2007

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра разработки рудных месторождений

ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД

Лабораторный практикум для студентов, обучающихся

по специальностям130408 Взрывное дело, 130404 Подземная разработка месторождений полезных

ископаемых

Новокузнецк 2012

УДК 622.02 Ф 50

Рецензент доцент кафедры открытых горных работ СибГИУ,

канд. техн. наук А.А. Стафеев

Ф 50 Физика горных пород: лаб. практикум / Сиб. гос. индустр. ун-т.; сост.: О.В. Залесская. − Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ. 2012. – 97 с.

Представлен комплекс лабораторных работ по определению физических показателей горных пород, обеспечивающий ознакомление студентов с основными физико-техническими свойствами горных пород для изучения физических процессов в горных породах, закономерностей изменения свойств горных пород и принципов их использования при решении задач горного производства.

Предназначены для студентов, обучающихся по специальностям 130404 Подземная разработка месторождений полезных ископаемых, 130408 Взрывное дело.

2

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ……………………………………………………………4

1Строение, состав минералов в горных породах. Состояние горных пород (массив, разрыхленные горне

породы, образцы) ……………………………………………………5

2Физико-технические свойства горных пород.

Классификация по техническим свойствам………………………....7

3Плотностные свойства горных пород. Определение объемной массы горных пород методом гидростатического

взвешивания …………………………………………………….. 24

4Определение плотности горных пород пикнометрическим способом……………………………………………………………...28

5Определение влажности горных пород ……………………………30

6Сопротивление горных пород разрушению при одноосном сжатии …………………………………………………...33

7Определение коэффициента крепости горных пород методом толчения ...........................................................................................37

8Исследование зависимости электрического сопротивления горных пород от температуры …………………..41

9Исследование скорости распространения продольных ультразвуковых волн в образцах горной породы ……………….47

10Исследование магнитных свойств горных пород ……………….52

11Влияние влажности на крепость горных пород …………...........57

12Влияние температуры на прочностные свойства горных пород .63

13Построение паспорта прочности горных пород по их физико-техническим параметрам……………………………......68

14Анализ физико-технических параметров горных пород в массиве ……………………………………………………………74

15Испытание разрыхленной горной массы на сдвиг.

Определение коэффициентов внутреннего трения и сцепления.. 79

16Определение угла естественного откоса разрыхленной горной массы …………………………………………….................83

17Свойства горных пород – как источник информации о

состоянии массива горных пород …………………………………85

Правила техники безопасности при проведении лабораторных работ …………………….....................................................................95

Библиографический список…………………………………… 97

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Законы механического поведения горных массивов под действием статических и динамических нагрузок определяются фи- зико-механическими свойствами массивов горных пород, их напряженным состоянием.

Предлагаемый комплекс лабораторных работ направлен на овладение методов определения показателей физико-технических свойств горных пород, на приобретение навыков по прогнозу и практическому применению данных о свойствах при горнотехнологических расчетах.

4

1 СТРОЕНИЕ, СОСТАВ МИНЕРАЛОВ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ. СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД (МАССИВ, РАЗРЫХЛЕННЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, ОБРАЗЦЫ)

Горные породы представляют собой минеральные агрегаты, состоящие чаще всего из нескольких минералов (полимерные) и реже из одного (мономинеральные), например, соли. Несмотря на огромное многообразие природных минералов, в формировании механических свойств горных пород существенную роль играют наиболее распространенные в земной коре так называемые породообразующие минералы, которых насчитывается немного более двадцати.

Если расположить их в порядке убывания прочности и увеличения деформируемости, можно выделить четыре группы породообразующих минералов: кварцевые, силикатные, карбонатные и глинистые. Соответственно, горные породы, составленные из этих минералов, будут обладать различными механическими свойствами. Наибольшей прочностью и наименьшей деформируемостью будут обладать горные породы, составленные из кварцевых минералов, например, кварциты, кремнистые песчаники.

