fizika_gp

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева»

Кафедра строительства подземных сооружений и шахт

А. В. Дерюшев П. М. Будников

ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД

Методические указания к лабораторным работам

Рекомендовано учебно-методической комиссией специализации 130405.65 «Шахтное и подземное строительство» в качестве электронного издания для использования в учебном процессе

Кемерово 2014

2

Рецензент:

Дементьев А. В. – кандидат технических наук, доцент кафедры строительства подземных сооружений и шахт

Дерюшев Александр Владимирович. Физика горных по-

род [Электронный ресурс]: методические указания к лабораторным работам для студентов специальности 130400.65 «Горное дело», специализаций: 130401.65 «Подземная разработка пластовых месторождений», 130403.65 «Открытые горные работы», 130405.65 «Шахтное и подземное строительство», 131201.65 «Физические процессы горного и нефтегазового производства», всех форм обучения / А. В. Дерюшев, П. М. Будников; ФГБОУ ВПО «Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачева». – Кемерово, 2014.

Рассмотрены техника безопасности при выполнении лабораторных работ, порядок их выполнения и составление отчета по лабораторной работе, а также структурно-текстурные параметры горных пород, методы исследования горных пород и строительных материалов. Определение объемной массы, объемного и насыпного веса, и коэффициента разрыхления горных пород. Определение угла естественного откоса и коэффициента трения разрыхленных горных пород, давление сыпучей горной породы. Комплексное определение пределов прочности пород при одноосном растяжении и сжатии, а также определение контактной прочности горных пород. Определение предела прочности при изгибе, крепости горных пород методом дробления. Метод определения удельной теплоемкости и коэффициента линейного теплового расширения горных пород, а также магнитные свойства.

КузГТУ, 2014,А. В. Дерюшев,

П. М. Будников, 2014

3

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее развитие горного производства тесно связано с разработкой новых методов добычи полезных ископаемых, способов эффективного разрушения горных пород, упрочнения породного массива, контроля процессов, происходящих в горных породах при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах.

Все эти процессы во многом зависят от физических свойств горных пород, которые определяют степень реализации возможностей техники, применяемой в горном производстве, управления процессом производства и ограничения, накладываемые горногеологическими условиями.

Современный специалист в горном деле должен хорошо понимать суть физических процессов, происходящих в горном массиве; уметь определять количественные и качественные оценки физических свойств пород, зависящие от их состава, строения, влияния на них внешних физических полей; знать основные принципы использования физических свойств пород при проектировании, планировании горно-технологических операций, ведении горных работ, добыче и переработке полезных ископаемых.

Поэтому при подготовке горных инженеров необходимо особое внимание уделять не только теоретическому изучению дисциплины «Физика горных пород», но и выполнению практических лабораторных работ, представляющих собой передовую форму познавательной деятельности студентов, которые активно участвуют в постановке и проведении экспериментов под руководством и контролем преподавателя, именуемого в дальнейшем «Руководитель работ».

В лаборатории осуществлен один из важнейших принципов успешного процесса обучения – связь теории с практикой, в результате чего студент приобретает необходимые знания и умения в проведении опытов, самостоятельно оценивает полученные результаты, а также усваивает правила эксплуатации экспериментальных установок.

Настоящий лабораторный практикум составлен в соответствии учебным планом подготовки специалистов по специально-

4

стям: 130400.65 «Горное дело», 131201.65 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» и рабочей программой по дисциплине «Физика горных пород».

Цель пособия – помочь студентам глубже изучить лекционный и самостоятельно изученный теоретический материал дисциплины и приобрести практические навыки исследования физических свойств горных пород и определения их основных физических параметров.

Врезультате выполнения лабораторных работ, включенных

влабораторный практикум, студент будет знать физические свойства минералов и пород как элементов горного массива и закономерности изменения их свойств от воздействия механических, тепловых, электромагнитных и других физических полей;

Студент будет уметь:

изучать теоретические основы дисциплины и методы определения физических параметров горных пород по специальной технической и нормативной литературе;

самостоятельно определять основные физические параметры горных пород путём практического выполнения лабораторных экспериментов с измерением необходимых физических величин в породах и окружающей среде;

выполнять аналитическую обработку измеренных в ходе экспериментов физических величин с использованием математических методов и с представлением их результатов в виде таблиц и графиков;

анализировать полученные результаты экспериментов и формулировать краткие выводы по ним;

составлять отчёты о выполненных лабораторных экспериментах с соблюдением существующих стандартов их оформления.

Впроцессе выполнения лабораторных работ студент должен получить дополнительный стимул для развития таких черт интеллектуальной личности, как:

способность к самостоятельному аналитическому мышлению;

способность работать в небольшом исследовательском коллективе студентов (звене);

5

 стремление к расширению своей эрудиции и углублению профессиональных знаний.

Впрактикуме изложены правила организация работы в лаборатории, основные правила техники безопасности при проведении лабораторных работ.

