Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

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, Vпор. - объем пор; Vск - объем минерального скелета.

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

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

Порядок проведения эксперимента.

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

2. Производят гидростатическое взвешивание образцов в жидкости.

3. Взвешивают насыщенный жидкостью образец в воздухе.

4. Вычисляют открытую пористость по формуле:

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

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

6. Находят закрытую пористость образцов по формуле: .

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

Форма 3

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Водопроницаемостью горных пород называется их способность пропускать воду. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом проницаемости (Kпр.), определяемым из уравнения Дарси: Kпр = Q l0 h ¤ (S ∆p), где Q / S = Vф - 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 , в направлении, перпендикулярном к течению, под действием давления сдвига 1 Па возникает разность скоростей течения 1 м/с.

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

В зависимости от коэффициента фильтрации породы делятся на следующие группы:

· водоупорные - Кф < 0,1 м/сутки;

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

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

· легкопроницаемые - Кф > 1000 м/сутки.

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

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







Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 740. Нарушение авторских прав

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.009 сек.) русская версия | украинская версия