fizika_gp

91

Лабораторная работа № 9

ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ИЗГИБЕ

7.1 Цель работы

Определение предела прочности магматических и осадочных горных пород при изгибе и оценка влияния отдельных структур- но-текстурных элементов их строения на прочность при изгибе.

7.2 Теоретические основы работы

Прочность является одним из основных физических свойств горных пород. Она характеризует их способность сопротивляться внешним усилиям вплоть до полного разрушения и определяется при критических (разрушающихся) нагрузках, действующих на породу в момент ее разрушения. В зависимости от вида действующей нагрузки различают прочность горных пород при сжатии σсж, растяжении σр, изгибе σиз, сдвиге τсдв и др. Горные породы обладают наибольшей прочностью при сжатии, наименьшей – при растяжении. Прочность горных пород при изгибе находится в интервале между их прочностью при сжатии и растяжении. Соотношения между σсж и σиз, σиз и σр пород в зависимости от их вещественного состава и строения, в особенности трещиноватости и слоистости, изменяются в довольно большом диапазоне.

Прочность горной породы (как твердого тела) определяют величиной критических напряжений, т.е. напряжений, при которых происходит разрушение породы. Эти напряжения называют пределами прочности. Единица измерения прочности в системе СИ: Па – паскаль, кПа – килопаскаль, МПа – мегапаскаль (см. Прил. А).

Породы кровли горизонтальных и наклонных подготовительных (пластовых и полевых штреков, квершлагов и др.) и очистных выработок, а также камер различного назначения в большей мере испытывают напряжения изгиба, т.е. работают на изгиб. Для решения вопросов устойчивости кровель этих вырабо-

92

ток, а также ряда других горнотехнических и технологических задач необходимо знать прочность горных пород на изгиб.

7.3 Оборудование, приборы, инструменты

7.3.1Пресс гидравлический П-10 (рис. 8.2).

7.3.2Устройство испытательное (рис. 9.1).

Устройство испытательное из стального опорного кольца 1 и кольцевого штампа 2, штангенциркуль, линейка, транспортир.

1 – стальное опорное кольцо; 2 – кольцевой штамп (пуансон); 3 – образец породы

Рис. 9.1 – Испытательное устройство

7.3.3 Измерительные инструменты

Линейка, штангенциркуль, транспортир.

93

7.4 Подготовка образцов горной породы к испытанию

Заготовки для образцов получают выбуриванием из кусков породы керна диаметром 90–100 мм (согласно ГОСТ 21153.6-75. Породы горные. Метод определения предела прочности при изгибе).

Из полученных заготовок на камнерезном станке (машине) нарезают образцы в виде дисков толщиной 10 ± 1 мм. При этом плоские поверхности образцов должны быть параллельны. Отклонения от параллельности, контролируемые индикатором в двух взаимно перпендикулярных направлениях, не должны превышать 0,1 мм по диаметру образца.

7.5Порядок выполнения работы

1Подробно описать испытуемые образцы горной породы (по лабораторной работе № 1) и замерить их диаметр и высоту.

2Положить образец 3 на опорное кольцо 1, а сверху на него пуансон 2 (см. рис. 9.1).

3Отцентрировать испытательное устройство с образцом по вертикали и поместить его между плитами пресса так, чтобы вертикальная ось устройства совмещалась с продольной осью пресса. Отклонения между осями при установке допускаются не более 1–2 мм.

4Привести пресс в действие со скоростью нагружения образца в пределах 0,1–3,0 МПа в секунду в зависимости от прочности породы. Для слабых пород рекомендуется 0,1–0,5 МПа/с, для пород средней прочности – 1,0–2,0 МПа/с, для прочных – 2,4–2,8 МПа/с. Увеличение скорости нагружения образца выше указанных приводит обычно к существенному искажению полученного предела прочности (к увеличению его). Вычислить рекомендуемую скорость нагружения в кН/с. Выбранную скорость нагружения сохранять на прессе до разрушения образца.

