2007

ституционная влага входит в состав кристаллической решетки минералов. В горном деле наибольшее значение имеет свободная влага, так как она является важной характеристикой и физического состояния породы, определяющей ее прочность, электрические и тепловые свойства. Ниже рассмотрим методику определения свободной влажности.

Влажность выражают процентным отношением веса воды, содержавшейся в образце породы, к весу образца после его высушивания [2].

5.1 Порядок выполнения

Необходимые приборы и оборудование: технические весы, сушильный шкаф, бюксы, эксикатор, образцы горной породы в измельченном состоянии.

Работа выполняется в следующей последовательности: Подбирают образцы горной породы, тоню измельчают (до

0,5 мм) и просеивают через сито.

Взвешивают пустые бюксы с крышками (вес G).

Пробу породы весом более 10 г помешают в бюксы и взвешивают (G1).

Бюксы с породой помещают в сушильный шкаф, снимают крышки и выдерживают в шкафу в течение 30 мин. Сушильный шкаф предварительно разогревается до постоянной температуры

105−110°С.

После сушки в сушильном шкафу бюксы закрывают крышками, охлаждают на воздухе в течение двух минут, переносят в эксикатор, на дне которого насыпан хлористый кальций, поглощающий пары воды, и выдерживают в эксикаторе, охлаждая до комнатной температуры.

Взвешивают охлажденные бюксы (G2).

Проводят контрольную сушку породы при том же тепловом режиме с последующим охлаждением и взвешиванием.

Контрольные сушки повторяют до тех пор, пока разница между двумя последующими взвешиваниями не окажется менее

0,01 г.

На основе опытных данных вычисляется влажность породы по формуле:

31

Определение влажности производится по трем образцам. За окончательное значение влажности принимается среднее арифметическое из результатов трех определений.

Результаты опыта занести в таблицу 5.1 по нижеприведенной форме.

Таблица 5.1 – Результаты расчета влажности горной породы

Контрольные вопросы

1.Какие виды влаг, входящие в состав горной породы существуют? Их характеристика.

2.В чем заключается методика определения влажности горных пород:

−приборы и оборудование;

−требования к образцам;

−последовательность проведения эксперимента;

−результаты?

3.Как осуществляется расчет влажности горной породы?

32

6 СОПРОТИВЛЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД РАЗРУШЕНИЮ ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ

6.1 Общие сведения

Наибольшее использование в задачах механики горных пород имеют характеристики прочности при одноосном сжатии.

Показатели временного сопротивления разрушению при элементарных видах деформаций (одноосном сжатии, растяжении, сдвиге и изгибе) считаются основными прочностными характеристиками твердых тел и широко используются для практических расчетов устойчивости горных выработок, эффективности технологических процессов подземных и открытых горных работ: взрывание, бурение, дробление и т. д.

Показатели временного сопротивления элементарным деформациям оценивают прочность горной породы. Наиболее распространенным методом оценки прочностных свойств горных пород является испытание их на одноосное сжатие [3].

Максимальная удельная нагрузка, приходящаяся на единицу площади сжимаемого образца в момент его разрушения, является временным сопротивлением породы одноосному сжатию (раздавливанию):

где σсж − предел прочности породы на одноосное сжатие, Па (кг/см2)

P– разрушающая нагрузка, кг;

F – площадь поперечного сечения образца, см2.

Сущность определения σсж заключается в следующем. Дня испытания готовят образцы правильной формы (кубической или цилиндрической), при этом плоскости образцов, к которым прикладывают нагрузку, должны быть параллельные и обработаны на шлифовальном круге. Образцы нагружают на гидравлическом прессе до их разрушения.

Имеет значение соотношение диаметра образца (длины стороны основания) к его высоте. При изменении отношения высоты образца (H) к его диаметру (D) от 1 до 2 расчетная прочность об-

33

разца изменяется всего лишь на 12 %. Дня пересчета прочности образца с соотношением H / D > 2 используем формулу:

где σN – прочность образца с отношением H / D ≥ 2 ; σD – измеренное сопротивление сжатия.