Лабораторные работы охватывают основные разделы дисциплины и расположены в такой же последовательности, в какой студенты изучают дисциплину.

Каждая лабораторная работа практикума содержит цель её выполнения, основные теоретические положения изучаемой темы, описание применяемых приборов, оборудования, инструментов, образцов горных пород, порядок проведения эксперимента, обработки результатов измерений и составления отчета, вопросы для самопроверки полученных знаний.

Лабораторные работы носят исследовательский характер и построены таким образом, чтобы при их выполнении студенты достигли высокой творческой активности и прошли через основные этапы научного исследования: цель и задачи, методика эксперимента и проведения измерений, обработка и анализ полученных результатов и краткие выводы по ним.

Взаключительной части практикума приведён список литературы, использованной при разработке практикума и рекомендуемой студентам для самостоятельного изучения.

Для удобства использования настоящего учебного пособия приведены списки применяемых в лабораторном практикуме терминов с соответствующими определениями, обозначений и сокращений, алфавитно-предметный указатель.

Для облегчения математической обработки экспериментальных данных, полученных в результате измерений, и оценки их точности в приложениях практикума приведены необходимые краткие сведения по математической статистике. Здесь же помещены некоторые часто используемые справочные материалы.

Для выполнения лабораторных работ используют специально подготовленные в соответствии с ГОСТ 21153.0–75 [24] образцы горных пород.

Для этого из массива горных пород – части земной коры, состоящей из совокупности горных пород, сформировавшихся в определенной геологической обстановке, и характеризующейся

6

присущими ей физическими, химическими и геологическими параметрами, были специально отобраны пробы горной породы – представительные объёмы рыхлой или разрушенной горной породы, предназначенные для исследований, в виде штуфов – кусков горной породы, отделённых от массива и предназначенных для исследований и кернов горной породы – цилиндрических столбиков горной породы, выбуренных из массива горных пород или штуфа.

Из штуфов или кернов были изготовлены образцы горной породы – куски горной породы определенной формы, предназначенные для испытаний ГОСТ Р 50544–93 [46].

В пособии использован опыт работ по исследованию физических свойств горных пород и процессов, выполненных и выполняемых на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт» (СПСиШ) Кузбасского государственного технического университета им. Т. Ф. Горбачёва, Московского горного института и Днепропетровского горного института [16].

Все замечания и пожелания, направленные на улучшение настоящего практикума, будут приняты автором с глубокой признательностью.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ И ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЁТОВ

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ

Руководитель работ на первом лабораторном занятии дает общие указания по проведению экспериментов, знакомит с правилами поведения студентов в лаборатории, требованиями правил техники безопасности, в том числе противопожарной, предупреждает о бережном отношении к лабораторному оборудованию, инструментам, мебели и другому оснащению учебных аудиторий.

Все студенты перед началом работы в лаборатории проходят инструктаж по технике безопасности и расписываются в Журнале регистрации инструктажа по охране труда на рабочем месте. Правила техники безопасности также вывешены в лабораториях.

Студенты выполняют только работы, предусмотренные рабочей программой дисциплины. Проведение других работ категорически запрещено.

7

Без разрешения руководителя запрещено:

приводить в действие установки, машины, электродвигатели и другое оборудование;

самовольно переходить с одного рабочего места на

другое;

находиться в лаборатории в верхней одежде, снимать и вешать её на оборудование.

Запрещено:

сдувать с машины породную пыль и мелкие остатки

разрушенных образцов, сметать их ладонями, прикасаться к токоведущим частям установок даже при отсутствии показаний электроизмерительных приборов;

включать напряжение можно без предварительной проверки электрической схемы руководителем, оставлять включенную электроустановку без наблюдения;

прикасаться руками во время проведения опытов к образцам горных пород, температура которых может достигать нескольких сот градусов.

При работе на прессах испытания проводят в присутствии руководителя работ и при наличии закрытого ограждающего устройства, предохраняющего от разлета кусков породы.

При выполнении лабораторных работ необходимо быть осторожным, чтобы не повредить руки об острые кромки и заусенцы на образцах.

Сборку электрических схем необходимо осуществлять только при отключенном напряжении.

Студент, обнаруживший неисправность оборудования, должен сообщить об этом руководителя. Работа на неисправном и не отвечающем правилам техники безопасности оборудовании за-

прещено.

Вслучае невыполнения или нарушения правил техники безопасности студентом его отстраняют от работы в лаборатории.

Порядок выполнения лабораторных работ

В учебных лабораториях кафедры СПСиШ студенты изучают процессы и явления, происходящие в горных породах при воздействии на них внешних физических полей, приобретают навыки в постановке опытов, наблюдении и регистрации различ-

8

ных параметров с помощью измерительной и регистрирующей аппаратуры, знакомятся с конструкциями, устройством и принципом действия лабораторных установок.

