Физико-технические свойства пород.

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. С. Орджоникидзе

Физика горных пород

Составители: доцент В.В. Чубаров, доцент А.П. Карпиков

Программа, методические указания, контрольные задания для студентов заочного обучения специальности 130203 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых».

Рабочая учебная программа курса «Физика горных пород» составлена на 72 учебных часа, из которых 53 часа отводится на самостоятельную работу. Поэтому в методических указаниях даются объяснения наиболее трудных для усвоения разделов, а также составлены контрольные вопросы и контрольные задания.

Может быть использована также студентами специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Москва 2012г.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ. ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ.

1.1. Целью преподавания данной дисциплины является освоение студентами комплекса знаний о горно-технологических свойствах горных пород, влиянии их на технологию разведки и разработки месторождений и овладение методами определения важнейших характеристик.

1.2. Задачами изучения дисциплины являются:

- исследование комплекса основных свойств характерных типов пород;

- изучение влияния различных физических полей, а также минерального состава и строения пород на их характеристики;

- формирование у студентов навыков решения горно-технологических задач на основе изучения и всестороннего учета этих характеристик.

1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины: высшая математика, физика, сопротивление материалов, цикл геологических наук.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА.

2.1. Введение.Понятие о горных породах, о горных выработках, о горных работах. Общие сведения о свойствах пород, горно-технологические свойства. Группы характеристик: физико-технические, деформационные, прочностные, горно­технические, теплофизические, электромагнитные, радиоактивные.

2.2. Методика проведения экспериментов.Понятие о свойствах массива и образцов, изменчивость свойств горных пород в различных точках. Необходимость проведения серии экспериментов. Требования к отбору проб, изготовление образцов, понятие об образцах правильной и неправильной формы. Методика обработки результатов экспериментов: среднее арифметическое значение, среднее квадратичное отклонение, коэффициент вариации.

2.3. Физико-технические свойства пород.Объемная плотность и плотность минерального скелета пород. Учет этих характеристик при различных операциях в горном деле. Методы определения плотности, применяемое оборудование.

Характеристика разрыхленных и рыхлых пород: насыпная плотность, коэффициент разрыхления, угол естественного откоса, гранулометрический состав. Методы определения.

Пористость и трещиноватость пород. Влияние этих характеристик на прочностные и другие свойства. Классификация пород по трещиноватости. Виды пористости. Методы определения пористости и трещиноватости.

Влажность, льдистость, проницаемость пород.

 2.4. Деформационные свойства.Понятие о деформациях, виды деформаций. Упругие и неупругие деформации, закон Гука. Характеристики упругих свойств: модуль упругости, модуль сдвига, модуль объемного сжатия, коэффициент Пуассона. Определение статического модуля упругости и коэффициента Пуассона с использованием ультразвуковой аппаратуры.

Пластические свойства пород. Коэффициент пластичности, методы его

определения.

Реологические характеристики пород: ползучесть, релаксация напряжений, длительная прочность.

2.5. Прочностные свойства.Понятие о прочности. Прочностные характеристики: пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге. Методы определения прочностных характеристик. Масштабный эффект, влияние других факторов на прочностные показатели.

Прочность пород при объемном нагружении, теории прочности, теория прочности Мора, паспорт прочности и методика его построения.

Прочность пород при динамическом нагружении, энергоемкость разрушения.

2.6. Горно-технические характеристики.Понятие о горно-технических характеристиках. Крепость горных пород, коэффициент крепости проф. М.М. Протодьяконова, классификация пород по крепости. Методы определения коэффициента крепости: по величине предела прочности на одноосное сжатие и методом толчения.

Абразивность горных пород, виды абразивного износа. Влияние различных факторов на абразивность. Методы определения абразивности в лабораторных и производственных условиях. Классификация пород по абразивности.

Буримость пород, методы определения, стандартные условия проведения экспериментов, классификация пород по буримости.

Взрываемость, дробимость, твердость, вязкость горных пород.

2.7. Тепловые свойства.Понятие о тепловых свойствах, их характеристики: теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, тепловое расширение, превращение минералов, плавкость, теплостойкость, морозостойкость.

