
- •(Мгри-рггру)
- •Предисловие.
- •Введение. Статистическая обработка экспериментальных данных.
- •2. Среднее квадратичное отклонение есть корень квадратный из среднего квадрата отклонения единичных значений от арифметического среднего:
- •Раздел I. Физико-технические и упругие свойства горных пород.
- •1.1. Определение объемной плотности пород методом гидростатического взвешивания.
- •1.2. Определение плотности минерального скелета пикнометрическим способом
- •1.3. Определение пористости, влажности, влагоемкости и водопроницаемости горных пород
- •1.4. Определение насыпной плотности, гранулометрического состава и угла естественного откоса горных пород.
- •1.5. Определение статического модуля упругости и коэффициента Пуассона.
- •Порядок оформления работы. Результаты работы представляются в виде описания эксперимента и таблицы замеров по приведенной ниже форме 4.
- •1.6. Определение скорости продольных волн и динамического модуля упругости.
- •Раздел II. Прочностные свойства горных пород
- •2.1. Определение предела прочности горных пород на сжатие
- •2.2. Определение прочностных характеристик горных пород испытанием образцов произвольной формы
- •2.3. Определение предела прочности горных пород на растяжение.
- •Форма 8
- •2.4. Определение угла внутреннего трения и прочности породы на сдвиг при наличии сжимающей нагрузки
- •Форма 9
- •2.5. Построение участка паспорта прочности горных пород
- •Форма 10
- •2.6. Определение прочностных характеристик методом толчения
- •Форма11
- •Раздел III. Горнотехнические характеристики пород
- •3.1. Определение абразивности и буримости горных пород
- •Форма 12
- •3.2. Определение дробимости и взрываемости горных пород
- •Показатели разрушаемости горных пород
- •Показатели дробимости горных пород
- •Форма 13
- •3.3. Определение твердости и коэффициента пластичности горных пород.
- •Техническая характеристика установки умгп-3;
- •Классификация горных пород по твердости.
- •Форма 14.
- •Классификация горных пород по пластичности.
- •Твердость и коэффициенты пластичности горных пород (по л.А. Шрейнеру).
- •Рекомендуемая литература.
- •Приложения.
- •Плотность, объемная плотность и пористость горных пород.
- •Упругие свойства некоторых горных пород.
- •Коэффициент Пуассона для некоторых горных пород.
- •Скорость распространения упругих волн и акустическая жесткость некоторых пород (по Ханукаеву а.Н.).
- •Модуль упругости (е) для некоторых горных пород.
- •Прочностные свойства некоторых горных пород.
- •Предел прочности некоторых горных пород на одноосное сжатие сж .
- •Классификация г.П. По крепости, со значениями категорий по буримости1 и коэффициентов разрыхления.
- •Классификация горных пород по абразивности.
- •Контактная прочность горных пород (по л.А.Барону и л.Б. Глатману).
- •Шкала твердости Мооса.
- •Классификация горных пород по крепости (f), твердости по штампу (pш) и буримости (кб).*
- •* Для буровых работ. Содержание
- •Раздел I. Физико-технические и упругие свойства горных пород. 6
- •Раздел II. Прочностные свойства горных пород 18
- •Раздел III. Горнотехнические характеристики пород 30
1.3. Определение пористости, влажности, влагоемкости и водопроницаемости горных пород
Пористостью называют совокупность всех пустот в горных породах. Величина пористости оценивается показателем общей пористости - это отношение объема всех пор к общему, выраженное в долях единицы или в процентах:
где, Vпор. - объем пор; Vск - объем минерального скелета.
По размерам поры подразделяются на субкапиллярные (размер пустот менее 0,2 мкм), капиллярные (0,2-100 мкм) и сверхкапиллярные (более 100 мкм).
Значения пористости горных пород приведены в таблице 1 приложения.
Оборудование и материалы. Технические весы, образцы. В качестве жидкости хорошо заполняющей поры, применяют толуол или керосин.
Порядок проведения эксперимента.
1. Высушенные образцы взвешивают с точностью до 0,01г и погружают на 0,5 часа в стакан с толуолом или керосином.