Перед началом лабораторных работ студенты знакомятся с тематикой работ на семестр, с принятой в лаборатории методикой проведения работ, а также с принципом действия основного оборудования, применяемого в лаборатории.

Выполнение лабораторных работ начинают с ознакомления на рабочем месте с правилами эксплуатации и применения приборов, аппаратов, оборудования и инструментов, используемых при проведении эксперимента, а также с особенностями правил техники безопасности при работе с ними.

Лабораторные работы студенты выполняют самостоятельно, а при проведении сложных экспериментов – в присутствии руководителя.

После окончания работы студент должен привести в порядок своё рабочее место.

Для выполнения лабораторных работ академическая учебная группа студентов разбивается на отдельные бригады по 3–4 человека. Студенты каждой бригады выполняют индивидуальное задание по исследованию физических свойств образцов горных пород.

Особенности учебного расписания лекционных и лабораторных занятий не всегда обеспечивают согласование во времени порядок изучение материала на лабораторных работах материалом, излагаемым на лекции.

Поэтому, перед каждым лабораторным занятием студент должен ознакомиться с содержанием предстоящей лабораторной работы по настоящему практикуму и соответствующим теоретическим материалам по рекомендуемой литературе, начертить схему лабораторной установки (если это требуется), подготовить рабочие таблицы для записей результатов измерений.

После выполнения очередной лабораторной работы каждый студент записывает полученные данные в таблицы и частично обрабатывает их. Затем составляет индивидуальный отчёт о выполненной лабораторной работе по исследованию свойств горных пород с результатами проведенных экспериментов.

9

Отчёт о лабораторной работе

Отчёт должен содержать:

название лабораторной работе;

дату выполнения работы;

цель и краткие теоретические основы работы (необходимые расчётные формулы и т.д.);

перечень оборудования, приборов и инструментов;

иллюстрации (схемы, чертежи, фотографии) применяемых лабораторных установок и оборудования, с указанием необходимых размеров, поясняющее или дополняющее основной текст отчёта;

характеристику исследуемых горных пород: наименование, внешний вид, структуру, текстуру (с использованием информации из лабораторной работы №1), а также схему (фотографию) испытуемых образцов пород;

порядок проведения работ;

численные значения полученных при выполнении эксперимента показателей и результаты их математической обработки со всеми выполненными промежуточными вычислениями;

таблицы с результатами измерений и расчетов;

графики установленных зависимостей, диаграммы;

анализ результатов экспериментов и краткие выводы

по работе;

подпись студента – составителя отчёта.

Составление отчёта о лабораторной работе следует выполнять в отдельной тетради или на листа А4 в соответствии с правилам оформления отчёта о научно-исследовательской работе (НИР), изложенными в ГОСТ 7.32–2001 [45]. При этом необходимо соблюдать общие требования к текстовым документам по ГОСТ 2.105–95 [22].

При выполнении лабораторных работ и составлении отчётов о них следует применять единицы физических величин Международной системы единцы (СИ) (прил. Б) в соответствии с ГОСТ 8.417-2002 [45]. Исключения составляют те случаи, когда приборы и оборудование, используемые при выполнении экспериментов, а также показатели физических свойств горных пород имеют исторически сложившиеся внесистемные единицы измерения.

10

График – чертёж, наглядно изображающий количественное соотношение и развитие взаимосвязанных процессов или явлений в виде кривой, прямой, ломанной линии, построенной в той или иной системе координат [47, п. 3.1.3.30], на осях которой указывают соответствующие величины и единицы их измерения. Вдоль осей наносят деления и проставляют с наружной стороны числовые значения величин в выбранном масштабе. После этого кружками или точками наносят экспериментально полученные значения величин, через которые проводят плавную кривую графика. В тех случае, когда закономерность не отражает определенную зависимость исследуемых величин, экспериментальные точки графика соединяют отрезками прямой. При нанесении на график нескольких зависимостей их обозначают различными символами и изображают линиями разного начертания или цвета.

Диаграмма – условное графическое изображение число величин или их соотношений, выполненное с помощью линий, плоскостей, геометрических фигур, рисунков [47, п. 3.1.3.27].

Таблица – форма организации материала в тексте издания, при которой систематически представленные группы взаимосвязанных данных располагают по графам и строкам таким образом, чтобы каждый отдельный показатель входил в состав и графы, и

строки [47,п. 3.1.3.39].

Студент предоставляет преподавателю составленный с вышеизложенными требованиями и подписанный им отчёт о выполненной лабораторной работе на следующем лабораторном занятии.

При собеседовании с преподавателем о проделанной работе студент должен уметь объяснить любой опыт, полученные результаты или расчёты, содержание построенных таблиц, графиков, относящиеся к данной работе, обосновать сделанные выводы.

Кроме того он должен быть готов ответить на вопросы для самопроверки, приведённые в конце описания каждой лабораторной работы в настоящем практикуме.

Студенты, выполнившие весь запланированный объём лабораторных работ и своевременно защитившие отчёты, получают допуск к экзамену.