2.8. Электромагнитные свойства.Поляризуемость горных пород. Электропроводность; проводники, полупроводники, диэлектрики. Намагниченность пород; диа-, пара-, ферромагнетики. Использование электромагнитных свойств пород при поисках и разведке.

2.9. Радиоактивные свойства.Естественная радиоактивность. Радиоактивные элементы и изотопы. Виды излучений, их характеристики. Влияние излучений на организм человека, защита от излучений. Использование радиоактивности при поисках и разведке.

ПРИМЕРНАЯ ТЕМАТИКА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ.

1. Определение объемной плотности, плотности минерального скелета и пористости.

2. Определение статического модуля упругости и коэффициента Пуассона.

3. Определение скорости продольных волн и динамического модуля упругости.

4. Определение пределов прочности на сжатие, растяжение, построение паспорта прочности пород.

5. Определение твердости. 6. Определение абразивности.

ЛИТЕРАТУРА.

4.1. Карпиков А.П., Чубаров В.В., Чирков А.В. “Свойства минералов и пород”. – М.: “ЩИТ-М”. 2007.

4.2. Грабчак Л.Г. и др. Горноразведочные работы. М. Высшая школа. 2003.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ.

5.1. Введение.Обратить внимание на классификацию горно-технологических свойств и основные характеристики для каждой группы свойств.

5.2. Методика проведения экспериментов.Различие между породным массивом, горной породой и образцом; породный массив - это совокупность пород, находящихся в условиях естественного залегания; горная порода - единичная составляющая массива; образец - извлеченный из массива кусок горной породы, на который уже не действуют физические поля, характерные для породного массива.

Изменчивость свойств породы требует проведения экспериментов сериями для получения достоверных результатов. Уяснить различие между образцами правильной и произвольной формы. Первые дают наиболее надежные, точные, достоверные результаты, но они требуют больших затрат труда на изготовление. При знакомстве с методикой проведения и обработкой результатов экспериментов обратить внимание на необходимость использования таких понятий, как среднее квадратичное отклонение и коэффициент вариации, ибо среднее арифметическое недостаточно полно характеризует исследуемую величину.

Контрольные вопросы.

1. Чем вызывается различие единичных значений при проведении испытаний серии образцов одной и той же породы?

2. Является ли среднее квадратичное отклонение размерной величиной?

3. Назовите группы горно-технологических свойств.

Физико-технические свойства пород.

Уяснить разницу между объемной плотностью  и плотностью минеральной фазы . Плотность минеральной фазы зависит только от минерального состава, т.е. от плотности породообразующих минералов. Объемная плотность зависит от плотности  твердой фазы и пористости породы, причем  всегда меньше _.

Усвоить понятия «открытая», «закрытая» и «общая пористость». Уметь оценивать породы по величине пористости: малопористые, среднепористые, сильнопористые. Обратить внимание на особые свойства сильнопористых пород: они легкие, обладают малой механической прочностью, хорошие теплоизоляторы и хорошие фильтры.

Запомнить характеристики рыхлых и разрушенных пород: насыпная плотность, коэффициент разрыхления, гранулометрический состав, угол естественного откоса. Иметь  в виду, что насыпная плотность должна учитываться при многих операциях в процессе разведки и разработки месторождений, в частности, при подъеме, погрузке и транспортировке горной массы.

Контрольные вопросы.

1. На какие группы подразделяются горные породы по величине объемной плотности?

2. По какой формуле определяется общая пористость?

3. В каких пределах изменяется коэффициент разрыхления?

4. Влияет ли пористость на плотность минеральной фазы?

Деформационные свойства.

Уяснить понятия «деформации»: абсолютные и относительные, продольные и поперечные, упругие и пластические. В области упругих деформаций зависимость между напряжениями и деформациями описывается законом Гука:

 или ,                                               (1)

где и - абсолютная и относительная деформации;  и S₀ - начальная длина и площадь поперечного сечения деформируемого тела; - напряжения, создаваемые внутри тела внешней нагрузкой F; Е - модуль продольной упругости или модуль Юнга.

