- •1. Классификация свойств и параметров
- •1*4. Плотность пород
- •1.9. Основные правила изучения физико-технических параметров пород
- •2. Механические свойства горных пород
- •2.5. Прочность и разрушение пород
- •если
- •2.10. Упругие колебания в массивах горных пород
- •3.1. Распространение и накопление тепла
- •3.2. Теплоемкость
- •3.4. Тепловое расширение
- •3.5. Тепловые свойства массивов
- •3.6. Тепловые свойства рыхлых пород
- •4. Электромагнитные свойства горных пород
- •4.3. Особые случаи поляризации минералов и пород
- •4.4. Электропроводность
- •4.5. Диэлектрические потери
- •4.6. Магнитные свойства
- •4.8. Естественные электрические и магнитные поля
- •4.9. Радиоактивность пород. Воздействие излучений
- •5. Взаимная связь свойств, паспортизация пород.
- •Свойства пород Луны
- •СсЧк = 900*2? «Ю-5;
- •5.5. Паспортизация горных пород по физико-техническим параметрам
- •6. Воздействие внешних физических полей на горные породы
- •6.1. Влияние влаги
- •6.3. Термические напряжения в породах
- •6.7. Воздействие электрического и магнитного полей
- •7. Горнотехнологические характеристики пород
- •7.5. Классификация горнотехнологических параметров пород
- •7.6. Твердость, вязкость, дробимость и абразивность пород
- •8.6. Комбинированные методы разрушения
- •8.9. Дробление и измельчение цолезного ископаемого после извлечения
- •9. Управление состоянием массива горных пород
- •Обогащение и геотехнология
- •9.1. Осушение массивов
- •9.2. Процессы разупрочнения
- •9.5. Устойчивость бортов карьеров и отвалов
- •9.6. Тепловой режим шахт и рудников
- •9.8. Физико-химические (геотехнологические) методы
- •10; Методы контроля состояния массива горных пород
- •10.1. Свойства пород как источники информации
- •10.2. Исследование массивов методами полевой геофизики
- •10.3. Скважинные методы исследования
- •10.6. Методы контроля за составом полезных ископаемых
- •10.8. Методы контроля за отдельными технологическими процессами
гдо AM — средневзвешенный показатель начальной скорости газоотдачи угля с учетом всех угольных пачек пласта в сечении выработки; / — средневзвешенный коэффициент крепости пласта.
Для условий Кузбасса при 1 — зона не опасна по вне запным выбросам. При К{^> 1 решающим фактором является К 2:
если |
К 2 > 1 — пласт |
опасен, если К 2<^ 1 — условно |
опасен. |
По |
методике ИГД |
им. А. А. Скочинского угольный |
пласт |
описывают более разносторонне: в том числе характеристиками
нарушенности, |
неоднородности, показателями структуры |
пласта |
и т. д. |
5 , характеризующий выбросоопасность, |
опре |
Показатель |
деляют по специальной номограмме (рис. 10.19), предварительно
рассчитав |
показатели действующих сил |
и устойчивости пла |
стов М : |
* |
|
^ д = Р а .10-» + 0,1Я;
(10.32)
М — М ,, .9МИ,
где Рд — давление газов, Па; Н — глубина разработки, м; М и = = { — b — устойчивость пласта без учета его неоднородности; / = 2,6•10"°асж — 11,4 — обобщенный показатель прочности пла ста с учетом его нарушенности; Ъ = т + 1,6п + 0,1 — обобщен ный показатель структуры пласта с учетом его мощности п г и числа пачек в пласте п\ sMI, — среднеквадратичное отклонение пока зателя устойчивости пласта М„, характеризующее его неодно родность.
При В < 25% угольный пласт считается неопасным по вы бросам, при В > 4 5 % — опасным. В пластах, которые харак теризуются показателем В —■(25 -f- 45)%, внезапные выбросы угля и газа возможны.
Таким образом, для оценки выбросоопасности угольных пластов необходимо в натуре измерять их прочность, прони цаемость, степень нарушенности и структуру. Все эти параметры можно определить различными методами интроскопии и геофизи ческой разведки, описаипыми ранее.
