Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ __________________________________________________________ Кафедра «Горные работы» А.А. Головач, Г.А. Куптель, А.И. Яцковец ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД Лабораторный практикум для студентов специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» Минск 201 2 УДК 622.02 (076.5) (075.8) ББК 26.31 я 7 Ф 50 С о с т а в и т е л и: А.А. Головач, Г.А. Куптель, А.И. Яцковец Р е ц е н з е н т ы: Березовский Н.И., заведующий кафедрой «Горные машины» фа- культета горного дела и инженерной экологи Белорусского нацио- нального технического университета, доктор технических наук, профессор. Лис Л.С., ведущий научный сотрудник Государственного науч- ного учреждения «Институт природопользования» Национальной академии наук Беларуси, кандидат технических наук. Физика горных пород: лабораторный практикум для студентов специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» / сост.: А.А. Головач, Г.А. Куптель, А.И. Яцковец.- Минск: БНТУ, 201. Лабораторный практикум служит руководством по самостоя- тельному определению студентами основных физических свойств пород. Издание предназначено для студентов высших учебных за- ведений по специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых». ISBN 978-985-550-119-1 3 Введение Физика горных пород – наука, изучающая физические свойства пород с целью использования их для решения задач горного произ- водства. Горный инженер должен разбираться в физических свойствах и процессах, происходящих в горных породах, знать основные прин- ципы использования физических свойств пород в практике горного дела. При подготовке горных инженеров необходимо уделять внима- ние не только изучению теоретического курса, но и выполнению лабораторных работ. Выполняя лабораторные работы, студент по- лучает определенные навыки в постановке и проведении экспери- ментальных исследований, связанных с определением различных физических свойств горных пород, что несомненно способствует лучшему усвоению теоретического курса. Сознательное, целенаправленное проведение эксперимента – за- лог успеха и гарантия правильности полученных результатов. Для этого студен заранее должен изучить приведенные в каждой работе теоретические положения, ознакомиться с приборами, методикой выполнения лабораторной работы, обработки и оформления резуль- татов эксперимента. После ответов на контрольные вопросы студент с разрешения преподавателя приступает к выполнению лабораторной работы. 4 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: ознакомление с методикой практического опре- деления влажности горных пород. Общие сведения Влажность горных пород является функциональной характери- стикой, которая определяется внешними условиями среды, а также величиной и характером пористости породы, ее структурно- текстурными особенностями. Чтобы исключить влияние влажности, определение физических свойств пород выполняют на воздушно-сухих образцах. В связи с этим влажность не фигурирует в классификации основных физиче- ских свойств пород. Тем не менее, в некоторых случаях может по- требоваться значение величины влажности и возможных пределов ее изменения, поскольку она может оказывать весьма существен- ное влияние на некоторые свойства пород, например электрические, и выяснение степени этого влияния во многих случаях представляет интерес. Наличие пор и трещин в породах предопределяет возможность их заполнения различными жидкостями и газами. Наиболее часто горные породы бывают насыщены водой, которая может содер- жаться в них и разном виде. В горных породах различают химически связанную, физически связанную и свободную воду. Химически связанная вода – вода, входящая в состав кристал- лической решетки минералов (например, гипса CaSO4·2H2O). Уда- ление такой воды приводит к разрушению минерала, превращая его в другое – безводное состояние. Наличие в породе химически свя- занной воды проявляется только при ее нагревании. Она обусловли- вает изменение свойств породы при высоких температурах. Физически связанная вода – вода, связанная молекулярными силами притяжения с твердыми частицами породы, обволакивая их в виде пленки. Физически (прочно) связанная вода не перемещается 5 в породах. Она удаляется из породы только при нагревании свыше 105–110 оС. Свободная вода – может находиться в виде капиллярной воды, удерживаемой в мелких порах силами капиллярного поднятия, и в виде гравитационной воды, заполняющей крупные поры и передви- гающейся в породах под действием силы тяжести. В зависимости от минерального, гранулометрческого состава пород и формы частиц соотношение количества различных видов воды в породе может быть разным. Для количественной оценки содержания воды в породах наибольшее распространение получил показатель – массовая влаж- ность. Массовая влажность породы W – отношение массы воды, со- держащейся в образце и удаленной высушиванием его при 100–105 оС, к массе образца в сухом состоянии, выраженное в долях единицы или процентах W = c c M MM в ·100 %, где Мв – масса образца влажной породы; Мс – масса образца породы, высушенной при температуре 100– 105о. Иногда содержание воды оценивается показателем объемная влажность – отношение объема воды, содержащейся в породе, к объему всей породы, выраженное в долях единицы или процентах. а) Определение естественной (общей) влажности Естественная влажность Wе – относительное количество воды, которое содержится в породе в ее естественном залегании. Для определения влажности горных пород, в том числе и есте- ственной, широко применяется термостатный метод. Для определения влажности термостатным методом образец вы- держивают до постоянной массы в сушильном шкафу при 100– 105 оС, что достигается многократным высушиванием с последую- щим взвешиванием его. Образец считается доведенным до посто- янной массы, если относительные расхождения между двумя по- 6 следующими взвешиваниями не превышают трехкратной ошибки взвешивания. Первичное высушивание глинистых и торфяных пород проводят в течение 4–5 часов, песчаных и крупнообломочных – 1–2 ч, второе и последующие – от 0,5 до 2 ч. Величину навески пробы устанавливают с учетом размеров зе- рен породы. Для торфов, глин, суглинков и супесей с размерами зерен до 2 мм навеска пробы должна быть не менее 5–10 г, для пес- ков – 25 г, а для пород, содержащих отдельные зерна размером 2– 20 мм, навески должны быть не менее 200 г. Для гравия с размером зерен 2–20 мм величина навеска должна быть не менее 1000 г, для гальки с размером зерен 20–40 и 40–70 мм величина навески соот- ветственно – 2000 и 3000 г. Аппаратура: сушильный шкаф с автоматическим терморегуля- тором и контактным термометром; плотно закрывающиеся кры- шечками сосуды соответствующей емкости, например бюксы; весы соответствующей допустимой нагрузки; эксикаторы с обезвожен- ным хлористым кальцием; щипцы; шпатель. Последовательность определения 1. В заранее взвешенный сосуд с крышкой (бюкс) помещают навеску влажной породы, плотно закрывают его крышкой и взве- шивают на технических весах с точностью до 0,01 г. 2. Открыв крышечку, сосуд ставят в сушильный шкаф и высу- шивают породу при 100–105 оС до постоянной массы. 3. После высушивания сосуд с породой закрывают крышкой и охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе, а затем взве- шивают. 4. Влажность породы W вычисляют по формуле %,100 02 21     MM MM W где М0 – масса пустого сосуда с крышкой, г; М1 – масса сосуда с влажной породой, г; 7 М2 – масса сосуда с высушенной породой, г. 5. Для установления влажности породы проводят не менее двух определений. Расхождение между результатами этих определений не должно превышать 2 %. За величину влажности принимают среднее арифметическое результатов параллельных определений с точностью 1 %. 6. Данные определений записываются в табл. 1.1. Таблица 1.1 № № бюкса Масса пустого бюкса Мо, г Масса бюкса с влажной породой М1, г Масса бюкса с по- родой после сушки М2, г Влажность, % ос- нов ной 1 по- вторн II по- вторн отдель- ной пробы сред- няя б) Определение гигроскопической влажности Влажность горной породы, обусловленная ее гигроскопично- стью, т.е. свойством сорбировать парообразную воду из воздуха, называется гигроскопической. Она практически равна влажности воздушно-сухой породы. Так как гигроскопичность горных пород зависит от степени их дисперсности, минерального состава и дру- гих факторов, то определение гигроскопической влажности пред- ставляет практический интерес только для пород глинистых и отча- сти для песков тонко- и мелкозернистых. Гигроскопическая влаж- ность определяет содержание адсорбированной воды в горной породе в данных условиях, используется для внесения поправок в гранулометрические анализы и других целей. Количество гигроскопической воды определяется отношением массы воды, удаляемой из образца воздушно-сухой породы высу- шиванием при температуре 100–105 оС до постоянной массы, к массе образца, высушенного при температуре 100–105 оС. Для определения гигроскопической влажности необходимо то же оборудование, что и для определения влажности горных пород, следует пользоваться только стеклянными бюксами. В тех случаях, когда проба мала и навеску приходится брать небольшую (5 г), ее взвешивают на аналитических весах. 8 Последовательность определения 1. Пробу породы высушивают на воздухе в течение 1–2 суток, затем растирают ее в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником, чтобы разрушить крупные кусочки и агрегаты, и об- разовавшийся мелкозем просеивают через сито с диаметром отвер- стий 0,5 мм. 2. Стеклянный бюкс взвешивают на технических или аналитиче- ских весах и получают массу Мо. 3. Из просеянной части пробы берут среднюю пробу квартовани- ем. Из средней пробы берут навеску не менее 5 г (при взвешивании на аналитических весах) или не менее 15 г (при взвешивании на технических весах) в заранее взвешенный бюкс, закрывают его крышкой и взвешивают с точностью в зависимости от применяемых весов соответственно до 0,01 или 0,001 и получают массу М1. 4. Дальше продолжают анализ, как при обычном определении влажности горной породы (см. пункты 2–6). Вычисление гигроскопической влажности производят с точно- стью до 0,1 %. в) Определение максимальной гигроскопической влажности Максимальная гигроскопичность Wмг – наибольшее относитель- ное количество влаги, которое способна адсорбировать горная по- рода из воздуха, почти полностью насыщенного водяным паром (относительная влажность 96–98 %). Максимальная гигроскопиче- ская влажность близка или практически равна максимально воз- можному содержанию физически связанной, адсорбированной воды в породе. Для определения Wмг обычно применяют метод Митчер- лиха, основанный на установлении равновесного состояния влаж- ности породы в воздухе с относительной влажностью 95–98 % при температуре 20 оС. При этом кроме оборудования, необходимого для определения гигроскопической влажности горных пород, надо иметь дополнительно еще один эксикатор, в нижней части которого налит слой 10%-ного раствора H2SO4 или насыщенного раствора К2SO4. 9 Последовательность определения 1. Глинистую породу или песок подготавливают к анализу так же, как и при определении гигроскопической влажности в соответ- ствии с пунктами 1 и 2. 2. Из просеянной части пробы берут среднюю пробу квартовани- ем. Из средней пробы берут навеску не менее 5 г (при взвешивании на аналитических весах) или не менее 15 г (при взвешивании на технических весах) в заранее взвешенный бюкс. 3. Бюкс с открытой крышкой помещают в эксикатор, в котором находится раствор H2SO4 или К2SO4. Эксикатор накрывают крыш- кой, и бюкс с породой оставляют в нем на 1–2 сут. для установле- ния равновесного состояния влажности породы в атмосфере, насы- щенной водяным паром. Эксикатор необходимо держать в комнате при температуре 20 оС. Равновесное состояние влажности породы фиксируют периодическим взвешиванием. Получают массу М1. 4. Затем бюкс с открытой крышкой ставят в сушильный шкаф для высушивания породы при температуре 100–105 оС до постоян- ной массы. Взвешивают бюкс и получают массу М2. 5. Максимальную гигроскопическую влажность породы вычис- ляют с точностью до 0,1 % по формуле %100 02 21     MM MM Wмг . Контрольные вопросы 1. Какие категории воды различают в горных породах? 2. Каким показателем оценивается количество воды в горной породе? 3. Сущность термостатного метода определения содержания влаги в породе. 4. Что называется гигроскопической влажностью, максималь- ной гигроскопической влажностью горной породы? 5. Для каких пород представляет практический интерес опре- деление гигроскопической влажности? 10 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ МИНЕРАЛЬНОЙ ФАЗЫ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: определение плотности минеральной фазы гор- ных пород пикнометрическим методом. Общие сведения Плотностью минеральной фазы горной породы ρо называется отношение массы твердой беспористой части к ее объему ,/ 3 0 0 0 мкг V M  где М0 – масса твердой фазы породы; V0 – объем, занимаемый твердой фазой. Плотность минеральной фазы горных пород определяется плот- ностью слагающих породы минералов. Минералы делятся на: тяжелые – ρо > 4000 кг/м3; средние – ρо = 4000-2500 кг/м3; легкие – ρо < 2500 кг/м3. Плотность минеральной части горных пород определяют в ос- новном пикнометрическим методом, являющимся и наиболее точ- ным. Сущность пикнометрического метода заключается в определе- нии объема минеральной фазы горной породы путем нахождения изменения массы пикнометра, наполненного водой, при замене ча- сти этой воды навеской исследуемой породы. Пикнометр – узкогорлая мерная колба емкостью 25–100 см3, имеющая метку на горлышке, до которой ее заполняют жидкостью. Для определения плотности засоленных горных пород, отдель- ные минералы которых растворимы в воде или химически взаимо- действуют с ней, вместо воды в качестве пикнометрической жидко- сти используют спирт или керосин (обезвоженный). 11 Расчет величины плотности минеральной фазы производится по формуле: , )()( )( 2314 12 0 MMMM MM ж      где М1 – масса сухого пикнометра; М2 – масса пикнометра с породой; М3 – масса пикнометра с породой и жидкостью; М4 – масса пикнометра с жидкостью; ρж – плотность жидкости при температуре опыта. Таблица 2.1 Плотность воды при различных температурах Температура, оС Плотность, г/см3 Температура, оС Плотность, г/см3 15 16 17 18 19 20 21 22 0,9991 0,9990 0,9988 0,9986 0,9984 0,9982 0,9980 0,9978 23 24 25 26 27 28 29 30 0,9976 0,9973 0,9971 0,9968 0,9965 0,9963 0,9960 0,9957 Аппаратура: весы аналитические с разновесами, пикнометр, ступка с пестиком для измельчения пробы породы (фарфоровая для песчаных и глинистых пород, агатовая или яшмовая для скальных и полускальных), сито с диаметром отверстий 0,5 мм, пипетка, бюк- сы стеклянные, дистиллированная вода или керосин (при исследо- вании засоленных пород), сушильный шкаф, баня водяная, вакуум- ный насос (при исследовании засоленных пород), воронка. 12 Последовательность определения 1. Пробу горной породы, находящейся в воздушно-сухом состо- янии, не содержащей случайных, не характерных для данного типа пород включений, измельчают в ступке до крупности 0,25– 0,5 мм. Отбирают среднюю пробу методом квартования массой 100–200 г и просеивают через сито с диаметром отверстий 0,5 мм. Остаток на сите размельчают в ступке и просеивают через то же сито. 2. Из просеянной и тщательно перемешанной средней пробы в стеклянный бюкс отбирают навеску из расчета 15 г на каждые 100 см3 емкости пикнометра. 3. Навеску породы высушивают в сушильном шкафу при темпе- ратуре 100–105 оС до постоянной массы и охлаждают в эксикаторе. 4. Берут два сухих чистых пикнометра и определяют массу каж- дого М1 на аналитических весах (все взвешивания производят с точностью до 0,0001 г). 