Контрольная работа по дисциплине «Физика горных пород» для ЗабГУ, пример оформления

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования «Забайкальский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ЗабГУ»)   Факультет Горный Кафедра  Открытые горные работы     Контрольная работа по дисциплине: «Физика горных пород» вариант №7                

ГДз-19-2

    Выполнил ст. гр. __________________                                                                                                                                   ^{(группа)} _________________________________                                                                                                            ^{(фамилия, инициалы)} Проверил ________________________ ________________________ ________________________ ^{(должность, ученая степень, звание, фамилия, инициалы)}     Чита 2021 г   Акустические свойства горных пород, лабораторные методы определения акустических свойств образцов горных пород. Характер распространения упругих колебаний в горных породах определяется акустическими параметрами пород. К ним относятся скорости распространения упругих волн, коэффициенты поглощения, отражения и преломления и волновое сопротивление. Под скоростью волны понимают скорость распространения некоторой фазы упругих колебаний. Скорость распространения упругих волн в абсолютно упругой изотопной среде определяется по следующим формулам теории упругости: Скорость продольной упругой волны в массиве , м/с Если  = 0,25,  ≈ 1,1  , Скорость распространения поперечной упругой волны , м/с Если  = 0,25, то  ≈ 0,63  , Скорость распространения поверхностной упругой волны , Если  = 0,25, то  = 0,92  ≈ 0,58 . При этом всегда соблюдается следующее соотношение скоростей:  >  > Скорость распространения продольной упругой волны в тонкой пластине породы , Если  = 0,25,  ≈ 1,33  . Скорость распространения упругой волны в тонком стержне породы , Скорость распространения упругих волн в горных породах определяется их упругими свойствами и плотностью. Отношение скоростей продольных и поперечных волн является функцией коэффициента Пуассона. , С увеличением модуля Юнга и коэффициента Пуассона возрастает скорость распространения продольной упругой волны. Скорость распространения поперечной волны увеличивается с увеличением Е и уменьшается с увеличением коэффициента Пуассона. Распространение упругих волн в горных породах, так же как и в любом веществе сопровождается постепенным уменьшением их интенсивности (амплитуды) по мере удаления от источника излучения. Интенсивность колебаний в большинстве случаев уменьшается по следующим причинам:

1. поглощение части энергии упругих колебаний породой и превращение ее в тепловую, обусловленную взаимным трением частиц породы, совершающих колебательные движения;
2. рассеивание акустической энергии на неоднородностях породы (порах, трещинах, вкраплениях и т.д.).

Амплитуда упругих колебаний И, характеризующая интенсивность колебаний, связана с пройденным волной расстоянием X экспоненциальной зависимостью , где  – коэффициент поглощения, м-1. Коэффициент поглощения зависит как от свойств породы, так и от частоты колебаний f. Для большинства пород зависимость  от f линейная. В глинистых породах коэффициент  пропорционален  . Породы обладают сопротивлением распространению в них упругих волн, которое оценивается удельным волновым сопротивлением (акустической жесткостью) горной породы. Акустическая жесткость в сущности является отношением давления волны  мгновенной скорости колеблющихся частиц  :   , Единица  называется акустическим Омом. Удельное волновое сопротивление пород определяет их способность отражать и преломлять упругие волны. Отражение и преломление происходит либо на границе между породами с различными акустическими параметрами, либо при переходе упругих волн из внешней среды в породу (и наоборот). К преломлению и отражению упругих волн можно применить законы геометрической оптики. Коэффициентом отражения называется отношение энергии отраженной волны  к энергии падающей волны  . При этом углы падения  и отражения  звуковой волны от границы раздела равны (рис. 5.2) Рис. 5.2. Преломление и отражение