Характеристиками деформационных свойств являются модуль упругости, модуль сдвига, модуль объемного сжатия, коэффициент Пуассона, коэффициент пластичности и др. Из теории упругости известны соотношения между этими характеристиками:

G = E / 2( l+v)                                     (2)

K = E / 3(l-2v)                                    (3)

v = E-2G / 2G                                    (4)

Обратить внимание, что коэффициент Пуассона - величина безразмерная, которая теоретически изменяется в пределах от 0 до 0,5. Для большинства горных пород он находится в пределах 0,2 - 0,35.

Используя соотношения между упругими характеристиками по двум известным можно вычислить остальные. Чаще всего экспериментально определяют модуль упругости и коэффициент Пуассона. При этом различают два метода измерения - статический и динамический. Полученные при этом значения также носят название статического и динамического модуля упругости и коэффициента Пуассона. Численно они отличаются незначительно.

При статическом методе измерений нагружение образцов производится на прессе, а деформации - продольные и поперечные - измеряются либо с помощью индикаторов часового типа, либо с помощью тензодатчиков (проволочных датчиков).

Уяснить принцип проведения измерений с помощью тензодатчиков. Основное свойство этих датчиков заключается в том, что их сопротивление изменяется при механическом деформировании. Причем изменяется пропорционально деформации, что и позволяет использовать это явление для измерения деформаций.

Сущность динамического метода состоит в измерении скоростей распространения упругих волн в горных породах и последующем вычислении характеристик по формулам:

- скорость распространения продольной волны в массиве:

                                                           (5)

- скорость распространения продольной волны в стержне:

                                        (6)

- скорость распространения поперечной волны:

                               (7)

Применяется ультразвуковая аппаратура: УКБ-1М, УК-14П, УК-10ПМС, которая позволяет определить время прохождения ультразвукового импульса по образцу известной длины «Обр», помещенному между излучателем «Изл.» и приемником сигналов «Пр.». Зная длину образца  и время , вычисляем скорость .

Следует помнить, что существует скорость продольной волны в массиве  и скорость в стержне . Условие массива:                                                              (8)

Условие стержня: ,                                                                             (9)

где r - половина поперечного размера образца;  - длина волны, определяемая из соотношения Ср = f, где f – частота ультразвукового излучаемого импульсного сигнала (характеристика излучателя).

Зная, какую скорость мы получили или , определяем Е_g по формуле (5)

или (6).

Ознакомиться с понятиями «ползучесть», «релаксация напряжений», «длительная прочность», составляющих группу реологических свойств.

Контрольные вопросы.

1. Какие виды деформаций вы знаете?

2. Что такое тензодатчик?

3. Каково соотношение между скоростями продольных и поперечных волн?

4. Определить длину волны, распространяющейся в породе со скоростью 4500 м/с от излучателя с частотой 150 кГц.

5. Что такое ползучесть?

6. Дать определение длительной прочности.

Прочностные свойства.

Уяснить понятие «напряжение» - нагрузка, приходящаяся на единицу площади. Нормальные напряжения действуют перпендикулярно изучаемой площадке или рассматриваемому сечению, тангенциальные действуют в плоскости площадки.

Прочностные свойства пород характеризуются пределами прочности-величиной предельных или критических напряжений, при которых происходит разрушение образцов.

Обратить внимание, что существуют прямые методы испытаний на образцах правильной формы и косвенные методы, основанные на корреляционных связях между различными характеристиками. Испытания на образцах правильной формы дают самые точные и надежные результаты, но требуют больших затрат труда на их изготовление. Поэтому появилось множество косвенных методов с использованием образцов полуправильной и произвольной формы.

Обратить внимание, что характеристики прочностных свойств зависят от размеров образцов, а прочность массива отличается от прочности в куске. На первый взгляд это не очевидно, но подтверждено многочисленными экспериментами.