5. Измельченную и высушенную навеску породы делят на две части и через воронку засыпают в сухие пикнометры. Определяют массу пикнометра с породой М2 . 6. В пикнометр с породой заливают примерно на 0,3–0,5 его вме- стимости прокипяченную дистиллированную воду. Для удаления воздуха из породы пикнометры помещают в водяную баню и кипя- тят в т6ечение 0,5 ч при исследовании грубозернистых пород и 1 ч при исследовании тонкозернистых и глинистых. При определении плотности минеральной части засоленных горных пород применяют вместо дистиллированной воды керосин, а вместо кипячения – вакуумирование. Керосин необходимо обез- водить и профильтровать. Обезвоживание керосина производят пу- тем взбалтывания его с силикагелем, который предварительно про- каливают в муфеле при 500оС в течение 4 ч. На 1 л керосина берут 250 г силикагеля. Плотность обезвоженного керосина устанавлива- ют ареометром. Для удаления воздуха из породы применяют вакуумирование с помощью вакуумного насоса. Степень разрежения при вакуумиро- вании определяют по началу выделения пузырьков воздуха. Жид- кость в пикнометре под вакуумом должна находиться около 1 ч (до прекращения выделения пузырьков воздуха из породы). 13 7. После удаления воздуха пикнометры охлаждают до комнатной температуры и доливают до мерной черты на горлышке прокипя- ченную дистиллированную воду. Уровень воды в пикнометре уста- навливают строго по нижнему краю мениска, для чего пипеткой добавляют или удаляют необходимое количество воды. Пикнометр тщательно обтирают и определяют массу его с породой и водой М3 . 8. Освобождают пикнометры от содержимого и, тщательно опо- лоснув их, наполняют прокипяченной дистиллированной водой до метки на горлышке. Определяют массу пикнометра с водой М4. 9. Результаты эксперимента записывают в табл. 2.2. На основании полученных данных вычисляют плотность мине- ральной фазы породы. Расхождение между результатами двух па- раллельных определений допускается не более чем на 0,02 г/см3. За плотность породы принимается среднее арифметическое значение с точностью до 0,01 двух параллельных определений. Таблица 2.2 На- зва- ние поро- ды № пик- но- мет- ров Масса пикнометра, г Плотность мине- ральной фазы, г/см3 сухого, М1 с поро- дой, М2 с поро- дой и водой, М3 с водой, М4 отдель- ной пробы средняя Контрольные вопросы 1. Что называется плотностью минеральной фазы горных пород? 2. В чем сущность пикнометрического метода определения плотности минеральной фазы пород? 3. В чем состоят особенности определения плотности минераль- ной фазы засоленных горных пород? 14 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ПЛОТНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: практическое ознакомление с методиками опре- деления средней плотности горных пород. Общие сведения Средняя плотность (плотность)  – это масса единицы объема горной породы в ее естественном состоянии (с порами, трещинами и т.д.). Плотность определяется обычно на образцах породы в воздуш- ном состоянии. Плотность малопористых пород зависит в основном от их мине- рального состава. Если порода сложена из минералов примерно одинаковой плотности, то ее плотность зависит от пористости. Плотность большинства пород колеблется от 1500 до 3500 кг/м3. Большой плотностью обладают рудные полезные ископаемые (до 5000 кг/м3). Низкую плотность имеют гидрохимические осадки (гипс – 2300 кг/м3; каменная соль –  = 2100 кг/м3). Еще ниже плотность у каменных углей и торфов (720–2000 кг/м3). Знание плотности необходимо для определения количества гор- ной массы при расчете запасов полезного ископаемого, производи- тельности горных предприятий и оборудования, емкости складов, транспортных средств, объема отвалов, расхода взрывчатых ве- ществ и т.д. Для определения плотности необходимо взвесить образец поро- ды и установить его объем. Объем устанавливается в зависимости от характера пробы одним из методов: а) методом непосредствен- ных измерений размеров; б) методом режущего кольца; в) методом гидростатического взвешивания. а) Метод непосредственных измерений Непосредственное измерение размеров применимо для образцов правильной геометрической формы. Такие измерения удобно вы- 15 полнять на цилиндрических образцах, предназначенных для опре- деления упругих или прочностных свойств горных пород. Аппаратура: весы технические с разновесами, линейка, штан- генциркуль. Последовательность определения 1. Из монолита горной породы вырезают, выпиливают или выбу- ривают образец правильной формы в виде куба, прямоугольного параллелепипеда или цилиндра. 2. Взвешивают образец на технических весах с точностью до 0,01 г и получают его массу М. 3. Измеряют образец линейкой или штангенциркулем и вычис- ляют объем V. Для определения диаметра образца цилиндрической формы по каждому из параллельных оснований цилиндра штангенциркулем измеряются два взаимно перпендикулярных диаметра. Расчетное значение диаметра устанавливается как среднеарифметическое че- тырех измерений. Высота образца цилиндрической формы вычисляется как сред- неарифметическое измерений четырех образующих цилиндра, рас- положенных по двум взаимно-перпендикулярным плоскостям, пе- ресекающим цилиндр по его продольной оси. 4. Вычисляют плотность горной породы  (г/см3) по формуле:  V M  Величина плотности цилиндрического образца может рассчиты- ваться по формуле: ,274,1 2hd M  где M – масса образца, г; d – диаметр образца, см; h – высота образца, см. 16 Для каждой пробы горной породы делают два параллельных определения, а затем вычисляют среднее значение с точностью до 0,01. Расхождение результатов между параллельными определени- ями допускается до 0,02 г/см3. 5. Все данные измерений и вычислений записывают в табл. 3.1. Таблица 3.1 № пп Размеры образца, см Объем образца, см3 Масса образ- ца, г Плот- ность, г/см3 длина или диаметр ширина высота б) Метод режущего кольца Этот метод определения плотности применим для мягких гор- ных пород – глин, суглинков, песков, из которых можно вырезать образец режущим кольцом. Режущее кольцо изготавливается из некорродирующего металла, имеет заостренную режущую кромку. Диаметр кольца должен быть не менее 50–70 мм, высота – не более диаметра и не менее половины диаметра, толщина стенок 1,5–2 мм. Аппаратура: режущее кольцо, весы технические, штангенцир- куль, нож. Последовательность определения 1. Измеряют внутренний диаметр и высоту кольца, вычисляют его объем V. 2. Взвешивают кольцо с точностью до 0,01 г и получают массу М1. 3. Ставят кольцо заостренной кромкой на защищенную и вы- ровненную поверхность монолита горной породы. Остро отточен- ным ножом тонкими срезами вырезают столбик породы высотой 1– 2 см и диметром на 1 мм больше внутреннего диаметра кольца. По мере вырезывания кольцо постепенно надевают на столбик горной породы, лишняя часть которой срезается при этом острыми краями кольца. После того как столбик породы выступит над краем кольца, лишнюю часть породы срезают вровень с нижним и верхним его 17 краями. Задавливание кольца в монолит нежелательно, т.к. это нарушает естественное сложение породы. 4. Кольцо с породой взвешивают и получают массу М2. 5. Вычисляют плотность породы по формуле .12 V MM   Для каждой пробы породы производят два параллельных опре- деления и затем вычисляют среднее значение с точностью до 0,01. Расхождение результатов между параллельными определения не должно превышать 0,02 г/см3. 6. Данные измерений и вычислений записывают в табл. 3.2. Таблица 3.2 № п/п Масса кольца, г Масса образца породы, г Объем кольца, см3 Плотность, г/см3 пустого с поро- дой отдельного образца средняя в) Метод гидростатического взвешивания Гидростатическое взвешивание применяется для образцов не- правильной формы и заключается в определении объема вытеснен- ной породой жидкости. Для этого производится взвешивание об- разца в воздухе и воде. Плотность рассчитывается по формуле , 21 1 ММ Мв      где М1 и М2 – масса образца в воздухе и в воде, г; в – плотность воды, г/см 3. В этом случае вода может проникать в поры породы, что приво- дит к занижению в определении объема образца, поэтому данный 18 метод используется для плотных малопористых скальных и полус- кальных пород. Чтобы исключить ошибки в определении объема образца пори- стой породы, обычно производится его парафинирование. Вычисление плотности производится по формуле , )()( 121 ММММ M пв вп      где М – масса образца в воздухе, г; М1 – масса запарафинированного образца в воздухе, г; М2 – масса запарафинированного образца в воде, г; п – плотность парафина, г/см 3; в – плотность воды , г/см 3. Плотность парафина определяется также гидростатическим взвешиванием и рассчитывается по формуле , )( 10 0 МММ Мв п     где М0 – масса парафина в воздухе, г; М – масса груза, г; М1 – масса парафина с грузом в воде, г; в – плотность воды, г/см 3. Аппаратура: весы технические с подставкой к ним для взвеши- вания образца в воде (или денситометр), лабораторный стакан, нож, иголка, ванная с парафином, дистиллированная вода, фильтроваль- ная бумага, измерительная линейка, штангенциркуль, нитки. Последовательность определения 1. Вырезают из монолита образец горной породы по возможно- сти правильной формы (но может быть и неправильной) не менее 30 см3. Определяют массу образца в воздухе М, подвешенного на шелковой нити или проволочке к дужке весов. 19 2. Опускают взвешенный образец на 1–2 секунды в сосуд с рас- плавленным парафином, температура которого должна быть 70– 80 оС (более высокая температура недопустима, т.к. парафин стано- вится жидким и может проникнуть в поры образца. А при более низкой температуре густой парафин не прилипает к поверхности образца породы). Пузырьки воздуха в застывшей парафиновой обо- лочке толщиной 0,5–1 мм удаляют, прокалывая над ними оболочку и заглаживая место прокола нагретой иглой. 3. Определяют массу запарафинированного образца в воздухе М1. 4. Определяют массу запарафинированного образца в воде М2.. При этом необходимо следить, чтобы образец не касался стенок со- суда и был полностью погружен в воду. 5. Извлекают из воды запарафинированный образец, просуши- вают его фильтровальной бумагой и еще раз взвешивают на возду- хе, чтобы убедиться, не проникла ли вода в образец. Если обнару- жится увеличение его массы более, чем на 0,02 г по сравнению с первоначальной массой, образец бракуется. 6. Вычисляют плотность породы и результаты эксперимента за- писывают в табл. 3.3. Расхождения результатов двух параллельных определений не должны превышать 0,02 г/см3. Таблица 3.3 № п/п Масса образца в возду- хе М, г Масса запарафиниро- ванного образца, г Плотность, г/см3 в воздухе М1 в воде, М2 отдельного образца средняя Контрольные вопросы 1. Что называется средней плотностью горных пород? 2. В чем заключается сущность методов измерения линейных размеров, гидростатического взвешивания? 3. Для чего производится парафинирование образцов породы? 20 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ РЫХЛЫХ ПОРОД Цель работы: практическое ознакомление с методикой опреде- ления насыпной плотности рыхлых пород. Общие сведения Рыхлые породы подразделяются на естественно рыхлые и раз- рыхленные в результате ведения горных работ. Естественно рыхлые (так называемые сыпучие) породы – это в первую очередь, пески разной крупности. Насыпная плотность н – масса единицы объема рыхлой гор- ной породы в ее насыпном состоянии, кг/м3. Величина насыпной плотности зависит от плотности минераль- ной фазы горной породы, крупности частиц, влажности, плотности укладки частиц или уплотнения. Для определения насыпной плотности рыхлой породы необхо- димо знать ее массу в мерном цилиндре, заполненным стандартным способом. Аппаратура: весы технические; набор металлических мерных цилиндров; штатив с воронкой; линейка. Последовательность определения 1. Породу высушивают до воздушно-сухого состояния и просеи- вают через сито с диаметром отверстий 5 мм, включения крупнее 5 мм удаляют. 2. Взвешивают пустой мерный цилиндр. 3. Устанавливают мерный цилиндр на штатив и наполняют его породой небольшой струйкой через воронку, удлиненный носик которой поддерживают на высоте 1–2 см над концом цилиндра, а затем, по мере наполнения, – над поверхностью породы. Избыток 21 породы удаляют линейкой, чтобы поверхность ее была на одном уровне с краями мерного цилиндра. 4. Заполненный рыхлой породой мерный цилиндр взвешивают. 5. Величину насыпной плотности н рыхлой породы определя- ют как среднее из трех определений и вычисляют по формуле ,0 V ММ н   где М0 – масса пустого мерного цилиндра, г ; М – масса мерного цилиндра, заполненного рыхлой породой, г; V – объем мерного цилиндра, см3. 6. Данные определений записывают в табл. 4.1. Таблица 4.1 Масса мерного цилиндра М0,, г Объем мерного цилиндра V, см3 Масса образца породы, г Насыпная плотность М1 М2 М3 Мср г/см 3 кг/м3 Контрольные вопросы 1. Что называется насыпной плотностью или насыпной массой рыхлой породы? 2. В чем заключается сущность метода определения насыпной плотности рыхлых пород? 3. Какие факторы влияют на величину насыпной плотности гор- ных пород? 22 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРИСТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: определение пористости горных пород методом расчета и методом насыщения. Общие сведения Пористость горных пород имеет определенное значение для их физических свойств. При этом общая пористость служит характе- ристикой структуры породы, открытая пористость может суще- ственно характеризовать влажность породы, влияние которой на разные физические свойства пород различно и притом неоднознач- но. Поэтому очевидно, что при изучении физических свойств гор- ных пород характеристикам общей и открытой пористости необхо- димо уделять значительное внимание. Практически любая порода состоит из минерального и порового объема. Поровый объем оценивается пористостью – относитель- ным объемом пустот (пор), заключенных в единице объема породы между минеральными частицами или их агрегатами. Различают по- ристость общую и открытую (эффективную). Пористость общая n – относительный объем всех пор, имею- щихся в единице объема породы %,100 0    п п VV V n где Vп – объем пор, м3; V0 – объем минерального скелета, м3. Общая пористость выражается в процентах или долях единицы. Отношение объема пор в породе к объему минерального скелета (минеральной составляющей) называется коэффициентом пори- стости. Коэффициент пористости ℮ выражается в долях единицы. ℮ = . o п V V 23 Общую пористость и коэффициент пористости обычно рассчи- тывают по значениям плотности, плотности минеральной фазы, влажности, плотности скелета породы. Общую пористость n определяют по формулам: ;100 )01,01( 1 0         W n   ,100 0 0      скn где  – плотность, г/см3; 0 – плотность минеральной фазы, г/см 3; W – влажность, %; ск – плотность скелета, г/см 3. Плотность скелета породы равна отношению массы породы, вы- сушенной при температуре 100–105 0С до постоянной массы, к ее первоначальному объему, т.е. до высушивания. Плотность скелета может быть рассчитана по формуле . 01,01 W ск     Коэффициент пористости вычисляют по формулам: ℮ = n n 100 или ℮ = .0 ск ск    Поры часто могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы. Общий объем таких пор, отнесенный к объему всей породы, называется открытой (эффек- тивной) пористостью n0 . При этом n0 < n. По происхождению поры делятся на первичные, сформирован- ные при образовании пород, и вторичные, появившиеся в результа- те процессов метаморфизма, выщелачивания, перекристаллизации и т.