Раздел I. Физико-технические и упругие свойства горных пород

К физико-техническим свойствам пород относятся объемная плотность, плотность минерального скелета, пористость, влажность, влагоемкость, водопроницаемость, угол естественно­го откоса, насыпная плотность и другие. Знание их необходимо при расчетах погрузочно-транспортных операций, расчете горного дав­ления, при расчетах земельных площадей для отвалов, при обога­щении руд гравитационными методами и т.п.

1.1. Определение объемной плотности пород методом
гидростатического взвешивания.

Оборудование и материалы. Технические весы, ёмкость для плавления парафина, сосуд с водой, высушенные образцы породы массой 50-100г.

Порядок проведения эксперимента.

1. Берут первый образец, высушенный до постоянной массы при 105 -107°С, обвязывают его тонкой проволокой и взвешивают с точностью до 0, 01г.

2. Опускают образец на 1- 2с. в расплавленный парафин (t = 80°C). Затем затирают пузырьки воздуха в слое парафина. Слой парафина необходим для предотвращения проникания воды в поры при взвешивании в воде. В этом случае объем вытесненной воды будет равен общему объему образца вместе с порами.

3. Запарафинированный образец взвешивают сначала в возду­хе, а затем в воде. Для гидростатического взвешивания образец подвешивается к коромыслу весов и помещается в сосуд с водой таким образом, чтобы он был полностью погружен и не касался стенок сосуда (рис.1.1).

4. Вычисляют объемную плотность по формуле, г/см³:

где m - масса образца, г; m₁ - масса запарафинированного образ­ца, г; m₂ - масса образца при взвешивании в воде, г; - плот­ность парафина ( = 0, 93 г/см³), - плотность воды (или другой жидкости). Результаты измерений и вычисле­ний заносятся в таблицу (форма 1).

 

 

Рис. 1.1. Гидростатическое взвешивание

 

 

Форма 1

Номер образца	Исследуемая порода	m, г	m1, г	m2, г	, г/см3

1.2. Определение плотности минерального
скелета пикнометрическим способом

Оборудование и материалы. Технические весы, электрическая плита и ёмкость для нагревания жидкости, сито с отвер­стиями 0, 2мм для просеивания пробы, пикнометр объемом 100 или 150 мл (рис. 1.2). В качестве жидкости можно использовать керосин, толуол, или воду.

Порядок проведения эксперимента.

1. Взвешивают сухой пикнометр с точностью до 10мг.

2. Берут навеску не менее 20г из раздробленной породы, про­шедшей через сито с отверстиями 0, 2мм, засыпают ее в пикнометр и взвешивают пикнометр с навеской.

3. Заполняют пикнометр жидкостью примерно наполовину и для удаления воздуха либо кипятят его в водяной бане, либо выдержи­вают под вакуумом.

 

Рис 1.2. Пикнометр с навеской

4. Охлаждают пикнометр, доливают жидкости до метки и взвешива­ют его с навеской и жидкостью.

5. Выливают содержимое из пикнометра, промывают его, наполня­ют жидкостью до метки и взвешивают.

6. Рассчитывают плотность минеральной фазы по формуле, г/см³:

где m₁ - масса пикнометра с навеской, г; m₂ - масса сухого пикнометра, г; _ж - плотность жидкости: толуола (0, 867 г/см³) или воды (1 г/см³); m₃ - масса пикнометра с жидкостью, г; m₄ - масса пикнометра с жидкостью и навеской породы, г.

Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу (форма 2).

Форма 2

Номер образца	Исследуемая порода	m1, г	m2, г	m3, г	m4, г	, г/см3

 

1.3. Определение пористости, влажности, влагоемкости
и водопроницаемости горных пород

Пористостью называют совокупность всех пустот в горных породах. Величина пористости оценивается показателем общей пористости - это отношение объема всех пор к общему, выраженное в долях единицы или в процентах:

где, V_пор. - объем пор; V_ск - объем минерального скелета.

По размерам поры подразделяются на субкапиллярные (размер пустот менее 0, 2 мкм), капиллярные (0, 2-100 мкм) и сверхкапиллярные (более 100 мкм). Значения пористости горных пород приведены в таблице 1 приложения.

Оборудование и материалы. Технические весы, образцы. В качестве жидкости хорошо заполняющей поры, применяют толуол или керосин.

