Эксперимент.

1) Отбор проб и приготовление образцов породы.

Каждая подгруппа в составе 3-5 человек определяет: объемный вес; плотность и пористость каменного угля и одного из видов осадочной (магматической) горной породы.

От пробы этих же пород отбирают несколько образцов неправильной формы весом 50-120г для определения объемного и удельного весов.

2) Определение удельного веса породы пикнометрическим методом.

Метод основан на замере изменения веса пикнометра, наполненного жидкостью, при замене части этой жидкости навеской исследуемой породы.

Пикнометр для определения удельного веса представляет собой узкогорлую мерную колбу объемом 50 или 100мл. На горлышке нанесена риска, соответствующая номинальному объему пикнометра.

Порядок выполнения работы:

а) взвешивается пустой пикнометр (мерная колба точного объема) - Go, г;

б) взвешивается пикнометр, наполненный водой до риски - G1,г

в) берется навеска образца (10 – 30 г), тонко измельчается до 0,5мм, помещается в пустой пикнометр. Пикнометр взвешивается вместе с навеской – G2, г;

г) в пикнометр с навеской доливается вода до риски, тщательно взбалтывается для удаления воздуха из породы (воздух из навески образца можно удалить кипячением) и взвешивается –G3, г;

д) удельный вес породы определяется по формуле:

, Н/м3 (г/см3), (11)

где G₂ – G₀ – вес навески породы,

– объем пикнометра,

– объем воды в пикнометре, когда в нем находится навеска породы,

– удельный вес воды (принять = 1,05 т/м3).

Коэффициент пористости (Р) определяется из соотношения между объемным и удельным весом горной породы.

Введем следующие обозначения:

V_о – объем образца,

V₁ – объем твердой фазы образца,

V₂ – объем пор образца,

G – вес образца,

ᵞу д – удельный вес образца,

– объемный вес образца.

Очевидно, что: V₀= V₁+V₂, (12)

Вес образца равен: G = V₁, (13)

Коэффициент (приведенной) пористости:

, (14)

Подставляя в эту формулу вместо объемов их значения из формулы (1,3) после простых преобразований имеем:

(15)

Контрольные вопросы:

1. Что такое удельный вес, объемный вес, коэффициент общей пористости горной породы?

2. Как вычисляется удельный вес, объемный вес, коэффициент общей пористости горной породы?

3. Для чего производится измельчение образца при определении удельного веса?

4. Суть пикнометрического метода;

5. Вывод формулы (6);

6. Вывод формулы (11);

7. Виды пористых горных пород;

8. Как определяется объемный вес?

Лабораторная работа № 3 Тема: Определение параметров деформации горных пород

Цель работы. Определение модуля упругости, полной деформации и пластичности горных пород статическим методом с использованием индикаторов часового типа.

Основные теоретические положения.

Модуль упругости Е_у — коэффициент пропорциональ­ности между действующим нормальным напряжением (сжимающим и растягивающим) и соответствующей ему относительной продольной упругой деформацией.

Модуль упругости Е_п — коэффициент пропорциональ­ности между действующим нормальным напряжением (сжимающим и растягивающим) и соответствующей ему относительной полной продольной деформацией.

Модуль пластичности Е_пл — коэффициент пропорциональ­ности между действующим нормальным напряжением (сжимающим и растягивающим) и соответствующей ему относительной продольной пластической деформацией.

Полная деформация Е определяется суммой пластической Е_пл и упругой Е_у деформаций:

Е_п = Е_у + Е_пл.

Для определения вышеперечисленных параметров деформации чаще всего приме­няются следующие методы:

1. Измерение продольных и поперечных деформаций при сжатии индикаторами часового типа.

2. Измерение этих же деформаций при сжатии с приме­нением проволочных датчиков омического сопротивления, наклеиваемых на образец горной породы.

3. Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона по скорости распространения продольных и по­перечных упругих волн в породах с применением ультра­звуковых датчиков.

Для определения модуля упругости и коэффициента Пауссона при сжатии применяются цилиндрические или призматические образцы с соотношением высоты к линей­ному размеру поперечного сечения, равным 1,5—2. Разме­ры поперечного сечения образцов обычно составляют 3— 4 см. Торцы образцов должны быть строго параллельны друг другу и обработаны с высокой точностью. Допуска­емое отклонение составляет не более 0,05 мм. Измерение продольных и поперечных деформаций осу­ществляется индикаторами часового типа с ценой деления 0,01—0,002 мм.

Продольные деформации измеряются с помощью двух специальных колец, закрепленных на отметке 1/4 высоты от его торцов. В верхнем кольце устанавливается индика­тор, а в нижнем — установочный винт индикатора. Шток индикатора должен располагаться параллельно образу­ющей образца.

Для более точных измерений возможна одновременная установка четырех индикаторов для измерения продоль­ных деформаций и четырех-для измерения поперечных. Индикаторы для измерения поперечных деформаций рас­полагаются по концам двух взаимно перпендикулярных диаметров среднего по высоте сечения образца.

Ножки индикаторов для измерения поперечных деформа­ций должны заканчиваться поперечным коротким штифтом, что исключает смещение ножки индикатора при сопри­косновении с цилиндрической поверхностью образца и ис­кажение результатов измерений.

Для стабильности измерений необходимо несколько раз нагрузить и разгрузить образец, доводя нагрузку до 50—. 60 % от разрушающей пятью-шестью ступенями нагружения. Это обеспечивает улучшение контакта образца с пли­тами пресса.