п. 24 По величине поры подразделяются на субкапиллярные (диа- метр пустот менее 0,2 мкм), капиллярные (диаметр пустот 0,2–100 мкм) и сверхкапиллярные (диаметр пустот более 100 мкм). Практически к порам в породах следует относить пустоты любых размеров и форм, однако такие пустоты в породах, как трещины и каверны, принято выделять и рассматривать отдельно. По форме поры могут быть самого различного типа – межзерен- ные, пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветвистые и т.д. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь определяют форму порового пространства породы. Поровое пространство обу- словливает различные физические процессы, например перемеще- ние в породах воды и газов. Пористость горных пород изменяется в значительных пределах: бывают породы практически непористые и такие, в которых пори- стость достигает 90 %. В среднем же пористость горных пород со- ставляет 1,5–30 %. а) Скальные и полускальные горные породы Величина открытой пористости может быть установлена экс- периментально методом насыщения по объему жидкости, вошед- шей в поровое пространство образца. При этом объем образца определяется гидростатическим взвешиванием в той же жидкости. В качестве жидкости для определения открытой пористости скаль- ных и полускальных пород рекомендуется применять керосин, т.к. он хорошо смачивает породы и поэтому легко проникает в поры. Кроме того керосин почти не летуч, что обеспечивает высокую точ- ность определений и не вызывает разрушения погружаемых в него слабосцементированных образцов. Аппаратура: весы технические с подставкой к ним для взвеши- вания образца в жидкости, сушильный шкаф, лабораторный стакан, керосин, фильтровальная бумага, эксикатор, вакуумный насос. Последовательность определения 1. Высушивают образец породы объемом не менее 30 см3 в су- шильном шкафу при 100–105 оС до постоянной массы. 25 2. Подвешивают высушенный образец на проволочке и взвеши- вают его в воздухе, получают массу М1. 3. В течение 30 минут насыщают образец под вакуумом чистым фильтрованным керосином. После насыщения подвешенный к про- волочке образец взвешивают в керосине, получают массу М2 . 4. Просушивают образец фильтровальной бумагой и взвешивают его вместе с проволочкой в воздухе, получают массу М3 . 5. Вычисляют величину открытой пористости n0 по формуле %.100 23 13 0     MM MM n Таким образом, открытая пористость равна объему керосина, пошедшего на насыщение образца. Зная общую и открытую пори- стость, легко вычисляют закрытую пористость. Для каждой пробы проводят два параллельных определения. 6. Результаты определений и вычислений записывают в табл. 5.1. Таблица 5.1 № пп Назва- ние поро- ды Масса образца, г Пористость, % сухого в воз- духе, М1 насы- щенного в керо- сине, М2 насы- щенного в возду- хе, М3 от- кры- тая, no об- щая, n за- кры- тая, n3 б) Рыхлые несвязные породы Для непосредственного определения пористости песков и песча- ных пород нарушенного сложения применяют метод насыщения их водой. Аппаратура: стеклянный химический стакан с делениями вме- стимостью 500 см3, бюретка, штатив, технические весы. 26 Последовательность определения 1. Взвешивают стеклянный стакан и получают массу М1. 2. Песок высушивают на воздухе, наполняют им стакан до метки при той плотности, при которой необходимо определить пори- стость. Получают объем песка V, см3. Стакан с песком взвешивают, получают массу М2 . 3. Стакан с песком ставят на штатив под бюретку, нижний конец которой погружают в песок так, чтобы он находился на высоте 2–3 мм над дном стакана. 4. Бюретку наполняют водой до метки. Периодически приоткры- вая зажим у бюретки, начинают медленно насыщать песок до появ- ления пленки воды на поверхности песка. 5. Извлекают бюретку из песка. Если при этом пленка воды на поверхности исчезнет, в стакан дополняют воды до появления пленки. Затем берут отсчет по бюретке и записывают объем воды v, см3, который пошел на насыщение песка. 6. Стакан с насыщенным водой песком взвешивают, получают массу М3 . 7. Вычисляют пористость песка, выражая ее в долях единицы или в процентах, по формуле V v n  . Одновременно вычисляют отвечающие этой пористости показа- тели плотности скелета песка ск и плотности  следующим обра- зом: ;12 V MM ск   .13 V MM   Для каждой пробы проводят два параллельных определения по- ристости для каждой плотности. 8. Данные опыта записывают в табл. 5.2. 27 Таблица 5.2 № пп Масса стака- на, г Масса песка, г О б ъ ем в о д ы д л я н ас ы щ ен и я п ес к а, с м 3 О б ъ ем п ес к а в ст ак ан е, с м 3 П о р и ст о ст ь, % П л о тн о ст ь ск ел ет а, г/ см 3 П л о тн о ст ь, г/ см 3 п у ст о го с су х и м п ес к о м с п ес к о м , н ас ы - щ ен н ы м во д о й су х о го н ас ы щ ен н о го во д о й Контрольные вопросы 1. Методы определения пористости различных горных пород. 2. Что называется общей пористостью, коэффициентом пористо- сти, открытой пористостью? 3. Что называется плотностью скелета породы? 4. Классификация пор по размерам. 28 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПЕСЧАНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ПОРОД Цель работы: ознакомление с методами определения грануло- метрического состава пород и способами подготовки их к анализу, приобретение практических навыков выполнения анализов ситовым и ареометрическим методами. Общие сведения Гранулометрический состав – важнейшая характеристика рых- лых горных пород, дающая количественную оценку структуры и существенно влияющая на физико-механические свойства пород. Гранулометрический состав породы – это процентное содержа- ние в ней групп (фракций) частиц различной крупности по отноше- нию к массе абсолютно-сухой породы. Таким образом, определение гранулометрического состава за- ключается в разделении породы на фракции (группы частиц, близ- кие по крупности) и установлении их процентного содержания. Размер фракций, слагающих породу, выражают обычно в милли- метрах. Учитывая определенное содержание тех или иных фракций в составе обломочных или глинистых пород, их классифицируют по гранулометрическому составу, приближенно оценивают водопро- ницаемость пород по эмпирическим формулам, пригодность их для использования в качестве насыпей для дорог, плотин и т.д. Для определения гранулометрического состава пород применяют различные методы, которые можно разделить на две группы: пря- мые (ситовой, Сабанина, пипеточный и др.) и косвенные (визуаль- ный и ареометрический). Прямые методы позволяют теми или иными способами непо- средственно выделять необходимые фракции, взвешивать и опреде- лять их процентное содержание в породе, а также использовать вы- деленные фракции, например, для изучения минерального состава. Косвенные методы не предусматривают разделения породы на фракции. Эти методы основаны на изучении некоторых свойств по- 29 роды, по изменению которых судят о содержании тех или иных фракций в породе. Ситовой метод – считается основным для анализа песчано- гравелистых пород и позволяет определить содержание фракций диаметром более 0,1 мм. Метод прост при использовании и дает достаточно точные результаты. Методы Сабанина и пипеточный – заключаются в том, что разделение частиц породы на фракции основано на различной ско- рости падения их в воде при отмучивании. Скорость падения частиц в воде можно определить по формуле Стокса   вrgv   02 9 2 , где v – скорость падения частиц в воде, см/с; g – ускорение свободного падения, см/с2; r – радиус частиц, мм; 0 – плотность частиц, г/см 3; в – плотность воды, г/см 3;  – вязкость воды, П. Метод Сабанина может быть рекомендован для анализов мел- козернистых песков, имеющих небольшое содержание (не более 10 %) частиц диаметром менее 0,01 мм. Этим методом с достаточ- ной точностью выделяют фракции диаметром более 0,1; 0,1–0,05; 0,05–0,01 мм. При определении процентного содержания частиц диаметром менее 0,01 мм получаются значительные погрешности, т.к. при отмучивании вместе с такими частицами обычно осажда- ются и более крупные. Анализ требует продолжительного времени, сравнительно сложной аппаратуры, многочисленных операций по взвешиванию и высушиванию. В настоящее время метод Сабанина используется в основном тогда, когда необходимо выделить и со- брать отдельно песчаные и пылеватые фракции. Пипеточный метод может быть рекомендован для анализа мел- копесчаных, супесчаных и главным образом глинистых пород. Им обычно пользуются для определения содержания в породе фракций диаметром менее 0,1 мм. При наличии в породе более крупных 30 фракций этот метод может применяться в комбинации с ситовым. Пипеточный метод дает наиболее правильные результаты по срав- нению с другими и лучше согласуется со свойствами породы, а по- этому может быть рекомендован даже как контрольный. Им одно- временно можно выполнять 20–30 анализов. Визуальный метод является полевым, дает приближенное пред- ставление о гранулометрическом составе породы. Хотя никаких цифровых данных о процентном содержании в породе тех или иных фракций этот метод не дает, но, учитывая, что анализ занимает не- продолжительное время и почти не требует оборудования, он может быть рекомендован для массовых исследований и приближенного суждения о составе как песчаных так и глинистых пород. Ареометрический метод основан на измерении плотности сус- пензии, приготовленной из породы, плотность которой изменяется по мере выпадения из нее более крупных частиц. Он позволяет определить содержание частиц диаметром менее 0,1 мм. При нали- чии в породе более крупных фракций ареометрический метод дол- жен применяться в комбинации с ситовым. По точности ареометри- ческий метод приближается к пипеточному и рекомендуется для массовых анализов глинистых и мелкопесчаных пород. Твердые частицы песчаных и глинистых пород могут быть обра- зованы обломками минералов, обломками горных пород и агрега- тами различных размеров и прочности, образующихся на разных этапах формирования породы под влиянием процессов коагуляции, цементации и др. Агрегаты глинистых частиц могут возникнуть в процессе анализа вследствие коагуляции частиц в суспензии под влиянием электролитов, образующихся при растворении солей, со- держащихся в породе. Гранулометрический анализ должен давать характеристику есте- ственной дисперсности породы. Поэтому, чтобы разрушить агрега- ты, перед гранулометрическим анализом необходимо произвести подготовку породы. Применяют следующие три способа подготов- ки породы к анализу. 1. Дисперсный способ. Механической и химической обработкой породы разрушаются как неустойчивые, так и частично устойчивые агрегаты. Породу тщательно растирают, обрабатывают соляной кислотой и промывают. В случае присутствия органических ве- 31 ществ (более 2 %) породу предварительно обрабатывают перекисью водорода. 2. Полудисперсный способ. Механической и физической обра- боткой разрушают водонеустойчивые агрегаты породы. Породу пе- ред анализом замачивают, кипятят и растирают в присутствии ста- билизаторов и пептизаторов суспензии (аммиак, едкий натр и др.) 3. Агрегатный способ. Подготовка породы к анализу состоит только в размачивании в воде и соответственно разрушении не- устойчивых крупных агрегатов. При инженерно-геологических исследованиях песчаных и гли- нистых пород для предварительной подготовки их к гранулометри- ческому анализу применяют только полудисперсный способ. а) Ситовой метод Ситовой метод применяют для определения ганулометрическо- го состава песчаных пород. Породу с помощью специального набо- ра сит просеивают на отдельные фракции, определяют массу и про- центное содержание в ней каждой фракции. Стандартный набор сит состоит из девяти сит с отверстиями 10; 7; 5; 3; 2; 1; 0,5; 0,25; и 0,1 мм. Сита собирают в колонку так, чтобы отверстия их уменьша- лись сверху вниз. Под нижнее сито подставляют поддон, а на верх- нее надевают крышку. Аппаратура: набор стандартных сит; технические весы с разно- весами; фарфоровая ступка и пестик с резиновым наконечником; фарфоровые чашечки, тигли или бюксы; ложка или совок; лист бу- маги. Последовательность определения 1. Пробу породы доводят до воздушно-сухого состояния путем просушивания на воздухе в течение 1–2 суток в тонком слое на ли- сте бумаги. 2. Из воздушно-сухой породы отбирают среднюю пробу массой: а) 200 г – для пород, не содержащих частиц крупнее 2 мм; б) 500 г – для пород, содержащих гравий и гальку до 10 %; в) 2000 г – для по- род, содержащих гравий и гальку от 10 до 30 %, при большем со- держании – 3000 г. 32 Средняя проба отбирается квартованием следующим образом. На листе бумаги породу тщательно перемешивают, рассыпают тон- ким слоем и при помощи шпателя делят двумя взаимно перпенди- кулярными линиями на четыре равные части (квадраты). Две части, лежащие накрест, отбрасывают, а две другие соединяют, перемеши- вают, разравнивают, делят на четыре части и т.д. Так поступают до тех пор, пока не останется необходимая для анализа масса средней пробы породы. Если порода состоит из слипшихся комочков, ее растирают в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником. Растирать породу следует осторожно, чтобы избежать разрушения отдельных зерен. 3. Пробу породы взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г. Для удобства расчета анализа желательно, чтобы общая масса пробы была равна целым граммам. 4. Взвешенную породу помещают в колонку сит и осторожно встряхивают до тех пор, пока не будет достигнута полная сортиров- ка частиц породы на фракции. 5. При определении гранулометрического состава глинистых песков отбирают среднюю пробу, как указано в п. 2. Взвешенную пробу песка помещают в фарфоровую чашку и отмывают из него глинистые частицы. Для этого песок заливают водой и растирают пестиком с резиновым наконечником, а затем после отстаивания воды (30–60 с) верхний слой ее со взвешенными в ней пылевато- глинистыми частицами осторожно сливают. Последовательно по- вторяя таким образом промывку песка, продолжают ее до полного просветления слоя воды над песком. Оставшийся в чашке промытый песок высушивают и затем про- севают через набор сит так, как указано в п. 4. 6. Фракции, оставшиеся после просеивания на ситах и в поддоне, собирают в предварительно взвешенные фарфоровые чашки или бюксы. Затем бюксы с фракциями взвешивают на технических ве- сах с точностью до 0,01 г. Суммарная масса всех фракций должна быть равна массе общей навески породы. 7. Содержание в породе каждой фракции частиц в процентах вы- числяют по формуле 33 ,100 0  М М где  – процентное содержание фракции в породе; М – масса фракции, г; М0 – масса общая навески, г. Результаты вычислений выражают с точностью до 0,1 %. Все данные записывают в табл. 6.1. Таблица 6.1 Размеры фракций, мм Масса бюкса, г Масса фракций, г Содержание фракций, % пустого с фракцией породы б) Ареометрический метод Ареометрический метод применяется для массовых анализов гранулометрического состава глинистых и мелкопесчаных пород. Он основан на измерении плотности приготовленной из породы суспензии в процессе ее отстаивания. Аппаратура: ареометр; мерный цилиндр на 1000 см3 и внутрен- ним диаметром 60 мм; набор сит с обязательным наличием сита с диаметром отверстий 0,1 мм; весы аналитически и технические; бюксы или фарфоровые тигли, предварительно взвешенные; чашка фарфоровая диаметром 15-16 см; термометр с ценой деления шкалы 0,5 0С; промывалка или резиновая груша; песчаная или водяная ба- ня; раствор 25%-ного аммиака; колба коническая плоскодонная вместимостью 250 см3 с обратным холодильником; секундомер; мешалка; линейка на 30 см с миллиметровыми делениями; ступка с пестиком; дополнительное оборудование для определения влажно- сти породы. Для гранулометрического анализа пород применяют стеклянный ареометр обтекаемой формы, рассчитанный для плотности жидко- сти от 0,995 до 1,030 г/см3 с ценой деления шкалы 0,001 (рис. 6.1). При работе с ареометром берут упрощенные отсчеты R0 , отбрасы- 34 вая единицу и перенося запятую на три знака вправо; в этом случае тысячные деления будут представлять целые числа, десятитысяч- ные, которые берутся на глаз, – десятые. Например, вместо отсчета 1,0263 читают и записывают 26,3. Гранулометрический состав пород определяется путем измере- ния плотности суспензии породы протарированным ареометром. Рис. 6.1. Схема ареометра: 1 – «центр объема» ареометра; 2 – «центрн объема» луковицы Тарировка ареометра Так как погружение ареометра в мерный цилиндр с жидкостью вызывает повышение ее уровня, зависящее от соотношения их раз- меров, то каждый ареометр при анализе должен применяться с тем цилиндром, с которым был протарирован. Тарировку ареометра проводят в мерном цилиндре вместимостью 1000 см3 с дистиллиро- ванной водой, имеющей температуру 20 0С (температура градуи- ровки ареометра), приняв плотность ее, равной 1 г/см3. Для тарировки ареометра и расчета глубин его погружения в жидкость выполняют следующие операции. 