Величина опору, що вимірюється, визначається безпосередньо відліком за шкалою стрілочного приладу.

Порядок виконання роботи

1. Ввімкнути тераометр за допомогою тумблера і встановити його на п'ятихвилинний прогрів.

2. Після прогріву перемикач межі вимірювання встановити у крайнє ліве положення «К».

3. Ручкою «?» встановити стрілку пристрою у положення «?» на шкалі.

4. З'єднати затискачі “R_x” на коротко і ручкою “0,1” встановити стрілку приладу на поділок «0,1».

5. Діапазон опорів, що вимірюються, перекрити дев'ятьма під діапазонами:

К	= n 103 Ом
М 1	= n 106 Ом
М 10	= n 107 Ом
М 100	= n 108 Ом
1	= n 109 Ом
10	= n 1010 Ом
100	= n 1011 Ом
Т 1	= n 1012 Ом
Т 10	= n 1013 Ом

6. Поверхню кожного зразка, що досліджується, покрити плівкою графіту і по черзі встановити їх між контактами. Виміряти повний електричний опір, довжину і площу поперечного перерізу контакту.

7. Обчислити питомий електричний опір.

8. Дані занести до таблиці 10.1.

Таблиця 10.1

№ п/п	Порода, номер зразка	Поперечний переріз S, м2	Довжина зразка L, м	Повний електричний опір R, Ом	Питомий електричний опір , Омм

Питання для самоконтролю

1. Що ви розумієте під питомим електричним опором?

2. Які чинники впливають на величину питомого електричного опору?

3. На які основні групи поділяються гірські породи по величині питомого електричного опору?

Лабораторна робота № 11 (Е₃). Дослідження впливу зміни температури гірської породи на її електричний опір

У основу роботи покладено дослідження залежності зміни електричного опору гірської породи від зміни її температури.

До величин, що характеризують електромагнітні властивості гірських порід, належить перед усім питомий електричний опір _е (Омм).

Здатність гірських порід пропускати електричний струм оцінюється питомим електричним опором. Величина, протилежна питомому електричному опору, називається питомою електричною провідністю.

Усі гірські породи, в залежності від величини електричного опору, поділені на провідники, напівпровідники та діелектрики. Для провідників характерна електронна провідність. До природних провідників належать гематит, сульфід, графіт та різноманітні глини.

У напівпровідників також електронна провідність. Характерними напівпровідниками вважають хроміт, вольфраміт, буре та кам'яне вугілля. У діелектриках - іонна провідність. Заборонена зона діелектриків має ширину, що характеризується роботою, яка перевищує роботу, необхідну для відриву іона від вузла кристалічних ґрат. Для цього необхідний потенціал не нижче 8 еВ.

У напівпровідниках заборонена зона долається при 1-3 еВ.

Вирішальне значення на електричний опір гірської породи має її хімічний склад. Суттєвий вплив на цей показник чинить і внутрішня будова породи. У шаруватих, пористих та шпаринних породах опір по усьому об'єму різний. Паралельно шару він значно менше опору, перпендикулярно шару (  ). Цей вплив називається анізотропністю. У поруватих породах цей показник також різний. Причина цьому - багатофазність гірських порід (тверда, рідинна та газоподібна), кожна з яких має свій електричний опір.

У гірських породах, що слабо проводять електрострум, підвищення вологості призводить до зниження їхнього електричного опору. Для порід, що добре проводять електрострум, це явище мало впливає на зміну опору. Однак різний ступінь мінералізації води також змінює її електропровідність. Так, наприклад, для пісків, насичених прісною водою, _е =10/30 (Омм), а піски, насичені мінералізованою водою, мають _е =2/0,1 (Омм).

З підвищенням температури, згідно квантової теорії електропровідності, опір гірської породи знижується. Однак у поліморфних гірських породах при нагріванні їх від 80 до 200°С опір зростає до визначеної межі. Це явище пояснюється зачиненням наскрізної провідності у породі з максимальної зоною заборони. У результаті цього в ній накопичується об'ємний заряд до величини, здатної подолати заборонну зону.

Суттєво впливають на цей показник і механічні напруження. Збільшення вертикального навантаження від 100 до 400 кг/см² у більшості порід призводить до зниження опору на 17-92%. Це відбувається за рахунок закриття (змикання) шпарин та розколин, чим підвищується щільність.

Різниця електричних опорів у різних твердих тілах пояснюється їхніми різними енергетичними схемами (рис.11.1). Приблизний графік зміни електричного опору - (R) від зміни температури - (Т) наведений на рис 11.2.