10.6. Методы контроля за составом полезных ископаемых
Состав полезных ископаемых определяют почти на всех ста диях горного процесса — при оценке промышленных запасов месторождения, в процессе добычи в забое, при дроблении, из мельчении и на разных стадиях обогащения.
Из существующих методов определения состава наиболее рас пространен прямой метод химического анализа, заключающийся
вотборе пород в соответствующей точке технологического звена
ианализе их па содержание искомых элементов в лаборатории.
Такой метод |
обладает высокой точностью, но продолжителен |
по времени. |
Поэтому оперативный и тем более непрерывный |
контроль качества с одновременной регулировкой параметров процесса на базе химических анализов практически неосуще ствим. Такой контроль возможен только на базе физических датчиков состава.
Выделяют пять групп физических методов, контроля.
Группа рентгеновских методов. В эту группу входят методы, основанные на воздействии рентгеновского излучения на горные породы. Наиболее широко используется рентгеноспектральиый метод (см. раздел 1.7). Он применим не только в лабораторных условиях, но и непосредственно в технологическом потоке в со четании с автоматическими пробротборниками и механизмами подготовки проб с целью определения содержания различных элементов. В установках используют несколько спектрометров, настроенных на автоматическое измерение содержания в пробе соответствующих элементов.
Группа радиационных методов. Эти методы основаны на дейст вии ядерных излучений на ядра и оболочки атомов различных элементов. За счет ядерных реакций возникает поток вторичных частиц, а в ряде случаев наводится вторичная радиоактивность. Интенсивность вторичных излучений фиксируемся, и она служит в качестве исходной информативной характеристики содержания
того или иного элехмента. |
р е и т г е и о с п е к т р а л ь - |
|
При б е с к р и с т а л ь-п о м |
||
н о м |
методе горную породу облучают радиоизотопным источ |
|
ником, |
способным возбуждать |
характеристическое рентгенов |
ское излучение анализируемого элемента. Последнее фиксируется
счетчиком |
рентгеновского излучения, позволяющим выделять |
|||||
импульсы |
с амплитудой, |
соответствующей |
характеристическому |
|||
излучению. Этот метод использован для контроля |
содержания |
|||||
железа в |
рудах. |
|
|
|
|
|
К данной группе относятся также различные методы ядерных |
||||||
реакций на заряженных |
частицах. |
Известен, например, |
а л ь |
|||
ф а - н е й т р о н н ы й |
м е т о д , |
который |
основан |
на |
возбу |
ждении ядерных реакций и создании потока нейтронов в легких элементах облучением nxt а-частицами.
Выход нейтронов на каждый миллион а-частищ различен для
разных элементов (например, |
при энергии а-частиц 8,5• 10“13 Дж |
|
для Li он равен |
2,6 для Be — 80, для А1 — 0,74). |
|
Формула расчета массового содержания пг1 анализируемого |
||
элемента в пробе |
полезного |
ископаемого имеет следующий вид: |
т |
/ |
(10.33) |
Где т 2 — содержание анализируемого элемента в контролируемом минерале;' р2 и р2 — плотности вмещающего и контролируемого минералов; N 0 и N ± — интенсивность счета квантов при облу чении эталона (чистого минерала без примесей) и данной пробы.
Методы я д о р н ы х р е а к ц и й н а н е й т р о н а х осно ваны на облучении вещества потоком нейтронов и фиксации от ветных потоков а-частиц, протонов, у-лучей, тепловых нейтронов и т. д.
Методы я д е р н ы х р е а к ц и й на облучение пород у-лу- чами возможны в том случае, когда энергия у-кваитов превосхо дит энергию связи нуклонов в ядре. Тогда наиболее вероятным ответным потоком является выход нейтронов.
Методы а к т и в а ц и о н н о г о ELH а л и з а основаны на возникновении в определяемых элементах наведенной активности, величина которой может служить мерой содержания анализи руемого элемента.
