Министерство образования и науки Республики Казахстан

Екибастузский инженерно-технический институт им. Академика К.Сатпаева

Кафедра Разработка месторождений полезных ископаемых

конспект лекций

по дисциплине:

Физика горных работ

Специальность:

5В070700 Горное дело

^{(код, наименование)}

Екибастуз

Конспект лекций для студентов специальности 5В070700 «Горное дело» составлен в соответствии с требованиями рабочей учебной программы

Конспект лекций составил:

Доцент ВУЗа

Джекибаева Д.С.

^{(должность, звание) (подпись) (Фамилия И.О.)}

на основании рабочей учебной программы

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция № 1 Физика горных пород. Минералы и горные породы Лекция № 2 Общие понятия о физико-технических свойствах пород и физических процессах Лекция № 3 Общие понятия о физико-технических свойствах пород и физических процессах (продолжение) Лекция № 4. Механические свойства образцов горных пород Лекция № 5 Механические свойства образцов горных пород (продолжение) Лекция № 6 Обобщённые горно-технологические параметры пород Лекция № 7 Гидравлические свойства образцов горных пород Лекция № 8 Тепловые свойства образцов горных пород Лекция № 9 Тепловые свойства образцов горных пород (продолжение) Лекция № 10 Электромагнитные свойства образцов горных пород Электрические свойства и процессы Лекция № 11 Электромагнитные свойства образцов горных пород . Электропроводность. 2. Магнитные свойства.3. Радиоционные свойства горных пород (продолжение) Лекция № 12 Взаимосвязь и паспортизация свойств горных пород Лекция № 13 Воздействие внешних физических полей на горные породы Лекция №14 Горнотехнологические характеристики пород Лекция № 15 Физические процессы горного производства СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4 8 14 20 23 29 32 36 38 41 44 49 52 55 59 62

Модуль 1. Основные определения физики горных пород

Лекция №1.

Тема : ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД. МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

План лекции (с.9-17/1/):

1. Физика горных пород

2. Строение и состав минералов и горных пород

1. Физика горных пород

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

ФГП для своих исследований использует данные у геологических наук – такие как состав, строение, генезис, залегание горных пород и т.д.

ФГП подразделяется на следующие разделы:

1. механика горных пород – изучает механические свойства горных пород и механические явления, происходящие в горных породах в процессе разработки МПИ;

2. акустика горных пород – изучает распространение упругих колебаний в горных породах и все физические процессы, с ними связанные.

3. термодинамика – изучает тепловые свойства и тепловые процессы в горных породах;

4. электродинамика и радиационная физика – исследования по электрическим, магнитным, радиоволновым и ядерным свойствам и явлениям в горных породах.

2. Строение и состав минералов и горных пород.

Минерал – природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в земной коре. Известно около 3000 минералов.

Горные породы - устойчивые агрегаты (парагенетические ассоциации) одного или нескольких минералов, образующие самостоятельные геологические тела.

Тип и название горных пород определяются их минеральным составом и строением.

Минеральный состав – объёмное относительное содержание в горных породах различных минералов.

Строение горных пород –вид сложения горных пород из минералов и минеральных агрегатов.

В строении горных пород различают структуру и текстуру. Структура – размеры, форма и взаимное расположение минералов в породе. Текстура – особенности, взаимное расположение и ориентировка более крупных составных частей породы (минеральных агрегатов).

Практически любая горная порода состоит из минерального и порового объёма. Поровый объём оценивается относительным объёмом всех пор (пустот), заключённых в породах между минеральными частицами или их агрегатами. Относительный объём всех пор называется общей пористостью Р (%)

Р = [Vп / (Vо + Vп)] 100, (1.1)

где Vп – объём пор, м³; Vо – объём минерального скелета, м³.

Коэффициент пористости – отношение объёма пор к объёму минерального скелета породы

kп = Vп /Vо (1.2)

Из формул (1.1) и (1.2) вытекает, что

Р = [kп / (1+ kп)] 100 (1.3)

По происхождению поры делятся на первичные, сформировавшиеся при образовании пород и вторичные, в результате процессов метаморфизма, выщелачивания, перекристаллизации и т.п.

По величине поры подразделяются на:

• субкапилярные (диаметр пустот менее 0,2 мкм);

• капилярные (диаметр пустот 0,2 – 100 мкм);

• сверхкапилярные (диаметр пустот более100 мкм).

Форма (самого различного типа) и размер отдельных пор и их взаимная связь определяет форму порового пространства породы, которая, в свою очередь, обуславливает различные физические процессы, например перемещение воды и газов.

Открытая (эффективная) пористость Рэф – соединение пор с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы. Рэф<Р.

Пористость горных пород изменяется в значительных пределах : 0-90%. В среднем же пористость горных пород составляет 1,5-30%.

