Главными физическими свойствами скальных и полускальных горных пород, изучаемых в процессе геологоразведочных работ, являются плотность; плотность минеральной части (удельный вес) и плотность породы (объемный вес, удельный вес + пористость), а для полускальных пород и влажность. Эти свойства взаимозависимы и, в целом, выражают состояние горных пород как в условиях естественного залегания, так и в образце. По основным физическим свойствам скальных и полускальных пород можно до некоторой степени судить об их прочности и устойчивости, об изменении под влиянием геологических процессов и искусственных факторов, Качественная определенность горных пород сохраняется в пределах некоторого интервала количественных изменений их физических свойств. Это позволяет отличать по физическому состоянию одни разности пород от других, а в геологическом разрезе характеризовать определенным образом каждую толщу, слой, пачку, и в однородных по петрографическому составу породах выделять зоны и подзоны. Плотность минеральной части (удельный вес) горных пород не отражает непосредственно их физического состояния и не используется в инженерных расчетах, но она необходима при вычислении других важных показателей их свойств, например пористости. Сравнивая с плотностью минеральной части плотность породы, можно судить о степени ее плотности, т.е. о физическом состоянии. Чем меньше плотность породы и особенно в сравнении с плотностью минеральной части, тем больше пористость, влагоемкость и , возможно, ниже прочность. Плотность горных пород широко используется при разнообразных инженерных расчетах. Например, для расчета грузонесущей способности крепи, смещения контуров выработки в зависимости от глубины заложения, величины горного давления, для определения количества отбитой породы, емкости транспортных средств. Объема отвалов, терриконов и т.д. Поэтому этот показатель физических свойств горных пород относится к расчетным.
Плотность горных пород служит показателем разной степени их уплотненности и поэтому используется при расчленении разновозрастных толщ, комплексов и формаций и корреляции разрезов. Она может использоваться также как показатель вторичных изменений горных пород под влиянием естественных и искусственных факторов.
Важной характеристикой физических свойств и состояния горных пород вообще, является их пористость. Она определяет плотность горных пород, их прочность, деформируемость, влагоемкость, влияет на водопроницаемость, сопротивляемость выветриванию, морозоустойчивость и другие качества, имеющие большое практическое значение. Чем больше пористость горных пород, тем меньше их плотность и прочность, больше деформируемость и влагоемкость. Пористость снижает сопротивляемость горных пород выветриванию и их морозоустойчивость. По величине пористости вмещающих пород в комплексе с другими параметрами можно судить о водообильности проходимых горных выработок, о устойчивости пород кровли или почвы угольного пласта и других горногеологических явлениях.
Физическое состояние и свойства горных пород в значительной степени зависят от их влажности. У скальных пород из-за низкой пористости влажность составляет от долей до нескольких процентов, поэтому ею обычно пренебрегают, у полускальных пород она может достигать 15-20 % и более и оказывать существенное влияние на их физическое состояние и свойства. Поэтому для таких пород ее обязательно определяют. Чем выше влажность пород, тем больше их плотность. Она сказывается также на их прочности, морозоустойчивости, величине усадки, теплоемкости и других свойствах.
.Методы определения плотности минеральной части горных пород
Плотностью минеральной части (удельным весом) горной породы называется вес единицы объема ее минеральной части (скелета) в граммах на кубический сантиметр. Численно он равен отношению веса твердой части породы к ее объему. Для определения этого показателя горных пород и углей используются либо пикнометрический, либо волюмометрический (объемный) методы. Более распространенным и относительно более точным методом является пикнометрический.