5Записать в таблицу 9.1 максимальную величину разру-

шающей образец силы Pmax, зафиксированную силоизмерителем пресса.

6Отключить пресс, вынуть расположенное между плитами пресса опорное кольцо с разрушенным образцом.

94

7Зарисовать вид каждого образца до разрушения и после разрушения, описать характер и особенности его разрушения.

8Данные испытаний образцов горной породы занести в таблицу 9.1.

Таблица 9.1 – Результаты измерений и вычислений прочности пород при изгибе

7.6 Обработка результатов эксперимента, составление отчёта

Предел прочности горной породы при изгибе (σиз) вычисляют для каждого испытанного образца по формуле

где Pmax – максимальная разрушающая сила, кН; h – высота образца, м.

По результатам испытаний сделать краткие выводы по лабораторной работе. Объяснить причины изменения величин прочности при изгибе σиз испытанных образцов, характера и особенностей их разрушения в зависимости от влияния структурнотекстурных элементов породы.

95

7.7Вопросы для самопроверки

1Что понимают под прочностью горной породы и прочностью горной породы при изгибе?

2Объясните, почему прочность горных пород при сжатии, растяжении и изгибе существенно различна.

3Что понимают под пределом прочности горной породы?

4Назовите единицы измерения прочности горной породы в системе СИ.

5От каких факторов зависит в основном прочность горных

пород?

6Почему трещины и слои существенно снижают прочность горной породы?

7Одинакова ли прочность горной породы массива и отобранных из него образцов и почему?

8Объясните порядок выполнения лабораторной работы.

9Почему пределы прочности при изгибе испытанных образцов горной породы различны?

10Объясните влияние структурно-текстурных элементов строения на вид и характер разрушения испытанных образцов породы.

11Для решения каких горнотехнических задач при разработке месторождений полезных ископаемых наиболее часто используют показатели горных пород при изгибе?

12Как влияет длительность действия нагрузки на прочность горной породы при изгибе?

13Какие оборудование и устройства использовали для выполнения лабораторной работы?

96

Лабораторная работа № 10

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРЕПОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ДРОБЛЕНИЯ

8.1 Цель работы

Определение коэффициента крепости горных пород методом дробления.

8.2 Теоретические основы работы

Крепость горной породы – это горно-технологическое свойство, характеризующее сопротивляемость горной породы разрушению в процессах горного производства.

Коэффициент крепости горной породы – это параметр,

оценивающий количественно крепость горных пород f – величина безразмерная.

Коэффициент крепости горных пород широко используют во всех отраслях горнодобывающей промышленности при решении различных технологических задач, а также при нормировании труда горнорабочих.

Известно несколько методов определения коэффициента крепости горных пород. Наибольшее распространение в горнорудной промышленности получил коэффициент крепости, предложенный проф. М. М. Протодьяконовым (старшим).

Коэффициент крепости f по М. М. Протодьяконову определяют по формуле

где σсж – предел прочности породы при одноосном сжатии (полученный на образцах правильной формы в кгс/см2).

Он же разработал классификацию горных пород по крепости, согласно которой все породы разделены на 10 категорий. К первой категории отнесены породы, имеющие наивысшую сте-

97

пень крепости, к десятой наиболее слабые породы. Максимальный коэффициент крепости известных пород равен 20, минимальный – 0,3.

Для определения коэффициента крепости слабых пород, из которых изготовление образцов правильной формы затруднено или невозможно, проф. М. М. Протодьяконов (младший) разработал упрощенную методику, основанную на толчении пород. В основу методики положена зависимость работы, затраченной на дробление породы, от величины вновь образованной при этом поверхности, которую оценивают суммарным объемом частиц породы размером менее 0,5 мм. Определяемый по этой методике коэффициент крепости fд рассчитывают по формуле

где 20 – эмпирический коэффициент, учитывающий затраченную на дробление породы работу;

n – число сбрасываний гири при испытании одного образца (принимается в пределах от 5 до 15 в зависимости от крепости породы);

h – высота в объемомере столбика породной мелочи, полученной от испытания пяти образцов, мм.