Минеральный объём породы описывается следующими параметрами строения:

• размером и формой зёрен (крупно-, средне- и мелкозернистые, скрытокристаллические и стекловатые);

• неоднородностью зёрен по размерам и форме;

• относительным содержанием составляющих зёрен каждого размера и каждой формы;

• взаимной ориентацией зёрен;

• степенью связи между зёрнами породы.

Отдельные частицы горных пород могут иметь различную степень взаимного сцепления, обусловленного силами структурных связей между ними.

В зависимости от характера связей выделяют следующие основные типы пород:

• рыхлые (раздельно-зернистые) – связи между зёрнами молекулярные и часто практически отсутствуют, породы представляют механические смеси частиц одного или нескольких минералов (пески, гравий галечник);

• твёрдые (скальные) – связь между частицами минералов жёсткая , химическая (песчаники, граниты, диабазы, гнейсы);

• связные – связи между дисперсными частицами породы сильно меняются в зависимости от влажности (глинистые породы, лёссы суглинки).

Наибольшее значение среди горных пород органического происхождения имеют ископаемые угли. Состав углей характеризуют отдельно по органической массе и минеральным включениям.

Органическая масса углей оценивается по содержанию микрокомпонентов, различимых под микроскопом: витрена (однородная чёрная блестящая и хрупкая разновидность угля), кларена (полублестящий уголь), дюрена (вязкий матовый и зернистый уголь) и фюзена (волокнистый рыхлый серовато-чёрный уголь)

Неуглеродные составляющие угла присутствуют в виде минеральных включений и элементов примесей. Относительное массовое содержание этих минеральных компонентов, переходящих при сгорании в золу, называется зольностью углей.

Объектами горных разработок являются все виды горных пород: коренные и покрывающие их наносы. При разработке породы подвергаются различного рода воздействиям, главным образом механическим: ударам, сдвигу, уплотнению, перемещению, в результате чего изменяется их состояние.

Для ведения горных работ в забое необходимо знать характеристики горных пород в их естественном состоянии. Для других целей (погрузки, перемещения, складирования, дробления и др.) определяют и учитывают свойства пород в искусственно изменённом состоянии.

Цели воздействия на породы различны, и они определяют пределы знаний тех или иных свойств пород. Характеристики свойств пород в различных объёмах могут отличаться друг от друга, например из-за блочной трещиноватости.

Поэтому при изучении горных пород выделяют понятия породного массива, горных пород в массиве, разрыхленных горных пород (горных масс) и отдельных изолированных кусков (образцов) горных пород.

Породный массив – это геологическое тело, состоящее из совокупности горных пород, сформировавшееся в определённой геолого-структурной обстановке и характеризующееся присущими ему физическими и геологическими особенностями.

Горная порода, находящаяся в массиве в естественном состоянии, называется горной породой в массиве.

Разрушенные горные породы – это разрыхленные, раздробленные искусственно или в результате сдвижений массивов твёрдые или связные горные породы. Естественно рыхлые породы также могут перейти в группу разрушенных вследствие нарушения их первоначальной укладки и сцепления в результате, например, погрузочных работ.

Отдельные части скальных или связных пород, а также малые объёмы рыхлых пород представляют собой образцы горных пород.

Основные физические закономерности наиболее чётко проявляются при изучении образцов горных пород и минералов.

Отличия в свойствах и поведении пород в образце и в массиве, а также массива горных пород и горной массы обусловлены:

-различием в составе ( в образце минеральный состав не всегда соответствует составу породы в массиве или разрыхленной породы; массив сложен разнородными по составу породами);

-различием в строении – расположении основных структурных элементов. Их формы, ориентировки (так, в образце может отсутствовать слоистость, в то время как массив горных пород слоистый);

-различными внешними условиями, в которых находится порода;

-силами связей, контактными условиями и степенью нарушенности пород - образец чаще всего менее нарушен трещинами и пустотами, чем порода в массиве, массив горных пород или разрушенная горная порода.

Нарушенность горных пород проявляется в их трещиноватости.

Трещиноватость – это совокупность трещин, имеющихся в породном массиве. Как правило, все горные породы имеют ту или иную степень трещиноватости.

Трещина –плоский разрыв сплошной среды величина которого на порядок больше межатомного расстояния в кристаллической решётке (10^-10м). Трещины бывают трёх порядков: 1) 10^-9-10^-5м – внутрикристаллические;

2. 0,1мм и более – межкристаллические;

3. пересекаясь делят горные породы на отдельности более или менее правильной формы, оказывают наиболее существенное влияние на процессы РГП при их выемке и рыхлении, при сдвижении, оползнях и обвалах.

Наличие пор, пустот и трещин в породах предопределяет их многофазность , так как все пустоты в естественных условиях обычно бывают заполнены газами, жидкостями или инородными телами, что обуславливает возникновение в породах множества физических эффектов, отличающих их поведение от классических твёрдых те

Лекция №2.

Тема : ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ПОРОД И ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

План лекции (с.17-39/1/):

1. Классификация физико-технических свойств пород. Базовые физико-технические параметры.

2. Влияние минерального состава и строения пород на их свойства