Помимо минерального состава, механические свойства горных пород существенно зависят от их строения, важнейшими признаками которого являются структура и текстура горных пород. По степени кристаллизации пород можно выделить структуры: полнокристаллические, неполнокристаллические, стекловатые, порфировые, обломочные. Прочность пород обычно уменьшается с увеличением степени кристаллизации. По размерам минеральных зерен выделяются структуры от гиганто-зернистых с размерами зерен свыше 100 мм, например, слюдяные негматиты, до мелкозернистых с размерами зерен до 1 мм, например, многие углевмещающие породы (песчаники, алевролиты, аргиллиты). Мелкозернистые структуры обладают более высокой прочностью и меньшей деформируемостью. Существенную роль при формировании механических свойств пород играет характер структурных связей между минеральными составляющими и, в первую очередь, состав цементирующего вещества, который целесооб-

5

разно привести в порядке убывания его прочностных свойств: кремнистый, железистый, известковистый, глинистый и т.д.

Под структурой понимается взаимное расположение струк- турно-однотипных частей породы. Текстура породы может быть упорядоченной и неупорядоченной. Упорядоченная текстура формирует анизотропию механических свойств пород, т.е. различие их показателей в зависимости от направления силового воздействия. Напротив, породы неупорядоченной текстуры можно рассматривать как квазитропные или почти изотропные, т.е. с показателями механических свойств, не зависящими от направления силового поля.

Определение прочностных свойств пород, как правило, производится нa образцах правильной геометрической формы: цилиндрах с диаметром, равным высоте, или кубиках с размером грани 50 мм.

Изготовление таких образцов производится на специальных нарезных и буровых станках. Образцы кубической формы изготавливаются на машинах, где в качество режущего инструмента используются стальные или алмазных дисках.

Изготовление образцов горной породы для лабораторных исследований проводится на камнерезном станке РК 30 М (рису-

нок 1.1).

1.1 Установка оборудования

Станок отрегулирован на заводе-изготовителе. Необходимо проверить соответствует ли указанное на станке напряжение напряжению сети. Вставить диск, соответствующий разрезаемому материалу. Алмазный диск охлаждается водой (охлаждающей жидкостью). Наполнить ванночку для охлаждения диска охлаждающей жидкостью до необходимого уровня. Запрещается работать без охлаждения алмазного диска жидкостью.

Внутренняя электропроводка смонтирована на раме станка. При отключении электроэнергии двигатель станка отключается. При подаче электроэнергии электродвигатель не будет работать. Для повторного включения нужно нажать на кнопку «Пуск».

На рабочем столе станка закрепляется направляющая планка. Алмазный диск защищен защитным кожухом.

6

Левая часть рабочего стола поднимается. На раме станка она фиксируется магнитными замками, которые позволяют производить замену диска и заполнять ванночку охлаждающей жидкостью.

Установка алмазного диска:

–поднять левую часть рабочего стола (прикреплена на магнитах);

–ключом на «30» открутить по часовой стрелке гайку с фланцем (вправо);

–снять прижимной диск;

–вставить диск. Обратить внимание на направление вращения диска. Направление, указанное стрелкой на диске должно совпадать с вращением шпинделя станка. Обратить внимание на то, чтобы прижимной фланец плотно прикасался к диску (не должно быть зазора) и место контакта было чистым;

–прикрутить гайкой прижимной фланец против часовой стрелки (влево);

–опустить левую часть стола.

Наполнение охлаждающей жидкости:

–заткнуть резиновой пробкой отверстие внизу емкости;

–налить три литра охлаждающей жидкости;

–при работе регулярно подливать воду в емкость;

–при работе удалять из емкости остатки материалов;

–следить за тем, чтобы охлаждающая жидкость (вода) была чистая;

–сильно загрязненную воду необходимо менять;

–после работы удалить воду и вымыть емкость.

1.2Эксплуатация:

–включить камнерезный станок и проверить правильность направления вращения алмазного диска и исправность системы охлаждения водой. Если диск вращается в другую сторону, проверить правильность подключения сети;

–выключить станок, положить на рабочий стол обрабатываемый материал и выровнять по упору;

7

–прижимая рукой материал и передвигая его, произвести

резку;

–правильно выбирать скорость резания. От этого зависит качество реза и срок службы оборудования. Скорость резания зависит от структуры материала, его размеров, качества используемого алмазного диска;

–при резке соблюдать меры безопасности, чтобы избежать травм и поломок оборудования;

–для изменения параметров резки, установленной на камнерезном станке, обязательно его выключить.