1. Устанавливают поправку на высоту мениска См воды в цилин- дре. Ареометры на заводах градуируют по нижнему краю мениска. Так как суспензия из породы непрозрачная, то отсчеты во время анализа берут по верхнему краю мениска и учитывают поправку на его высоту. Последнюю определяют один раз для каждого ареомет- 35 ра, опуская его в цилиндр с водой и снимая с его шкалы отсчеты по нижнему и верхнему краям мениска. Разница между этими отсчета- ми и будет поправкой на высоту мениска, которую прибавляют к каждому отсчету по шкале ареометра при замерах плотности сус- пензии. Так как по ареометру берут упрощенный отсчет, то поправ- ку на высоту мениска также умножают на 1000. Например, отсчет по нижнему краю мениска 0,9998, по верхнему 0,9994, высота ме- ниска 0,9998 – 0,9994 = 0,0004, следовательно, поправка См = 0,4. 2. Определяют поправку Са на показание ареометра при добав- лении в дистиллированную воду антикоагулятора, который будет использован при приготовлении суспензии породы для анализа. Для этого в мерный цилиндр вводят в требуемом количестве антикоагу- лятор, наливают дистиллированную воду до метки 1000 см3, смесь взбалтывают, опускают ареометр в цилиндр и берут отсчет со шка- лы ареометра по верхнему краю мениска. Разность между этим от- счетом и отсчетом, снятым в дистиллированной воде, и будет по- правкой на антикоагулятор, которую вычитают из каждого отсчета по шкале ареометра при замерах плотности суспензии. 3. Измеряют (в см) длину шкалы ареометра  между делениями 1,030 и 1,000. 4. Определяют объем луковицы ареометра 0V . Для этого в ци- линдр наливают 900–920 см3 дистиллированной воды, погружают в нее ареометр до деления 1,030 на его шкале и отмечают подъем уровня воды в цилиндре. Разность между уровнями воды в цилин- дре с ареометром и без него будет равна объему луковицы. 5. Определяют (в см) расстояние а от деления 1,030 шкалы ареометра до так называемого «центра объема» его луковицы и вы- соту в подъема воды в цилиндре при погружении ареометра в воду до «центра объема» луковицы. Для этого ареометр вновь погружа- ют в воду до подъема ее на высоту в, соответствующую увеличе- нию объема воды, равному половине объема луковицы ( 2 0V ). В таком положении луковица ареометра погружена до ее «центра объема». Удерживая ареометр в этом положении, линейкой изме- ряют расстояние а от уровня воды до отметки 1,030. Высоту в 36 можно рассчитать делением объема луковицы 0V на удвоенную площадь поперечного сечения цилиндра F, т.е. F V в 2 0 . 6. Устанавливают величины RH – расстояние или пути, прохо- димые частицами породы от поверхности жидкости в цилиндре до воображаемой плоскости на уровне «центра объема» ареометра для каждого исправленного (окончательного, с учетом поправок) отсче- та R по ареометру при замерах плотностей суспензии в процессе анализа. Величины RH рассчитывают с точностью до 0,001 по формуле )( вa N MN HR     , где N – число делений на шкале ареометра между делениями 1,030 и 1,000; М – число делений на шкале ареометра от 1,000 до поверхности суспензии, зависящее от погружения ареометра и равное отсчету по ареометру R. Кроме поправок на высоту мениска и на антикоагулятор при проведении анализа учитывают также поправку на температуру 0t C , если она отличается от 20 0С. Эту поправку определяют по табл. 6.2. Последовательность определения 1. Из общей пробы породы естественной влажности отбирают среднюю пробу методом квартования и берут навеску в таком ко- личестве, чтобы при пересчете на абсолютно-сухую массу она рав- нялась: около 10 г – для глин, 15 г – для суглинков, от 20 до 40 г – для супесчаных и песчаных пород. Взвешивание производят на аналитических весах. Одновременно с пробой для гранулометрического состава отбирают пробы для определения влажности и плотности породы. 37 Таблица 6.2 Температурные поправки 0t C к отсчетам по ареометру Темпе- ра-тура суспен- зии, 0С Поправка к отсчету по арео- метру, 0t C Темпе- ра-тура суспен- зии, 0С Поправка к отсчету по арео- метру, 0t C Температу- ра суспен-зии, 0С Поправка к отсчету по арео- метру, 0t C 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 -1,2 -1,2 -1,2 -1,1 -1,1 -1,0 -1,0 -0,9 -0,9 -0,8 -0,8 -0,7 -0,6 -0,6 17,0 17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5 21,0 21,5 22,0 22,5 23,0 23,5 -0,5 -0,4 -0,3 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 +0,1 +0,2 +0,3 +0,4 +0,5 +0,6 +0,7 24,0 24,5 25,0 25,5 26,0 26,5 27,0 27,5 28,0 28,5 29,0 29,5 30,0 +0,8 +0,9 +1,0 +1,1 +1,3 +1,4 +1,5 +1,6 +1,8 +1,9 +2,1 +2,2 +2,3 При наличии в породах значительного количества фракций диа- метром более 0,1 мм (устанавливается визуально) берут отдельную навеску на ситовой анализ. Пересчет массы пробы, взятой на анализ, на абсолютно-сухую массу производят по формуле W M M c    100 100 , где Мс – масса навески породы в абсолютно-сухом состоянии, г; М – масса навески естественной влажности, г; W – влажность породы, %. 2. Взятую на гранулометрический анализ навеску породы поме- щают в колбу с обратным холодильником и заливают десятикрат- ным количеством дистиллированной воды, прибавляют 1 см3 амми- 38 ака. Содержимое колбы кипятят в течение часа на песчаной или во- дяной бане (кипячение не должно быть бурным), а затем охлаждают до комнатной температуры. 3. Остывшую суспензию выливают в большую фарфоровую чашку, тщательно промывают колбу, чтобы на стенках ее не оста- лось частиц породы. Суспензию в чашке взмучивают и оставляют в покое на 1–2 мин. Отстоявшийся слой суспензии сливают в мерный цилиндр (вмести- мостью 1000 см3) через установленное в большую воронку сито с отверстиями 0,1 мм, а осадок растирают мягким резиновым пести- ком или пальцем в резиновом напалечнике для разрушения уцелев- ших после кипячения агрегатов. Затем в чашку приливают чистой воды, осадок вновь взмучивают и через 1–2 мин отстоявшийся слой суспензии сливают через сито в цилиндр. Отмучивание в чашке и растирание в ней осадка продолжают до тех пор, пока после 1–2 мин. отстаивания слой воды над осадком не будет совершенно прозрачным, а в осадке останутся только песчаные фракции. Весь осадок из чашки смывают на сито, установленное над цилиндром в большой воронке и в цилиндр доливают чистой воды до метки 1000 см3. На этом заканчивается подготовка суспензии для анализа. 4. Оставшиеся на сите с отверстиями 0,1 мм песчаные фракции смывают в предварительно взвешенный бюкс или тигель, выпари- вают воду, а оставшийся осадок высушивают и просеивают через набор сит. Затем каждую фракцию взвешивают и вычисляют про- центное содержание в породе фракций крупнее 0,1 мм по формуле cM CM x   , где М – масса фракций, г; С – суммарное процентное содержание фракций, взятых на ана- лиз (С = 100 %, если не было отдельно ситового анализа); Мс – масса взятой навески, пересчитанная на абсолютно-сухое состояние породы, г. 5. Взбалтывают суспензию в цилиндре мешалкой до полного ис- чезновения осадка на дне, замечают время окончания взбалтывания, осторожно опускают ареометр в суспензию (ареометр должен пла- 39 вать, не касаясь стенок цилиндра), и берут по верхнему краю ме- ниска первые четыре отсчета по шкале ареометра через 30 с, 1, 2 и 5 мин (после окончания взбалтывания), не вынимая ареометра из сус- пензии. Отсчеты берутся упрощенные и должны занимать не более 5–7 с. Затем, при последующих отсчетах, которые производят через 30 мин, 1 ч, 1,5 ч, 3 ч, 6 ч и 24 ч, ареометр вынимают из суспензии каждый раз, обмывают его дистиллированной водой и вытирают насухо. Ареометр опускают в суспензию за 5–10 с до начала оче- редного измерения. По окончании замера на цилиндр следует наде- вать футляр, чтобы избежать потери на испарение между последу- ющими отсчетами по ареометру. 6. Измерения температуры суспензии (в центре цилиндра) про- изводят с точностью 0,5 оС один раз в течение первых пяти отсче- тов, а затем при каждом измерении. 7. Производят первичную обработку записей, для того, чтобы получить окончательные выражения отсчетов R по ареометру для каждого измерения с учетом поправок, вводимых в упрощенные отсчеты R0 . Получив окончательные отсчеты R , рассчитывают величину HR для каждого измерения плотности суспензии. 8. Производят расчет диаметра частиц d (в мм) по формуле tg H d в R )( 1800 0     , где  – коэффициент вязкости воды, определяемый по табл. 6.3 в зависимости от температуры; HR – путь частиц от поверхности суспензии в мерном цилин- дре до плоскости на уровне «центра объема» ареометра, соответ- ствующий окончательному отсчету R, см; g – ускорение свободного падения, равное 981 см/с2; 0 – плотность частиц породы, г/см 3; в – плотность воды, г/см 3; t – время оседания частиц (от окончания взбалтывания суспен- зии до взятия отсчета), с. 40 Таблица 6.3 Коэффициент вязкости воды Температура, оС Коэффициент вязкости, nв Температура, оС Коэффициент вязкости, nв 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 0,01236 0,01208 0,01171 0,01140 0,01111 0,01086 0,01056 0,01050 0,01005 0,00981 22 23 24 25 26 27 28 29 30 0,00958 0,00936 0,00914 0,00894 0,00874 0,00854 0,00836 0,00818 0,00801 9. Вычисляют процентное содержание в суспензии всех частиц x размерами, менее диаметра d , определенного при соответствующем отсчете по формуле 100 )( 0 0     св М R x   , где 0 – плотность частиц породы, г/см 3; R – окончательный отсчет по ареометру; в – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см 3; Мс – масса сухой пробы породы, г. 10. Обрабатывают результаты анализа, вычерчивая кривую гра- нулометрического состава породы в полулогарифмическом мас- штабе: на оси абсцисс в логарифмическом масштабе откладывают диаметры частиц, на оси ординат в линейном масштабе – суммы процентов частиц. По полученной кривой определяют процентное содержание стандартных общепринятых фракций. Все данные сво- дят в табл. 6.4. 41 Таблица 6.4 Журнал определения гранулометрического состава суспензии ареометрическим методом Ареометр № (  =___, а =___, в =___). Навеска породы М = ___. Поправка на мениск См = ___. Влажность породы W =___. Поправка на антикоагулятор Са =___. Плотность породы 0 =___. Дата и вре- мя заме- ра Время отстаи- вания суспен- зии, с Темпе- ратура сус- пензии, оС Отсчет по ареометру Вели- чина НR, см Раз- мер ча- стиц d, мм Содер- жание частиц в сус- пензии, % Результаты грануломет- рического анализа упро щен- ный R0 оконча- тельный * R фрак- ции, мм содер- жание, % * R = Ro + CM + (–Ca) + ( ot C ). Контрольные вопросы 1. Гранулометрический состав рыхлых пород и его практическое значение. 2. Методы гранулометрического анализа пород. 3. Виды подготовки пород к гранулометрическому анализу. 4. Какой из методов является основным для определения грану- лометрического состава песчаных пород? Опишите его сущность. 5. Определение гранулометрического состава пород ареометри- ческим методом. 42 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 7 ГРАФИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОРОД Цель работы: приобретение практических навыков изображе- ния результатов анализа гранулометрического состава пород гра- фическими способами. Общие сведения Обычно результаты гранулометрического состава пород пред- ставляют в виде таблиц, в которых приводятся размеры фракций и их процентное содержание. Для большей наглядности и удобства сравнения различных пород между собой гранулометрический со- став их изображают в виде различных графиков: диаграмм, тре- угольников, интегральных кривых однородности. При изображении гранулометрического состава породы в виде диаграмм по оси ординат показывают процентное содержание фракций, а по оси абсцисс – логарифмы диаметров частиц (рис. 7.1). Диаграммами целесообразно пользоваться только для наглядного показа типичных разностей пород. На каждой диаграмме приводят- ся результаты одного анализа и для изображения результатов мас- совых анализов этот способ не пригоден. Для изображения результатов гранулометрического состава удобно применять треугольные диаграммы (рис. 7.2 – 7.4). Способ основан на геометрическом свойстве равностороннего треугольни- ка: сумма перпендикуляров, опущенных из любой точки внутри треугольника на его стороны, есть величина постоянная и равная высоте треугольника. Если каждую высоту треугольника разделить на 100 равных частей и провести через них параллельные линии, перпендикулярные к высоте, то и стороны треугольника разделять- ся на 100 частей. Отложив на каждой стороне треугольника содер- жание трех основных фракций (для глинистых пород – глинистых, пылеватых, песчаных, а для песчаных – грубо- и крупнозернистых, среднезернистых, мелко- и тонкозернистых) и проведя линии, па- раллельные соответствующим сторонам треугольника, получают в 43 пересечении точку, изображающую гранулометрический состав по- роды. Таким образом, на треугольнике можно изобразить результаты многих анализов. Кроме того, по диаграммам, представленным на рис. 7.2 – 7.4, можно классифицировать породы по гранулометриче- скому составу. Рис. 7.1. Диаграммы гранулометрического состава однородной (а) и неоднородной (б) глинистых пород 44 Рис. 7.2. Треугольная диаграмма для изображения гранулометрического состава глинистых пород Рис. 7.3. Треугольная диаграмма для изображения гранулометрического состава песчаных пород 45 Рис. 7.4. Треугольная диаграмма для изображения гранулометрического состава гравелистых пород Часто гранулометрический состав представляют в виде инте- гральных кривых однородности, которые строят в прямоугольной системе координат в простом или полулогарифмическом масштабе. Предпочтение отдается последнему, т.к. кривые получаются менее растянутыми по оси абсцисс, они более удобны и наглядны. Ис- пользуя интегральную кривую (рис. 7.5), определяют коэффициент неоднородности Кн по формуле 10 60 d d KH  , где 10d – действующий, или эффективный диаметр частиц; 60d – контролирующий диаметр частиц. Действующим, или эффективным, диаметром частиц называют такой, меньше которого в породе содержится 10 % всех частиц. Контролирующим диаметром частиц называют такой, меньше которого в породе содержится 60 % частиц. Песчаные породы считаются неоднородными при Кн > 3, а гли- нистые – при Кн > 5. 46 Рис. 7.5. Интегральная кривая гранулометрического состава в полулогарифмическом масштабе Последовательность выполнения работы Для выполнения работы используют результаты определения гранулометрического состава, полученные в лабораторной работе № 6. 1. Вычерчивают треугольную диаграмму и изображают на ней гранулометрический состав породы. Классифицируют породу, ис- пользуя представленные на рис. 7.2 – 7.4 диаграммы. 