Для визначення питомого електричного опору гірських порід використовують наступні методи: метод прямого відрахування, метод заряду конденсатора, метод порівняння, потенціометричний та мостовий методи.

Рис. 11.1. Енергетичні схеми провідника (а), напівпровідника (б) і діелектрика (в): 1 - зона валентності; 2 - зона провідності; 3 - заборонена зона.

Рис. 11. 2. Графік зміни R = f(T)

Рис. 11. 3. Схема лабораторної установки

Порядок виконання експерименту

Установка (рис.11.3), на якій виконується лабораторна робота, містить нагрівач, у середині якого розташований зразок гірської породи довжиною  = 90 мм, з площею поперечного перерізу S = 2,0 см². Ha обмотку нагрівача від автотрансформатора подається напруга різної величини. Вимірювання опору породи відбувається мостовим методом.

Для одержання характеристики R=f(T) необхідно наступне:

1. Виміряти опір зразка породи при кімнатній температурі.

2. Ввімкнути у мережу автотрансформатор (ЛАТР) і подати напругу на нагрівач (20 В).

3. Через п'ять хвилин замкнути опір за допомогою мосту.

4. Тим же методом, тільки при напругах 40, 60, 80, 100, 120, 1.40, 160, 180 та 200 В через кожні 5 хвилин зробити заміри електричного опору досліджуваної гірської породи.

5. Експериментальні та розрахункові дані занести до таблиці 11.1.

Таблиця 11.1

U, В	Т, °С	R, Ом	е, Ом
0
40
60
80
100
120
140
160
180
200

6. Побудувати графік, що характеризує зміну електричного опору від температури породи.

7. Обчислити _е і побудувати графік _е = f(T).

, (Омм). (11.1)

Питання для самоконтролю

4. Що ви розумієте під питомим електричним опором?

5. Які чинники впливають на величину питомого електричного опору?

6. На які основні групи поділяються гірські породи по величині питомого електричного опору?

7. Якої величини необхідний потенціал для переборення зони заборони у напівпровідниках?

Лабораторна робота №12 (М₂). Визначення питомої магнітної сприйнятливості гірських порід методом ГУІ

Процеси збагачення магнітних руд і вибір магнітних сепараторів залежать від магнітних властивостей гірських порід, що визначає важливість їх вивчення.

У цій роботі для визначення питомої магнітної сприйнятливості використаний пондеромоторний метод ГУІ, теорія якого зводиться до наступного. Тіло, яке помістили в однорідне поле, набуває магнітного моменту

, (12.1)

де І - намагніченість тіла; Х - об'ємна магнітна сприйнятливість; Н - напруженість тіла, яке намагнічується (у середині котушки).

Крім орієнтуючого ефекту, на тіло буде діяти сила лінійного здвигу F, яка залежить від градієнту поля. Через це, на зразок гірської породи з однаковим перерізом по всій довжині, розміщеним у магнітному полі так, щоб один кінець його знаходився в області найбільшої напруженості магнітного поля (у центрі котушки), діятиме сила поля, яка визначиться за формулою

(кгм/с² ), (12.2)

де Х - об'ємна магнітна сприйнятливість; Н - напруженість поля котушки; S - площа поперечного перерізу зразка (трубки з породою.)

Силу, що діє на зразок в магнітному полі, можна ототожнювати зі збільшенням ваги зразка у магнітному полі.

Значення F можна замінити на де q - прискорення сили тяжіння; - уявне збільшення ваги зразку у магнітному полі котушки. Тоді

, (12.3)

замінивши об'ємну магнітну сприйнятливість питомою:

, (12.4.)

отримуємо:

, (12.5.)

де

q = 9,8 м/с²; L =0,15 м; H =5000 А/М при силі струму І =0,5 А; M - маса зразка породи, (кг); - приріст (збільшення) маси, (кг).

Визначивши питому магнітну сприйнятливість, можна обчислити об'ємну магнітну сприйнятливість породи за формулою:

(12.6.)

Магнітну проникливість можна обчислити за формулою:

(12.7.)

Порядок виконання роботи

Прилад складається з аналітичних терезів, соленоїдної котушки, ампервольтметра і випрямляча (рис.12.2).

1. Скляну трубку зі зразком гірської породи помістити одним кінцем до лівого плеча терезів на крючок, закріплений ниткою, а другим кінцем помістити у котушку.

2. Визначити масу трубки зі зразком (М₂, кг) шляхом зважування.

3. Подати на котушку струм І=0,5А при Н=50В і визначити масу породи у магнітному полі, кг.

