Лекция 7

.Методы определения плотности горных пород

Плотностью (объемным весом) принято называть вес единицы объема горной породы естественного сложения и влажности в г/см³. Численно она равна отношению массы породы к ее объему. Плотность определяется следующими методами:

а) непосредственным измерением образцов правильной формы;

б) гидростатическим взвешиванием с предварительным парафинированием;

в) насыщением образцов водой;

г) с применением объемомера;

д) денситометрическим (ускоренный метод);

е) расчетным методом;

а) Метод непосредственных измерений

Данный метод применяется в тех случаях, когда имеется возможность изготовить образцы правильной геометрической формы.

Для определения необходимо иметь: весы лабораторные, шкаф сушильный, металлическую линейку или штангенциркуль.

Из монолита горной породы или керна вырезают образец правильной формы в виде куба, прямоугольного параллелепипеда или цилиндра.

Объем образцов определяется по их геометрическим размерам, измеренным линейкой или штангенциркулем с погрешностью не более 0.1 мм при размере стороны до 20 см и с погрешностью не более 1 мм при размере стороны свыше 20 см.

Каждый линейный размер образцов вычисляют как среднее арифметическое трех измерений двух параллельных друг другу ребер и средней между ними линии. Размер диаметра образца цилиндрической формы вычисляют как среднее арифметическое четырех измерений двух взаимно перпендикулярных диаметров на каждой параллельной плоскости цилиндра. Высоту образца цилиндрической формы вычисляют как среднее арифметическое четырех измерений - по два измерения на взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающих цилиндр по его вертикальной оси.

Образцы очищают от пыли и высушивают до постоянной массы. Плотность (r) в г/см³ отдельного образца вычисляют по формуле:

r = m/v;

где m - масса образца, высушенного до постоянной массы, г;

V - объем образца, см³;

Для каждой пробы горной породы следует призводить два параллельных определения плотности, а затем вычислять среднее значение с точностью до 0.01 г/см³. Расхождение в результатах параллельных определений не должно превышать 0.03 г/см³.

б) Метод гидростатического взвешивания

Этот метод является наиболее точным, он применяется для определения плотности образцов произвольной и неправильной формы.

Для определения необходимо иметь: весы лабораторные, шкаф сушильный, сосуд стеклянный, подставку, чашку, нож, иглу, нитки, бумагу фильтрованную, парафин.

Из монолита или керна отбираются два образца объемом не менее 30 см³, им придается овальная форма путем сглаживания острых углов на абразивном круге.

Высушенные до постоянной массы и взвешенные образцы погружают в расплавленный парафин при температуре 57-60^о, чтобы покрыть их тонким слоем парафина. Пузырьки воздуха на парафиновой оболочке прокалывают нагретой иглой и заглаживают. Запарафинированные образцы взвешивают на обычных лабораторных, а затем на гидростатических весах.

Плотность (r) в г/см³ отдельного образца вычисляют по формуле:

r = m / m_n - m_n¹ -(m_o - m) / r_n,

где m - масса образца, высушенного до постоянной массы, г;

m_n- масса образца, покрытого парафином, г;

m_n¹-масса образца, покрытого парафином в воде, г;

r_n- плотность парафина, равная 0.93 г/см³.

Общую плотность породы вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний 2-х образцов. Расхождение в параллельных определениях допускается до 0.03 г/см³. Для очень плотных скальных и некоторых полускальных горных пород, пористость которых составляет доли процента или 1-2%, плотность можно определять без парафинирования по формуле: r = m / v, г/см³

в) Метод насыщения образцов водой

Образцы из плотных пород вместо покрытия пленкой парафина могут быть насыщены водой.

Насыщение образцов водой производят путем кипячения их в воде в течение 2 часов и охлаждения в той же воде до комнатной температуры или путем погружения образцов в воду и выдерживания в ней в течение 24 часов при комнатной температуре.

Образец, насыщенный водой, обтирают и взвешивают с начала на обычных лабораторных весах, а затем на гидростатических.

Плотность в г/см³ отдельного образца вычисляют по формуле:

r = m/m_h-m_h¹

где m - масса образца, высушенного до постоянной массы, г;

m_h - масса образца, насыщенного водой, г;

m_h¹ - масса образца, насыщенного водой, в воде, г;

Плотность вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний 3-х образцов.

Г) Испытания с применением объемомера

Объемомер, представляющий собой металлический цилиндрический сосуд с впаянной медной или латунной трубкой внутренним диаметром 8-10 мм с загнутым вниз концом, наполняют водой комнатной температуры. Когда уровень воды достигает высоты 250 мм и прекратится падение капель, под трубку ставят предварительно взвешенный стакан. Затем образец, покрытый парафиновой пленкой или насыщенный водой, осторожно погружают на тонкой проволоке в цилиндр, при этом вода, вытесненная образцом, будет стекать по трубке в стакан. После прекращения падения капель стакан вновь взвешивают и определяют массу воды, вытесненную образцом. Масса вытесненной воды в граммах соответствует объему образца в см³.

Плотность отдельного образца, покрытого пленкой парафина, вычисляют по формуле:

r = m / m_b - (m_n - m) / r_n;

где m -масса образца, высушенного до постоянной массы, г;

m_n -масса образца, покрытого парафином, г;

m_b -масса воды, вытесненной образцом, г;

r_n -плотность парафина, равная 0.93 г/см³.

Плотность отдельного образца, насыщенного водой, вычисляют по формуле: r = m/m_в, где m -масса образца, высушенного до постоянной массы, г; m_в -масса воды, вытесненная образцом.

Плотность вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний трех образцов.

Д) Денситометрический (ускоренный) метод

Для плотных скальных и полускальных горных пород, пористость которых менее 2%, плотность можно определять без парафинирования с помощью специального прибора - денситометра марки ПВГП.

Основной частью этого прибора является коромысло, которое вращается на оси в шариковых подшипниках. К правому плечу коромысла при помощи подвеса подвешивают образец. К левому плечу подвешивают чашку с уравновешивающим грузом. На коромысле жестко укреплен указатель шкалы плотности (объемной массы) прибора. Плотность на этом приборе определяется с точностью до 0.01 г/см³. На площадке штатива крепится подъемный механизм с сосудом для воды. При подготовке прибора к работе необходимо проверить балансировку коромысла.

Образец горной породы подвешивают на нитке к подвесу правого плеча коромысла. На чашку левого плеча коромысла кладут дробь, чтобы указатель установился на индексе “LL” шкалы плотности. Термометром определяют температуру воды в стакане. Образец погружают в стакан с водой и по шкале читают значение плотности горной породы с точностью до 0.01 г/см³.

Окончательный результат определяют по формуле:

r_о = r₁ · r₂, где

r₁ - плотность образца, определенная по шкале прибора, г/см³;

r₂ - плотность воды при различных температурах (по табличным данным), г/см³.

Для каждой пробы породы следует производить два параллельных определения плотности.