ПРЕДИСЛОВИЕ

Основная тенденция развития горного производства, позво­ ляющая добиваться неуклонного повышения производительности труда, — полная поточность при условии комплексной механи­ зации и автоматизации всех производственных процессов. В на­ стоящее время всё большее значение приобретают вопросы эффек­ тивного разрушения горных пород, упрочнения массива, созда­ ния различных средств контроля за процессами, происходящими в горных породах, и разработки принципиально новых методов добычи руд, угля и извлечения полезных компонентов из руд. Все эти процессы 4связаны с объектом разработки — горпыми породами, свойства которых предопределяют технику и техноло­ гию ведения горных работ, и следовательно, экономические пока­ затели добычи полезных ископаемых.

Горный инженер должен хорошо разбираться в физических

себе степень влияния тех или иных характеристик пород и мас­ сивов на отдельные технологические процессы.

Предлагаемый читателю учебник по сравнению с предыдущим изданием 1973 г. подвергся значительной переработке. В нем использованы новейшие исследования по физическим процессам горного производства; выделены в отдельные главы и значительно расширены вопросы использования свойств пород в практике горного дела. Более полно даны сведения о физических процес­ сах, происходящих в массивах горных пород, и путях изучения массивов с учетом их трещиноватости, влажности, горного давле­ ния и температуры.

Расширены разделы, в которых описываются характеристики рыхлых, разрушенных и измельченных пород; более подробно изложены основы разрушения, дробления и измельчения пород.

В учебнике впервые даны представления о свойствах инопла­

ческие процессы горного производства». Для студентов других горных специальностей разделы, не отраженные в программе,

могут служить в качестве дополнительного материала к основному курсу и поэтому набраны мелким шрифтом.

Таблицы в приложении могут быть широко использованы студентами при подготовке курсовых и дипломных проектов по всем горным дисциплинам, а также в процессе их научноисследовательской работы.

Все разделы учебника могут быть полезны также аспирантам, научным работникам и инженерам производства.

месторождений полезных ископаемых Карагандинского политех­ нического института за ценные замечания, сделанные при рецен­ зировании рукописи настоящейХкниги.

ВВЕДЕНИЕ

Ф и з и к а г о р н ы х п о р о д и п р о ц е с с о в , офор­ мившаяся в самостоятельный раздел горной науки в шестиде­ сятых годах, положила начало новому подходу к породе как объекту геологических, физических исследований ц горных раз­ работок одновременно. Эта прикладная наука изучает физиче­ ские свойства пород и процессы с целью использования их для решения задач горного производства.

Место физики горных пород и процессов среди других наук определяется ее методами, объектами и направленностью исследо­ ваний.

По объектам исследований физика горных пород близка к гео­ логическим наукам, а именно — кристаллографии, минералогии, петрографии. Без знания минерального состава и структурнотекстурных особенностей пород и условий их залегания невоз­ можно изучение физических свойств пород, обоснованное объяс­ нение физических явлений, происходящих в них. Поэтому дан­ ные о составе, строении, генезисе пород, их залегании физика

зике 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 влия­ ния и возникновения всех этих факторов практически невозможно одновременно учесть. В связи с этим в физике горных пород широко применяется аппарат теории вероятностей и математиче­ ской статистики, что предопределяет использование эксперимен­

тода.

Физика горных пород в целях совершенствования горного производства изыскивает резервы повышения производитель­ ности труда через познание свойств горных пород.

Как известно, горное производство как в условиях открытых, так и подземных горных работ состоит в общем виде из следующей технологической цепочки: бурения, взрывания, выемки взорванной

массы, транспортирования пород, их складирования, первичной обработки и измельчения полезного ископаемого и, наконец, его обогащения. Эти стадии процесса добывания полезного иско­ паемого неразрывно связаны с воздействиями на породу раз­ личных машин и механизмов. Наибольшая эффективность ра­ боты горного предприятия достигается при оптимальном соответ­ ствии параметров машин и механизмов физическим характери­ стикам пород.

Параметры машин и механизмов должны быть приспособлены к изменяющимся свойствам горных пород. Эффективность их работы будет высокой только при наличии соответствующих датчиков или устройств, способных давать информацию о свой­ ствах, составе и состоянии массивов пород. Следовательно, раз­ работка методов контроля процессов также входит в задачи физики горных пород.

Физические параметры пород не являются серого неизмен­ ными, и в некоторых пределах ими можно управлять. Например, свойства пород могут меняться при нагреве, охлаждении, насыще­ нии их жидкостями, воздействии электрического тока и т. д. По­ этому возникает задача исследования результатов таких воздей­ ствий на породу.