Порядок проведения эксперимента.

1. Высушенные образцы взвешивают с точностью до 0, 01г и погружают на 0, 5 часа в стакан с толуолом или керосином.

2. Производят гидростатическое взвешивание образцов в жидкости.

3. Взвешивают насыщенный жидкостью образец в воздухе.

4. Вычисляют открытую пористость по формуле:

где, m₁ – масса насыщенного жидкостью образца при взвешивании в воздухе, г; m₂ – масса сухого образца, г; m₃ – масса насыщенного образца при взвешивании в жидкости, г.

5. По известным значениям объёмной плотности и плотности минерального скелета вычисляют общую пористость образцов по формуле:

6. Находят закрытую пористость образцов по формуле: .

Данные измерений и вычислений заносят в таблицу (форма 3).

Форма 3

Исследуемая порода	№ образца	m1, г	m2, г	m3, г	Pотк %	rо г/см3	г/см3	Pобщ %	Pзак %

Влажностью горных пород называется содержание в них воды, определяемое по уменьшению веса образца при высушивании в стан­дартных условиях.

Влажность W выражается процентным отношением массы воды, содержащейся в образце, к массе образца после его высушивания. Для определения влажности бе­рется образец горной породы, помещается в стеклянный сосуд, зак­рывающийся притертой пробкой. Сосуд с образцом взвешивается, после чего крышка с сосуда снимается, и он помещается в сушиль­ный шкаф, в котором поддерживается температура 105 – 110°С. Обра­зец высушивается до постоянной массы (расхождение между двумя последующими взвешиваниями не превышает трехкратной ошибки взвешивания).

Образец, доведенный до постоянной массы, охлаждается до комнатной температуры в эксикаторе, на дне которого насыпан хлористый кальций - вещество, интенсивно поглощающее воду. После того как температура снизится до комнатной, сосуд закрывается крышкой и взвешивается. Образцы плотных горных пород можно высушивать, не пользуясь при этом специальным сосудом.

Влажность вычисляется по формуле: W = [(m₁ - m₂ ) / m₂ ] •100%, где m₁ - масса образца до сушки; m₂ - масса образца после сушки.

Для характеристики влажности мерзлых горных пород применяется суммарная (естественная) влажность W и общая влажность W_об. Суммарная влажность определяется как отношение массы всех категорий воды (воды и льда) к массе сухой породы в про­центах или долях единицы, а общая влажность - отношение в долях единицы или в процентах массы всех категорий воды (воды и льда) к массе всей породы (масса скелета с водой и льдом). Общая и суммарная влажность взаимосвязаны между собой зависимостью: W_об = W / (1+W).

На практике гораздо чаще применяется суммарная влажность. Влажность мерзлых пород в лабораторных условиях определяется так же, как и для немерзлых твердых пород.

Содержание льда в мерзлых горных породах характеризуется льдистостью. Суммарная весовая льдистость Л_в – отношение в долях единицы или в процентах массы льда к массе сухой породы. Суммарная относительная льдистость Л_о - отношение массы льда к массе всей воды (вода и лед), содержащейся в поро­де: Л_о = m_л / (m_в+m_л ) = Л_в / W, где m_л ‑ масса льда в породе; m_в - масса воды в породе. То есть суммарная относительная льдистость - это отношение весовой льдистости к весовой влажности. Если известна суммарная влажность мерзлой породы и влажность за счет незамерзшей воды, то весовая льдистость:
Л_в = W - W_{н .}. Значит суммарная относительная льдистость: Л_о = (W – W_н ) / W.

Суммарная объемная льдистость - отношение в процентах или долях единицы объема льда, содержащегося в породе, к объему мерз­лой породы.

Льдистость, как и влажность, является очень важной харак­теристикой физического состояния и свойств мерзлых пород. Наиболее совершенным методом определения количества льда (а значит и рас­чета льдистости) и незамерзшей воды в мерзлой породе является калориметрический метод. Он основан на учете поглощения тепла при оттаивании льда в образцах мерзлой породы. Метод обеспечивает достаточно высокую точность, но является довольно сложным и трудоемким. Поэтому калориметрический метод используется в условиях стационарных мерзлотных лабораторий.