2. В прямоугольной системе координат строят интегральную кривую гранулометрического состава породы в полулогарифмиче- ском масштабе следующим образом: а) результаты гранулометрического анализа пересчитывают по совокупности фракций. Для этого, начиная с самой мелкой фрак- ции, последовательно суммируют содержание фракций до 100 %. Каждая из промежуточных цифр полученного ряда будет показы- вать суммарное процентное содержание в породе фракций, меньше определенного диаметра; б) по оси ординат откладывают процентное содержание фракций по совокупности. По оси абсцисс откладывают не диаметр частиц в мм, а их логарифмы, точнее, размеры, пропорциональные логариф- мам. Для построения шкалы по оси абсцисс выбирают основание 47 этой шкалы, т.е. длину отрезка (например, 4 см), соответствующего g 10. От начала координат по оси абсцисс через интервал 4 см де- лают граничные метки. В начале координат ставят число 0,001, а против каждой последующей метки соответственно 0,01; 0,1; 1; 10 и т.д. Если в составе породы тонкие фракции отсутствуют, то шкала может быть сдвинута влево, т.е. в начале координат ставят не 0,001, а 0,01 или 0,1. Если g 10 = 1 будет соответствовать длине 4 см, то логарифмы предыдущих чисел будут равны следующим длинам: g 2 = 0,301 0,301 х 4 = 1,2 см g 3 = 0,477 0,477 х 4 = 1,9 см g 4 = 0,602 0,602 х 4 = 2,4 см g 5 = 0,699 0,699 х 4 = 2,8 см g 6 = 0,778 0,778 х 4 = 3,1 см g 7 = 0,845 0,845 х 4 = 3,4 см g 8 = 0,845 0,845 х 4 = 3,6 см g 9 = 0,954 0,954 х 4 = 3,8 см Откладывая длину вычисленных отрезков от начала координат и от каждой граничной метки вправо, на шкале абсцисс делают про- межуточные метки, против которых ставят соответствующие числа: в первом интервале 0,002, 0,003, 0,004 и т.д.; во втором интервале 0,02, 0,03, 0,04 и т.д.; в третьем интервале 0,2, 0,3, 0,4 и т.д. На соответствующих ординатах точками отмечают процентное содержание фракций меньше определенного диаметра, точки со- единяют плавной линией и получают интегральную кривую одно- родности. 3. По интегральной кривой гранулометрического состава опре- деляют эффективный и контролирующий диаметры частиц и рас- считывают коэффициент неоднородности породы. Контрольные вопросы 1. Каковы наиболее употребительные способы графического изображения гранулометрического состава? 2. Коэффициент неоднородности гранулометрического состава пород. Как его определить? 48 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: определение пределов прочности при растяже- нии и сжатии, построение паспорта прочности горных пород. Общие сведения Разрушение горных пород – основной процесс при добыче и пе- реработке полезных ископаемых. Определяющим фактором этого процесса является прочность пород. Прочность породы определяет- ся величиной критических напряжений, при которых происходит ее разрушение. Эти напряжения различны для различных пород и для различных видов приложенных нагрузок. Они носят название пре- делов прочности. Различают пределы прочности пород при сжатии, растяжении, сдвиге, изгибе и т.д. Эти показатели прочности харак- теризуют критическое состояние породы при ее одноосном нагру- жении. В реальных условиях горная порода находится в сложном напряженном состоянии, которое характеризуется различным соче- танием нормальных и касательных напряжений. Это состояние гор- ных пород наиболее точно описывается теорией прочности Мора, основанной на зависимости между касательными и нормальными напряжениями в каждой точке тела, находящегося в сложном напряженном состоянии. Для представления напряженного состояния породы в теориях упругости и пластичности используют графические изображения, называемые кругами напряжения Мора. Они дают возможность ис- следовать напряжения в плоскости с любым наклоном. Круги напряжений строят следующим образом (рис. 8.1). По оси абсцисс от начала координат откладывают максимальное 1 и минималь- ное 3 значения нормальных напряжений, действующих на образец породы. На разности отрезков 1 – 3 , как на диаметре, строят круг (или полуокружность). Значения касательного и нормального напряжений в любой точке породы могут быть найдены, если задан угол наклона плоскости  , в которой определяются напряжения. Под этим углом из точки пересечения окружности с абсциссой про- 49 водят прямую до ее пересечения с окружностью. Ордината точки пересечения окружности с прямой численно равна значению отыс- киваемых касательных напряжений  , абсцисса – значению нор- мальных напряжений  . Рис. 8.1. Взаимосвязь между нормальными и касательными напряжениями в породе Каждому частному значению предельного напряженного состоя- ния породы соответствует свой круг напряжений. Таким образом, можно построить целое семейство кругов напряжений. Очевидно, что любое напряженное состояние породы, характеризуемое точкой на графике, лежащей вне этого семейства, является разрушающим для данной породы. Поэтому, проведя огибающую этих кругов напряжений, получают кривую, характеризующую предельное напряженное состояние тела в момент его разрушения. Огибающую предельных кругов напряжений называют паспор- том прочности горных пород. На рис. 8.2. представлены наиболее характерные предельные круги напряжений Мора и их огибающая. 50 Рис. 8.2. Круги напряжений Мора и их огибающая: 1 – одноосное растяжение; 2 – чистый сдвиг; 3 – одноосное сжатие; 4 – всестороннее сжатие Построение паспорта прочности производится различными ме- тодами, но наиболее широкое применение в горной практике вслед- ствие простоты и достаточной точности получил метод растяжения и сжатия. Сущность метода заключается в построении кругов напряжений Мора для одноосного растяжения и сжатия и огибаю- щей этих кругов. Существуют следующие методы определения прочности пород при одноосном сжатии: 1. Определение прочности образцов правильной формы (рис. 8.3, а). В соответствии с международным стандартом должны изготовлять- ся образцы цилиндрической формы с отношением высоты к диа- метру, равным единице. В качестве нормы рекомендуется цилин- дрический образец диаметром 42 мм. Отклонение от этих размеров допускается в пределах от 40 до 45 мм, а отклонение в отношении высоты к диаметру – до 5 %. Могут применяться образцы в виде кубиков размером 50х50х50 мм. Торцы образцов должны быть строго параллельными и прошлифованными. Изготовление таких образцов сопряжено с высокой трудоемкостью. 2. Определение прочности образцов полуправильной формы. В этом случае для испытания на сжатие используют кубообразные образцы с линейными размерами параллельных плоскостей 20х20 мм и допускаемыми отклонениями от каждого размера не более  2 мм. Эти образцы получаются в результате определения прочно- сти при растяжении методом раскалывания пластин клиньями (это 51 позволяет при минимальном объеме пробы получить максимальное число данных по прочности пород). Предел прочности при одноосном сжатии cж определяется по формуле F cж Р  , где Р – максимальная нагрузка на образец в момент разрушения, Н; F – площадь поперечного сечения образца, м2. 3. Метод соосных пуансонов (рис. 8.3, б). Предназначен для мас- совых исследований прочности скальных и полускальных пород (однородных и не крупнозернистых). Сущность метода заключается в сжатии дисковых образцов (диаметром от 30 до 100 мм и толщи- ной 10…12 мм) двумя одинаковыми цилиндрическими соосно рас- положенными пуансонами. Предел прочности определяется по ве- личине разрушающей нагрузки и диаметрам образца и пуансонов. Методы определения прочности при растяжении подразделяются на следующие группы: 1. Методы прямого растяжения (рис. 8.3, в) заключаются в непо- средственном разрыве образца. Вследствие сложности изготовления фигурных образцов и разрыва не в расчетных сечениях, а в местах концентрации напряжений на неоднородностях породы, эта группа методов для горных пород практически не применяется 2. Методы изгиба пластин или балочек (рис. 8.3, г). Существен- ным недостатком определения прочности при растяжении этими методами является то, что растягивающие напряжения возникают только на выпуклой стороне изгибаемого образца, вследствие чего прочность может значительно колебаться в зависимости от состоя- ния его поверхности. 3. Методы разрыва полых образцов правильной и произвольной формы (рис. 8.3, д). Сущность методов заключается в разрыве гор- ной породы давлением изнутри, создаваемым с помощью гидропа- трона или расширяющегося под нагрузкой вязкого сплава, помеща- емых в отверстие образца. Методам присущи недостатки: относи- тельная сложность изготовления образцов породы с отверстием и невысокая точность определения прочности. 52 Рис. 8.3. Методы определения прочности пород 4. Метод диаметрального сжатия (рис. 8.3, е). Этот метод заклю- чается в раскалывании цилиндрических образцов (кернов) силами, приложенными по диаметрально противоположным образующим. Возникающие в плоскости, перпендикулярной приложенной нагрузке, растягивающие напряжения разрывают образец. Метод применим, главным образом, для пород, обладающих хрупким ха- рактером разрушения. Прочность при растяжении p подсчитывается по формуле F P F P p 637,02      , где Р – разрушающая нагрузка, Н; F – площадь поперечного сечения образца, м2. 53 5. Метод раскалывания пластин клиньями (рис. 8.3, ж). Один из распространенных методов определения прочности горных пород на разрыв. Хотя метод и является косвенным, он позволяет полу- чать результаты, вполне сходные с результатами испытаний пород непосредственно на растяжение. Сущность метода состоит в испы- тании образца пластинообразной формы на сжатие линейно сосре- доточенной нагрузкой с двух сторон между клиньями. Такая нагрузка вызывает разрыв образца на две части по поверхности, проходящей вдоль контакта породы с линейно сосредоточенной сжимающей нагрузкой. Для испытания раскалыванием используют образцы в виде пла- стин размером не менее 100х100 мм и толщиной 20 мм, изготавли- ваемые на камнерезной машине. Плоскости отреза образца должны быть параллельными. Отклонения от параллельности допускается не более 0,5 мм по минимальному размеру образца. Предел прочно- сти при растяжении p определяется по формуле   h P p , где Р – разрушающая нагрузка, Н; h – толщина образца, м;  – длина линии раскола, м. Испытание горных пород на разрыв и сжатие чаще всего произ- водится многократным раскалыванием пластины образца клиньями и раздавливанием полученных после раскалывания кубиков полу- правильной формы с линейными размерами параллельных плоско- стей 20х20х20 мм. Аппаратура: пресс или универсальная машина; раскалывающее устройство в виде стальных клиньев с длиной лезвия, превышаю- щей наибольший линейный размер образца, с углом заточки клинь- ев 900 и радиусом закрепления лезвий 3–5 мм; линейка; штанген- циркуль. 54 Последовательность выполнения работы а) Определение прочности при растяжении методом раска- лывания пластин клиньями 1. На одной из поверхностей пластины породы с помощью ли- нейки карандашом наносят сетку со стороной квадрата 20 мм. Ли- нии сетки должны отстоять от края образца не менее чем на 10 мм. 2. Образец укрепляют между раскалывающими клиньями пресса, совмещая лезвия клиньев с одной из линий нанесенной сетки. 3. Приводят пресс в действие и раскалывают образец на бруски, а затем по поперечным линиям – на кубики полуправильной формы. При каждом раскалывании образца фиксируют максимальную раз- рушающую нагрузку Р, измеряют штангенциркулем толщину об- разца h и длину линии раскола  с точностью до 0,5 мм. 4. Вычисляют предел прочности при растяжении для каждого опыта (выполняют 10–15 опытов). Результаты измерений и вычис- лений записывают в табл. 8.1. Таблица 8.1 № пп Толщина образца h, м Длина раскола  , м Разрушающая нагрузка Р, Н Прочность при растя- жении р , МПа отдельного образца средняя б) Определение прочности при сжатии образцов полупра- вильной формы 1. Образцы кубообразной формы, оставшиеся после раскалыва- ния, нумеруют, измеряют стороны а и в параллельных оснований. Вычисляют площадь сечения образца как полусумму площадей верхнего и нижнего оснований. 2. Образец устанавливают между платами пресса по центру. Приводят пресс в действие, сохраняя постоянной скорость нагру- жения до разрушения образца. Скорость нагружения должна нахо- диться в пределах 0,5–1 МПа/с. Фиксируют максимальную величи- ну разрушающей образец нагрузки. 3. Вычисляют предел прочности при сжатии. Результаты изме- рений и вычислений записывают в табл. 8.2. 55 Таблица 8.2 № пп Размеры образца, м Площадь образца F, м2 Разрушающая нагрузка Р, Н Прочность при растя- жении р , МПа а в отд. образца средняя в) Построение паспорта прочности горных пород 1. По полученным значениям р и cж строят паспорт прочно- сти в виде линейной огибающей (рис. 8.4). Для этого в прямоуголь- ной системе координат   строят два круга предельных напря- жений радиусами 2/1 pr  и 2/2 сжr  . Проводят к этим кру- гам касательную  tgC  , где С – сцепление породы, МПа;  – угол внутреннего трения. Определяют количественные показатели прочности породы: сцеп- ление С, угол внутреннего трения  , коэффициент внутреннего трения tg . Рис. 8.4. Паспорт прочности горной породы 56 2. Более точно теории прочности Мора соответствует нелиней- ная огибающая кругов напряжений. Паспорт прочности горных по- род часто представляют в виде параболы     cжсжpppp   22 , где  p – нормальное напряжение относительно начала коорди- нат в точке пересечения огибающей с осью абсцисс. Паспорт прочности с огибающей в виде параболы строят не ме- нее чем по 7 точкам: ;p  p5,0 ; 0; 0,25 сж ; 0,5 сж ; 0,75 сж ; сж . Контрольные вопросы 1. Методы определения прочности пород при одноосном сжатии и растяжении. 2. В чем заключается сущность метода многократного раскалы- вания и сжатия? 3. Как определить предел прочности при сжатии и растяжении? 4. Что представляет собой паспорт прочности? 5. Как по паспорту прочности определить коэффициент внутрен- него трения и сцепление породы? 57 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СДВИГУ ПЕСЧАНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ПОРОД Цель работы: определение сопротивления сдвигу пород с ис- пользованием сдвигового (срезного) прибора. Общие сведения Изучение сопротивления пород сдвигающим усилиям имеет большое значение для правильного расчета устойчивости основа- ний (несущей способности), оценки устойчивости откосов, расчета давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов. Сопротивление сдвигу характеризует прочность песчаных и гли- нистых пород, т.е. их способность сопротивляться разрушению, проявляющемуся в нарушении сплошности породы в результате смещения части породы по одной или нескольким поверхностям скольжения или вдоль зоны ослабления. Разрушение породы насту- пает тогда, когда касательные напряжения превышают внутренние силы сопротивления. В песчаных и других рыхлых породах внутренними силами со- противления сдвигу являются силы трения (внутреннего трения), возникающие при взаимном перемещении сдвигающих породу ча- стиц. В глинистых (связных) породах внутренними силами кроме сил трения являются также силы сцепления (силы структурных свя- зей). Сопротивление сдвигу связных пород выражается прямолиней- ной зависимостью, получившей название обобщенного закона Ку- лона Ctg   , где  – предельное сдвигающее усилие, МПа;  – нормальное уплотняющее давление, МПа; tg – коэффициент внутреннего трения породы; С – сцепление породы, МПа. 58 В сыпучих, несвязных породах силы сцепления практически равны нулю. Поэтому для таких пород зависимость между сдвига- ющими и нормальными напряжениями при сдвиге можно выразить более простым уравнением  tg . Сопротивление сдвигу породы зависит от ее физического состо- яния (степени нарушенности естественной структуры, плотности, влажности), а также от режима испытаний (способа подготовки об- разца, условий дренирования пород, скорости сдвига и т.