Рассмотренный способ приготовления образцов отличается высокой производительностью и не требует больших затрат времени.

Рисунок 1.1− Станок FUBAG PK 30 M с водяным охлаждением для резки камня

Контрольные вопросы

1.Что называется горной породой?

2.Какие существуют группы породообразующих мине-

ралов?

3.Какие можно выделить структуры горных пород?

4.Какие существуют виды текстур горных пород?

5.На каких образцах обычно производится определение прочностных свойств горных пород?

8

2 ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ

ПОРОД, КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ

2.1Классификации горных пород

Классификации горных пород по минеральному составу, структуре и текстуре являются классификациями геологическими, точнее петрографическими, и вместе с тем создают представление о влиянии минерального строения на механические свойства горных пород и основы для построения геомеханических классификаций.

Существенное влияние характера структурных связей между минеральными составляющими горных пород на их механические свойства послужило основой построения классификации горных пород, которая широко применяется в инженерной геологии и строительном деле и делит горные породы на 4 класса.

1.Твердые, в которых минеральные частицы жестко связаны между собой, обычно с помощью цементирующего вещества, что обеспечивает сохранение формы. Примерами таких пород являются граниты, базальты, песчаники, известняки, аргиллиты, алевролиты.

2.Связные, или пластичные, в которых минеральные частицы связаны водно-коллоидной связью, что изменяет степень их пластичности при насыщении водой. Примером могут служить глины, слабые глинистые сланцы, суглинки, бокситы.

3.Раздельно-зернистые, или сыпучие, в которых связи между минеральными частицами отсутствуют или ничтожно малы. Примерами таких пород являются пески, гравийно-галечные отложения, искусственные отвалы пород.

4.Текучие, в которых минеральные частицы разобщены водой и способны перемещаться с этой водой. Примерами текучих пород являются насыщенные водой пески, глины или суглинки.

Вгорном деле наибольшее распространение получила геомеханическая классификация горных пород по коэффициенту

крепости, предложенная в 1926 г. М.М.Протодьяконовым [1]. В первом приближении коэффициент крепости f =10−7 σ сж., где σ сж

–предел прочности горных пород на одноосное сжатие (Па). Все породы разделены на 10 категорий:

9

I и II категории – породы высшей крепости с f >15 (кварциты, базальты и др.);

III и IV категории – крепкие породы с f =8−15 (граниты, песчаники и др.);

V категория – породы средней крепости с f =3−8 (крепкие глинистые сланцы, некрепкие известняки и песчаники, конгломераты и др.);

VI и VII категории – мягкие породы с f =0,8−2 (мягкие сланцы и известняки, соли, угли, глина и др.);

VII – X категории – землистые, сыпучие и плавучие грунты с f =0,3−0,6.

2.2 Механические свойства горных пород

Механические свойства, характеризующие поведение пород при воздействии механических нагрузок, подразделяются на упругие, пластические, прочностные и реологические.

Упругие свойства определяют поведение пород только в пределах упругой зоны, т.е. при нагрузках, после снятия которых порода возвращается в исходное состояние. Упругие смещения, возникшие в породах под воздействием кратковременных импульсов, способны распространяться по объему пород. Волновой процесс распространения таких смещений (упругих колебаний) описывается акустическими свойствами пород.

Пластические свойства пород проявляются при нагрузках, превышающих предел упругости породы, после снятия которых порода уже не полностью восстанавливает исходную форму и размеры.

Прочностные свойства определяют величины разрушающих нагрузок в породах.

Реологические свойства оценивают изменения деформаций, напряжений и перечисленных выше механических параметров пород во времени – при длительных воздействиях нагрузок.

Масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) минерала или породы называется ее плотностью (ρо).

Минералы делятся на: тяжелые ρо >4·103 кг/м3; средние ρо=4−2,5·103 кг/м3; легкие ρо<2,5·103 кг/м3 , 13% всех минералов

– легкие; 33,8% − тяжелые; 53,2% − средние.

10