Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Приборы и материалы

Лабораторная работа № 3

Оценка плотности и пористости

Горных пород

Общие положения

1.1. Плотность и пористость, наряду с влажностью, являются важнейшими физическими свойствами горных пород. Эти свойства взаимосвязаны и характеризуют состояние пород в условиях естественного залегания и в условиях проведения горных работ.

1.2. Плотность горной породы есть её масса в единице объёма. Единицей плотности в СИ является 1 кг/м³. Для характеристики плотности используются три показателя: плотность горной породы – плотность частиц горной породы – и плотность сухой горной породы – Необходимость определения трёх показателей плотности и связана с тем, что горная порода, в общем случае, представляет собой трёхфазную систему. Она состоит: из твёрдых частиц (твёрдая фаза), а также из жидкости (жидкая фаза) и газов (газовая фаза), располагающихся в порах и пустотах породы. В зависимости от природных и искусственных условий соотношение между объёмами фаз может меняться. Изменение соотношения практически не оказывает влияния на физические свойства скальных пород и в большей степени, иногда значительно, влияет на свойства рыхлых пород.

1.2.1. Плотностью горной породы принято называть её массу единицы объёма в естественном сложении и при естественной влажности. Численно она равна отношению массы породы (включая массу воды и воздуха в порах) ко всему объёму породы (включая объём пор):

г/см³, (1)

где – масса твёрдых частиц, г; – масса воды в порах, г; массу воздуха не учитываем из-за несравнимо малой величины.

– объём твёрдых частиц, см³; – объём пор, см³.

Плотность породы – величина переменная. Она зависит, в основном, от минерального состава, влажности и характера сложения (пористости) породы:

1) с увеличением содержания тяжёлых минералов плотность породы увеличивается, а при увеличении содержания органических веществ – уменьшается;

2) с увеличением влажности плотность породы возрастает, максимальной при данной пористости плотность будет в случае полного заполнения пор водой;

3) с увеличением пористости плотность породы уменьшается.

Плотность породы служит прямым расчётным показателем при определении давления породы на подпорные стенки, устойчивости оползневых склонов и откосов, напряжений в породах основания фундаментов, осадки сооружений и др.

Плотность рассчитывается не только для горных пород, но и для полезных ископаемых. Для металлических и неметаллических полезных ископаемых определяется общая плотность руды , а для угля – кажущаяся плотность . В обоих случаях это плотность полезного ископаемого в естественном сложении с учётом влажности, пористости и трещиноватости. Указанные плотности учитываются при подсчёте запасов полезных ископаемых в недрах и учёте размеров их добычи.

1.2.2. Плотностью частиц горной породы называется масса её частиц в единице объёма. Численно она равна отношению массы твёрдых частиц породы (исключая массу воды и воздуха в порах) к объёму твёрдых частиц (исключая объём пор):

г/см³. (2)

Величина выражает среднюю плотность минералов, слагающих породу. Плотность большинства пород колеблется от 2,5 до 2,8 г/см³. В зависимости от содержания примесей она может уменьшаться (примеси торфа, гумуса, углистого вещества и др.) или увеличиваться (примеси рудных и нерудных минералов с повышенной плотностью).

Величина плотности частиц не отражает непосредственно физического состояния породы и не используется в инженерных расчётах, но она необходима при определении классификационного положения породы, а также при вычислении других показателей физических и механических свойств породы, например, пористости, коэффициента влажности. Сравнивая значения и можно судить о степени уплотнённости и пористости породы.

Плотность частиц также определяется для полезных ископаемых. Для металлических и неметаллических полезных ископаемых определяется плотность минералов руды а для угля – действительная плотность . Указанные плотности для руды и угля имеют генетическое значение, так как зависят от парагенезиса минералов руд и компонентов углей.

1.2.3. Плотность скелета горной породы или плотность сухой породы – это масса единицы объёма твёрдой части (скелета) породы в естественном сложении, иными словами, это масса единицы объёма сухой породы в естественном сложении. Численно она равна отношению массы твёрдых частиц породы (исключая массу воды в порах) ко всему объёму породы (включая объём пор):

(3)

Величина зависит от минерального состава и пористости породы. Величина плотности скелета применяется в качестве расчётной характеристики для определения пористости, коэффициента пористости, для характеристики степени уплотнённости породы в теле земляных сооружений (плотин, дамб, насыпей и др.).

