Лекция 1 введение

Физика горных пород — это учение о физико-технических свойствах и физических процессах в горных породах, закономерностях изменения свойств и принципах их использования при решении задач горного производства.

Физика горных пород, оформившаяся в самостоятельный раздел горной науки в 60-х годах, положила начало новому подходу к породе как геологическому телу, объекту физических исследований и горных разработок одновременно.

Место физики горных пород и процессов среди других наук определяется объектами, методами и направленностью исследований.

По объектам исследований физика горных пород близка к геологическим паукам, а именно кристаллографии, минералогии, петрографии. Без знания минерального состава и структурно-текстурных особенностей пород и условий их залегания невозможно изучение физических свойств пород, обоснованное объяснение физических явлений, происходящих в них. Поэтому данные о составе, строении, генезисе пород, их залегании физика горных пород заимствует у геологических наук и использует для своих исследований.

По методам исследований физика горных пород близка к физике твердого тела: явления и свойства объясняются и изучаются с позиций современной физики твердого тела, используются ее математический аппарат и экспериментальные методы.

Однако изучаемые физикой горных пород объекты значительно разнообразнее, более сложны и зависят от большего количества случайных факторов, чем в физике твердого тела. Законы возникновения и влияния всех этих факторов учесть одновременно практически невозможно. В связи с этим в физике горных пород широко применяется аппарат теории вероятностей и математической статистики, используются экспериментально установленные закономерности и корреляционные зависимости, а физические явления в породах описываются феноменологически ки.

Направленность исследований физики гонных пород и горной науки одна и та же. Физика горных пород решает вопросы совершенствования горного производства, изыскивает резервы повышения производительности труда через познание свойств горных пород.

Как известно, горное производство в общем виде представляет собой следующую технологическую цепочку: бурение, взрывание, выемка взорванной массы, транспортирование по-

род, складирование их, первичная обработка и измельчение полезного ископаемого и, наконец, его обогащение. Стадии процесса добывания полезного ископаемого неразрывно связаны с воздействиями на породу различных машин и механизмов. Наибольшая эффективность горных работ достигается при оптимальном соответствии параметров машин и механизмов физическим характеристикам пород.

Так как свойства пород меняются в широких пределах, эффективность работы механизмов будет высокой только при наличии соответствующих устройств, способных давать информацию о свойствах, составе и состоянии массивов пород. Следовательно, необходима разработка методов контроля состояния пород и физических процессов.

Физические параметры пород не являются константами, ими можно управлять. Например, свойства пород могут меняться при нагреве, охлаждении, насыщении их жидкостями, воздействии на них электрического тока и т. д. Поэтому возникает проблема исследования результатов таких воздействий на породу.

Из вышеизложенного вытекают следующие научные и практические задачи физики горных пород.

1. Исследование физических свойств горных пород, в том числе:

установление значений физико-технических параметров пород, необходимых для расчета режимов работы и производительности существующего горного оборудования, при проектировании горных предприятий и планировании их работы;

установление закономерностей изменения физических свойств горных пород в условиях внешнего воздействия, при непостоянном составе и строении пород.

2. Исследование физических процессов в горных породах, и том числе:

разработка новых методов воздействия на породы, выявление областей их применения, расчет их эффективности;

разработка принципиально новой технологии производства горных работ;

создание систем контроля состава, состояния и поведения Горных пород в процессах горного производства.

По признаку физических полей, взаимодействие которых с породами изучается, физику горных пород подразделяют на следующие разделы:

механику пород, изучающую механические свойства пород и явления (в том числе и горное давление), происходящие в породах при механическом воздействии на них в процессе разработки месторождений;

акустику пород, изучающую распространение и поглощение упругих колебаний в породах и все физические процессы, с ними связанные;

термодинамику пород, в область исследований которой входят тепловые свойства и тепловые процессы в горных породах, вызванные как естественными, так и искусственными факторами;

электродинамику и радиационную физику пород, исследующую электрические, магнитные, радиоволновые и ядерные свойства и явления в горных породах.

Анализ исторических сведений позволяет считать, что одними из первых физических параметров, изученных в естественных телах, были магнитные.

Простейшие магнитные свойства магнетита были известны еще в древней Греции, Египте и Китае. А в 1640 г. в Швеции впервые был использован компас для получения информации о массивах при поиске магнетитовых руд.

Изучение Галилеем (1590 г.) законов падения твердых тел под действием силы тяжести положило начало исследованиям плотностных свойств горных пород.

Фундаментом, на котором начали развиваться исследования механических свойств пород применительно к механике грунтов, явились работы французского ученого XVIII в. III. Кулона.