При наличии эталона расчет массового содержания т анали
зируемого элемента в пробе производят |
по формуле |
||||
mi — т2 ■**2 у |
|
|
(10.34) |
||
где т 2 — содержание элемента в эталоне; |
N x и N 2 — интенсив |
||||
ность |
излучения элемента |
в образце |
и |
эталоне. |
|
В |
методах |
я д е р и о г о |
г а м м а - р е з о н а н с а (эффект |
||
Мессбауэра) |
используют |
явление |
резонансного поглощения |
||
у-кваптов. |
|
|
|
|
Группа полярографических методов объединяет физико-хими ческие методы контроля за содержанием полезного элемента (или, в отличие от предыдущих методов, полезного минерала). Данные методы основаны на определении зависимости того или иного параметра тока, проходящего через электролитическую ячейку с контролируемым раствором, от приложенного к элек тродам напряжения. Указанное обстоятельство обусловливает необходимость предварительного растворения минералов.
К группе оптико-спектральных методов относятся эмиссион ный (см. раздел 1.7),а д с о р б ц и о н н ы й , основанный на опре делении спектров поглощения газов и жидкости, и люминесцент ный, заключающийся в изучении спектров люминесценции ве щества, возбуждаемых ультрафиолетовыми лучами. Люмине сцентный метод отличается высокой чувствительностью, прево сходящей чувствительность эмиссионного метода на 2—3 порядка.
Так, например, цвет свечения шеелита при содержании в нем 0,35—0,5% примесей молибдена из интенсивно-голубого переходит в голубовато-белый. Примесь молибдена в нем содержанием от 0,5 до 4% вызывает желтое или зеленовато-желтое свечение.
Сравнением свечения образцов шеелита со свечением эталонов из искус ственных смесей можно определить содержание молибдена в руде с точностью до десятых долей процента. Содержание примесей ртути в впллемите, кото рый в чистом виде дает очень яркое зеленое излучение, может быть опре делено даже с точностью до 0,01%. Люминесцентный метод перспективен также при анализе циркона и сподумена.
Значительная люминесценция присуща нефти. Поэтому, ис следуя люминесценцию извлеченной из скважины породы, можно
сделать заключение о наличии или близком расположении нефте носных слоев.
Группа методов по физическим свойствам пород основана на зависимости физических свойств пород от минерального состава. Как известно, для простейших скалярных параметров (например, плотности)
* сР = 2 * , Т „ |
|
(10.35) |
|
поэтому, измерив Хср и зная параметры |
X t составляющих ком |
||
понентов для двухминеральной породы, |
можно |
непосредственно |
|
вычислить |
относительное объемное содержание |
того или иного |
|
минерала |
в породе. |
|
|
В случае трехкомпонентной горной породы необходимо вместо одного параметра, определенного экспериментально для данной породы, иметь два: например, дополнительно к плотности р — удельную теплоемкость породы с, которая также зависит только
от |
состава. |
так как |
|
|
||
|
Действительно, |
|
|
|||
|
Pep — Pi^i + Рг^ 2 |
+ Рз (1 ~ |
— V2) |
(10.36) |
||
и |
|
|
|
|
|
(10.37) |
|
Сср ~ |
С2 ^ 2 |
С3 (1 |
V l |
— ^ 2 ) ’ |
|
то |
после преобразований |
получим |
|
|||
|
у __ |
(рср —Рз) (с2 —сз) — (Сср — сз) (р2 — Рз) |
(10.38) |
|||
|
1 |
(Pi —Рз) ( с 2 |
—сз) — ( С1 — сз) (92 —Рз) |
|||
|
|
|||||
|
Так |
как на величину |
определяемых характеристик |
влияет |
не только состав пород, но и другие факторы (строение, темпе ратура и т. д.), одиночные измерения часто не дают нужной
точности. Для |
повышения точности измерений используют один |
из следующих |
приемов: |
1)обеспечивают постоянство второстепенных факторов во всех измерениях;
2)выбирают такие параметры измерительного поля (например, частоту), при которых влияние второстепенных факторов мини
мально; 3) осуществляют перекрестное определение содержания по
лезного компонента.
В последнем случае используют не одну, а несколько зависи мостей физического параметра от состава породы.
Например, для двухкомпонентной горной породы вдоль слоистости:
p = Plv i + P2 (1 - V i h |
|
Cv = C y Vl + cv J \ - V \ ) . |
(10.39)' |
(1—Fi').
