Определение объемного веса (объемной массы) горных пород

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Определение объемного веса (объемной массы)

горных пород

Цель

Определение объемного веса (объемной массы) горных пород

Теоретическая часть

Объемным весом  называют отношение веса горной породы к его естественному объему, включая объем пор и трещин:

, г/см³ или т/м³,

где     G – вес горной массы, г или т;

V – естественный объем, см³.

В зависимости от объемного веса горных пород выбирается технология разработки полезных ископаемых, способ транспортировки.

При подсчете запасов полезных ископаемых необходимо также знать объемный вес. Различают руды тяжелые – объемный вес больше 3,5 т/м³, средние – объемный вес 2,5 – 3,5 т/м³ и легкие – объемный вес меньше 2,5 т/м³.

Объемный вес горных пород может быть определен следующими методами:

1.  по линейным размерам рассчитывают объем образцов правильной геометрической формы и взвешивают их;

2.  объем образцов неправильной формы находят с помощью объемометра, затем взвешивают;

3.  геофизический метод (по ослаблению гамма-лучей).

Оборудование

Объемометр, образец горной породы, тонкая проволока, сосуд или мерный цилиндр.

Ход работы

Объемометр наполняется водой до тех пор, пока излишек воды потечет из трубки. Когда уровень воды в цилиндре сравняется с уровнем сливного отверстия и падение капель из трубы прекратится, под нее ставят предварительно взвешенный сосуд или мерный цилиндр.

Образец, укрепленный на тонкой проволоке, погружают в объемометр, а вода, вытесненная образцом, стекает по трубке в сосуд. Когда уровень воды вновь сравняется с уровнем сливного отверстия и капли перестанут падать, сосуд опять взвешивают, определяют вес воды, вытесненный образцом.

Обработка полученных данных

Объем образца, см³, численной равен весу вытесненной воды в граммах или объему воды, вытесненной в мерный цилиндр.

Объемный вес вычисляется по формуле:

,

где     G₁ – вес порожнего сосуда, г;

G₂ – вес сосуда с водой, г.

Результаты исследования записывают в журнал лабораторных работ.

Результаты исследования

Определение объемного веса

Таблица 1

№ п/п	G, г	G1, г	G2, г	G2 - G1
1	50	100	120	20	2,5
2	70	110	130	20	3,5
3	75	125	145	20	3,75
4	80	145	170	25	3,2
5	110	170	185	15	7,33

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Определение предела прочности горных пород

на одноосной сжатие

Цель

Определение предела прочности горных пород на одноосное сжатие

Теоретическая часть

Показатель сопротивления пород одноосному сжатию является наиболее распространенной оценкой механических свойств горных пород и определяется как частное от деления максимальной разрушающей силы Р_мах, полученной при одноосном раздавливании на прессе образца горной породы правильной геометрической формы, на начальную площадь поперечного сечения S образца:

, кг/см² или МПа.

Определение сопротивления пород одноосному сжатию проводится для того, чтобы было можно предсказать их поведение при подземных работах.

Образцы могут быть изготовлены из полученных при бурении кернов диаметром 42 мм и отношением высоты к диаметру .

Для придания образцам цилиндрической формы керны разрезают на части так, чтобы торцевые поверхности были строго параллельны друг другу и перпендикулярны к образующим цилиндра.

Торцевые поверхности должны быть отшлифованы так, чтобы отклонение от параллельности было не более 0,05 мм. Если образец имеет отклонение высоты к диаметру, отличное от 1, необходимо провести пересчет по формуле:

,

где   - прочность на сжатие, определенная на образце с иным соотношением h/d.

Оборудование

Гидравлический пресс, образцы для испытания.

Ход работы

Испытание производится на гидравлическом прессе. Образцы при испытании доводят до разрушения за одно нагружение. Результаты испытания на одноосное сжатие заносят в лабораторный журнал

Обработка полученных данных

По классификации горных пород (М.М. Протодьяконов) определяем коэффициент крепости испытываемых образцов:

-  глинистые сланцы относятся к V, Vа, и VI категориям с соответствующими коэффициентами крепости 4, 3 и 2. Принимаем среднее значение f – 3 (т.к. подробной характеристики сланцев не имеем).

-  ангидрид имеет коэффициент крепости 3.

Вычисляем предел прочности на сжатие по формуле:

, кг/см² или МПа.

 МПа.

 МПа.

Прочность на сжатие  не пересчитываем, т.к. образец не имеет отклонения высоты от диаметра и соблюдается условие -  (размер образца сланцев 40 х 40 см, размер ангидрита 50 х 50 см).

Результаты исследования записывают в журнал лабораторных работ.

