Классификация физико-технических свойств пород

 

 

Физическое свойство горной породы — внутренние, присущие данной породе особенности, обуславливающие ее различность или общность с другими породами, проявляющееся как ответная реакция породы на воздействие на нее внешних физических полей или сред.

Физическое свойство горной породы оценивается одним или несколькими параметрами.

Параметр физического свойства горной породы — размерное или безразмерное скалярное или векторное число; количественная мера свойства.

Известно около 70 параметров физических свойств, из которых только 12 признаны базовыми, характеризующими 4 группы свойств пород (плотностные, механические, тепловые и электромагнитные).

Базовые параметры физических свойств горных пород (см. таблицу 2.1)— независимые физические параметры свойств горных пород, позволяющие при их наличии вычислить все остальные параметры.

Определения каждого из базовых параметров, а также и других параметров приведены в соответствующих, разделах данного учебника.

 

 

2.3 Отбор, хранение и подготовка к испытаниям образцов горных пород

 

 

Для последующего изготовления и испытания образцов горных пород в натурных условиях в намеченных местах, исходя из решаемой исследовательской задачи, отбирают пробы горных пород.

Пробы скальных или полускальных горных пород, исходя из наличия скважин или горных выработок, могут быть представлены кернами или монолитами, отделяемыми от забоев, почвы, кровли или стенок выработок. Размеры и количество кернов или монолитов должны обеспечивать возможность изготовления необходимого числа образцов для всех предусмотренных видов испытаний.

Минимальный диаметр кернов, пригодных в качестве пробы — 43 мм, а длина — не менее 150 мм.

Минимальные размеры монолитов — 200х200х200 мм (предпочтительно 300х300х200). Отбор проб связных, рыхлых, разрыхленных или текучих производят в горных выработках с помощью ножа, лопаты и т.п. и в скважинах с помощью буровых наконечников или грунтососов. Для связных пород, не сохраняющих форму без жесткой тары, пробу отбирают с помощью режущего кольца диаметром 90 мм или 200 мм для крупнообломочной породы (частицы крупнее 10 мм составляют по массе более 50%).

Упаковка и консервация проб для сохранения их естественной влажности должна производиться по возможности немедленно. Если нет возможности произвести немедленную консервацию, проба должна быть временно, не более чем на 10 ч., помещена в полиэтиленовый пакет. Консервация проб (для связных вместе с тарой) осуществляется в следующем порядке: проба обильно смачивается расплавленным парафином (желательно с добавкой 10-15% битума), затем оборачивается в смоченную парафином бумагу и потом обертывается двумя слоями марли, смоченной в парафине. Пробы рыхлых, разрыхленных или текучих пород укладывают в металлические коррозионностойкие или пластмассовые банки с герметически закрывающимися крышками.

 

Таблица 2.1 – Базовые параметры свойств горных пород

 

Свойства	Параметр	Обозначение	Размерность	Единицы измерения
Плотностные	Объемная масса	ρ		кг/м^3
Пористость	Р	–	%
Механические	Предел прочности при одноосном сжатии	σсж		Па
Предел прочности при одноосном растяжении	σр		Па
Модуль продольной упругости	Е		Па
Коэффициент поперечных деформаций	υ	–	–
Тепловые	Коэффициент теплопроводности	λ
Удельная теплопроводность	с
Коэффициент линейного теплового расширения	α
Электромагнитные	Удельное электрическое сопротивление	ρэ
Относительная диэлектрическая проницаемость	εr	–	–
Относительная магнитная проницаемость	μ	–	–

Для транспортировки проб на значительные расстояния их следует укладывать в ящики на слои увлажненных опилок или стружек и затем засыпать этим же материалом.

Срок хранения проб до изготовления из них образцов горных пород и последующих испытаний не должен превышать: для рыхлых, разрыхленных и текучих пород — 2 суток, для остальных пород — 3 месяца.

Следующим этапом подготовки породы к испытаниям является изготовление образцов. Форма и геометрические размеры образцов, а также необходимое количество образцов регламентируется методикой испытаний и это будет изложено в последующих разделах. Различают образцы правильной формы (цилиндрические, кубические, диски, параллелепипеды), полуправильной формы с двумя параллельными плоскостями и образцы неправильной формы. Для изготовления образцов правильной и полуправильной формы из скальных и полускальных пород обычно используют камнерезные машины различных конструкций.

При проветривании комплексных испытаний физико-механических свойств данной породы часто возникает проблема проведения лабораторных экспериментов с минимальной трудоемкостью и на пробах минимальных размеров. По этой причине рациональная последовательность изготовления образцов и проведения испытаний может оказаться актуальной. На рисунке 2.1 приведена одна из возможных схем рациональной последовательности определения плотностных и механических свойств скальных горных пород при наличии проб в виде монолитов.

 

 

2.4 Обработка результатов определения свойств пород

 

 

Результаты, получаемые в результате определения величины того или иного параметра свойств горной породы строго говоря случайны, зависят от множества факторов и поэтому при их обработке применяют методы математической статистики в следующей последовательности.

Вычисляют среднюю арифметическую величину параметра

 

, (2.1)

 

где n – количество испытаний;

x_i –результат i – го испытания.

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Схема рациональной последовательности определения плотностных и механических свойств горной породы

 

 

Вычисляют величину среднего квадратического отклонения (ошибки) единичного результата

(2.2)

На этом этапе возможна отбраковка, отбрасывание некоторых результатов испытаний, величина которых х_к существенно отличается от . Для этого вычисляют критерий

 

(2.3)

 

и, если V_max≥1,71, значение х_к отбрасывают и заново вычисляют величины и S.

Далее вычисляют величину коэффициента вариации, т.е. среднее относительное отклонение полученных величин параметра от его средней арифметической величины

 

(2.4)

 

Окончательный результат представляют в виде

 

при Р=α, (2.5)

 

где – доверительный интервал значений параметра;

– коэффициент Стьюдента, зависящий от числа испытаний n и принятой величинs доверительной вероятности α (чаще всего принимают =0,85; 0,9; 0,95).

Например, результатs испытания образцов для определения предела прочности при одноосном сжатии

 

МПа при Р=0,85

 

Количество испытаний n в стандартизированных методах испытаний, где оговорена техника испытаний, требования к образцам породы и приборной базе обычно уже определено и рекомендуется минимальная величина n.

В иных случаях исследователь должен определить необходимое число испытаний для принятой им величины доверительной вероятности и полученных в предварительной серии испытаний величины К_вар для обеспечения ошибки измерения не более установленной им величины по следующей формуле

 

(2.6)

 

Например, если в предварительной серии К_вар=20%, установленная величина доверительной вероятности α=0,95 (и значит t_α=1,96) и желаемая ошибка измерения ξ=15%.

 

, т.е. необходимое число испытаний равно7.

 

Контрольные вопросы

1. Чем горная порода отличается от минерала?

2. Какие типы горных пород по характеру связей между частицами Вы знаете?

3. Что означает термины «породный массив» и «образец горной породы»?

4. Чем отличаются понятия «свойство горной породы» и «параметр свойства горной породы»?

5. Чем отличается порядок отбора проб скальных и полускальных пород от других видов породы?

6. В каком виде следует представлять результаты определения параметра свойства горной породы?

Раздел 2 ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

Плотностные свойства пород

 

 

Плотностные свойства – свойства, обусловленные действием гравитационного поля Земли и особенностями строения горных пород.