д.). Поэто- му при определении сопротивления сдвигу песчаных и глинистых пород для получения наиболее достоверных данных необходимо учитывать влияние этих факторов и в зависимости от конкретных условий применять ту или иную схему испытаний. В зависимости от характера подготовки образцов породы к ис- пытаниям различают: 1) сдвиг образцов при нормальном уплотнении, когда образцы перед опытом уплотняются под разными нагрузками до окончания процесса консолидации. Сдвиг образца производится при той же вертикальной нагрузке, под которой он уплотняется; 2) сдвиг образцов, уплотненных большими нагрузками, до окон- чания процесса консолидации. Сдвиг осуществляется без нагрузки или при меньших нагрузках; 3) сдвиг образцов, не уплотненных или уплотненных в течение короткого промежутка времени (полной консолидации не наблюда- ется). Сдвиг производится при различных вертикальных нагрузках. В зависимости от скорости приложения сдвигающего усилия различают медленный и быстрый сдвиг. При медленном сдвиге сдвигающее усилие увеличивают только после прекращения де- формации, вызванной предыдущей ступенью этого усилия. При быстром сдвиге увеличение сдвигающего усилия производят быст- ро, не дожидаясь прекращения деформаций. Современная методика исследования прочности песчаных и гли- нистых пород в лабораторных условиях предусматривает использо- вание следующих основных схем. 1. Испытание пород по схеме быстрого сдвига без предваритель- ного уплотнения (при уплотняющих нагрузках, не превышающих 59 структурной прочности пород, природной нагрузки или веса соору- жений). Сдвигающее усилие передается равномерно и непрерывно в возрастающем порядке до разрушения породы. Результаты испыта- ний характеризуют природную прочность пород (или прочность в начальный момент воздействия на них нагрузок от сооружений). 2. Испытание пород по схеме медленного сдвига после предва- рительного полного уплотнения (в условиях завершенной консоли- дации, при уплотняющих нагрузках, соизмеримых с весом соору- жений). Сдвигающее усилие передается ступенями в возрастающем порядке до разрушения породы. Каждая новая ступень нагрузки прикладывается после завершения деформация от предыдущей. Ре- зультаты испытаний характеризуют прочность пород при гидроста- тическом состоянии. Эту схему часто называют стандартной. 3. Испытания пород в условиях свободного оттока воды в тече- ние опыта (в условиях открытой системы). При этом обеспечивает- ся полная консолидация породы от каждой ступени нагрузки, т.е. схема выполнима только при медленном сдвиге. 4. Испытание пород в условиях невозможности оттока воды (в условиях закрытой системы). В этом случае не вся внешняя нагруз- ка является эффективной, так как часть ее воспринимается поровой водой. Схема выполнима при быстром сдвиге (или при применении специальных приборов – стабилометров). Таким образом, выбор схемы испытаний пород на сдвиг опреде- ляется конкретными условиями и целями исследований. Наибольшая величина сопротивления пород сдвигу наблюдается при условиях, когда их влажность и прочность соответствуют дей- ствующей уплотняющей нагрузке и уплотнение достигает стабили- зации (при гидростатическом равновесии). Для оценки прочности песчаных и глинистых пород по сопро- тивлению сдвигу одним из основных является метод испытаний их в срезных приборах различной конструкции. Аппаратура: прибор для испытаний пород на сдвиг, оборудова- ние для определения влажности и средней плотности пород, часы. Описание прибора 60 Одним из современных приборов, предназначенных для опреде- ления сопротивления сдвигу глинистых и песчаных пород без пред- варительного уплотнения и после уплотнения при медленном или быстром сдвиге, является прибор сдвиговой ВСВ-25 (рис.9.1). Рис. 9.1. Сдвиговой прибор ВСВ-25: 1 – основание; 2 – установочный винт; 3 – каретка; 4 – нижняя обойма; 5 – срезыватель; 6 – верхняя обойма; 7 – динамометр; 8 – стойка; 9 – траверса; 10 – редуктор; 11 – штамп; 12 – гайка; 13 – панель; 14 – тормоз; 15 – динамометр; 16 – пиноль редуктора; 17 – редуктор; 18 – защелка; 19 – упор; 20 - индикатор На основании 1 установлены стойки 8 опорной рамы, в пределах которой располагается срезыватель 5; подвижная часть его входит в состав каретки 3, фиксируемой установочным винтом 2; два сило- вых редуктора 10 и 17 с динамометрами 7 и 15, создающими нор- мальное и горизонтальное сдвигающее усилия. В срезывателе при- бора имеется цилиндрическая полость, в которую помещена верх- няя неподвижная обойма 6 с верхним тонкостенным неподвижным срезным кольцом; нижняя подвижная обойма 4 с нижним срезным кольцом и перфорированным вкладышем, вставленным в гнездо с поддоном, закрепленным на плите каретки 3. Каретка при сдвиге перемещается относительно основания. Для уменьшения сопротив- 61 ления при сдвиге в канавках между плитой каретки и основания вложены шарики. Разъемные срезные кольца, в которых находится образец породы, имеют диаметр 7,14 см, т.е. площадь поперечного сечения испытуемого образца составляет 40 см2. На верхнюю непо- движную обойму навинчивается гайка 12, которая служит для со- здания между обоймами 4 и 6 и соответственно между краями срез- ных колец необходимого зазора. Сверху на образец породы уста- навливается штамп 11. Уплотняющее усилие (вертикальная нагрузка) на образец созда- ется вращением рукоятки редуктора 10, который неподвижно со- единен с основанием прибора посредством траверсы 9, стоек 8 и панели 13. Измерение величины вертикальной нагрузки произво- дится динамометром 7. Сдвигающее усилие (горизонтальное) создается вращением ру- коятки редуктора 17 и передается на каретку 3 через динамометр 15, измеряющий величину сдвигающего усилия. При исследовании пород с различными физико-механическими свойствами требуются и различные сдвигающие усилия. Поэтому для более точного измерения сдвигающего усилия в комплект при- бора входят два динамометра (ДОСМ-3-0,2 и ДОСМ-3-1), снабжен- ные тормозом 14. При установке динамометра ДОСМ-3-1 между ним и упором 19 вставляется удлинитель. Конструкция редукторов 10 и 17 одинакова. Для быстрого под- вода и отвода пиноли 16 редуктора защелка 18 должна находиться в положении, показанном на рис. 9.1. При этом ход пиноли составля- ет 1 мм за 1 оборот рукоятки. При приложении нагрузки защелку 18 необходимо поставить в положение, изображенное на рис. 9.1 штрих-пунктирной линией. В этом случае усилие, прикладываемое к рукоятке, уменьшается в 7,5 раза, а ход пиноли составляет 0,18 мм за 1 оборот рукоятки. Для измерения деформации образца при медленном сдвиге уста- навливается индикатор 20. При производстве быстрого сдвига (за- нимающего 20–40 секунд) индикатор на прибор не устанавливается. Последовательность выполнения работы 1. Из монолита породы вырезают образец цилиндрической фор- мы с размерами, совпадающими с размерами рабочей части сдви- 62 гающего прибора. Образец вырезается методом режущего кольца так же, как при определении плотности породы. Одновременно с вырезыванием образца берут пробу для определения влажности по- роды до опыта. При испытании пород естественного сложения образцы необхо- димо располагать в прибор, ориентированный так же, как они зале- гали в естественных условиях. (Если породы имеют признаки ани- зотропии, их желательно испытывать по поверхностям ослабления и перпендикулярно к ним). 2. Образцы естественного сложения из песчаных пород вырезать часто не представляется возможным. В этом случае их приготавли- вают путем загрузки навески воздушно-сухого песка в прибор при плотности, соответствующей естественной или заданной. Подготовка образцов глинистых пород нарушенного сложения производится так же, как и при испытании их на компрессию. 3. В смонтированный срезыватель 5 вставляют срезные кольца с образцом породы, покрытым с обоих торцов фильтровальной бума- гой. На образец устанавливают штамп 11. Установочным винтом 2 фиксируют каретку 3. 4. Устанавливают динамометр 7 и вращением рукоятки редукто- ра 10 подводят пиноль к динамометру. 5. Устанавливают динамометр 15 и вращением рукоятки редук- тора 17 подводят систему в рабочее положение. 6. Создают необходимый зазор (0,5–1 мм) между верхней и ниж- ней обоймами вращением гайки 12 по часовой стрелке. 7. Вращением рукоятки редуктора 10 согласно рабочей таблице создают заданную уплотняющую нагрузку (давление) на образец. (Для каждого динамометра по их паспорту составляют рабочие таб- лицы, по которым определяются показания динамометров, соответ- ствующие заданной нагрузке). Определение сопротивления сдвигу песчаных и глинистых по- род производят при трех уплотняющих нагрузках (например, при 0,05–0,1–0,2; 0,1–0,2–0,3; 0,1–0,2–0,4; 0,1–0,3–0,6 МПа). Для этого опыт на сдвиг повторяют три раза на отдельных образцах породы, вырезанных из одного и того же монолита. По стандартной схеме испытаний при медленном сдвиге глини- стую породу выдерживают под нагрузкой в течение не менее 15– 63 18 ч, а песчаную – не менее 0,5–1 ч для полной консолидации уплотнения; при быстром сдвиге – 10–15 мин. 8. Обеспечивают ход каретки 3 на 10–15 мм. Для этого необхо- димо вывернуть установочный винт 2. 9. При быстром сдвиге включают тормоз 14 динамометра 15 вращением винта тормоза по часовой стрелке до положения, когда стопор тормоза прижмется к ножке индикатора с силой, достаточ- ной, чтобы препятствовать обратному движению ножки индикатора. При медленном сдвиге тормоз 14 отключают вращением винта против часовой стрелки. 10. Вращением рукоятки редуктора 17 прикладывают сдвигаю- щее усилие в случае медленного сдвига заданными ступенями (по 0,05 от нормальной уплотняющей нагрузки). Размеры каждой сту- пени нагрузки, а также величину полного сдвигающего усилия бе- рут по рабочей таблице динамометра. Каждая ступень сдвигающей нагрузки выдерживается до затухания или стабилизации горизон- тальной деформации образца породы. Стабилизация горизонталь- ной деформации считается достигнутой, если ее скорость не пре- вышает 0,01 мм/мин. Наблюдения за деформациями породы произ- водят через каждые 2–3 мин по индикатору 20 с точностью до 0,01 мм и записывают в специальный журнал. Испытание при данной вертикальной нагрузке считается закон- ченным, когда происходит непрерывный сдвиг породы или общая величина деформации превышает 4–5 мм. 11. Если в процессе сдвига изменится вертикальное давление, то вращением рукоятки редуктора 10 приводят его к заданной величине. 12. При испытании пород по схеме быстрого сдвига сдвигающее усилие прикладывают, плавно его увеличивая, вращением рукоятки редуктора 17. Сдвиг считается достигнутым, когда вращение руко- ятки перестает вызывать увеличение сдвигающего усилия. Это мак- симальное горизонтальное усилие и характеризует сопротивление горной породы сдвигу при заданной нормальной нагрузке. 13. По окончании испытаний породы на сдвиг снимают верти- кальную нагрузку и из породы в плоскости среза отбирают пробы для определения ее влажности. 14. Строят график зависимости сопротивления породы сдвигу  от нормальной нагрузки  . Устанавливают количественные пока- 64 затели прочности породы – сцепление С и коэффициент внутренне- го трения tg . Отрезок, отсекаемый полученной прямой на оси ординат, выра- жает величину сцепления, а тангенс угла наклона прямой к оси абс- цисс и есть коэффициент внутреннего трения. 15. Результаты правильно проведенных испытаний пород на сдвиг должны удовлетворять следующим условиям. При построе- нии зависимости сдвигающих усилий от нормальной нагрузки все полученные точки должны лежать приблизительно на прямой (для неоднородной породы допускается отклонение точек от прямой, не превышающее 5 % от сдвигающего усилия); прямая не должна пе- ресекать ось ординат ниже начала координат. Для песчаных пород эта прямая обычно проходит через начало координат. 16. Данные измерений и вычислений записывают в табл. 9.1. Таблица 9.1 Журнал определения сопротивления пород сдвигу Образец № ………. …………...Условия опыта ………………………. Описание образца ………….....Влажность породы до опыта……….. Площадь сечения образца…… Влажность породы после опыта……. Диаметр образца……………… Плотность породы до опыта……….. Высота образца……………….. Дата …………………………………. № Верт. нагруз- ка, МПа Сдви- гающее усилие, МПа Про- должит. сдвига, мин Пока- зания инди- катора Дефор- мация образца, мм Коэфф. внут- реннего трения Сцепле- ние, МПа Контрольные вопросы 1. Какие схемы применяются при изучении сопротивления пес- чаных и глинистых пород на сдвиг? 2. Приборы для исследования песчаных и глинистых пород. Устройство сдвигового прибора ВСВ-25. 3. Построение диаграмм сопротивления сдвигу глинистых и пес- чаных пород. 4. Какие показатели характеризуют прочность глинистых и пес- чаных пород? 65 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СДВИГУ ПЕСЧАНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ПОРОД Цель работы: определение условного сопротивления сдвигу песчаных и глинистых пород методом пенетрации. Общие сведения Пенетрацией называется метод определения сопротивления по- род проникновению в них наконечников определенной формы и размеров под действием нагрузки (при условии, что глубина погру- жения наконечника не превышает его высоты). Установлено, что различным состояниям песчаных и глинистых пород соответствуют определенные величины предельной прочно- сти, довольно просто определяемые методом пенетрации. Поэтому он широко используется для сравнительной оценки состояния и прочности пород, для выявления ослабленных зон, горизонтов, про- слойков пород в геологическом разрезе. Для характеристики результатов исследований пород методом пенетрации П.А. Ребиндер предложил применять величину пласти- ческой прочности (условное предельное сопротивление сдвигу) Рпл, МПа, а В.Ф. Разоренов – величину предельного сопротивления пенетрации Rпн, МПа 2пн2 h R; h РКР Pпл  , где К – константа конического наконечника, зависящая от угла рас- твора конуса (К = 0,959 – для  = 30о; К = 0,416 – для  = 45о; К = 0,214 – для  = 60о); Р – усилие пенетрации (вес наконечника вместе со штангой и грузом), Н; h – глубина погружения конического наконечника под влиянием усилия Р, м. 66 Для пенетрационных испытаний песчаных и глинистых пород рекомендуется пользоваться наконечником с углом раствора 30о. Аппаратура: пенетрометр, оборудование для определения влаж- ности и плотности пород, секундомер. Последовательность выполнения работы 1. Из монолита породы естественного сложения и влажности или массы, приготовленной из породы нарушенного сложения, но опре- деленной заданной влажности и плотности, вырезают образец ре- жущим кольцом диаметром 7–10 см. Одновременно из монолита отбирают пробу для определения влажности породы. 2. Кольцо с образцом устанавливают на столик пенетрометра, конический наконечник подводят к поверхности образца и вдавли- вают в породу заданной нагрузкой. Нагрузку прикладывают ступе- нями, величину которых выбирают в зависимости от прочности по- роды: на слабые – по 0,1–0,2 Н, на породы средней плотности и прочности – по 1–5 Н, на плотные и прочные – по 5–10 Н. Каждую ступень нагрузки прикладывают после прекращения по- гружения конуса или условного затухания погружения конуса (не более 0,1–0,2 мм за 30–60 с). Наблюдения за погружением конуса производят по индикатору. 3. Опыт повторяют 3–5 раз в различных точках образца. При каждом испытании прикладывают от 4 до 10 ступеней нагрузки. Общая глубина погружения конуса должна достигать 10–15 мм. После прекращения погружения (или условного затухания погру- жения) конуса от последующей ступени нагрузки определяют глу- бину погружения конуса и общую нагрузку – усилие пенетрации. 4. Вычисляют значения условного сопротивления сдвигу (пла- стической прочности) пород Рпл и удельного сопротивления пене- трации Rпн. Данные измерений и вычислений записывают в табл. 10.1. 67 Таблица 10.1 Описание образца ……………..