2007
.pdfРассчитать коэффициент анизотропии слоистых горных пород по формуле:
kАНИЗОТРОП |
= |
E |
П |
, |
(9.3) |
E |
|
||||
|
|
|
|
||
где EП и E – модули Юнга, определенные соответственно парал - лельно и перпендикулярно напластованию.
По результатам испытаний заполнить таблицы 9.1 – 9.3 и сделать выводы.
Таблица 9.1 – Модуль Юнга для цельных и нарушенных трещинами пород
№ п/п |
Порода |
t, мкс |
V, м/с |
E, Па |
|||
цельн. |
трещ. |
цельн. |
трещ. |
цельн. |
трещ. |
||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 9.2 – Модуль Юнга и коэффициент анизотропии слоистых пород, определенные вдоль и поперек напластования
№ |
Порода |
t, мкс |
|
V, м/с |
|
E, Па |
|
Коэфф. ани- |
п/п |
t || |
t |
V || |
V |
E || |
E |
зотропии |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица9.3 – Зависимость времени прохождения ультразвуковой волны от базы прозвучивания
№ |
Порода |
Время прозвучивания, мкс |
|
Примечание |
|
п/п |
l1, мм |
l2, мм |
l3, мм |
||
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
51
Контрольные вопросы
1.Какие методы исследований упругих показателей горных пород существуют?
2.В чем заключается методика проведения эксперимента определения модуля Юнга динамическим способом:
− приборы и оборудование; − требования к образцам;
− последовательность выполнения работы; − расчет модуля Юнга по полученным результатам для
цельных и нарушенных трещинами пород (таблица 9.1); − расчет коэффициента анизотропии для слоистых горных
пород (таблица 9.2); − результаты определения зависимости времени прохожде-
ния ультразвуковой волны от величины базы прозвучивания (таблица 9.3)?
3.Какие выводы можно сделать по работе?
10 ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
Магнитные свойства горных пород широко используются при разведке железорудных месторождений, обогащении магнитных руд, разрушении ферромагнитных горных пород, оценке напряженного состояния массивов и целиков на железорудных горных предприятиях. Они используются также для контроля вещественного состава и влажности магнитных руд.
Магнитное поле характеризуется напряженностью и индукцией, которые связаны между собой соотношением:
В = µо·µ·Н, |
(10.1) |
где В – магнитная индукция (величина векторная, характеризующая интенсивность магнитного поля в веществе), Тл;
µо – магнитная постоянная (µо = 4 π·10 -7 Гн/м;
µ– магнитная проницаемость вещества;
Н– напряженность магнитного поля (величина векторная характеризующая интенсивность магнитного поля в вакууме), А/м.
52
Все горные породы и минералы обладают в той или иной степени магнитными свойствами, т.е. являются магнетиками. При внесении в магнитное поле они намагничиваются и приобретают магнитный момент (М). Последний, в свою очередь, обусловлен наличием в породе элементарных магнитных моментов (mi ).
Мерой намагничивания породы (вещества) служит намагниченность (J), которая представляет собой сумму магнитных моментов в единице объема (V)
n
∑mi
J = i=1 . (10.2)
V
Намагниченность (J) – векторная величина. Она прямо пропорциональна напряженности (Н) магнитного поля
J = µо·H·( µ −1). |
10.3) |
Коэффициент (µ −1) = χ называется магнитной восприимчивостью (объемной), а отношение магнитной восприимчивости к плотности (χ / ρ) – удельной магнитной восприимчивостью горной породы.
Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость
связаны соотношением: |
|
µ = 1 + χ. |
(10.4) |
По магнитным свойствам минералы и горные породы делятся на диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (парамагнетики) и ферромагнитные (ферромагнетики).
Магнитная восприимчивость характеризует коэффициент пропорциональности, определяющий способность вещества намагничиваться в магнитном поле, приобретая некоторый магнитный момент. Магнитная восприимчивость почв обусловлена набором минералов,обнаруживающих ферромагнитные свойства, содержание которых связано с химическим составом почв, условиями их образования,а также характером вторичных изменений.
Магнитные характеристики почв отражают количество и качество содержащихся в них оксидов железа. Присутствие железосодержащих минералов, форма их нахождения и концентрация с высокой точностью отражают особенности вещественного состава горных пород любого литологического облика. Практически все геологические образования в природе являются магнитными, большинство из них слабомагнитны. Основными магнитными
53
минералами, встречающимися в природе, являются: магнетит, титано-магнетит, маггемит, пирротин, природное железо. Наиболее распространенным, а также имеющим наибольшее значение магнитной восприимчивости, является магнетит.
Магнитную восприимчивость (МВ) измеряют на каппометре. Это прибор по измерению магнитной восприимчивости индукционным методом горных пород, бурового шлама и прочих образцов. Изначально каппометр применялся в геофизике для поиска и разведки полезных ископаемых. Его работа основана на различной намагниченности горных пород и руд.