ультразвуковой волны на границе раздела двух сред: а) общий случай; б) момент внутреннего отражения продольной волны; в) момент внутреннего отражения поперечной волны;  и  – углы падения и отражения;  и  – углы преломления продольной и поперечной волны. Коэффициент  при нормальном падении волны можно выразить также через удельное волновое сопротивление – чем больше разница в волновых сопротивлениях сред, тем больше отражается энергии: , Угол падения  и угол преломления  упругой волны, проникшей в горную породу, подчиняется закону Снеллиуса, согласно которого углы находятся в определенном соотношении со скоростями упругой волны в первой  и второй  средах: , Отношение  – называется коэффициентом преломления упругой волны относительно первой среды. Больше колебания акустических свойств горных пород объясняются значительным разнообразием минерального состава, структуры, текстуры и влажности. Увеличение плотности пород сопровождается ростом скорости распространения в них упругих волн и снижением потерь волновой энергии. Влияние основных внутренних и внешних факторов на скорости распространения упругих волн в горных породах приведены на рис. 5.3-5.7.       Рис. 5.3. Зависимость скорости Рис. 5.4. Зависимость скорости продольной волны  от продольной волны  от объемной массы пористости   Рис. 5.5. Зависимость скорости Рис. 5.6. Зависимость скорости продольной волны   продольной волны  от породах от напряжений s влажности W: 1 – неразмокаемые породы; 2 – размокаемые породы     Рис. 5.7. Зависимость скорости продольной волны  от температуры Т: 1 – породы, уплотнение которых происходит при нагревании; 2 – породы, ослабление которых происходит при нагревании В слоистых породах скорость упругих волн вдоль и поперек слоев различна, причем всегда  > . Если порода состоит из слоев 2-х типов, то скорость упругих волн перпендикулярно слоям в простейшем случае при их равных удельных волновых сопротивлениях может быть вычислена по суммарному времени прохождения волн через все слои. , где  – относительные толщины слоев со скоростью звука соответственно  и  . Скорость звука при тех же условиях , где  – площадь слоев в поперечном сечении. Отношение скоростей упругих волн вдоль и поперек слоистости породы характеризуется коэффициентом анизотропии. . Лабораторные методы исследования горных пород Планирование исследований — Постановка задачи исследования: какой объект (вид МС) и с какой целью исследуем; -Определение параметров, которые должны получить в результате исследования; -Выделение факторов, оказывающих существенное влияние на исследуемый объект; -Определяем  необходимый набор лабораторных методов  исследования, какой анализ проводим-качественный или количественный, необходимый класс точности работ и последовательность испытаний; -Получение экспериментальных данных (достоверность, погрешность), контроль за ходом эксперимента; — обработка данных, получение характеристик, интерпретация результатов; -Оформление результатов исследований (в виде протокола испытаний, отчета об исследовании), выводы, прогноз свойств), качества геовещества. Различают следующие методы: Метод инфрокрасной спектроскопии. Основан на изучении интенсивности поглощения света веществом  в длинноволновой области  спектра (>760 нм) – инфракрасного излучения. Инфракрасные спектры возникают в результате колебательного (отчасти вращательного) движения молекул, а именно  — в результате переходов между колебательными уровнями основного  электронного состояния молекул. ИК излучение поглощают многие газы, за исключением таких как О2, N2, H2,Cl2 и однородного газа, для СО например, таковой является длинна волны 4,7 мкм. По инфракрасным спектрам поглощения можно судить о строении и составе вещества, природе связей  между органическими и минеральными. Инфракрасные спектры можно измерить для газообразные, жидких и твердых веществ. Для измерения секторов газообразных веществ используют специальные кюветы, пробоподготовка образцов. Важным преимуществом ИКС является возможность анализировать, кроме хорошо раскристаллизированных фаз, структурно неупорядоченные, аморфные и адсорбированные вещества. Ограничением метода является невозможность выявления примесных фаз в смесях и количествах ниже 0,05 % — для карбонатов и кварца, 1% — для других кристаллических фаз, не принадлежащих к классу оксидов, 5% — для большинства оксидов. Измеряют частоту или длину волны излучения изучаемым объектом. Наблюдаемые в спектре  резонансные частоты  (максимумы полос поглощения) совпадают с частотами собственных колебаний атомов химических (структурных) групп, входящих в состав анализируемого вещества. Это позволяет диагностировать присутствие в образце те или иные химические группы и связи (например, связи ОН, СО32-, молекулы Н2О и т.