Значение коэффициента крепости fд породы, определенного по формуле (10.2), практически соответствует значению коэффициента крепости f, определенному по формуле (10.1). Коэффициент крепости, определяемый методом толчения, часто называют динамическим. Его определяют на приборе ПОК – прибор для определения крепости (рисунок), который состоит из стакана 1, вставленного в него трубчатого копра 2, гири 3 массой 2,4 кг с ручкой 4, к которой привязана бечевка. Трубчатый копер имеет в верхней части ограничитель подъема гири 5 до высоты 0,6 м.

98

8.3 Оборудование, приборы, инструменты

8.3.1Весы лабораторные

8.3.2Прибор для определения крепости – ПОК (рис. 10.1).

Прибор для определения крепости – ПОК (см. рис. 10.1, а). В комплект прибора входит объемомер (см. рис. 10.1, б), состоящий из стакана 6 и плунжера 7 со шкалой измерений, и сито с размером отверстий 0,5 мм для просеивания раздробленных кусков образцов породы.

1 – стакан; 2 – трубчатый копер; 3 – гиря массой 2,4 кг; 4 – ручка для подъема гири; 5 – ограничитель подъема гири; 6 – стакан;

7 – плунжер

Рис. 10.1 – Схема прибора для определения крепости пород (а) с объемомером (б)

99

8.3.3 Измерительные инструменты

Инструмент для изготовления и измерения образцов пород.

8.4 Подготовка образцов горной породы к испытанию

Для испытания пород по этой методике используют образцы неправильной формы размером 20–40 мм и массой 0,04–0,06 кг.

8.5Порядок выполнения работы

1.Описать испытуемую горную породу (по лабораторной работе № 1).

2.Расколоть породу молотком на твердом основании до получения кусков размером 20–40 мм и отобрать из них 5 образцов массой 0,04–0,06 кг каждый.

3.Установить прибор ПОК на жесткое основание и поместить один из образцов породы в центре стакана прибора.

4.Поднимая ручкой 4 гирю 3 вверх до упора 5, сбросить ее на образец 5 раз.

5.Раздробленную в приборе породу высыпать из стакана 1 на сито с размером отверстий 0,5 мм и просеять.

6.Выполнить операции 3–5 с остальными четырьмя образ-

цами.

7.Собрать вместе породную мелочь, полученную после просеивания осколков от каждого из пяти образцов, и насыпать в стакан 6 объемомера.

8.Замерить по шкале плунжера 7 высоту столбика породной мелочи h.

8.6Обработка результатов эксперимента, составление

отчёта

1.Рассчитать коэффициент крепости породы f по формуле

(10.2).

2.Занести результаты измерений и вычислений в таблицу

10.1.

100

Таблица 10.1 – Результаты измерений и вычислений коэффициента крепости пород

3. Сделать краткие выводы по результатам работы (указать категорию и степень крепости испытанной породы по классификации М. М. Протодьяконова).

8.7 Вопросы для самопроверки

1.Что понимают под крепостью горной породы?

2.Каким показателем оценивают крепость пород?

3.Объясните классификацию горных пород по крепости проф. М. М. Протодьяконова.

4.Напишите формулу для определения коэффициента крепости пород по М. М. Протодьяконову (старшему).

5.Как определяют коэффициент крепости пород методом толчения?

6.Почему коэффициент крепости пород, определяемый методом толчения, называют также динамическим коэффициентом крепости?

7.Объясните устройство прибора ПОК.

8.Напишите формулу для определения коэффициента крепости пород методом толчения.

9.Имеется ли связь между коэффициентом крепости горных пород по методу проф. М. М. Протодьяконова (старшего) и коэффициентом крепости пород по методу толчения?