Проведение определения
Пикнометр наливают дистиллированной водой примерно 0,33 его емкости. Температура воды в нем должна быть 18, 20 или 22оС. Взвешивают пикнометр на технических весах с точностью до 0.01 г. От испытываемого образца откалывают снаружи и из середины по два куска весом 50-100 г каждый. Отобранные куски, находящиеся в воздушно-сухом состоянии, измельчают в фарфоровой или агатовой ступке и просеивают через сито с диаметром отверстий 2 мм. Из просеянной и тщательно перемешанной породы берут навеску около 15 г в стеклянный бюкс. Затем породу в бюксе высушивают в термостате при температуре 100-105оС до постоянной массы охлаждают в эксикаторе и переводят в пикнометр при помощи воронки и взвешивают, затем вычитают из массы пикнометра с водой и грунтом массу пикнометра с налитой в него водой (на 0.33 его емкости) и определяют массу внесенного в пикнометр сухого грунта (mo). Суспензию взбалтывают в пикнометре и кипятят на песчаной бане (не допуская разбрызгивания) в течение 30 минут при исследовании грубозернистых пород и 1 часа при исследовании тонкозернистых и глинистых. После кипячения пикнометр охлаждают в ванне с водой до комнатной температуры и доливают до метки дистиллированной водой и измеряют температуру воды с точностью -+ 0.5оС. Пикнометр тщательно обтирают и взвешивают на технических весах с точностью 0.01 г и получают массу пикнометра с водой и породой (m1). Из пикнометра суспензию выливают и наливают в него прокипяченную дистиллированную воду до метки и взвешивают и получают массу пикнометра с водой (m2). На основании полученных данных вычисляют плотность минеральной части (rм) по следующей формуле (с точностью до 0.001):
rм = mo ·rn. / (mo +m2 - m1)
где mо - масса сухого грунта, г;
m1 - масса пикнометра с водой и грунтом, г;
m2 - масса пикнометра с водой, г;
rw -удельный вес воды, г/см3.
Для каждой породы следует производить два параллельных определения плотности минеральной части и затем вычислять среднее значение с точностью до 0.01. Расхождение между результатами определений допускается до 0.02 г/см3.
ЛЕКЦИЯ 7
.Методы определения плотности горных пород
Плотностью (объемным весом) принято называть вес единицы объема горной породы естественного сложения и влажности в г/см3. Численно она равна отношению массы породы к ее объему. Плотность определяется следующими методами:
а) непосредственным измерением образцов правильной формы;
б) гидростатическим взвешиванием с предварительным парафинированием;
в) насыщением образцов водой;
г) с применением объемомера;
д) денситометрическим (ускоренный метод);
е) расчетным методом;
а) Метод непосредственных измерений
Данный метод применяется в тех случаях, когда имеется возможность изготовить образцы правильной геометрической формы.
Для определения необходимо иметь: весы лабораторные, шкаф сушильный, металлическую линейку или штангенциркуль.
Из монолита горной породы или керна вырезают образец правильной формы в виде куба, прямоугольного параллелепипеда или цилиндра.
Объем образцов определяется по их геометрическим размерам, измеренным линейкой или штангенциркулем с погрешностью не более 0.1 мм при размере стороны до 20 см и с погрешностью не более 1 мм при размере стороны свыше 20 см.
Каждый линейный размер образцов вычисляют как среднее арифметическое трех измерений двух параллельных друг другу ребер и средней между ними линии. Размер диаметра образца цилиндрической формы вычисляют как среднее арифметическое четырех измерений двух взаимно перпендикулярных диаметров на каждой параллельной плоскости цилиндра. Высоту образца цилиндрической формы вычисляют как среднее арифметическое четырех измерений - по два измерения на взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающих цилиндр по его вертикальной оси.
Образцы очищают от пыли и высушивают до постоянной массы. Плотность (r) в г/см3 отдельного образца вычисляют по формуле:
r = m/v;
где m - масса образца, высушенного до постоянной массы, г;
V - объем образца, см3;
Для каждой пробы горной породы следует призводить два параллельных определения плотности, а затем вычислять среднее значение с точностью до 0.01 г/см3. Расхождение в результатах параллельных определений не должно превышать 0.03 г/см3.
б) Метод гидростатического взвешивания
Этот метод является наиболее точным, он применяется для определения плотности образцов произвольной и неправильной формы.
Для определения необходимо иметь: весы лабораторные, шкаф сушильный, сосуд стеклянный, подставку, чашку, нож, иглу, нитки, бумагу фильтрованную, парафин.
Из монолита или керна отбираются два образца объемом не менее 30 см3, им придается овальная форма путем сглаживания острых углов на абразивном круге.
Высушенные до постоянной массы и взвешенные образцы погружают в расплавленный парафин при температуре 57-60о, чтобы покрыть их тонким слоем парафина. Пузырьки воздуха на парафиновой оболочке прокалывают нагретой иглой и заглаживают. Запарафинированные образцы взвешивают на обычных лабораторных, а затем на гидростатических весах.