д.) При этом  каждая кристаллическая фаза (минерал) проявляется в спектральном диапазоне 400-4000 см – 1, своим характерным набором полос, зависящим  о кристаллической структуры и характера межмолекулярных взаимодействий. ИК-спектор смеси веществ представляет собой линейную суперпозицию (наложение) спектров отдельных компонентов. Поэтому для определения фазового (минерального) состава такой смеси требуется решение обратной спектральной задачи. Применение инфракрасных спектров для исследования строения веществ основано, главным образом, на использовании характеристических полос поглощения (полосы,  связанные с колебаниями функциональных групп или связей в молекулах). Такими характеристическими полосами поглощения обладают группы –ОН, -NH2, -NO2, =C=O, -C=N  и др. Идентификация исследуемого вещества может быть проведена путем сопоставления ИК-спектра исследуемого вещества с аналогичным спектром его стандартного образца или его стандартным спектром. Традиционный путь ИКС-анализа состоит в определении координат максимумов на кривой поглощения и сравнении их с аналогичными характеристиками для эталонных образцов. Это позволяет проводить определение минеральных видов, а так же оценивать содержание тех или иных химических групп, но при таком подходе теряется большая часть информации, содержащейся в полной спектральной кривой. В тех случаях когда анализируемый образец однородный, а слагающий его минерал представлен в базе данных спектром другого образца  этого же минерала, он автоматически распознается. В случае аморфных компонентов автоматически выявляются минеральные фазы, являющиеся их кристаллическими аналогами. НО: Традиционные методы дискретного эталонного анализа ИК-спектров эффективны для минералов, имеющих характерный набор узких полос. Таковыми являются в первую очередь солевые кислородные соединения с высоко степенью катионной упорядоченностью. В случае оксидов марганца такой подход малоэффективен. Переход к рассмотрению непрерывной спектральной кривой с использованием интегральных функционалов сравнения существенно расширяет возможности эталонного анализа, поскольку не требует присутствия на спектрограмме характерных узких пиков. Это дает возможность реализации обобщённого эталонного анализа, уже не предполагающего наличие спектра диагностируемого минерального вида в базе данных. Метод ИКС эффективен при анализе содержания и форма вхождения воды в состав горных пород и руд – структурные группы ОН и молекулы воды, сорбированная вода и т.д.), а так же при  анализе водородных связей. Минимальное количество вещества, необходимое для анализа: 1мг (для рутинного варианта с использованием спектрофотометра); 0.1 мг (при использовании мини таблетирования и фокусирующей приставки); 0.01 мг (при анализе с помощью фурье-спектрометра). Используемая для ИКС анализа аппаратура включает в основном приборы зарубежного производства. Спектры регистрируются в диапазоне 400-4000 см-1 при разрешении не хуже1,5 см-1 в интервале 400-1500 см-1 и не хуже 6см-1 в интервале 1500-3500 см-1. Дифференциальный термический и дифференциальный термогравиметрический анализы (ДТА-ДТГ) Термическими методами называется группа методов физикохимического анализа, в которых измеряется какой-либо физический параметр системы в зависимости от температуры. Калориметрия и термогравиметрия относятся к термическим методам анализа. В термогравиметрии измеряемым параметром является масса вещества, в калориметрии — теплота. Дифференциальный термический анализ (ДТА) основан на регистрации разности температур исследуемого вещества и инертного образца