Более поздние попытки прогнозировать землетрясения привели к изучению законов распространения упругих волн в земной коре — возникновению сейсмологии (Малле, 1854 г.), а затем и сейсмического метода разведки (Шмидт, 1888 г.).

Со временем все более широкий спектр физических свойств горных пород вовлекался в сферу внимания ученых-геофизиков. На базе исследований свойств пород получила развитие прикладная геофизика, решающая задачи поиска полезных ископаемых.

В горном производстве практически до середины XX в. должного значения физическим свойствам пород не придавалось. Горняки пользовались лишь весьма ограниченным количеством физико-механических свойств, начало изучению которых было положено в России в XIX и. В. И. Курдюмовым и П. А. Миняевым. В это же время акад. В. М. Севергин впервые ввел в обиход термин «горные породы».

Развитие подземных горных работ потребовало изучения деформаций и напряжений в породах при проведении в них горных выработок. Проф. М. М. Протодьяконов (старший) впервые разработал теорию горного давления. С его именем связано также начало систематического изучения прочностных свойств пород. В 1926 г. он создал первую классификацию горных пород по крепости, широко применяемую в горном деле и в настоящее время.

Исследования механических свойств горных пород, их поведения в условиях горного давления продолжили советские профессора П. М. Цымбаревич, Г. Н. Кузнецов, Н. А. Цытович, Л. И. Барон, М. М. Протодьяконов (младший), И. А. Турчанинов. В настоящее время в этой области работают акад. АН КазССР Ж. С. Ержанов, профессора Ю. А. Векслср, II. В. Баклашов, С. В. Кузнецов и многие другие.

Проблемы разрушения горных пород машинами, инструментом и взрывом в различных условиях изучались акад. П. А. Ребиндером, профессорами К. В. Руппенейтом, Л. А. Шрейнером, II. Г. Домбровским. Их исследования продолжают сейчас профессора А. И. Берон, Б. Н. Кутузов, А. Н. Ханукаев и многие другие советские исследователи. Исходные данные по остальным свойствам пород для задач горного дела были взяты из геофизики.

Так, тепловые свойства горных пород исследовались вначале применительно к выявлению тепловых полей в земной коре, затем в связи с развитием термических методов разведочной геофизики и, наконец, с целью внедрения термических методов обработки и разрушения горных пород. В этой области сейчас работают профессора А. П. Дмитриев, Ю. Д. Дядькин, С. А. Гончаров и др.

Магнитные исследования пород Курской магнитной аномалии под руководством академиков П. П. Лазарева и И. М. Губкина были начаты в 1918 г.

Сейсмические исследования массивов горных пород и разработка новых методов сейсморазведки в СССР были осуществлены акад. Г. А. Гамбурцевым.

В области радиометрических исследований горных пород большой вклад внесли работы акад. В. И. Вернадского, А. И. Заборовского и др.

Весьма широкие систематические исследования по электрометрии горных пород были проведены А. А. Петровским в 1924 г. Теоретические работы в этом направлении выполнены А. И. Заборовским, А. Г. Тарховым, В. Н. Дахновым, М. П. Воларовичем и Э. И. Пархоменко.

Вопросам электрометрии, а также электрических методов воздействия на горные породы посвящены научные труды профессоров М. П. Тонконогова, Ю. И. Протасова и других ученых.

До 60-х годов исследования были недостаточно полными как по количеству изучаемых типов пород и полезных ископаемых, так и по числу определяемых физических параметров, в них отсутствовало обобщение данных по свойствам.

В 1962 г. вышла в свет монография В. Н. Кобрановой, в которой были обобщены физические свойства пород применительно к разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений (петрофизика).

В том же году В. В. Ржевским были впервые сформулированы основные принципы физики горных пород и процессов.

Большой вклад в развитие исследований по физике горных пород внес акад. Н. В. Мельников.

В настоящее время в области физики горных пород обширные исследования ведут проблемная лаборатория и физико-технический факультет Московского горного института, Институт проблем комплексного освоения недр АН СССР, Горный институт Кольского филиала АН СССР, Институт горного дела СО АН СССР, ИГД им. А. А. Скочинского, ВНИМИ, Ленинградский горный институт, Карагандинский политехнический институт, Институт геотехнической механики АН УССР и другие организации.

Дальнейшее развитие физики горных пород вызвано возрастающими потребностями горного производства в изучении физических процессов, происходящих в массивах пород. Успешное удовлетворение этих потребностей возможно лишь при условии усвоения горными инженерами знаний о физических свойствах горных пород, методах прогноза свойств и управления ими, а также овладения принципами физического воздействия на горные породы с целью их эффективной разработки.