2. Производят гидростатическое взвешивание образцов в жидкости.
3. Взвешивают насыщенный жидкостью образец в воздухе.
4. Вычисляют открытую пористость по формуле:
где, m1 – масса насыщенного жидкостью образца при взвешивании в воздухе, г; m2 – масса сухого образца, г; m3 – масса насыщенного образца при взвешивании в жидкости, г.
5. По известным значениям объёмной плотности и плотности минерального скелета вычисляют общую пористость образцов по формуле:
6. Находят закрытую пористость
образцов по формуле:
.
Данные измерений и вычислений заносят в таблицу (форма 3).
Форма 3
Исследуемая порода |
№/№ образца |
m1, г |
m2, г |
m3, г |
Pотк % |
rо г/см3 |
г/см3 |
Pобщ % |
Pзак % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Влажностью горных пород называется содержание в них воды, определяемое по уменьшению веса образца при высушивании в стандартных условиях.
Влажность W выражается процентным отношением массы воды, содержащейся в образце, к массе образца после его высушивания. Для определения влажности берется образец горной породы, помещается в стеклянный сосуд, закрывающийся притертой пробкой. Сосуд с образцом взвешивается, после чего крышка с сосуда снимается, и он помещается в сушильный шкаф, в котором поддерживается температура 105 – 110°С. Образец высушивается до постоянной массы (расхождение между двумя последующими взвешиваниями не превышает трехкратной ошибки взвешивания).
Образец, доведенный до постоянной массы, охлаждается до комнатной температуры в эксикаторе, на дне которого насыпан хлористый кальций - вещество, интенсивно поглощающее воду. После того как температура снизится до комнатной, сосуд закрывается крышкой и взвешивается. Образцы плотных горных пород можно высушивать, не пользуясь при этом специальным сосудом.
Влажность вычисляется по формуле: W = [(m1 - m2 ) / m2 ] •100 , где m1 - масса образца до сушки; m2 - масса образца после сушки.
Для характеристики влажности мерзлых горных пород применяется суммарная (естественная) влажность W и общая влажность Wоб. Суммарная влажность определяется как отношение массы всех категорий воды (воды и льда) к массе сухой породы в процентах или долях единицы, а общая влажность - отношение в долях единицы или в процентах массы всех категорий воды (воды и льда) к массе всей породы (масса скелета с водой и льдом). Общая и суммарная влажность взаимосвязаны между собой зависимостью: Wоб = W / (1+W).
На практике гораздо чаще применяется суммарная влажность. Влажность мерзлых пород в лабораторных условиях определяется так же, как и для немерзлых твердых пород.
Содержание льда в мерзлых горных породах характеризуется льдистостью. Суммарная весовая льдистость Лв – отношение в долях единицы или в процентах массы льда к массе сухой породы.
Суммарная относительная льдистость Ло - отношение массы льда к массе всей воды (вода и лед), содержащейся в породе: Ло = mл / (mв+mл ) = Лв / W, где mл ‑ масса льда в породе; mв - масса воды в породе.
То есть суммарная относительная льдистость - это отношение весовой льдистости к весовой влажности. Если известна суммарная влажность мерзлой породы и влажность за счет незамерзшей воды, то весовая льдистость: Лв = W - Wн.. Значит суммарная относительная льдистость: Ло = (W – Wн ) / W.
Суммарная объемная льдистость - отношение в процентах или долях единицы объема льда, содержащегося в породе, к объему мерзлой породы.
Льдистость, как и влажность, является очень важной характеристикой физического состояния и свойств мерзлых пород. Наиболее совершенным методом определения количества льда (а значит и расчета льдистости) и незамерзшей воды в мерзлой породе является калориметрический метод. Он основан на учете поглощения тепла при оттаивании льда в образцах мерзлой породы. Метод обеспечивает достаточно высокую точность, но является довольно сложным и трудоемким. Поэтому калориметрический метод используется в условиях стационарных мерзлотных лабораторий.