Влагоемкость породы характеризует ее способность насыщаться водой. Насыщение может быть свободным, когда заполнение пор во­дой происходит при атмосферном давлении, и принудительным, когда для удаления газов образец находится в вакууме 4-6 ч, а затем насыщается водой под давлением 15 МПа (150 атм.) в течение суток. Количественно свободное водопоглощение характеризуется отноше­нием массы воды, поглощенной образцом за определенное время к массе высушенного образца. Максимальное количество связанной, капиллярной и гравита­ционной воды, которое способна вместить порода, характеризует ее полную влагоемкость. Различают весовую полную влагоемкость: W_п = [(m _п- m_с) / m_с] · 100% и объемную полную влагоемкость: W¢ _п = (V_ж / V_п) · 100%, где m_п - масса породы, максимально насыщенной водой; m_с - масса высушенной породы; V_п - объем породы; V_ж - объем жидкости, заполняющей породу (V_ж» m_п - m_с).

Величина объемной полной влагоемкости примерно равна пористости породы. Если поры в породе не имеют свободного сообщения друг с другом (закрытые поры), то в них может остаться некоторое количество защемленных газов даже при полном насыщении водой. В этом случае полная объемная влагоемкость меньше пористости.

Влагоемкость породы определяется следующим образом. Образец горной породы высушивается в сушильном шкафу до постоянной массы. Затем в автоклаве, под давлением, образец насыщается водой (до полного влагонасыщения), и опять взвешивается.

Результат рассчитывается по формуле: W_п = [(m₂ - m₁ ) / m₁] · 100%, где m₁ - масса высушенного образца; m₂ - масса образца, насыщенного водой.

Для характеристики породы в естественном состоянии пользу­ются коэффициентом водонасыщения, указывающим на степень насы­щения породы водой. Коэффициент водонасыщения определяют по фор­муле: K_в = W / W_п , где W – естественная весовая влажность; W_п – весовая полная влагоемкость породы.

Водопроницаемостью горных пород называется их способность пропускать воду. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом проницаемости (K_пр.), определяемым из уравнения Дарси: K_пр = Q l₀ h ¤ (S ∆ p), где Q / S = V_ф - скорость фильтрации; ∆ p - перепад давлений на пути l₀ – фильтрации жидкости; h - вязкость жидкости; Q - расход воды через сечение S в единицу времени.

Динамическая вяз­кость характеризует свойство жидкостей и газов оказывать сопротив­ление взаимному движению их частиц. Единица динамической вязкос­ти Па·с - динамическая вязкость среды, при ламинарном течении ко­торой в слоях, находящихся на расстоянии в 1м, в направлении, перпендикулярном к течению, под действием давления сдвига 1 Па возникает разность скоростей течения 1 м/с.

В практических расчетах в горном деле обычно используется коэффициент фильтрации: K_ф = K_пр ∆ p / h l₀ .

В зависимости от коэффициента фильтрации породы делятся на следующие группы:

· водоупорные - К_ф < 0, 1 м/сутки;

· слабопроницаемые - 0, 1 ≤ К_ф ≤ 10 м/сутки;

· cреднепроницаемые - 10 ≤ К_ф ≤ 500 м/cутки;

· легкопроницаемые - К_ф > 1000 м/сутки.

Водопроницаемость зависит в основном от размеров пор, их общего количества в породе и конфигурации. В общем случае водопро­ницаемость возрастает при увеличении пористости, особенно открытой. Существенное влияние на водопроницаемость оказывает средний диаметр пор и извилистость поровых каналов, под которой понимают отношение длины порового канала к длине образца. Сверхкапиллярные поры (более 100 мкм) пропускают жидкости под действием силы тяжести или напора по законам гидродинамики. В капиллярных же порах (0, 2 - 100 мкм) жидкости движутся под дейст­вием сил капиллярного натяжения. Под действием напора жидкость в капиллярных каналах движется лишь в том случае, если напор превысит силы молекулярного притяжения.

Субкапиллярные поры (менее 0, 2мкм) практически не пропуска­ют воду. Именно поэтому глины, пористость которых достигает 50%, являются хорошим водоупором. Практически вся вода в глинах нахо­дится в связанном состоянии и препятствует перемещению гравита­ционной воды. Поэтому с увеличением содержания глинистых фракций в породах их водопроницаемость уменьшается. Породы высших категорий трещиноватости характеризуются высокой водопроницаемостью.