Приборы и принадлежности. Гидравлический пресс, восемь индикаторов часового типа, прибор УПМИ-1.

Порядок проведения опыта.

1. Нагрузить образец горной породы прессом для нагрузки 50—60 % от разрушающей.

2. После снятия предварительной нагрузки стрелки всех индикаторов установить в нулевое положение.

3. Нагрузить образец горной породы нагрузкой первой ступени (величина нагрузки устанавливается руководите­лем работ).

4. Снять показания индикаторов.

5. Нагружение образца выполнять ступенями с интер­валом, определяемым руководителем работ.

6. Результаты измерений занести в таблицу .

Обработка результатов опыта.

1. Вычислить абсолют­ную продольную деформацию образца при изменении на­грузки от Р_н до Р_к каждой ступени нагружения

2. Вычислить абсолютную поперечную деформацию об­разца при изменении нагрузки от Р_н до Р_к каждой ступени нагружения

3. Вычислить модуль упругости

где Р_к— конечная нагрузка на образец при измерении де­формации, Н;

Р_н— начальная нагрузка на образец при из­мерении деформации, Н;

h — высота образца до приложе­ния нагрузки, м;

S—площадь поперечного сечения об­разца, м²; h — продольная абсолютная деформация об­разца при измерении нагрузки от Р_н до Р_к, м.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Тема: Определение удельного волнового сопротивления и

динамического модуля упругости методом импульсного

прозвучивания

Цель работы. Определение волнового сопротивления и динамического модуля упругости с помощью импульсного прозвучивания, изучение методов определения динамиче­ских показателей.

Основные теоретические положения. Характер распро­странение упругих колебаний в породах определяется их акустическими параметрами, к которым относятся: ско­рость распространения упругих волн, коэффициенты по­глощения, преломления и отражения, удельное волновое сопротивление.

Удельное волновое сопротивление (удельный акусти­ческий импеданс) – это отношение давления звуковой вол­ны р к мгновенной скорости v’ колеблющихся частиц или произведение плотности породы  на скорость распространения в ней упругой волны:

Удельное волновое сопротивление характеризует спо­собность горных пород отражать и преломлять упругие волны.

Метод импульсного прозвучивания позволяет опреде­лить важнейшие динамические показатели горных пород:

модуль упругости, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, модуль объемной упругости и акустическую жесткость.

Динамический модуль упругости Е_дин определяется по скорости распространения упругих волн

Е_дин = V_p² • ,

где V_p — скорость упругой волны в стержне, м/с;

 — плот­ность образца горной породы, Н • с²/ м⁴.

Следовательно, определив скорость распространения продольных и поперечных волн в образцах породы, можно определить динамические показатели свойств горных пород.

Скорость распространения продольных звуковых волн определяют с помощью установки УКБ-1м. Дефектоскоп УКБ-1м работает с искательными головка­ми, номинальные рабочие частоты которых составляют 25, 60 и 150 кГц.

В данной работе используется метод прямого прозвучивания, при котором излучатель и приемник располага­ются на противоположных концах образца породы. При этом скорость прохождения продольной волны определяется по формуле:

V_p = L/t,

где L – длина образца, м;

t — время прохождения ульт­развуковой волны, с.

В образец с помощью излучателя посылаются ультра­звуковые импульсы, которые принимаются, усиливаются и подаются на электронно-лучевую трубку.

Приборы и принадлежности. Дефектоскоп УКБ, образ­цы горных пород.

Порядок проведения опыта.

1. Подготовить прибор к работе. Для этого его необходимо включить в электри­ческую сеть и после прогрева прибора (3—5 мин) убедить­ся, что он создает излучение с низкой частотой.

2. Установить четкость линии развертки и разместить ее на середине экрана электронно-лучевой трубки.

3. Совместить по одной оси излучающую и искательную головки и установить амплитуду первой полуволны в пре­делах экрана трубки.

4. Включить прибор. Искательную и излучающую го­ловки прижать к противоположным поверхностям образца так, чтобы оси их максимальной чувствительности совпа­дали.

5. Линейкой или штангенциркулем с погрешностью не более 1 мм измерить расстояние L между прижатыми к об­разцу головками.

6. Включив прибор, с помощью ручек управления до­биться на экране устойчивой картины колебаний — ос­циллограммы, амплитуда колебание первых фаз ко­торых должна превышать уровень шумов не менее чем в 2 раза.

7. По шкале масштабных меток отсчитать время t_p от момента излучения импульса до момента его первого вступления, характеризуемого началом первой фазы коле­баний на экране трубки (рис. 1).

Рис. 1 Волновая картина на экране осциллографа:

а — продольных волн; б — поперечных волн

8. Результаты измерений и вычислений занести в таб­лицу 4.

Таблица 4

№ образца	Результаты измерений			Результаты вычислений
	L, м	tp1, с	tз1, с	t, с	Vp, м/с	Z1,кг/м2∙с	Eдин, ГПа
1
2
3

Обработка результатов опыта.

1. Вычислить время про­хождения волны:

t = t_p – t_з, с,

где t_з — время задержки импульса в аппаратуре и голов­ках прибора, с.

2. Вычислить скорость распространения продольных волн:

V_p = L/t, м/с.

3. Вычислить динамический модуль упругости:

Е_дин = V_p²∙, Па.

3. Вычислить волновое сопротивление породы:

Z = V_p∙, кг/м²∙с.