1.3. Пористость горных пород

1.3.1. В объёме любой горной породы выделяются объём твёрдых частиц и объём пор, пустот, каверн, трещин и других полостей. Общий объём всех пустот в породе определяет её скважность. Объём пустот, соответствующий порам капиллярных размеров (диаметр пор менее 1 мм, ширина трещин менее 0,25 мм) и субкапиллярных (диаметр пор менее 0,0002 мм, ширина трещин менее 0,0001 мм), отражает её пористость. Все породы являются пористыми. По происхождению пор обычно выделяют: а) первичную пористость, образующуюся в процессе формирования породы; б) вторичную пористость, образующуюся в уже сформировавшейся породе в результате выщелачивания, выветривания, тектонических процессов, жизнедеятельности растительных и животных организмов.

Поры в породе могут быть связаны между собой и с атмосферой или могут быть изолированы друг от друга и от атмосферы. В первом случае говорят об открытой, во втором – о закрытой пористости. Часть открытой пористости, способной пропускать через поры жидкость (вода, нефть) и газы, называют эффективной пористостью. Соответственно выделяют и неэффективную пористость.

Для характеристики пористости пород в инженерной геологии (грунтоведении) используют два показателя: абсолютная пористость и коэффициент пористости. Эти показатели характеризуют лишь общий объём пор, но не дают представления о размере и форме пор и характере их расположения в породе.

1.3.2. Абсолютная пористость или пористость – это суммарный объем пор, независимо от их величины, в единице объёма. Пористость численно равна отношению объёма пор в породе ко всему объёму породы:

(4)

1.3.3. Коэффициент пористости или приведённая пористость рассчитывается, как отношение объёма пор к объёму твёрдой части породы, и выражается в долях единицы:

(5)

1.3.4. Значение абсолютной пористости пород n изменяется в широких пределах от долей процента до 90 %. По величине пористости породы подразделяются на три группы: 1) с низкой пористостью, < 2) со средней пористостью, и 3) с высокой пористостью, > 20 %. Для скальных пород пористость составляет доли процента. Для полускальных и трещиноватых пород она может достигать . В песчано-глинистых породах пористость колеблется в пределах и зависит от размера, формы, степени неоднородности и плотности сложения частиц в породе. В частности, размер пор в крупнозернистых песках будет более крупным, чем в мелкозернистых. В неоднородных породах пористость уменьшается. В таких породах пустоты между более крупными частицами заполнены более мелкими, что вызывает уменьшение объёма пустот и, следовательно, пористости. В песчаных породах пористость составляет в глинистых может достигать и более.

1.3.5. При инженерно-геологических исследованиях пород необходимо изучать их пористость. Возрастание пористости пород приводит к уменьшению их прочности, уплотненности, сопротивляемости выветриванию, морозоустойчивости, сейсмостойкости. В то же время повышаются деформируемость пород, водопроницаемость, влагоёмкость.

Показатели пористости n, e являются косвенными расчётными показателями. С их помощью вычисляются: плотность породы, коэффициент фильтрации и водоотдачи песков, параметры компрессионной кривой (см. лаб. работу № 5), плотность сложения породы и другие расчётные показатели.

1.4. В геологии плотность и пористость являются генетическими признаками породы. Они служат показателями различной степени уплотнённости и литификации осадочных пород. В общем случае, с развитием процессов литогенеза, с увеличением глубины залегания пород и их возраста пористость осадочных пород уменьшается, а плотность, соответственно, увеличивается. Поэтому плотность и пористость используются при классификации и выяснении условий образования пород, при расчленении разновозрастных толщ осадочных пород и при корреляции разрезов. Плотность и пористость могут применяться как показатели вторичных изменений горных пород под влиянием естественных и искусственных факторов.

1.5. В данной лабораторной работе плотность горной породы и плотность частиц горной породы определяются путём проведения лабораторных испытаний породы; плотность сухой горной породы и показатели пористости n, e находятся расчётным путём.

Приборы и материалы

Колба-пикнометр, дистиллированная вода, термометр, песчаная баня, весы технические с разновесами, сито с диаметром отверстий 2 мм, ёмкость с парафином, нож, нитки, столик-подставка, образцы породы.

3. Определение плотности горной породы ρ

12 Следующая ⇒