Результаты исследования

Результаты измерения и расчетов

по определению прочности горных пород на сжатие

Таблица 1

№ п/п	Наименование горных пород	Размер образца, см × см	Разрушающая нагрузка, кг/см2	Расчетный предел прочности кг/см2 или МПа	Коэффициент крепости, f	Площадь, см2
1	Глинистые сланцы	40 х 40	1000	25	3	40
2	Ангидрит	50 х 50	4000	80	4	50

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Определение предела прочности горных пород

при растяжении методом раскалывания пластин

Цель

Определение предела прочности горных пород при растяжении методом раскалывания пластин.

Теоретическая часть

Прочность при растяжении является одним из важнейших показателей оценки свойств горных пород.

Определение прочности горных пород на растяжении посредством раскалывания основано на решении упругой задачи о нагружении бесконечно длинного цилиндра равномерно распределенной нагрузкой, действующей по образующей цилиндра.

Величину растягивающих напряжений находят по следующему выражению:

, кг/см² или МПа.

где     Р – сила, равномерно распределенная по образующей цилиндра;

d– диаметр цилиндра, см;

h – высота цилиндра;

При раскалывании пластин клиньями вместо диаметра цилиндра записывается толщина пластин d, а высота цилиндра заменяется величиной, равной длине плоскости раскалывания l:

, кг/см² или МПа.

Оборудование

Пресс, образцы для испытания, масштабная линейка.

Ход работы

На одной из поверхностей пластины толщиной 10 – 30 мм с помощью масштабной линейки наносят сетку квадратов, стороны которых равны толщине пластины.

При нанесении сетки, по которой будет производится раскалывание, необходимо учитывать ориентирование плоскостей пластины по отношению к напластованию и слоистости, к направлению кливажа и других трещин. Это позволит определить сопротивление породы растяжению при различном направлении растягивающих  напряжений по отношению к слоистости, кливажу и т.д.

Раскалывание пластины производят на прессе по линиям сетки, используя специальное  клиновое приспособление. Клинья имеют угол при вершине 45⁰ и радиус закругления острия около 2 – 5 мм.

Во время испытаний необходимо следить, чтобы при установке пластины между клиньями ее плоскости были точно перпендикулярны направлению раскалывающей силы. Во избежания произвольного наклона пластину при раскалывании необходимо поддержать рукой, не забывая о мерах предосторожности.

Обычно раскалывание пластины происходит мгновенно по достижении максимальной нагрузки Р_мах, принимаемой в качестве расчетной напряжения, от которого произошло разрушение.

Обработка полученных данных

Вычисляем предел прочности на растяжение по формуле:

, кг/см² или МПа.

где     Р – сила, равномерно распределенная по образующей цилиндра;

d– толщина пластин, см;

l – длина плоскости раскалывания;

 МПа.

 МПа.

Значение раскалывающих усилий Р_мах и размеры плоскости раскалывания l, записывают в лабораторный журнал.

Результаты исследования

Результаты измерения и расчетов по определению

прочности горных пород на растяжение

Таблица 1

Наименование горных пород	Рмах, кг/см2	l, см	d, см	sрастяжение, МПа
Глинистые сланцы	320	15	40	0,34
Ангидрит	480	20	50	0,31

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

построение паспорта прочности горных пород

Цель

Определение площадки сдвига, угла внутреннего трения

Теоретическая часть

В горном деле наиболее распространенной теорией прочности пород является гипотеза Мора. По этой гипотезе разрушение горных пород происходит под действием касательных напряжений, являющихся функцией нормальных напряжений, действующих на площадке скольжения.

Угол внутреннего трения j, или коэффициент внутреннего трения tg j, характеризует интенсивность роста срезающих напряжений и с возрастанием нормальных напряжений, т.е. представляет собой коэффициент пропорциональности между приращением касательных и нормальных напряжений при срезке.

Угол внутреннего трения изменяется от 10 – 15⁰ для глин и 35 – 40⁰ для прочных массивно-кристаллических и метаморфических пород (граниты, сиениты, кварциты и др.).

Площадка сдвига – в этой области разрушение не происходит.

Аналитическая величина коэффициента внутреннего трения и предельного сопротивления сдвигу рассчитывают по формулам:

Ход работы

По полученным данным предельной прочности на сжатие и растяжение строим паспорт прочности горной породы и определяем угол внутреннего трения и площадку сдвига. Определенные величины заносим в таблицу.

Результаты исследования

Величины, необходимые и определяемые

при построении паспорта прочности

Таблица 1

Наименование горной породы	sсж, МПа	sрастяжение, МПа	С	j	tg j
Ангидрит	80	0,31	2,49	620	4,46

Вывод

Предел прочности на сжатие значительно больше прочности на растяжение.

В лабораторных работах на сжатие и растяжение горных пород были получены ошибочные данные, т.к. угол внутреннего трения по паспорту прочности превышает допустимые 40⁰, а фактически угол внутреннего трения составил 62⁰.