Плотность (r) в г/см3 отдельного образца вычисляют по формуле:
r = m / mn - mn1 -(mo - m) / rn,
где m - масса образца, высушенного до постоянной массы, г;
mn- масса образца, покрытого парафином, г;
mn1-масса образца, покрытого парафином в воде, г;
rn- плотность парафина, равная 0.93 г/см3.
Общую плотность породы вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний 2-х образцов. Расхождение в параллельных определениях допускается до 0.03 г/см3. Для очень плотных скальных и некоторых полускальных горных пород, пористость которых составляет доли процента или 1-2%, плотность можно определять без парафинирования по формуле: r = m / v, г/см3
в) Метод насыщения образцов водой
Образцы из плотных пород вместо покрытия пленкой парафина могут быть насыщены водой.
Насыщение образцов водой производят путем кипячения их в воде в течение 2 часов и охлаждения в той же воде до комнатной температуры или путем погружения образцов в воду и выдерживания в ней в течение 24 часов при комнатной температуре.
Образец, насыщенный водой, обтирают и взвешивают с начала на обычных лабораторных весах, а затем на гидростатических.
Плотность в г/см3 отдельного образца вычисляют по формуле:
r = m/mh-mh1
где m - масса образца, высушенного до постоянной массы, г;
mh - масса образца, насыщенного водой, г;
mh1 - масса образца, насыщенного водой, в воде, г;
Плотность вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний 3-х образцов.
Г) Испытания с применением объемомера
Объемомер, представляющий собой металлический цилиндрический сосуд с впаянной медной или латунной трубкой внутренним диаметром 8-10 мм с загнутым вниз концом, наполняют водой комнатной температуры. Когда уровень воды достигает высоты 250 мм и прекратится падение капель, под трубку ставят предварительно взвешенный стакан. Затем образец, покрытый парафиновой пленкой или насыщенный водой, осторожно погружают на тонкой проволоке в цилиндр, при этом вода, вытесненная образцом, будет стекать по трубке в стакан. После прекращения падения капель стакан вновь взвешивают и определяют массу воды, вытесненную образцом. Масса вытесненной воды в граммах соответствует объему образца в см3.
Плотность отдельного образца, покрытого пленкой парафина, вычисляют по формуле:
r = m / mb - (mn - m) / rn;
где m -масса образца, высушенного до постоянной массы, г;
mn -масса образца, покрытого парафином, г;
mb -масса воды, вытесненной образцом, г;
rn -плотность парафина, равная 0.93 г/см3.
Плотность отдельного образца, насыщенного водой, вычисляют по формуле: r = m/mв, где m -масса образца, высушенного до постоянной массы, г; mв -масса воды, вытесненная образцом.
Плотность вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний трех образцов.
Д) Денситометрический (ускоренный) метод
Для плотных скальных и полускальных горных пород, пористость которых менее 2%, плотность можно определять без парафинирования с помощью специального прибора - денситометра марки ПВГП.
Основной частью этого прибора является коромысло, которое вращается на оси в шариковых подшипниках. К правому плечу коромысла при помощи подвеса подвешивают образец. К левому плечу подвешивают чашку с уравновешивающим грузом. На коромысле жестко укреплен указатель шкалы плотности (объемной массы) прибора. Плотность на этом приборе определяется с точностью до 0.01 г/см3. На площадке штатива крепится подъемный механизм с сосудом для воды. При подготовке прибора к работе необходимо проверить балансировку коромысла.
Образец горной породы подвешивают на нитке к подвесу правого плеча коромысла. На чашку левого плеча коромысла кладут дробь, чтобы указатель установился на индексе “LL” шкалы плотности. Термометром определяют температуру воды в стакане. Образец погружают в стакан с водой и по шкале читают значение плотности горной породы с точностью до 0.01 г/см3.
Окончательный результат определяют по формуле:
rо = r1 · r2, где
r1 - плотность образца, определенная по шкале прибора, г/см3;
r2 - плотность воды при различных температурах (по табличным данным), г/см3.
Для каждой пробы породы следует производить два параллельных определения плотности.