Рассчитанные по этим уравнениям F', F" и F'"отличаются друг от друга из-за влияния на р, cv и X побочных факторов. Однако это влияние для раз
ных свойств различно. Поэтому среднее значение Vt будет более близко к истинному:
F 1==4-{v'l+vl +v'i)- |
(10.40) |
Связь между свойствами минералов, |
средним значением физи |
ческого параметра и объемным содержанием компонента, име ющего меньшее значение параметра, для физических характери стик может быть представлена соответствующими номограммами (см.*рис. 1.11 и 1.13).
На практике для разработки физических методов определения состава пород используют практически все известные физические характеристики пород.
Распространены емкостные, электрические, магнитные, плот ностные, термографические и другие методы определения состава полезных ископаемых.
Е м к о с т н ы е ( д и э л е к т р и ч е с к и е ) методы осно ваны на зависимости гг и tg б пород от их минерального состава.
Определение гг и tg б или параметров, пропорциональных им, осуществляют различными приемами:
а) измерением поглощения электромагнитных волн в пред варительно высушенной пробе и определением содержания ком понента по тарировочному графику зависимости коэффициента
поглощения |
от содержания компонента (или непосредственно |
||
по прибору, |
проградуированному |
заранёе); |
|
б) сравнением показаний двух генераторов, один из которых |
|||
подключен к |
эталонному образцу. |
( к о н д у к т о м е т р и ч е |
|
В |
э л е к т р и ч е с к и х |
||
с к и х ) |
методах используют зависимость удельного электриче |
ского сопротивления пород от содержания в них хорошо прово дящего компонента. Так как электропроводность пород особенно сильно зависит от их строения и влажности, с целью получения' достоверных результатов пробы должны быть измельчены и вы сушены.
М а г н и т н ы е м е т о д ы основаны на зависимости маг нитной проницаемости породы от содержания в ней ферромаг нитных минералов. Эти методы могут быть использованы для контроля качества измельченной магнетитовой руды на конвейер ной ленте и в пульпопроводах.
Изменение реактивного АХ и активного AR сопротивлений вычисляют
по формулам: |
|
|
для |
проходной катушки индуктивности: |
|
АХ = |
-у- (/?гк)2 соро (р — 1); |
(10.41) |
А / г ^ ^ - ( Лгк2рорсо)2 (Тэ; |
(Ю.42) |
|
|
(10.43) |
|
|
(10.44) |
где |
/, |
п и гк — длила, число витков и радиус катушки; со — частота тока; |
ц и |
р0 — магнитная проницаемость вещества и магнитная постоянная ва |
|
куума; V — объем исследуемой пробы; х', х" — действительная и мпимая |
||
части |
объемной магнитной восприимчивости. |
При сравнительных измерениях одним датчиком измеряют магнитную восприимчивость Дхэ эталона, другим — Дхм пробы. Объемное содержание полезного компонента в пробе вычисляют по формуле
(10.45)
где V 3 — объемное содержание полезного компонента в эталоне. Предварительный обжиг некоторых руд приводит к появле нию ферромагнитных компонентов. В таком случае магнитные методы определения содержания полезного компонента можно
применять |
и для руд, не |
имеющих минералов-ферромагнети |
|
ков в исходном составе. |
|
800—900° С при |
|
Так, обжиг халькопирита при температуре |
|||
водит к образованию магнетита согласно реакции |
|||
CuFeS2 + |
0 2 — Fe30 4 -|- CuO -f S02. |
(10.46) |
|
Содержание в руде магнетита полностью соответствует содер |
|||
жанию в ней халькопирита. |
Таким образом, |
магнитный метод |
с предварительным обжигом пробы позволяет определить содер жание меди в сульфидной руде. А так как существуют корреля ционные связи между содержанием в полиметаллической руде
меди |
и |
цинка, этот метод в конечном счете может |
дать |
полные сведения о содержании всех полезных компонентов |
в руде |
||
данного |
месторождения. |
|
|
В |
п л о т н о с т н ы х м е т о д а х использует различие |
минералов по плотности. Так, если анализируемую руду можно представить как двухкомпонентную, причем компоненты суще ственно различаются по своим объемным массам рх и р 2, то можно использовать метод определения объемной массы смеси рср, по которому можно вычислить содержание полезного компонента
V :
V |
Р с р - Р 2 „ |
(10.47) |
|
Р1-Р2 |
’ |
Подобный метод контроля степени разубоживания руды на шел применение, например, па Иртышском полиметаллическом
руднике, |
где средняя объемпая масса пород рп составляет 2,7 X |
|||
X Ю3 кг/м3, |
а |
руд — рр = 3,6-103 кг/м3. |
||
Объемное разубоживание руды R o6 (в |
%) определяют по фор |
|||
муле |
|
М\jkp |
|
|
|
|
|
||
К б |
Рр~ |
vf |
3 100, |
(10.48) |
|
Рр |
Pll |
|
|
где M n — масса |
руды в вагоне; к? и |
к3 — коэффициенты раз |
рыхления руды в вагоне и заполнения вагона (значения их опре деляют как средние по шахте); Vn — объем вагона.