Необходимыми условиями испытания являются:

−строгая параллельность опорных граней (отклонение от параллельности не более 0,1 мм) и тщательная их обработка. С ростом чистоты обработки снижается трение между торцом и плитой пресса;

−снижение величины коэффициента трения между торцами образцов породы и плитами пресса. Это достигается применением картонных прокладок, свинца, парафина и др.

−скорость нагружения образцов породы не должна превышать 10 кг/см2·с.

6.2 Порядок выполнения работы

Необходимые приборы и оборудование: пресс гидравличе-

ский, манометр с ценой деления 10 кг/см2, штангенциркуль, образцы горных пород.

Характеристика пресса: диаметр поршня – 5,8 мм; площадь поперечного сечения – 26,4 см2; ход поршня – 6 см; максимально допустимое давление в прессе – 150 кг/см2; максимальное усилие

– 3960 кг; усилие на рукоятке при максимальном давлении – 20 кг; количество масла – 0,5 л.

Работа выполняется в следующей последовательности:

1.Подготовить гидропресс к работе: залить масло, закрыть сливной кран.

2.Замерить размеры образца, после чего установить его на рабочей площадке пресса.

3.Качательными движениями рукоятки повысить давление

кгидропрессе до момента разрушения образца породы, давление при этом ни в коем случае не должно превосходить 150 кг/см2.

34

4. Фиксируется давление по манометру в момент разруше-

ния.

5. По данному давлению с помощью рисунка 6.1 находится разрушающая нагрузка.

1000 2000 3000 4000 Р, кг

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

р, кг/см2

Рисунок 6.1 – Зависимость усилия на поршне от давления масла в гидравлической системе пресса

6. Рассчитываем предел прочности на сжатие по формуле

(6.1) и коэффициент крепости исследуемой горной породы по шкале М.М. Протодьяконова:

где σсж – предел прочности, измеренный в МПа.

7. Оценивается погрешность эксперимента. Для более точного определения, с целью избежания случайных погрешностей, эксперимент проводится несколько раз (не менее трех). По многократным определениям предела прочности на сжатия σсж1 ,

σсж2 , σсж3 определяют среднеарифметическое значение

8. Затем определяются:

35

− абсолютные отклонения отдельных определений от среднего значения

− среднеквадратическое отклонение

− коэффициент вариации

Коэффициент вариации при правильном выполнении эксперимента не должен превышать 20 %. Более высокие значения свидетельствуют о грубых ошибках, допущенных в ходе эксперимента, либо о непредставительности некоторых образцов.

9.Составляется таблица 6.1 по нижеприведенной форме и заполняется опытными и расчетными данными

Таблица 6.1 – Данные расчета коэффициента крепости горной породы

36

Контрольные вопросы

1.Какие прочностные параметры горных пород существуют и их используют в горном деле?

2.В чем заключается сущность определения σсж методом одноосного сжатия?

3.В чем заключается методика проведения эксперимента:

−приборы и оборудование;

−требования к образцам;

−порядок проведения работ;

−расчет предела прочности на сжатие, коэффициента крепости, оценка погрешности эксперимента?

4.Какие выводы можно сделать из проведенного опыта?

7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА КРЕПОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ТОЛЧЕНИЯ

7.1 Общие сведения

Для сравнения разрушаемости различных горных пород в практике горного производства наиболее широко используется коэффициент крепости горных пород (f), предложенный профессором М.М. Протодьяконовым, в основе которого лежит временное сопротивление пород при одноосном сжатии [2]. Однако метод проф. М.М. Протодьяконова имеет ряд недостатков при определении коэффициента крепости мягких пород (например, угля):

–предел прочности горных пород при одноосном сжатии определяется на образцах кубической или цилиндрической формы, изготовление и испытание которых довольно трудоемкая работа и требует специального оборудования;

–из слабых пород, к которым относятся некоторые марки углей, невозможно изготовить образцы правильной формы;

–невозможность определения крепости слабых пород (угля)

впроизводственных условиях.