Угол раствора конуса……………….. № Влаж- ность породы, % Плот- ность кг/м3 Глубина погруже- ния кону- са, м Усилие пене- трации, Н Условное сопротивле- ние сдвигу, МПа Удельное сопротивле- ние пенетра- ции, МПа Контрольные вопросы 1. Принцип измерения условного сопротивления сдвигу песча- ных и глинистых пород методом пенетрации. 2. Какие характеристики получают в результате пенетрационных испытаний; как их рассчитать? 68 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНОЙ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: практическое ознакомление с методом определе- ния контактной прочности горных пород. Общие сведения Значение контактной прочности позволяет оценить твердость породы. Определение контактной прочности наиболее часто произ- водится методом вдавливания цилиндрического штампа с плоским основанием в естественную, не обработанную поверхность образца породы. Метод применим для горных пород, испытывающих при вдавливании штампа хрупкое разрушение, т. е. для подавляющего большинства крепких горных пород. Для определения контактной прочности горных пород применя- ются цилиндрические штампы с плоским основанием двух видов: изготовленные из углеродистой стали с последующей закалкой и со сменным твердосплавным наконечником. Стальные штампы рекомен- дуется применять для пород с контактной прочностью до 15–16 МПа, выше этого значения – штампы со сменным твердосплавным нако- нечником. При выборе размеров штампа необходимо стремиться к тому, чтобы диаметр рабочей части его не менее, чем в 3 раза превышал средний диаметр зерен породы. Образцы породы для испытаний должны быть объемом не менее 150–200 см2 и иметь две приблизительно параллельные грани. Для предотвращения раскалывания образцов толщина их должна быть не менее 100–120 мм. При проведении нескольких опытов на поверхности одного об- разца расстояние между соседними точками вдавливания штампа необходимо выбирать с таким расчетом, чтобы лунки соседних вы- колов не соприкасались между собой. Аппаратура: штамп стальной или со сменным твердосплавным наконечником, пресс с предельной нагрузкой 2,5–5 т. 69 Последовательность определения 1. Устанавливают образец породы на плите пресса. 2. Закрепляют штамп в верхней плите пресса. 3. Производят нагружение образца в один прием со скоростью от 6 до 12 мм/мин (нагружение производят до появления лунки выкола, о чем свидетельствует резкое падение давления). 4. Регистрируют усилие пресса в момент появления лунки выкола. 5. Вычисляют величину контактной прочности по формуле n S Fn 1i  кP , где Рк – контактная прочность, Па; F – нагрузка в момент хрупкого разрушения (выкола лунки), Н; S – площадь штампа, м2; n – число опытов на одном образце породы. 6. Данные измерений и вычислений записывают в табл. 11.1. Таблица 11.1 № образца № опыта Разрушающая нагрузка F, Н Площадь штампа S, м2 Контактная прочность Рк, Па Контрольные вопросы 1. В чем заключается сущность метода определения контактной прочности? 2. Каким требованиям должны удовлетворять образцы горных пород, предназначенные для определения контактной прочности? 3. Как по результатам опыта рассчитать контактную прочность? 70 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 12 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА КРЕПОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: практическое ознакомление с определением дина- мического коэффициента крепости горных пород методом толчения. Общие сведения Коэффициентом крепости горных пород называется относитель- ный показатель, приближенно характеризующий сопротивляемость различных пород разрушению при добыче. Крепость горных пород можно рассматривать как сопротивление разрушению вообще. Коэффициент прочности той или иной породы характеризует крепость данной породы в отношении сопротивляемости бурению, взрыванию, резанию и т.д. По шкале проф. М.М. Протодьяконова (старшего) все горные породы по крепости разделены на 10 катего- рий. При составлении шкалы М.М. Протодьяконов принял за еди- ницу крепости породы временное сопротивление одноосному сжа- тию образцов правильной формы, равное 10 МПа. Максимальное значение коэффициента крепости равно 20 для «в высшей степени крепких пород» (кварциты и базальты), а минимальное f = 0,3 име- ют «плывучие породы» (плывуны, болотистый грунт, разжижен- ный лесс и другие разжиженные грунты). К крепким породам с f = 10 относятся граниты, очень крепкие песчаники и известняки, конгломераты, кварцевые рудные жилы. К мягким породам с f = 1 относятся плотная глина, мягкий каменный уголь, глинистый грунт. По результатам испытания образцов горных пород на сжатие ко- эффициент крепости определяется по формуле 10 сжf   , где f – коэффициент крепости; сж – временное сопротивление одноосному сжатию образца правильной формы, МПа. 71 В настоящее время для расчета коэффициента крепости приме- няется уточненная формула Л.И. Барона . 330 сжсжf   Величину коэффициента крепости можно определять различны- ми способами: по сопротивляемости горной породы элементарной деформации, например, одноосному сжатию; по величине работы, затрачиваемой на дробление; по сопротивляемости бурению (или скорости бурения); по расходу взрывчатых веществ на отбойку и др. Для определения динамического коэффициента крепости горных пород М.М. Протодьяконов (младший) предложил метод толчения, основанный на пропорциональной зависимости работы, затрачива- емой на дробление пробы горной породы, от величины вновь обра- зованной прим этом поверхности. Для проведения испытаний из пробы породы отбирают 5 навесок массой 40–60 г каждая, состоящих из кусочков размером 20–40 мм. Каждую навеску помещают в загрузочный стакан прибора ПОК (прибор для определения крепости) и разрушают ее путем много- кратного сбрасывания гири массой 2,4 кг с высоты 0,6 м. Число сбрасываний гири в зависимости от прочности породы принимается от 5 до 15. Прибор ПОК (рис. 12.1) состоит из загрузочного стака- на, трубчатого копра и гири. В комплект прибора входит объёмомер для замера высоты столбика мелкой фракции и набор сит с ячейка- ми 10; 5; 2,5; 1 и 0,5 мм. Все 5 навесок раздробленных а копре просеивают совместно на наборе сит. Фракция размером менее 0,5 мм, оставшаяся на поддоне набора сит, высыпается в стакан объёмомера диаметром 23 мм. Последовательность определения 1. Ручным молотком разбивают образец породы на кусочки раз- мером 20–40 мм. 2. Отбирают из 5 навесок по 40–60 г каждая. 3. Измеряют начальную поверхность кусочков породы Sнач, м2. 4. Засыпают навеску в стакан прибора ПОК. 72 Рис. 12.1. Схема прибора ПОК 1 – загрузочный стакан копра; 2 – трубчатый копер; 3 – гиря; 4 – ограничитель; 5 – трос; 6 – рукоятка 5. Вставляют гирю в стакан и производят в зависимости от кре- пости породы от 5–15 сбрасываний, поднимая гирю при помощи рукоятки (дробление каждой навески производят отдельно). 6. После толчения всех 5 навесок измельченную породу высы- пают на набор сит и выполняют ситовой анализ (при необходимо- сти получения только значения коэффициента крепости, измель- ченную породу высыпают на сито с отверстиями 0,5 мм). 7. Мелкую фракцию размером менее 0,5 мм засыпают в стакан объёмомера диаметром 23 мм. 8. Фиксируют высоту столбика мелкой фракции в объёмомере. 9. Вычисляют динамической коэффициент крепости породы по формуле h n20 дf , где 20 – эмпирический числовой коэффициент, обеспечивающий получение общепринятых значений коэффициента крепости и учи- тывающий работу, затраченную на дробление породы; 73 n – число ударов гири по одной навеске; h – высота столбика мелкой фракции в объёмомере после испы- тания пяти навесок, мм. 10. Вычисляют полезную работу, затраченную непосредственно на разрушение породы, по формуле  HgmnA , где n – число ударов гири по одной навеске; m = 2,4 кг – масса сбрасываемой гири; g – ускорение свободного падения, м/с2; H – высота сбрасывания гири, м;  = 0,60 – 0,75 – к.п.д. прибора ПОК. 11. По результатам ситового анализа вычисляются средние раз- меры частиц каждой фракции di и суммарная вновь образованная поверхность частиц в результате дробления. Средние размеры ча- стиц данной фракции равны полусумме размеров ячеек соседних сит. Допуская, что частицы имеют правильную сферическую форму и по известной массе фракции mi и плотности породы  вычис- ляют число частиц ni данной фракции  3 6 i i i d m n  . Суммарную поверхность всех частиц одной фракции вычисляют по формуле i i d m6   чii SnS , где Sч = 2 id – поверхность одной сферической частицы, м 2. Суммарная поверхность частиц всех фракций Sкон будет    n i iкон SS 1 м2. 74 Вновь образованная поверхность S в процессе разрушения гор- ной породы составит начкон SSS  м 2. 12. Данные измерений и вычислений записывают в табл. 12.1. Таблица 12.1 № Число сбрасыва- ний гири на одну навеску, n Высота стол- бика фракции < 0,5 мм в объемомере Коэффи- циент крепости fд Полезная работа на дроблении породы А, Дж Поверхность частиц породы, м2 начальная Sнач конечная Sкон Контрольные вопросы 1. Что называется коэффициентом крепости горных пород? 2. Как определить коэффициент крепости горных пород по ре- зультатам испытаний образцов на сжатие? 3. Какое максимальное и минимальное значение может иметь коэф- фициент крепости горных пород по шкале М.М. Протодьяконова? 4. В чем заключается сущность определения динамического ко- эффициента крепости горных пород методом толчения? 5. Из каких элементов состоит прибор ПОК для определения кре- пости горных пород? 6. Как определяется работа, затраченная непосредственно на раз- рушение породы и вновь образованная при этом поверхность? 75 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 13 ОПРЕДЕЛЕНИЕ АБРАЗИВНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: определение абразивности горных пород и уста- новление класса абразивности методами Л.И. Барона и А.В. Кузне- цова. Общие сведения Абразивность – способность породы изнашивать при трении контактирующие с ней инструменты, поверхности горных машин или оборудования в процессе их работы. Износ инструмента проис- ходит в результате разрушения его поверхности твердыми частица- ми породы. Наиболее простым методом определения абразивности горных пород является метод, разработанный Л.И. Бароном и А.В. Кузне- цовым. Сущность метода состоит в истирании о необработанную поверхность образца породы обоих торцов вращающегося эталон- ного стержня диаметром 8 мм и длиной 70 мм из незакаленной ста- ли – серебрянки при постоянной частоте вращения 6,7 с-1, осевой нагрузке 150 Н и времени истирания каждого торца стержня 600 с. За критерий абразивности принимается средняя потеря массы стержня в миллиграммах. Стержни можно использовать повторно после обточки торцов, закруглившихся в процессе «сверления» породы. Метод позволяет без дополнительных вычислений и расчетов получать данные, характеризующие относительную абразивность горных пород. Согласно этому методу все горные породы по абразивности раз- делены на 8 классов (табл. 13.1) Аппаратура: сверлильный станок настольного типа, аналитиче- ские весы. 76 Таблица 13.1 Номер класса абразивности Характеристика пород по абразивности Показатель аб- разивности, мг I II III IV V VI VII VIII Весьма малообразивные Малообразивные Ниже средней абразивности Среднеабразивные Выше средней абразивности Повышенной абразивности Высокообразивные В высшей степени абразивные Менее 5 5–10 10–18 18–30 30–45 45–65 65–90 Более 90 Последовательность определения 1. Образец породы зажимают в тисках между деревянными про- кладками таким образом, чтобы верхняя поверхность его занимала горизонтальное положение. 2. Взвешивают эталонный стержень на аналитических весах с точностью до 0,1 мг. 3. Зажимают в патроне шпинделя эталонный стержень, включа- ют привод станка, опускают стержень на поверхность образца по- роды и «сверлят» в течение 600 с. 4. Отключают привод станка и переворачивают стержень в па- троне, соблюдая при этом осторожность, так как стержень может нагреваться до 200–300 оС (эта температура соответствует появле- нию соломенно-желтого цвета побежалости). 5. Включают привод станка, опускают стержень на свежий уча- сток поверхности образца, предварительно переместив тиски и «сверлят» в течение 600 с. 6. Вынимают стержень из патрона, тщательно промывают его в бензине и дают ему возможность высохнуть на воздухе в течение 600–900 с. 7. Взвешивают стержень на аналитических весах с точностью до 0,1 мг. 8. Вычисляют показатель абразивности породы по формуле 77 2 21 mmA   , где А – показатель абразивности, мг; m1 – масса стержня до опыта, мг; m2 – масса стержня после одного парного опыта, мг. 9. По табл. 13.1 устанавливают класс абразивности породы. 10. Результаты определений и вычислений записывают в табл. 13.2. Таблица 13.2 № Название породы Масса стержня, мг Потеря массы m1 – m2, мг Абразив- ность А, мг Класс абразив- ности до опыта m1 после опыта m2 Контрольные вопросы 1. Что называется абразивностью горных пород? 2. В чем заключается сущность метода определения абразивно- сти горной породы истиранием эталонного стержня? 78 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 14 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА ЕСТЕСТВЕННОГО ОТКОСА РАЗРЫХЛЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: изучение методов определения угла естественно- го откоса, угла обрушения разрыхленных горных пород. Общие сведения Угол естественного откоса  – это угол между свободной по- верхностью рыхлой горной породы и горизонтальной плоскостью. Угол естественного откоса зависит от коэффициента трения, шероховатости и формы частиц породы, ее увлажнения, грануло- метрического состава и плотности кусков породы, слагающих гор- ную массу. В лабораторных условиях угол естественного откоса определя- ется только для песчаных и гравелистых пород. При этом, чем боль- ший объем породы подвергается испытанию, тем точнее получают- ся результаты. Значение угла естественного откоса чистых песков примерно рав- но его углу внутреннего трения и, следовательно, по углу естествен- ного откоса можно оценить сопротивление сдвигу песчаных пород. Угол естественного откоса определяют для песка, находящегося в воздушно-сухом состоянии или помещенного в воду. Для этого используют приборы различной конструкции. а) Определение с помощью полого цилиндра Это наиболее простой способ определения угла естественного откоса. В цилиндр диаметром dц и высотой hц засыпают исследу- емую породу и медленно его поднимают, после чего измеряют вы- соту образовавшего конуса hк и его диаметр dк . Объем горной массы V как в форме цилиндра, так и в форме конуса остается одним и тем же к к ц ц h d h d V      43 1 4 22  . 79 Диаметр образовавшегося конуса зависит от его высоты tg h d кк   2 . Угол естественного откоса  можно вычислить по формуле ц к ц к h h d h tg     3 2  . Аппаратура: полый цилиндр (без дна), масштабная линейка, уг- ломер. Определение Последовательность выполнения работы 1. На горизонтальную поверхность ставят цилиндр без дна. 2. Насыпают в цилиндр породу. 3. Медленно поднимают цилиндр с целью образования конуса высыпавшейся породой. 4. Измеряют высоту и диаметр образовавшего конуса. 5. Рассчитывают значение угла естественного откоса  . 6. Опыт выполняют три раза и определяют среднее арифметиче- ское значение  . Все данные измерений и вычислений записывают в табл. 14.1. Таблица 14.1 № Результаты измерений Результаты вычислений hц, м dц, м hк, м dк, м Vц =Vк, м3 tg  о б) Определение при помощи прибора с выпускным отверстием Здесь используется способ образования свободной поверхности обрушением, при котором откос образуется в толще разрушенной горной массы в результате ее сдвижения (рис. 14.1). Вследствие уплотнения и слеживаемости разрушенных горных пород угол об- рушения  обр больше угла естественного откоса  , и только для 80 идеально сыпучих материалов, например, для сухого промышлен- ного песка,  обр  . Рис. 14.1. Образование свободной поверхности в толще разрушенной горной массы при ее обрушении Аппаратура: прибор для определения угла естественного откоса при обрушении, линейка, угломер, измерительная стойка. Последовательность выполнения работы 1. Закрывают выпускное отверстие задвижкой и засыпают раз- рыхленную породу в прибор до уровня Н. 2. Осторожно вытягивают задвижку, открывая заданное выпуск- ное отверстие диаметром d. 3. Измеряют верхний диаметр D образовавшейся воронки вы- пуска. 