Значения рр и рп регулярно- .уточняют для конкретных уча стков; по отношению к которым определяется i?o6.
Опыт применения такого метода в течение нескольких лет показал, что по сравнению с химическим анализом проб ошибки определения содержания меди в руде не превышают 5%, содер жания свинца и цинка — 8%.
Плотностной метод может быть использован и для оценки массового содержания Ум анализируемого минерала (например, магнетита) в пульпе:
(10.49)
где рм и рп — плотности соответственно магнетита и пульпы.
Т е р м о г р а ф и ч е с к и й м е т о д основан на аномаль ных изменениях температуры нагреваемых минералов. Характер изменения температуры большинства минералов при их нагреве — нелинейный, имеет ряд областей резкого повышения или пони жения температуры минералов. Эти эффекты связаны с фазо выми превращениями минералов, при которых происходит либо поглощение, либо выделение тепла. Температурные аномалии для каждого минерала строго определенны и постоянны (рис. 10.20). Лишь незначительное число минералов не имеет аномальных изменений температуры (термоинертные), например полевые шпа ты, измененный нефелин и др. Поэтому по характерным анома лиям на термограммах можно судить о наличии тех или иных минералов в породе.
Контроль зольности каменных углей. В угледобывающей про мышленности необходима оценка качества добываемого камен
ного |
угля. |
Основной показатель качества угля — это его |
золь |
|||
ность |
А с. |
метод |
контроля |
зольности — это сжигание в |
стан |
|
Обычный |
||||||
дартных условиях |
(при температуре |
печи 815° С) навески |
угля |
|||
и взвешивание минерального |
остатка. |
Процесс этот длится |
3 ч. |
В то же время исследованиями установлено, что от зольности углей зависят практически все их физические свойства.
Так, известно, что с увеличением зольности углей возрастает скорость распространения в них ультразвука; с увеличением
степени метаморфизации углей повышается их диэлектрическая проницаемость; определенным образом меняется их отражатель ная способность (рис. 10.21).
Для некоторых угольных бассейнов (например, Подмосковного) вычислены корреляционные зависимости, по которым можно судить о зольности углей по величине их объемной массы (рис. 10.22).
4 Г,°С
Рис. 10.20. Термограммы некоторых минсралои:
1 — галит; 2 — сильвинит; 3 — |
кварц; 4 — гематит; 5 — магнетит; |
6 — сидерит; 7 — |
|
|
|
ортоклаз |
|
Рис. 10.21. Зависимость |
коэффициента отражения R { a ) и коэффициента преломления |
||
света п |
(б) от |
содержания углерода в каменном |
угле |
Рис. 10.22. Зависимость объемной массы углей Подмосковного угольного бассейна от их зольности Ас
Рис. 10.23. Зависимость радиоактивности I углей от их зольности
Существует |
связь между |
зольностью углей и содержанием |
в них тория (в |
%), которая |
может быть представлена так: |
' Th = (0,134е |
+ 6,GG) Ю"4. |
(10.50) |
Поэтому общая интенсивность I естественного гамма-излуче ния (в имп./мин) зависит от зольности углей и описывается следу ющим уравнением (рис. 10.23):
/ = 11,424е — 39,4. |
(10.51) |
В конструкциях датчиков зольности углей используют наи более четкие для конкретного месторождения зависимости свойств от зольности.