сравнения при их одновременном нагревании или охлаждении. При изменении температуры в образце могут протекать процессы с изменением энтальпии, как например, плавление, перестройка кристаллической структуры, испарение, реакции дегидротации, диссоциации или разложения, окисление или восстановление. Такие превращения сопровождаются поглощением или выделением тепла, благодаря чему температура образца и эталона начинают различаться. Этим методом удается зафиксировать даже малые изменения температуры образца, благодаря конструкции прибора, а именно тому, что регистрирующие термопары от образца и эталона соединены навстречу друг другу. Повышенная чувствительность дифференциального метода позволяет исследовать образцы малого веса (до нескольких мг). Экспериментальный сигнал от двух ячеек (S и R, см. рис. 4) измеряется одновременно. Поскольку ячейки сконструированы максимально симметрично, все, не относящиеся непосредственно к образцу связанные с переносом тепла процессы, действуют на них одинаково, и могут быть исключены из рассмотрения путем вычитания сигнала от ячейки сравнения из сигнала от ячейки с образцом. Рисунок 4 Схема и рисунок измерительной ячейки дифференциального термического анализа. TP— температура нагревателя. Площадь пика кривой ДТА пропорциональна изменению энтальпии при различных процессах в образце и его массе. Таким образом, ДТА может использоваться как полуколичественный или количественный метод определения теплоты реакции или другого процесса в образце. 8 Метод ДТА является очень востребованным как в фундаментальной, так и в прикладной науке. Ниже перечислены основные достоинства данного метода. Широкая область применения. С помощью метода ДТА можно проводить термодинамические и кинетические исследования. Непосредственно данным методом измеряются теплоты химических и фазовых превращений, а также теплоемкости веществ. Данные ДТА могут служить для построения фазовых диаграмм: с их помощью определяют, как правило, вид изобарных сечений в области равновесий кристаллическая фаза — расплав. В некоторых случаях ДТА измерения позволяют проводить кинетический анализ химических реакций: определять число, последовательность и кинетические параметры стадий реакции. По пикам плавления, полученным методом ДТА, можно определять содержание примесей в образце. Широкий диапазон экспериментальных условий. Конструкция современных приборов позволяет проводить измерения как при низких (от жидкого азота), так и при достаточно высоких температурах. Имеется возможность варьирования скоростей нагревания (охлаждения) от 1 до 50 и выше град/мин, проводить измерения в изотермическом режиме, при высоких давлениях, использовать различную по природе газовую атмосферу (статическую или поток различной скорости). ДТА является экспресс-методом. Этот калориметрический метод достаточно быстрый и, в сравнении со многими другими калориметрическими методами, недорогой. Несмотря на очевидные достоинства дифференциального термического анализа, существует ряд проблем, связанных как с конструктивными особенностями приборов, так и с методикой постановки экспериментов. Основной проблемой данного метода (как и большинства калориметрических методов анализа) являются неизбежно возникающие «утечки тепла». Наличие «тепловых утечек» не только вносит погрешность в экспериментальные данные, но и приводит к необходимости многократной калибровки прибора, что также можно отнести к недостаткам метода, поскольку проведение калибровки связано с дополнительными временными и материальными затратами. Калибровка прибора в конкретных условиях эксперимента необходима для определения теплового потока из экспериментальных данных. Таким образом, становится ясно, что экспериментально измеряемый сигнал является искаженным отражением вызвавшего его события. Экспериментальный сигнал — это результат наложения истинного сигнала и различных приборных функций. Более того, форма кривой ДТА существенно зависит не только от конструкции прибора, но и от условий эксперимента. Для того чтобы получить представление об истинном сигнале, проводят коррекцию сигнала измеренного.   