Малогабаритный измеритель магнитной восприимчивости KT-6 предназначен для быстрого измерения магнитной восприимчивости обнаженных горных пород, буровых кернов и крупных кусков горных пород в полевых условиях (рисунки 10.1, 10.2).
Рисунок 10.1 − Малогабаритный измеритель магнитной восприимчивости KT-6 (внешний вид)
Прибор KT-6 особенно удобен для выбора подходящих образцов, магнитные свойства которых будут подвергаться углубленному изучению в лаборатории.
Основной частью прибора является LC-осциллятор с частотой 10 кГц, диэлектрическая проницаемость которого определяется плоской измерительной катушкой, размещенной на рабочей поверхности прибора. Измерение магнитной восприимчивости осуществляется в два этапа. Частота осциллятора измеряется при помощи катушки на некотором расстоянии от породы (измерение в свободном пространстве), и затем измерение повторяется, когда
54
катушка подносится вплотную к поверхности породы. По разности частот встроенный микрокомпьтер рассчитывает величину истинной восприимчивости , эта величина затем и отображается на дисплее.
Применение микропроцессора и БИС с очень низким потреблением электроэнергии позволяет уменьшить размеры прибора настолько, что оператор может управлять прибором КТ-6 одной рукой. Прочный кожаный футляр, который можно надеть на плечо или закрепить на поясном ремне, значительно облегчает работу с прибором в полевых условиях.
Корпус прибора состоит из двух герметично изолированных отсеков. В переднем отсеке, снабженном пыле- и водонепроницаемыми уплотнениями, размещены все электронные узлы, а также измерительная катушка, сенсорные переключатели и дисплей. Источник питания и переключатель настройки находятся в заднем отсеке, снабженном крышкой. Технические характеристики прибора КТ-6 приведены в таблице 10.1.
Рисунок 10.2 − Малогабаритный измеритель магнитной восприимчивости KT-6 (составные части)
55
Таблица 10.1 −Технические характеристики прибора КТ-6
Чувствительность, ед. СИ |
1х10-5 |
|
|
Диапазон измерений,единицах |
От -999 до 9999х10-3 |
|
|
СИ с автоматическим переключени- |
от -999 до 9999x10-3 |
|
|
ем уровня точности (9,99; 99,9; 999) |
|
|
|
Рабочая частота, кГц |
10 |
|
|
Дисплей |
4-разрядный. |
жидкокристалличе- |
|
|
ский, высота 13 мм |
|
|
Сохранение данных |
до 70 измерений |
|
|
Органы управления |
Переключатель |
|
настройки, |
|
Два сенсорных |
переключателя: |
|
|
Сброс/Измерение |
[C/M], |
|
|
Вызов из памяти [RCL]. |
||
Скорость передачи данных, Бод |
9600 |
|
|
Формат |
10 бит (1 стартовый бит, 8 бит дан- |
||
|
ных, 1 стоповый бит), без контроля |
||
|
четности |
|
|
Потребляемая мощность, в среднем, |
10 |
|
|
мА |
|
|
|
Источник питания |
напряжением 9 В, тип 6LF22 по |
||
|
стандарту IEC |
|
|
Рабочая температура |
от -10°C до +55°C |
|
|
Размеры (диаметр х длина), мм |
65x187 |
|
|
Построить график зависимости магнитной восприимчивости горной породы от содержания в ней магнетита по экспериментальным данным, приведенным в таблице 10.2.
Таблица 10.2 – Данные магнитной восприимчивости горной породы в зависимости от содержания магнетита
Содержание |
маг- |
30,75 |
55,25 |
65,41 |
40,48 |
65,11 |
78,4 |
69,61 |
нетита, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
Магнитная |
вос- |
0,082 |
0,4 |
0,75 |
0,224 |
0,64 |
1,24 |
1,62 |
приимчивость, |
|
|
|
|
|
|
|
|
см3/ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
56
Контрольные вопросы
1.Чем характеризуется магнитное поле?
2.Что является мерой намагничивания горных пород (ве-
ществ)?
3.Что называется объемной магнитной восприимчивостью?
4.Что называется удельной магнитной восприимчивостью?
5.Как делятся горные породы по магнитным свойствам?
6.Какими приборами измеряют магнитную восприимчи-
вость?
11 ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ НА КРЕПОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД
11.1 Общие сведения
Воздействие жидкости на горную породу может быть динамическим и статическим. Динамическое воздействие, как правило, приводит к механическому разрушению и перемещению горных пород; статическое – к набуханию, размоканию и растворению, степень воздействия жидкостей наибольшая в связных и некоторых слабоцементированных скальных породах.
Активной растворимостью обладает лишь незначительное число пород и минералов (галогениды, более слабо ангидрит и гипс). Доломиты и известняки относятся к слаборастворимым породам. Остальные породы практически нерастворимы.
Вода проникает в мельчайшие поры и трещины породы, под воздействием внешнего давления стремиться распространиться по всему объему, нарушая связи между частицами, расширяет трещины, препятствует их смыканию.
Явление снижения связей между частицами породы при ее насыщении обусловливают соответствующие изменения механических свойств пород.