Наиболее приемлемым для определения крепости слабых пород следует считать метод толчения, разработанный в Институте горного дела РАН им. Скочинского [2]. В основу методики

37

положена зависимость работы, затраченной на дробление породы, от величины вновь образованной при этом поверхности.

где А – работа, затрачиваемая на разрушение определенного объема угля, Дж;

W0 – удельная поверхностная энергия, Дж/м2;

S – площадь вновь образованной поверхности частиц, полученных при измельчении, м2.

Установлено, что удельная поверхностная энергия (W0) прямо пропорциональна коэффициенту крепости горных пород (f) по шкале проф. М.М. Протодьяконова. Площадь вновь образованной поверхности (S) прямо пропорциональна объему полученной пыли размером менее 0,5 мм, а следовательно и высоте столбика ее, помещенной в специальный объемомер. Таким образом, с неко-

где l – высота столбика пыли в объемомере по шкале, мм.

7.2 Порядок выполнения работы

Необходимые приборы и оборудование:

−молоток;

−копер, состоящий из металлического стакана высотой 60 см, и гири массой 2,4 кг;

−сито с отверстиями размером 0,5 мм;

−объемомер, состоящий из трубки диаметром 20 мм и поршня, имеющего шкалу;

−технические весы.

7.3 Последовательность работы

1. Набираются пробы угля. Для этого по всей длине лавы – у почвы, кровли и посередине мощности пласта отбирается по 10

38

кусков угля величиной с кулак и в трех мешочках выносится на поверхность. При этом в каждый мешочек кладется бирка, где указываются: шахта, участок, лава, расстояние от почвы пласта, время взятия пробы (год, месяц, число, смена) и фамилия работника, взявшего пробу.

2.В лаборатории производится обработка проб. Для этого каждый кусок разбивается молотком на твердом основании до получения кусочков размером 10 – 30мм. Из полученной мелочи отбирается пять порций угля массой 0,045 – 0,055кг каждый.

3.Устанавливается копер на жесткое основание и каждая порция (отдельно) засыпается в стакан копра и разбивается путем сбрасывания гири с постоянной высоты (60 см) заданное число раз (пять раз – для крепких и средней крепости углей и три раза – для слабых углей).

4.Все пять порций толченого угля ссыпаются в сито и просеиваются.

5.Собранная мелочь (пыль менее 0,5 мм), прошедшая через сито, засыпается в объемомер (диаметр обьемомера 0,023 м)и уплотняется постукивание по столу, после чего в трубку объемомера вставляется поршень, по шкале которого фиксируется высота столбика пыли.

6.Производится расчет коэффициента крепости горной породы (угля) по формуле:

где n – число сбрасываний гири; l – высота столбика пыли, мм.

7.Данные измерений и вычислений по каждой группе навесок (каждый отсчет объемомера) заносятся в таблицу 7.1 , после чего определяются среднеарифметическое значение по каждой пачке.

Если средние значения коэффициента крепости угля для всех пачек пласта отличаются не более чем на 40%, то весь пласт можно характеризовать одним средним коэффициентом крепости. Если же средние значения коэффициента крепости угля для всех пачек пласта отличаются на большую величину, то в даль-

39

нейших расчетах следует пользоваться максимальной величиной коэффициента крепости.

Таблица 7.1 – Данные измерений и вычислений

Контрольные вопросы

1.Какое значение имеет коэффициент крепости горных пород в технологических расчетах?

2.Какие недостатки у методики определения коэффициента крепости горных пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова методом одноосного сжатия?

3.В чем заключается сущность методики определения коэффициента крепости горных пород методом толчения?

4.Какие приборы и оборудование применяются при проведении работы?

5.В чем заключается методика отбора проб для проведения эксперимента?

6.Как проводится обработка проб в лабораторных услови-

ях?

7.Каков порядок выполнения эксперимента?

8.Какие основные факторы влияют на крепость горных

пород?

9.Как внешние факторы влияют на крепость горных по-

род?

40