неправильной формы весом 50-120г для определения объемного и удельного весов.

2) Определение удельного веса породы пикнометрическим методом.

Метод основан на замере изменения веса пикнометра, наполненного жидкостью, при замене части этой жидкости навеской исследуемой породы.

Пикнометр для определения удельного веса представляет собой узкогорлую мерную колбу объемом 50 или 100мл. На горлышке нанесена риска, соответствующая номинальному объему пикнометра.

Порядок выполнения работы:

а) взвешивается пустой пикнометр (мерная колба точного объема) - Go, г;

б) взвешивается пикнометр, наполненный водой до риски - G1,г

в) берется навеска образца (10 – 30 г), тонко измельчается до 0,5мм, помещается в пустой пикнометр. Пикнометр взвешивается вместе с навеской – G2, г;

г) в пикнометр с навеской доливается вода до риски, тщательно взбалтывается для удаления воздуха из породы (воздух из навески образца можно удалить кипячением) и взвешивается –G3, г;

д) удельный вес породы определяется по формуле:

, Н/м3 (г/см3), (11)

где G₂ – G₀ – вес навески породы,

– объем пикнометра,

– объем воды в пикнометре, когда в нем находится навеска породы,

– удельный вес воды (принять = 1,05 т/м3).

Коэффициент пористости (Р) определяется из соотношения между объемным и удельным весом горной породы.

Введем следующие обозначения:

V_о – объем образца,

V₁ – объем твердой фазы образца,

V₂ – объем пор образца,

G – вес образца,

ᵞу д – удельный вес образца,

– объемный вес образца.

Очевидно, что: V₀= V₁+V₂, (12)

Вес образца равен: G = V₁, (13)

Коэффициент (приведенной) пористости:

, (14)

Подставляя в эту формулу вместо объемов их значения из формулы (1,3) после простых преобразований имеем:

(15)

Контрольные вопросы:

1. Что такое удельный вес, объемный вес, коэффициент общей пористости горной породы?

2. Как вычисляется удельный вес, объемный вес, коэффициент общей пористости горной породы?

3. Для чего производится измельчение образца при определении удельного веса?

4. Суть пикнометрического метода;

5. Вывод формулы (6);

6. Вывод формулы (11);

7. Виды пористых горных пород;

8. Как определяется объемный вес?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Дата добавления: 2014-11-08; просмотров: 1947; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!