4. Визначити масу породи М=М₂-М₁, де М₁ - маса порожньої трубки (вказана на етикетці трубки, там же вказана об'ємна маса породи ).

5. Визначити збільшення маси трубки зі зразком , кг.

6. За формулою (12.5) знайти питому магнітну сприйнятливість Х₀.

7. За формулою (12.6) визначити об'ємну магнітну сприйнятливість Х.

8. За формулою (12.7) визначити магнітну проникливість.

9. Данні занести до таблиці 12.1.

Таблиця 12.1

№ зразка	Маса кг	Напруженість магнітного поля котушки Н, А/М	Магнітна сприйнятливість	Магнітна проникливість
	М1	М2	М3	М			питома Х0	об'ємна Х
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

Рис. 12.1. Схема установки для визначення питомої магнітної сприйнятливості гірських порід

Питання для самоконтролю

1. Поясніть суть пондеромоторного методу визначення магнітної сприйнятливості гірської породи.

2. На основі експериментальних даних вам треба визначити до яких груп гірських порід належать зразки, з якими ви проводили експеримент: діамагнетики, парамагнетики чи феромагнетики?

3. Від яких факторів залежить величина збільшення ваги гірської породи у магнітному полі?

Цикл V. Характеристики розпушених порід

У результаті руйнування гірських порід міцнісні показники можуть бути використаними тільки для окремих кусків порід. Для характеристики розпушеної породи (групи по будові 30) користуються показниками насипної ваги і коефіцієнтом розпушення.

Насипна вага - це вага одиниці об'єму розпушеної гірської маси у її природному стані.

Насипна вага залежить від коефіцієнта розпушення породи k_р, який дорівнює відношенню об'єму розпушеної породи V_р до її об'єму у цілику V_ц

.

Насипна вага визначається:

.

Коефіцієнт розпушення залежить від гранулометричного складу розпушеної ваги, форми і взаємного розташування кусків розруйнованої породи, і визначається характером та якістю розпушення порід.

Для характеристики неоднорідності розпушених порід користуються відношенням , яке називається коефіцієнтом неоднорідності, де d₆₀ - максимальний діаметр кусків, які складають 60% загального об'єму розпушеної породи; d₁₀ - максимальний діаметр кусків, що складають 10% загального об'єму розпушеної породи.

При розробці гірських порід слід керуватись визначеними співвідношеннями між використовуємим гірничим обладнанням і крупністю розпушеної породи.

Економічно найбільш вигідно руйнувати породи так, щоб отримати мінімальний коефіцієнт неоднорідності, при цьому абсолютна величина кусків повинна бути близька до максимально дозволеного розміру для даної технології.

Високий коефіцієнт розпушення порід у більшості випадків негативно впливає на технологічний процес.

Розпушена порода характеризується також кутом природного відкосу (кут, утворений між вільною поверхнею розпушеної гірської маси і горизонтальною площиною). Кут природного відкосу залежить від гранулометричного складу і форми зерен, ступеню їх вологості, а також об'ємної ваги речовини.

Зі зростанням вологості гірської породи до деякої межі, кут природного відкосу зростає (для вугілля, наприклад до 14^о).

Кутами природного відкосу визначаються максимально припустимі кути відкосів уступів та бортів кар'єрів, насипів, відвалів та штабелів.

Лабораторна робота №13 (СМ1). Визначення фізико-механічних властивостей подрібнених гірських порід

Сипкі матеріали - подрібнені руди, піски, брекчії, які знаходяться у ємностях (рудоспусках, бункерах) зазнають напруженого стану, який створюється вагою вище лежачих верств. Ущільнювання сипкого тіла супроводжується витисненням повітря і виникненням молекулярних сил зчеплення між часточками. Істотну роль у цьому процесі відіграють зміни вологості, температури та характеру формування сипкого тіла. Однак не всі матеріали ущільнюються однаково. Сухі кварцові піски зчепленням майже не володіють, тому вони мало ущільнюються під дією тиску, який виникає при їх зберіганні.

Щоб викликати зсув - початок витікання в сипкому матеріалі, достатньо подолати силу тертя між частинками, яка виражається через кут внутрішнього тертя - ц.

Якщо до сухого піску, який знаходиться у ємності приладу для визначення опору зсуву, прикласти нормальний ущільнюючий тиск P₁, а потім на утворене сипке тіло діяти зсувним зусиллям P₂, то при досягненні умови P₂?P₁tgц почнеться пересування частинок, а також рух матеріалу в ємності.