С увлажнением уменьшается статистический модуль Юнга горных пород и возрастает коэффициент Пуассона.
57
Если влажность приводит к размоканию пород, то наблюдается также снижение скоростей распространения упругих колебаний.
Увеличение влажности горных пород приводит к снижению всех их прочностных параметров. Деформируемость мрамора после увлажнения возрастает в 2 раза, глинистого песчаника – в 3 раза, песчаника – в 3,5 раза.
Уменьшение прочности пород при водонасыщении характеризуется коэффициентом водопрочности (размокания):
ηр = σсжп/ σсжо ≤ 1.
Породы, имеющие η < 0,75 – слабоустойчивые:
−для глинистых песчаников ηр = 0,45;
−для известняков ηр = 0,35−0,5.
Размоканию подлежат также угли. Очень слабо или почти не размокают скальные горные породы.
Для разупрочнения применяют ПАВ – поверхностноактивные вещества.
Увлажнение приводит также к уменьшению горнотехнологических параметров пород – крепости, твердости, абразивности, хрупкости; увеличению пластичности.
Значительно увеличивается ползучесть влажных горных пород. При этом снижаются период релаксации и длительная прочность пород.
Влажность в связных горных породах способна приводить также к другим физическим явлениям, в значительной степени оказывающим влияние на ведение горных работ – набухание пород, липкость, усадка и тикситрения.
11.2 Определение водопоглощения горной породы
Водопоглощение определяют путем сравнения массы образцов горной породы в насыщенном водой состоянии и после высушивания.
Средства контроля и вспомогательное оборудование: −весы настольные циферблатные по ГОСТ 293294;
−шкаф сушильный;
−сосуд для насыщения образцов водой;
−щетка металлическая.
58
11.3 Порядок подготовки к испытанию и проведение испытания
Водопоглощение горной породы определяют на пяти образцах кубической формы с ребром 40—50 мм или цилиндрах диаметром и высотой 40—50 мм. Образцы очищают металлической щеткой от рыхлых частиц и пыли и высушивают до постоянной массы.
Образцы взвешивают после их полного остывания на воздухе до температуры помещения.
Образцы укладывают в сосуд с водой, имеющей температуру (20±5) °С, в один ряд так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов на 20 мм. Образцы выдерживают в воде в течение 48 ч, извлекают из сосуда, удаляют с поверхности влагу мягкой тканью и взвешивают. Массу воды, вытекшей из пор образца на чашку весов, включают в массу насыщенного водой образца.
Обработка результатов испытания
Водопоглощение (Wпогл, %) по массе, вычисляют по формуле:
(11.1)
где m1− масса образца в насыщенном водой состоянии, кг; m− масса образца в сухом состоянии, кг
Величину водопоглощения вычисляют, как среднеарифметическое значение результатов определения водопоглощения пяти образцов горной породы.
Сущность метода определения предела прочности при сжатии и снижения прочности при сжатии горной породы в водонасыщенном состоянии заключается в измерении максимальной разрушающей нагрузки, приложенной к торцам цилиндрического или кубического образца горной породы в сухом и водонасыщенном состоянии.
59
Снижение прочности при сжатии характеризуют разностью между пределами прочности при сжатии образцов в сухом и водонасыщенном состоянии.
Средства контроля и вспомогательное оборудование
Пресс гидравлический с усилием от 100 до 500 кН по ГОСТ 28840 или ГОСТ 9753 с регулируемой скоростью приложения нагрузки и погрешностью измерения не более 2 %.
Станок сверлильный по ГОСТ 1222 или аналогичного типа с твердосплавными по ГОСТ 11108 или алмазными коронками для выбуривания образцов из проб горных пород .
Машина камнерезная для изготовления образцов, снабженная отрезными алмазными кругами диаметром не менее 250 мм по ГОСТ 10110 или ГОСТ 16115.
Плита поверочная по ГОСТ 10905 или стойка типа С-III по ГОСТ 10197 с индикатором часового типа по ГОСТ 577 или индикатором многооборотным по ГОСТ 9696.
Штангенциркуль по ГОСТ 166. Угольник поверочный по ГОСТ 3749. Шкаф сушильный.
Сосуд для насыщения образцов водой.
Шлифзерно (порошок шлифовальный) 12 и 8 по ГОСТ 3647. Щетка.
Порядок подготовки к испытанию
Из пробы горной породы, отобранной при геологической разведке и представленной керном или штуфом, при помощи сверлильной или камнерезной машины изготавливают пять образцов в форме цилиндра диаметром и высотой 40—50 мм или куба с ребром 40—50 мм. Для горных пород с выраженной слоистостью изготавливают десять образцов.
Допускается испытывать керны диаметром от 40 до 110 мм и высотой, равной диаметру, полученные в процессе разведочного бурения из одного слоя породы, с пришлифованными торцами, если керны не имеют внешних повреждений.
Отношение высоты к диаметру образцов допускается от 0,9
до 1,1.
60