10.7. Контроль влажности
Оценка влажности пород в настоящее время наиболее часто осуществляется прямым методом — сушкой породы и последу ющим взвешиванием ее с целью установления массы содержав шейся в породе воды.
Основной недостаток этого метода — большие затраты времени и невозможность включения его в технологическую схему пред приятия. В связи с этим более перспективны физические методы оценки влажности, основанные на известных зависимостях свойств пород от влажности.
Весовой метод основан на законе Архимеда. Если породу взвесить в воздухе G, а затем взвесить ее в воде Gl7 то при постоян ном удельном весе породы у0 можно определить влажность ю:
« b - [ v" - ^ e r ] - |
<10-52> |
Тепловой метод. Нагрев влажной пробы сопровождается паро образованием. Давление пара возрастает и стабилизируется через 1 мин после начала сушки. Величина этого давления яв ляется функцией влажности породы.
К этому методу близок термоакустический метод контроля влажности, при котором фиксируют не давление пара, а степень изменения частоты собственных колебаний / 0 некоторой гидро фильной мембраны, расположенной в области действия паров. Частота / 0 зависит от влажности пород.
Метод теплопроводности основан на зависимости величины коэффициента теплопроводности от влажности' пород.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Если в магнит ное поле мощного постоянного магнита внести воду и одновре менно воздействовать на нее высокочастотным магнитным полем, то протоны воды придут в колебательное движение.
При определенной частоте переменного поля протоны пере ходят в состояние резонанса. Этому моменту соответствует наи большее поглощение водой энергии магнитного поля. Если в поле магнита внести влажную породу и достичь состояния магнитного резонанса, то величина этого резонанса будет прямо пропорцио нальна числу протонов воды, т. е. влажности образца.
Нейтронный метод основан на явлении поглощения потока
нейтронов атомами водорода (см. раздел 10.3). |
|
служит |
|||
Для случая, когда источником быстрых нейтронов |
|||||
полоний-бериллиевый генератор |
интенсивностью |
около |
2,5 X |
||
X 10е |
нейтрон, |
установлена |
следующая зависимость |
между |
|
интенсивностью медленных нейтронов I (скоростью счета) и влаж |
|||||
ностью |
w (в %): |
|
|
|
|
I = |
1225 + 4w + |
1219w2- 1,53н;3 + 0,1иЛ |
|
(10.53) |
|
Емкостные методы основаны на зависимости е, |
и tg6 |
горных |
пород от их влажности. В этих методах в качестве датчика при меняют плоский или цилиндрический конденсатор. Непосред ственное соприкосновение датчика с породой пе обязательно.
Разработано много диэлектрических влагомеров, приспособ ленных для решения различных технологических задач, в част ности для контроля качества увлажнения угольного пласта.
При этом необходимо учитывать, что диэлектрические свойства каменных
углей зависят как от влажности w, так и от зольности Лс. Установлено, что для углей и углистых сланцев Донбасса существует следующая корреляцион ная зависимость ег от влажности, зольности и частоты электрического поля /:
г г = ec(l + 0.01Л +0,03Лси»е"01"5ЛСи>/), |
(10.54) |
где ес ^ 4 — диэлектрическая проницаемость сухих углей при |
зольности |
2 -3 % . |
|
Так как при контроле влажности в качестве основной вы ступает зависимость свойств пород от содержания в них воды, зависимость этих свойств от минерального состава становится помехой и должна быть максимально уменьшена или исключена. При этом можно использовать различное влияние влажности на диэлектрическую проницаемость пород, Определенную при вы соких и низких частотах электромагнитного поля. (см. раздел 6.1).
Определяется, например, диэлектрическая проницаемость по роды при высокой частоте, что соответствует значению ег1 данной практически сухой горной породы. Затем определяется диэлектри ческая проницаемость ег2 при низкой частоте электрического поля.
Отношение ел2/ег1 определенным образом связано с влажностью породы.