Как правило, с уменьшением размеров образцов наблюдается увеличение прочности, что объясняется исчезновением макроскопических нарушений и дефектов по мере того, как из крупных кусков мы изготавливаем все более мелкие образцы. Поэтому для получения сопоставимых результатов все методики требуют проведения экспериментов на образцах стандартных форм и размеров.

Переход от показателей, полученных в лаборатории на образцах, к прочностным показателям массива возможен с применением коэффициента структурного ослабления Кс. Этот коэффициент связан с трещиноватостью пород и изменяется в пределах от 0,1 до 1,0.

Уяснить понятия «плоское» и «объемное» напряженное состояние. Запомнить, что при объемном напряженном состоянии прочность пород увеличивается. А чтобы решить вопрос о поведении породы в условиях объемного напряженного состояния, следует воспользоваться теорией прочности. Известно несколько таких теорий, например, теория максимальных напряжений, теория максимальных деформаций, теория касательных напряжений, энергетическая теория.

Для горных пород наиболее подходит теория прочности Мора. Согласно этой теории разрушение породы происходит под действием касательных, сдвиговых напряжений по некоторым плоскостям, где величина этих напряжений достигает критических значений. Величина этих предельных напряжений не постоянна, а является функцией нормальных напряжений, действующих на этой плоскости:

,                                                                   (10)

где: С - некоторая постоянная для данной породы, называемая сцеплением и равная пределу прочности при чистом сдвиге; f_тр - коэффициент внутреннего трения.

Кроме того, многочисленными экспериментами установлено, что разрушение породы при объемном нагружении происходит при какой-то комбинации максимального и минимального  напряжений. Промежуточное среднее напряжение   не оказывает при этом заметного влияния. Соотношения между напряжениями  и  таково, что чем больше минимальное напряжение , тем большее необходимо создать максимальное напряжение , чтобы разрушить породу.

На основе этой теории Мор предложил методику построения паспорта прочности горных пород. Она заключается в следующем: по оси абсцисс (ось ) влево от начала координат откладывают величину экспериментально определенного значения предела прочности на растяжение, а вправо - на сжатие. На этих отрезках, как на диаметрах, проводим полуокружности радиусом  и . Затем отбирают еще несколько серий образцов и подвергают их последовательно испытаниям на прочность при объемном нагружении. Для первой серии создают фиксированные напряжения   и , а напряжение  увеличивают до разрушения образцов. Полученные средние значения  и  откладывают на оси  вправо от начала координат. На отрезке ( - ), как на диаметре, строим полуокружность. Для второй серии создаем минимальное напряжение  > , а для третьей . Чтобы в этом случае разрушить образцы, нужно создать максимальное напряжение  и . Откладываем полученные значения на оси абсцисс и на отрезках ( ) и ( ), как на диаметре, строим новые полуокружности. Затем проводим касательную ко всем этим полуокружностям. Она носит название огибающей предельных кругов Мора или паспорта прочности горных пород.

Действительно, имея такой паспорт прочности для любой породы, и зная действующие напряжения для какого-либо конкретного случая нагружения породы, можно решить вопрос разрушится порода или выдержит данные напряжения. Для этого рассчитанные напряжения  и  откладывают по оси нормальных напряжений и на отрезке  строят полуокружность. Если она пройдет ниже огибающей, значит порода не разрушится.

При изучении динамических способов испытания горных пород обратить внимание на используемое оборудование: гравитационные, маятниковые и пневматические копры. В основном при этих испытаниях определяется энергоемкость разрушения. Энергия удара рассчитывается по формуле Е = mV²/2, причем скорость соударения следует определять не расчетом (по высоте падения груза), а непосредственным измерением.

Иметь в виду, что динамические испытания проводятся гораздо реже статических, и выполняются научно-исследовательскими и проектными организациями при конструировании машин и разработке новых типов и форм породоразрушающего инструмента.

Контрольные вопросы.

1. Что такое напряжение?

2. Дать определение предела прочности.

3. Описать методику определения предела прочности на сжатие на образцах  правильной формы.

4. Определение предела прочности на растяжение бразильским методом.

5. Как объяснить зависимость прочностных показателей от размеров образцов?

6. Методика построения паспорта прочности горных пород.