Влагоемкость породы характеризует ее способность насыщаться водой. Насыщение может быть свободным, когда заполнение пор водой происходит при атмосферном давлении, и принудительным, когда для удаления газов образец находится в вакууме 4-6 ч, а затем насыщается водой под давлением 15 МПа (150 атм.) в течение суток. Количественно свободное водопоглощение характеризуется отношением массы воды, поглощенной образцом за определенное время к массе высушенного образца.
Максимальное количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое способна вместить порода, характеризует ее полную влагоемкость.
Различают весовую полную влагоемкость: Wп = [(m п- mс) / mс] · 100 и объемную полную влагоемкость: Wп = (Vж / Vп ) · 100, где mп - масса породы, максимально насыщенной водой; mс - масса высушенной породы; Vп - объем породы; Vж - объем жидкости, заполняющей породу (Vж mп - mс).
Величина объемной полной влагоемкости примерно равна пористости породы. Если поры в породе не имеют свободного сообщения друг с другом (закрытые поры), то в них может остаться некоторое количество защемленных газов даже при полном насыщении водой. В этом случае полная объемная влагоемкость меньше пористости.
Влагоемкость породы определяется следующим образом. Образец горной породы высушивается в сушильном шкафу до постоянной массы. Затем в автоклаве, под давлением, образец насыщается водой (до полного влагонасыщения), и опять взвешивается.
Результат рассчитывается по формуле: Wп = [(m2 - m1 ) / m1] · 100 где m1 - масса высушенного образца; m2 - масса образца, насыщенного водой.
Для характеристики породы в естественном состоянии пользуются коэффициентом водонасыщения, указывающим на степень насыщения породы водой. Коэффициент водонасыщения определяют по формуле: Kв = W / Wп , где W – естественная весовая влажность; Wп – весовая полная влагоемкость породы.
Водопроницаемостью горных пород называется их способность пропускать воду. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом проницаемости (Kпр.), определяемым из уравнения Дарси: Kпр = Q l0 (S ∆p), где Q / S = Vф - скорость фильтрации; ∆p - перепад давлений на пути l0 – фильтрации жидкости; - вязкость жидкости; Q - расход воды через сечение S в единицу времени.
Динамическая вязкость характеризует свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление взаимному движению их частиц. Единица динамической вязкости Па·с - динамическая вязкость среды, при ламинарном течении которой в слоях, находящихся на расстоянии в 1м, в направлении, перпендикулярном к течению, под действием давления сдвига 1 Па возникает разность скоростей течения 1 м/с.
В практических расчетах в горном деле обычно используется коэффициент фильтрации: Kф = Kпр ∆p / l0 .
В зависимости от величины коэффициента фильтрации породы делятся на следующие группы:
водоупорные - Кф < 0,1 м/сутки;
слабопроницаемые - 0,1 ≤ Кф ≤ 10 м/сутки;
cреднепроницаемые - 10 ≤ Кф ≤500 м/cутки;
легкопроницаемые - Кф > 1000 м/сутки.
Водопроницаемость зависит в основном от размеров пор, их общего количества в породе и конфигурации. В общем случае водопроницаемость возрастает при увеличении пористости, особенно открытой. Существенное влияние на водопроницаемость оказывает средний диаметр пор и извилистость поровых каналов, под которой понимают отношение длины порового канала к длине образца.
Сверхкапиллярные поры (более 100 мкм) пропускают жидкости под действием силы тяжести или напора по законам гидродинамики. В капиллярных же порах (0,2 - 100 мкм) жидкости движутся под действием сил капиллярного натяжения. Под действием напора жидкость в капиллярных каналах движется лишь в том случае, если напор превысит силы молекулярного притяжения.
Субкапиллярные поры (менее 0,2мкм) практически не пропускают воду. Именно поэтому глины, пористость которых достигает 50, являются хорошим водоупором. Практически вся вода в глинах находится в связанном состоянии и препятствует перемещению гравитационной воды. Поэтому с увеличением содержания глинистых фракций в породах их водопроницаемость уменьшается.
Породы высших категорий трещиноватости характеризуются высокой водопроницаемостью.