Але при P₂<P₁ tgц рух частинок в ємкості не виникне.

Виразивши поперечний переріз через площу S, ущільнююче напруження у як у₁=P₁S кг/см², Н/м² і зсувне напруження як у₂=P₂S, можна побудувати в прямокутній системі координат у і ф обгинаючу криву (пряму) Мора, виразивши характер сипкості матеріалу, який складується у бункері чи в рудоспуску.

Порядок виконання експерименту

Ємність приладу, який складається з основи і кільця, наповнюється піском, на поверхні якого встановлюється кришка з конічним штифтом. На штифт встановлюються ущільнюючі сипке тіло вантажі. Після навантаження сипкого тіла втримується пауза 45-60 секунд. Цим закінчується ущільнюючий процес першого порядку. До сформованого сипкого тіла, через кільце, підводиться зрушуюче зусилля, в результаті якого кільце зазнає зміщення на 5-6 мм і не більше, що призводить до зрушуючої (зрізуючої) деформації сипкого тіла. Зусилля, необхідне для цієї деформації, визначається за допомогою індикатора динамометра та вимірюється в кілограмах.

Чисельне значення ущільнюючих і зрушуючих зусиль заносять до таблиці 13.1.

Таблиця 13.1

№	Ущіль-нююче зусилля P1, кгс	Зрушу-юче зусилля P2, кгс	Ущільнююча напруга у1, кг/см2	Зрушуюча напруга, у2 кг/см2	Ефективний кут тертя, д0	Кут внутрішнього тертя, ц	Об'ємна насипна вага матеріалу г	Розрахунковий діаметр випуск-ного отвору, м
1	0,2
2	0,5
3	1,0
4	1,5
5	2,0
6	2,5

Обробка експериментальних даних

Метою експерименту є визначення фізико-механічних показників, які характеризують витікання сипких середовищ із складувальних ємностей. На основі цих показників визначаються конструктивні параметри бункерів, рудоспусків, силосів.

Для сухого піску, гравію, сильно подрібнених руд та інших сипких матеріалів, ефективний кут тертя - д за своїм чисельним значенням дорівнює куту внутрішнього тертя - ц. Величина ефективного кута визначається графічно таким способом: по відомим у₁ і у₂ у вибраному масштабі, будують коло або на півколо Мора.

Для того щоб їх побудувати потрібно:

1. Побудувати прямокутну систему координат у,ф.

2. На вісі абсцис відкласти значення у₁ і у₂.

3. На різниці у₁-у₂, як на діаметрі, побудувати коло або на півколо Мора.

4. З центра кола, в вертикальному напрямку, провести радіус до перетину його з окружністю.

5. Точку перетину прямої з колом спроектувати на вісь ординат. Відрізок на осі ординат від початку координат до спроектованої точки дорівнює зсувному зусиллю ф₀.

6. З початку координат провести пряму, дотичну у одній точці до кола Мора.

7. Виміряти величину утвореного ефективного кута тертя д.

8. Ефективний кут тертя д, по своєму чисельному значенню рівний куту внутрішнього тертя сипкого матеріалу. На основі цього ми можемо записати д=ц.

Після визначення основних показників, що характеризують сипкість подрібнених порід - зсувного зусилля ф і кутів внутрішнього тертя ц визначають опір зсуву:

ф₀=у₂tgц, (13.1)

де ф₀, одержане графічно, повинно приблизно дорівнювати розрахунковому.

Діаметр випускного отвору бункера через який висипають пісок або руду можна розрахувати за формулою Зенкова Р. Л:

, (13.2)

де г_піск - насипна вага піску (2,18 - 2,29 г/см³).

Для кварцових пісків, брекчій і деяких малоподрібнених руд, кут внутрішнього тертя знаходиться у межах 30-70^о.

Питання для самоконтролю

1. Що ви розумієте під сипким середовищем чи сипким тілом?

2. Які показники характеризують рухомість частинок сипкого тіла?

3. Що ви розумієте під кутом внутрішнього тертя?

4. Як визначити графічно ф₀?

5. Як визначити розрахунковим способом ф₀?

6. Як визначити P₁ і P₂, у₁ і у₂?

7. Як визначити діаметр випускного отвору бункера?

8. Чи подібні сипкі тіла з рідиною і якщо подібні, то чим?

Лабораторна робота № 14 (СМ₂). Визначення кута природного відкосу подрібнених порід

Кутом природного відкосу називають кут утворений між вільною поверхнею насипної породи і горизонтальною площиною на якій розташована ця порода.