Дифференциальный термический анализ (ДТА) Наиболее точен дифференциальный метод термического анализа (рис. 2.2), по которому нагревание (охлаждение) исследуемого объекта ведут вместе и в одних и тех же условиях с веществом – эталоном, которое в условиях опыта не имеет превращений. Регистрация температуры в этом методе осуществляется при помощи трех термопар. Одна из них измеряет температуру образца (или печи), две другие включены по так называемой «дифференциальной схеме» навстречу друг другу (дифференциальная термопара). Они погружаются в сосуды с исследуемым веществом и веществом-эталоном и одновременно помещаются в отверстие блокадержателя пробы по возможности в тождественных условиях. Тождественность условий означает идентичность размеров, формы и массы эталона и образца, плотность их упаковки, положение спаев термопар в образце и эталоне, симметричность расположения в гнездах блокадержателя, который нагревается с помощью электрической печи. Если температуру печи равномерно увеличивать во времени, то по такому же режиму повышается температура как пробы (что регистрируется кривой Т), так и инертного вещества, при этом токи двух термопар компенсируют друг друга, пока в испытуемом образце не начнется реакция. С этого времени прекращается равномерное повышение температуры испытуемого образца. В соответствии с этим разность потенциалов между полюсами первой термопары (термопары с образцом) остается неизменной или же начнет повышаться более быстрыми темпами. Так как эта разность уже не может компенсироваться равномерно увеличивающимся напряжением второй пары, измерительный прибор дает показания, соответствующие величине разности температур. В результате на кривой ДТА появляется пик, направление которого указывает, является ли реакция эндотермической (вниз – рис. 2.3) или экзотермической (вверх – рис. 2.3). Так как разность температур обычно существенно меньше максимальной температуры образца, то для ее изменения можно использовать более Рис. 2.2. ДТА: 1 – печь; 2 – обычная термопара, 3 – дифференциальная термопара; 4 и 5 – измерительные приборы; О – исследуемый образец; Э – эталон О 1 Э 2 3 4 5 15 чувствительные измерительные приборы. Именно это и обеспечивает более высокую чувствительность (и точность) дифференциального метода. О характере превращений судят по виду простой кривой нагревания (охлаждения), а по дифференциальной кривой более точно определяют температуру превращения. Метод ДТА позволяет получить кроме температур превращений и другие количественные характеристики этих превращений (например, фазовый состав, теплота реакций). Термический анализ широко применяется при изучении сплавов, минералов и других геологических пород. Именно в приложении к минералам и горным породам термический анализ впервые был применен французским ученым А. Л. Ле Шателье (1886 г.). ДТА предложил В. Робертс-Остен в 1891. Математические соотношения между площадью пика на кривой ДТА и параметрами прибора и образца позволяют определять теплоту превращения, энергию активации, некоторые кинетические константы, проводить полуколичественный анализ смесей (если известны DH соответствующих реакций). ДТА применяют для построения фазовых диаграмм состояния многокомпонентных систем (см. Раздел «Диаграммы состояния»), для качественной оценки образцов, например, при сравнении разных партий сырья. Определение точной величины теплового эффекта процесса по кривой ДТА затруднено из-за влияния различных побочных факторов на ход кривой. Основной недостаток ДТА заключается в зависимости получаемых результатов от конструкции приборов, условий подготовки образцов, что затрудняет количественное описание процессов. 2.4. Дифференциальная сканирующа Мессбауэровская спектроскопия (ЯГРС) Для компенсации этого нарушения необходимо изменить энергию гамма-излучения. Достигают этого с помощью эффекта Допплера (энергия излучения возрастает при сближении образца и источника и уменьшается при удалении. Величина приращения энергии пропорциональна скорости относительного движения).