Физико-технические характеристики пород

23.12.2016

Объемная масса пород является необходимым критерием при расчетах погрузочно-транспортных операций, горного давления, конструкций крепи, производительности горных предприятий и подсчетах запасов полезных ископаемых.
Под объемной массой понимают массу единицы объема породы в ее естественном состоянии при той или иной пористости. Объемная масса пород изменяется в довольно широких пределах, чаще всего она колеблется от 1,5 до 3,5 г/см3; наибольшей объемной массой (до 4,5—5 г/см3) характеризуются руды, в состав которых входят гематит, магнетит, киноварь и другие тяжелые минералы.
Наиболее простым способом определения объемной массы породы является гидростатическое взвешивание. Для этого кусочки породы массой 6—10 г, высушенные до постоянной массы, взвешивают и парафинируют (породный образец перевязывают тонкой нитью и опускают на 1—2 с в сосуд с парафином, нагретым до 80—90°С). Запарафинированный образец двукратно взвешивают сначала в воздухе, а затем в воде (образец, подвешенный к коромыслу весов, погружают в сосуд с водой), и объемную массу породы определяют по формуле
Физико-технические характеристики пород

где g — масса образца;
g' — масса образца, покрытого парафином;
gi — масса запарафинированного образца в воде.
При определении объемной массы плотных пород парафинирование можно не производить, и после взвешивания образца в воздухе и воде объемную массу определяют по формуле
Физико-технические характеристики пород

где g1 — масса образца в воде.
Плотность породы — масса единицы объема ее твердой фазы (минерального скелета). Плотность, как правило, больше объемной массы; для осадочных пород разница между объемной массой и плотностью особенно велика, так как эти породы обладают значительной пористостью. Плотность пород обычно определяют пикнометрическим способом, основанным на замерах изменения массы пикнометра (мерной колбы с меткой, определяющей точный объем), наполненного жидкостью, при замене части этой жидкости навеской породы.
В процессе определения плотности измельчают 10—20 г породы до крупности 0,5 мм; чистый порожний пикнометр взвешивают, засыпают в него навеску породы и вторично взвешивают, затем наполовину заполняют водой и кипятят в течение 10—15 мин для удаления из навески воздуха. После охлаждения пикнометра его доливают водой до метки и взвешивают, затем пикнометр опорожняют от содержимого; промывают, вновь заполняют водой до метки и еще раз взвешивают; по полученным данным определяют плотность породы, пользуясь формулой
Физико-технические характеристики пород

где g2 — масса пикнометра с водой;
g3 — масса пикнометра с водой и навеской породы.
Массу навески породы определяют как разность масс пикнометра с навеской и порожнего пикнометра.
Пористость породы — суммарный относительный объем содержащихся в ней пор, при этом к порам неjтносят крупные полости и трещины. Различают открытые и закрытые поры; первые изолированы друг от друга, вторые — соединяются между собой. Совокупность открытой и закрытой пористости называют общей пористостью пород.
Пористость приобретает особое значение при проведении горных работ в газоносных или водоносных породах, так как она обусловливает влагоемкость, водо- и газопроницаемость пород. В известной мере она предопределяет и эффективность некоторых способов отбойки горных пород.
Количественно общая пористость пород (показатель пориcтости) может быть определена из их плотности и объемной массы по формуле
Физико-технические характеристики пород

В соответствии с показателем пористости породы разделяют на следующие три группы: низкопористые (ε≤5%), среднепористые (20%≥ε≥5%) и высокопористые (ε≥20%).
Осадочные породы характеризуются наибольшей пористостью, магматические — наименьшей (за исключением некоторых изверженных, например туфов и выветрившихся магматических пород).
Величину открытой пористости пород ε0 в лабораторных условиях определяют следующим способом: пятидесяти—стограммовый образец породы, высушенный до постоянной массы, взвешивают, затем на 6—12 ч погружают в керосин, и после насыщения взвешивают дважды в керосине (аналогично с гидростатическим взвешиванием) и в воздухе. Величину открытой пористости определяют по формуле
Физико-технические характеристики пород

где g'' — масса насыщенного керосином образца в воздухе;
g1'' — масса насыщенного образца в керосине.
Насыпная масса пород. Характеристиками разрыхления горных пород являются насыпная масса, угол естественного откоса и коэффициент трения.
Насыпной массой называют отношение массы отделенной от массива и раздробленной (разрыхленной) горной породы к ее объему. Этим показателем пользуются при расчетах, связанных с транспортировкой породы, размещением ее в горных выработках и складированием на поверхности.
Насыпная масса зависит от объемной массы породы, крупности кусков, гранулометрического состава (соотношения фракций разной крупности), плотности укладки кусков и влажности породы.
Так как насыпная масса представляет наибольший интерес при решении вопросов транспортировки пород, то на месте производства горных работ определение ее целесообразно производить в емкости, схожей по форме и размерам с откаточными сосудами, или непосредственно в откаточных сосудах. Формула для вычисления насыпной массы пород представлена ниже:
Физико-технические характеристики пород

где Q — масса сосуда, заполненного породой;
q — масса порожнего сосуда;
V — вместимость сосуда, м3.
Угол естественного откоса пород — угол между образующей конуса сыпучего материала и горизонтальной плоскостью. Угол естественного откоса зависит от формы, размеров и шероховатости породных частиц (кусков), а также от объемной массы и влажности породы.
Данный показатель используют при расчетах углов откоса породных отвалов (складов) и для других целей. Углы естественного откоса разрушенных скальных пород обычно меняются в пределах от 30 до 40°, а например песка — от 15 до 40°.
Коэффициент трения пород. Для расчетов некоторых видов доставки и погрузки породы, при которых кусковая масса скатывается по наклонной плоскости, пользуются понятиями коэффициент трения и угол трения; взаимосвязь между этими показателями выражается следующим образом:
Физико-технические характеристики пород

где ψ — угол трения, градус.
Величина угла трения определяется с помощью простейших приборов — трибометров, представляющих наклонную плоскость скольжения, изготовленную из материала, во взаимодействии с которым необходимо установить величину коэффициента трения данной породы. Меняя угол наклона плоскости, фиксируют ту величину угла ψ, при которой порода начинает перемещаться по плоскости вниз.