Чисельне значення цього кута залежить від величини часток гірської маси, вологості, коефіцієнту тертя між частками і характеру формування сипкого тіла.

Кут природного відкосу можна визначити за допомогою порожнього циліндра.

Експеримент по визначенню кута природного відкосу виконується у наступній послідовності:

1. Порожній циліндр без дна, ставлять на рівну поверхню і заповнюють сипким матеріалом (піском) на рівень його висоти.

2. Заповнений циліндр без бокових коливань підіймають вгору. Звільнений пісок від циліндру розсиплеться по горизонтальній площині основи, утворюючи конус правильної геометричної форми з висотою Н_к, і діаметром Д_к.

3.Об'єм циліндру

. (14.1)

4.Об'єм конусу:

. (14.2)

5. Виходячи з рівності об'ємів породи у циліндрі і конусі записуємо рівняння:

.

6. Діаметр утвореного конусу залежить від його висоти. Оскільки основу конуса не задано, його можна обчислити через висоту конуса Н_к та кут ц.

.

7. Кут природного відкосу визначається з виразу:

. (14.3)

8. Визначивши значення tg ц, визначити кут природного відкосу за таблицями Брадиса.

9. Експерименти виконуються з трьома фракціями порід 0,5; 1,0 і 1,5 мм.

10. По чисельному значенню кута природного відкосу і величині фракцій побудувати залежність зміни кута від величини часток породи.

11. Експериментальні дані занести до таблиці 14.1.

Таблиця 14.1

№	Результати вимірювань	Результати обчислень
	Нц, см	Дц, см	Нк, см	Vц=Vк	tg ц	ц
1
2
3

Отримані дані кутів зрівняйте з наведеними у таблиці 14.2.

Таблиця 14.2

Порода	Кут внутрішнього тертя	Зчеплення	Коефіцієнт розпушення
Аргіліт	30	0,4-30	1,2-1,3
Пісок	20-35	0,85-3,3	1,2-1,25
Скальні породи	35-65	150-300	1,2-1,4

Визначення кута природного відкосу по методиці 2

1. Встановити циліндр на горизонтальній площині.

2. Заповнити циліндр породою (піском) на рівні його висоти.

3. Підняти циліндр вертикально без бокових коливань на висоту, достатню для повного визволення об'єму піску, який знаходиться в циліндрі, до виникнення конуса.

4. Виконати вимірювання висоти конуса і циліндра Н_к і Н_ц та радіуса конуса R_к.

5. Маючи розміри двох катетів прямокутного трикутника, визначити довжину вільної поверхні сипкого матеріалу - гіпотенузу АВ, яка розташована під кутом ц до площини основи за формулою:

sin ц=. (14.4)

6. Довжина вільної поверхні визначається з виразу: АВ=.

7. Визначивши значення sin ц, визначити кут природного відкосу за таблицями Брадиса і занести до таблиці звіту.

Отриманні дані порівняти з однойменними даними по першому методу і зробити висновки.

Питання для самоконтролю:

1. Що ви розумієте під кутом природного відкосу?

2. Від яких факторів залежить чисельне значення кута природного відкосу?

3. Які гірничотехнічні задачі вирішуються із врахуванням значення кута природного відкосу?

Література

1. Турчанинов И.А. и др. Современные методы комплексного определения физических свойств горных пород. М., “Недра”, 1967, с. 157-162, с. 165-166.

2. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М., “Недра”, 1973, с.141-144.

3. Ломтадзе В.Д. Фізико-механічні властивості гірських порід. Методи лабораторних досліджень. Л., Надра, 1990.

4. Алексєєнко С.Ф., Мележик В.П. Фізика гірських порід. Гірський тиск. Київ, Вища школа, 1980.

5. Турчанінов І.А., Іофіс М.А., Каспар'ян Е.В. Основи механіки гірських порід., Л., Надра, 1977.

6. Ржевский В.В., Новак Г.Я. Основы физики горных пород. М., 5.

7. Барон Л.И., Логунцов Б.Н. Определение свойств горных пород. М., 1967.

8. Горная энциклопедия, том 5. М., 1991.

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Механіка гірських порід» для студентів спеціальностей напряму "Гірництво" денної і заочної форм навчання

Укладачі: Федоренко Павло Йосипович,

Подойніцина Тетяна Олександрівна.

Реєстрац. №____________

Підписано до друку _________________2008р.

Формат _______А5________

Обсяг _______48________ стр.

Тираж _______________

Видавничий центр КТУ,

вул. XXII партз'їзду, 11,

м. Кривий Ріг

Размещено на Allbest.ru

...