4. Измеряют высоту hк и диаметр dк образовавшего конуса от- сыпки. Высоту определяют при помощи измерительной стойки, а величину диаметра – посредством нанесенной на дно прибора сетки. 5. Вычисляют угол естественного откоса при обрушении по формуле dD H tg обр    2  . 6. Рассчитывают угол естественного откоса в образовавшемся конусе 81 к к d h tg   2  . 7.Опыт выполняют при пяти различных уровнях Н песка в при- боре или пяти различных диаметрах выпускного отверстия d в за- движке. Полученные результаты записывают в табл. 14.2. 8. Устанавливают и анализируют зависимость угла естественно- го откоса при обрушении обр от высоты слоя породы Н, а также величину угла естественного откоса  образовавшейся отсыпки от диаметра выпускного отверстия d. Таблица 14.2 № Результаты измерений Результаты вычислений Н, м D, м d, м hк, м dк, м обрtg tg o обр  о в) Определение при помощи прибора с выдвижной перего- родкой Прибор представляет собой банку (из органического стекла) прямоугольной формы размером 10х20х30 см, разделенную вы- движной перегородкой на малое и большое отделения (рис. 14.2). Рис. 14.2. Схема прибора Аппаратура: прибор для определения угла естественного отко- са, линейка, транспортер. 82 Последовательность выполнения работы 1. Прибор ставят на горизонтальную плоскость. Выдвижная пе- регородка при этом опущена до дна. В малое отделение прибора до верху насыпают исследуемый песок. 2. Постепенно, без толчков, поднимают выдвижную перегородку. 3. После прекращения осыпания песка и наступления положения равновесия определяют угол естественного откоса при помощи транспортира или путем измерения высоты откоса h и длины зало- жения откоса  линейкой (с точностью до 1 мм) и вычисления тан- генса угла   h tg  . Угол  определяют по таблице тангенсов (табл. 14.3). Таблица 14.3 Величины тангенсов для определения угла естественного откоса  о tg  о tg  о tg  о tg 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0,000 0,017 0,035 0,052 0,070 0,087 0,105 0,123 0,141 0,158 0,176 0,194 0,212 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0,231 0,249 0,268 0,287 0,306 0,325 0,344 0,364 0,384 0,404 0,424 0,445 0,466 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 0,488 0,510 0,532 0,554 0,577 0,601 0,625 0,649 0,675 0,700 0,727 0,754 0,781 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 0,810 0,839 0,869 0,900 0,932 0,966 1,000 1,036 1,072 1,111 1,150 1,192 4. Определение угла естественного откоса песка, находящегося под водой, отличается от предыдущего следующим. После того, 83 как в малое отделение прибора насыпают песок, в большое отделе- ние заливают доверху воду. Поднимают выдвижную перегородку на несколько миллиметров, чтобы вода могла проникнуть в малое отделение. После полного насыщения песка водой поднимают вы- движную перегородку выше и определяют угол естественного отко- са песка под водой так же, как песка, находящегося в воздушно- сухом состоянии. 5. Опыт повторяют не менее трех раз, после чего определяют среднее арифметическое значение угла естественного откоса. Дан- ные опыта записывают в табл. 14.4. Таблица 14.4 № Высота откоса, м Длина зало- жения откоса, м Угол естественного откоса, град в воздушно-сухом состоянии под водой Контрольные вопросы 1. Что называется углом естественного откоса, от чего он зависит? 2. Какими методами можно определить угол естественного отко- са песчаных пород? 84 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 15 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД Цель работы: практическое ознакомление с методами измере- ния диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектриче- ских потерь горных пород. Общие сведения Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери ха- рактеризуют способность горных пород поглощать электромагнит- ную энергию и используются в расчетах процессов нагрева и раз- рушения пород в электромагнитном поле. Кроме того, они опреде- ляют характер распространения электромагнитных колебаний в горных породах, ряд задач, связанных с применением электрофизи- ческих методов в области горного дела и разведочной геофизики, требуют изучения диэлектрических свойств пород и т.д. Диэлектрические свойства характеризуют поведение горной по- роды – диэлектрика в электрическом поле. Под воздействием элек- трического поля в породе происходят процессы поляризации, кото- рые в свою очередь влияют на внешнее поле, изменяя его напря- женность. Поляризация обусловлена смещением внутренних связанных зарядов породы в электрическом поле, которые создают в породе свое поле, направленное противоположно и ослабляющее его. Различают несколько видов поляризации: электронную, ионную, дипольную и миграционную (объемную). Кроме того, в горных по- родах наблюдается также медленная электрохимическая поляриза- ция, связанная с присутствием в них жидкой фазы. Мерой поляризации горной породы служит величина относи- тельной диэлектрической проницаемости  , которая показыва- ет, во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля в породе по сравнению с вакуумом и которая зависит от числа по- ляризующихся в единице объема породы частиц n и от среднего коэффициента поляризации o 85 1   o o n    , где o = 8,85 .10-12 ф/м – электрическая постоянная. Понятие диэлектрической проницаемости имеет смысл только для высокоомных пород, поскольку в проводниках вместо взаимо- действия зарядов будет происходить их перенос из точки с боль- шим потенциалом в точку с меньшим потенциалом до момента их выравнивания. В этом случае напряженность поля Е = 0 и, следова- тельно, диэлектрическая проницаемость стремится в бесконечно- сти. Горная порода, имеющая высокое электрическое сопротивление в переменном электрическом поле, характеризуется еще одним па- раметром – углом диэлектрических потерь  . Угол  можно представить как угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз между полным переменным током, проходящим через конденсатор, запол- ненный породой, и направлением между обкладками конденсатора. Полный ток в реальном диэлектрике является векторной суммой токов: емкостного (тока смещения) I c , проводимости Ia и тока, обусловленного релаксационными видами поляризации Ir, кото- рый, в свою очередь, также состоит из емкостного cI  и активного aI  токов. Отношение суммы активных составляющих полного тока к сум- ме его реактивных составляющих называется тангенсом угла ди- электрических потерь tg acc aa RCfII II tg        2 1 , где f – частота поля; С и Ra – емкость и активное сопротивление породы. Параметр tg характеризует ту часть электрической энергии, которая выделяется в горной породе в виде тепла при переменном напряжении. 86 Удельное количество тепла, выделяющееся в горной породе в электрическом поле напряженностью Е, равно 122 105,55  Etgfq  Дж/м3. Относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь горных пород определяются различными методами в зави- симости от частоты электрического поля, воздействующего на гор- ную породу. При низких частотах (до 103 Гц) наиболее удобна мостовая из- мерительная схема с параллельным включением емкости и сопро- тивления. При измерении на более высоких частотах (103–108 Гц) стано- вятся заметными погрешности, обусловленные краевым эффектом, выражающимся в нарушении однородности поля по краям образца породы, а также влиянием индуктивности и емкости подводящих проводов и сопротивления электродов. В этом случае используются резонансные методы измерения при помощи измерителей доброт- ности, позволяющие отказаться от многочисленных паразитных связей между элементами мостовой измерительной схемы. При определении диэлектрических свойств на сверхвысоких ча- стотах (108–1010 Гц) существенной становится соизмеримость гео- метрических размеров элементов измерительной установки с дли- ной волны электрического поля ( – несколько сантиметров). В этой связи становится непригодной измерительная аппаратура, вы- полненная на сопротивлениях, конденсаторах и катушках индук- тивности. В этом случае используются длинные измерительные линии (волноводы) и объемные резонаторы. Наибольшее распространение получили резонансные методы измерения диэлектрических свойств пород, которые соответствуют довольно большому диапазону частот (103–108 Гц), чаще всего ис- пользуемых при воздействии электромагнитного поля на горные породы. При этом наиболее универсальными измерительными при- борами являются куметры – измерители добротности (рис. 15.1). Измеритель добротности состоит из: генератора, который может перестраиваться на работу при различной частоте; блока питания; резонансного контура, в который вводится катушка индуктивности L, рассчитанная на соответствующий диапазон частот, и измери- 87 тельный конденсатор переменной емкости С для настройки конту- ра в резонанс. В контур включен вольтметр V, показывающий резо- нансное напряжение в контуре. Настройка контура в резонанс осу- ществляется путем подбора катушки индуктивности на соответ- ствующий диапазон частот и изменения емкости переменного конденсатора контура. Резонанс определяется по максимальному отклонению стрелки вольтметра. Рис. 15.1. Резонансный контур измерителя добротности – куметра Добротностью Q называется отношение энергии, проходящей через образец породы, к энергии потерь на нагревание в этом об- разце. Добротность определяется величиной, обратной tg . Резонансные методы измерения  и tg основаны на том, что резонанс в колебательном контуре при данной частоте устанав- ливается только при определенной емкости в контуре, когда изме- ряемый и переменный конденсаторы включены параллельно. Для получения резонанса в контуре емкость переменного конденсатора должна быть уменьшена на величину, равную емкости конденсато- ра с исследуемым образцом породы. Следовательно, емкость кон- денсатора с исследуемой породой равна Сх = С1 – С2 , где С1 – значение емкости переменного конденсатора при подклю- чении исследуемого конденсатора без образца, Ф; С2 – значение емкости переменного конденсатора при подклю- чении исследуемого конденсатора с образцом породы, Ф. 88 Диэлектрическая проницаемость исследуемой горной породы вычисляется по формуле o x S hC      , где h – толщина образца (расстояние между обкладками конденса- тора), м; S – площадь поперечного сечения образца (площадь пластины конденсатора), м2. Величина tg для исследуемой породы вычисляется по формуле     2121 211 QQCC QQC tg    , где Q1 – величина добротности контура с конденсатором без образца; Q2 – величина добротности контура при подключении конденса- тора с исследуемым образцом горной породы. Аппаратура: измеритель добротности Е9-4; эталонные катушки индуктивности, соответствующие заданной частоте; конденсатор с исследуемым образцом породы; штангенциркуль. Последовательность определения 1. Измеряют толщину и площадь поперечного сечения образца с точностью до 0,1 мм и размещают его между обкладками конденса- тора. 2. Подключают прибор к сети. Время прогрева прибора 15 мин. 3. Устанавливают требуемый диапазон частот (15 Гц) и подклю- чают соответствующую катушку индуктивности. 4. Шкалу измерительного конденсатора устанавливают на мини- мальную емкость – 25 рF; шкалу подстроечного конденсатора – на нуль. 5. Переключатель ставят в положение «Уст. нуля». 6. Ручку «Уровень» переводят в крайнее левое положение. 7. Переключатель «Шкала Q» ставят в положение «200». 89 8. Ручками «Нуль Q» и «Нуль уровня» устанавливают нули соот- ветствующих вольтметров. 9. Переключатель ставят в положение «Измерение». 10. Ручкой «Уровень» ставят стрелку вольтметра на красную риску и поддерживают ее в этом положении во время измерения. 11. Вращая ручку измерительного конденсатора «Емкость рF» и совмещенную с ней ручку построечного конденсатора « pFC, », настраивают контур в резонанс по максимальному отклонению стрелки Q – вольтметра. 12. Конденсатор с образцом породы подключают к клеммам «Сх». 13. Настраивают контур в резонанс по п. 11 и снимают показание емкости С2 и добротности Q2. 14. Извлекают образец породы и подключают конденсатор к клеммам «Сх», причем расстояние между обкладками конденсатора должно строго соответствовать толщине исследуемого образца. 15. Настраивают контур в резонанс по п. 11 и снимают показания С1 и Q1. 16. После испытания всех образцов прибор приводят в исходное положение и отключают от сети. 17. Вычисляют величины диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь по формулам. Результаты измерений и вычислений записывают в табл. 15.1. Таблица 15.1 № Наименование породы f, МГц S, м2 h, м С1, Ф С2, Ф Q1 Q2  tg Контрольные вопросы 1.Чем обусловлена электрическая поляризация горных пород? Виды поляризации. 2. Что является мерой поляризации горной породы? 3. Что характеризует собой тангенс угла диэлектрических потерь 90 Литература 1. Физика горных пород : учебник для вузов / Л. Я. Ерофеев [и др.] ; под ред. Л. Я. Ерофеева. – Томск : ТПУ, 2006. – 520 с. 2. Ржевский, В. В. Основы физики горных пород : учебник для вузов / В. В. Ржевский, Г. Я. Новик. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Недра, 1984. – 369 с. 3. Алексеенко, С. Ф. Физика горных пород. Горное давление. Лабораторный практикум : учебное пособие / С. Ф. Алексеенко, В. П. Мележик. – Киев : Вища шк., 1990. – 183 с. 4. Ломтадзе, В. Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований : учебное пособие для вузов / В. Д. Ломтадзе. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л. : Недра, 1990. – 328 с. 5. Турчанинов, И. А. Современные методы комплексного опре- деления физических свойств горных пород / И. А. Турчанинов, Р. В. Медведев, В. И. Панин. – Л. : Недра, 1967. – 200 с. 91 Содержание Введение……………………………………………………............. 3 Лабораторная работа № 1 Определение влажности горных пород………………….............. 4 Лабораторная работа № 2 Определение плотности минеральной фазы горных пород…...... 10 Лабораторная работа № 3 Определение средней плотности горных пород…………............ 14 Лабораторная работа № 4 Определение насыпной плотности рыхлых пород………............ 20 Лабораторная работа № 5 Определение пористости горных пород…………………............. 22 Лабораторная работа № 6 Определение гранулометрического состава песчаных и глинистых пород…………………………………………............ 28 Лабораторная работа № 7 Графические способы изображения гранулометрического состава пород……………………………………………................. 42 Лабораторная работа № 8 Определение прочности горных пород…………………............... 48 Лабораторная работа № 9 Определение сопротивления сдвигу песчаных и глинистых пород…………………………………………...…..... 57 Лабораторная работа № 10 Определение условного сопротивления сдвигу песчаных и глинистых пород…………………………………….................... 65 Лабораторная работа № 11 Определение контактной прочности горных пород…….............. 68 Лабораторная работа № 12 Определение коэффициента крепости горных пород…............... 70 Лабораторная работа № 13 Определение абразивности горных пород……………….............. 75 Лабораторная работа № 14 Определение угла естественного откоса разрыхленных горных пород………………………………………………............. 78 Лабораторная работа № 15 Определение диэлектрических свойств горных пород…............. 84 Литература................................................................................... 90 92