[ …] Спектрометр ЯГРС (рис. 129) состоит из источника излучения 57СО, помещенного в матрицу из нержавеющей стали, хрома, палладия или платины; образца почвы, детектора излучения (фотоумножителя), счетчика гамма-квантов с запоминающим устройством (анализатор 1МТА-1024). Движение источника задается с помощью электродинамического вибратора, колеблющегося с частотой около 10 Гц, поэтому к стабильности системы движения предъявляются высокие требования. Спектрометр разработан и собран в лаборатории физики твердого тела Ярославского политехнического института (Н. А. Бобров и др.). В него входят серийные элементы: многоканальный анализатор (Г [ТА-1024) ЭЦВМ Р646/В, графопостроитель, перфоратор, магнитофон и др.[ …] Интенсивность линии, определяемая в эксперименте как площадь под кривой поглощения, может служить мерой количества атомов железа в образце. В этом случае измеряют интенсивность излучения при наличии и отсутствии резонанса. Измерение резонансного поглощения в зависимости от температуры позволяет изучать прочность связи железа в структуре вещества и на поверхности частиц.[ …] Ширина резонансной линии (Г) измеряется на полу-высоте кривой поглощения и выражается в мм/с. Ширина линии определяется временем жизни (2 • 10″7 с) возбужденного состояния из соотношения неопределенностей и составляет около 10-8 эВ (в единицах частоты 1 мГц). В спектрах реальных веществ линия обычно значительно шире теоретической, что связано с близким, но различным окружением; с существованием магнитного поля на ядре, недостаточного для проявления сверхтонкой структуры спектра (СТС). Проводя съемки спектра при специальных условиях (изменение температуры в широких пределах; съемка во внешнем магнитном и электрическом полях), можно из ширины линии получить информацию о динамике движения атомов железа, размере кристаллитов, оксидов и гидроксидов железа в составе почвы.[ …] Изомерный (химический) сдвиг (ИС). Если атомы железа источника и образца находятся в неэквивалентных химических состояниях (разная валентность, различны координации, степени ионности связи), то энергия испускаемых гамма-квантов будет немного больше или меньше энергии, необходимой для наблюдения резонанса. Скорость относительного движения, требующаяся для восстановления резонанса, называется химическим или изомерным сдвигом (ИС), выражается в мм/с. Определяется ИС относительно вещества, принятого за стандарт, для которого ИС = 0 (обычно нитропруссид натрия). Кислородные, силикатные и многие другие минералы железа содержат атомы в ионном состоянии, для которых ИС однозначно дает представление об окисленном состоянии железа. В пределах валентного состояния небольшие изменения ИС определяют степень ионности связи. Характерные значения ИС для Ре3+ 0,4-г-0,9 мм/с, для Ре2+ 1,0-т-1,8 мм/с.[ …] Магнитное расщепление резонансных линий. Ядро железа 5Те обладает магнитным моментом, поэтому при помещении ядер в магнитное поле взаимодействие ядерного момента с полем приводит к расщеплению резонансной линии на шесть и более компонентов. На кривой 4 (см. рис. 130) последние пронумерованы цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6 (вдоль оси абсцисс). Это явление называется сверхтонким расщеплением или сверхтонкой структурой (СТС) мессбауэровской линии. Линии магнитной структуры расположены симметрично относительно центра спектра в случае порошкообразного образца и имеют соотношение интенсивностей 3 :2: 1: 1 : 2 : 3. Магнитоупорядоченные соединения типа магнетита, маггемита, гематита, гетита, находящиеся в почве, практически недоступны для исследования обычными методами (дифференциальный термический анализ ДТА, рентгеноструктурный анализ)   Основная литература

• Добшинов В.Ж. Физика горных пород : учеб. пособие / Добшинов Валерий Жигмитович. — Чита : ЧитГТУ, 2003. — 160 с. — ISBN 5-9293-0073-9 : 56-00.
• Бабелло В.А. Лабораторный практикум по дисциплинам «Механика грунтов» и «Геомеханика» [Текст] / В. А. Бабелло. — Чита : ЗабГУ, 2016. — 112 с. — ISBN 978-5-9293-1818-4 : 112-00.
• Борщ-Компониец В.И. Практическая механика горных пород / В. И. Борщ-Компониец; Борщ-Компониец В.И. — Moscow : Горная книга, 2013. — . — Практическая механика горных пород [Электронный ресурс] / Борщ-Компониец В.И. — М. : Горная книга, 2013. — ISBN 978-5-98672-342-6.
• Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород: Учебник для ВУЗов. М.: Недра, 1984. – 359 с.