Изучение физических явлений в породах дает возможность совершенствовать как машины и механизмы, так и методы горной технологии, создавать принципиально новые способы добычи полезных ископаемых и извлечения полезных компонентов из руд

а) установление физических, физико-технических и техноло­ гических характеристик горных пород, необходимых для расчета режимов работы и производительности существующего горного оборудования при проектировании горных предприятий и пла­ нировании их работы;

б) разработка и создание принципиально новых физических методов воздействия на породы, выявление областей их приме­ нения, расчет их эффективности;

в) разработка принципиально новой технологии производ­

за составом,- состоянием и поведением горных пород в процессах горного производства, основанных на изучении свойств пород.

Физика горных пород и процессов подразделяется на следу­

2) а к у с т и к у п о р о д , изучающую распространение упру­ гих колебаний в породах и все физические процессы, с ними связанные;

"3) т е р м о д и н а м и к у п о р о д , в область исследований которой входят тепловые свойства и тепловые процессы в горных породах;

4) э л е к т р о д и н а м и к у и р а д и а ц и о н н у ю ф и ­

Изучение физических свойств горных пород было начато еще в древней­ шие времена. Так, простейшие магнитные свойства магнетита были известны еще в древней Греции, Египте и в Китае. Дальнейшее изучение магнитных свойств горных пород было обусловлено развитием методов поисков полез­ ных ископаемых. Впервые компас для поисков магнетитовых руд был исполь­ зован в 1640 г. в Швеции.

Изучение Галилеем (1590 г.) законов падения твердых тел под действием силы тяжести положило начало исследованиям в области гравиметрии и плот­ ностных свойств горных пород.

Попытки прогнозировать землетрясения привели к. изучению законов распространения упругих волн в земной коре — возникновению сейсмо­ логии (Малле, 1851 г.), а затем и сейсмического метода разведки (Шмидт, 1888 г.).

Впервые в мире изучение электрических свойств горных пород было начато М. В. Ломоносовым в 1753 г. и Б. Франклином в 1754 г.

В СССР уже с 1918 г. были начаты широкие магнитные иссле­ дования пород на базе Курской магнитной аномалии под руко­ водством академиков П. П. Лазарева и И. М. Губкина. г|; Обширные гравиметрические исследования проведены П. М. Ни­ кифоровым, М. С. Молоденским и другими советскими учеными. Сейсмические исследования массивов горных пород и разработка новых методов сейсморазведки были осуществлены акад. Г. А. Гам­

бурцевым.

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

Весьма широкие систематические исследования по электро­ метрии 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.

Первой фундаментальной работой, посвященной механиче­ ским свойствам пород применительно к механике грунтов, яви­ лось исследование французского ученого XVIII в. Ш. Кулона.

ВРоссии механика грунтов начинала развиваться с XIX в. благодаря работам русских ученых В. И. Курдюмова и П. А. Ми­ няева. В это же время акад. В. М. Севергин впервые ввел термин «горные породы».

Врезультате широкого развития подземных работ появилась механика горных пород, изучающая деформации и напряжения

в породах при проведении в них горных выработок. Проф. М. М. Про­ тодьяконов (старший) впервые разработал теорию горного давления. С его именем связано начало систематического изуче­ ния прочностных свойств пород. В 1926 г. он дал первую класси­ фикацию горных пород по крепости, широко применяемую в гор­

Н.Г. Домбровским, проф. А. И. Бероном и др.

Тепловые свойства горных пород исследовались вначале

применительно к выявлению тепловых полей в земной коре, а затем в связи с развитием термических методов разведочной геофизики и, наконец, с целью внедрения термических методов обработки и разрушения горных пород.

Однако все эти исследования были недостаточно полными как по количеству изучаемых типов пород и полезных ископае­

к разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений (петрофизика).

В статье «Задачи горной науки в деле дальнейшего совершен­

ипроцессов.

В1963 г. в МГИ, а в 1964 г. в издательстве «Наука» вышла из печати монография авторов «Основы физики горных пород».

Внастоящее время в области физики горных пород обшир­ ные исследования ведут проблемная лаборатория и физикотехнический факультет Московского горного института. Институт проблем комплексного освоения недр АН СССР, возглавляемый акад. Н. В.*Мельниковым, Горный институт Кольского филиала АН СССР, Институт горного дела СО АН СССР, ИГД им. А. А. Скочинского, ВНИМИ, Ленинградский горный институт, Караган­ динский политехнический институт, Институт геотехнической ме­

ханики АН УССР и другие организации.

За последнее десятилетие физика горных пород пополнилась серьезными исследованиями в области механического и взрыв­ ного разрушения пород (Б. Н. Кутузов, А. Н. Ханукаев), аку­ стических и механических свойств и механики горных пород

(В. С. Ямщиков, Ж. С. Ержанов, Ю. А. Векслер, И. А. Турча­ нинов, И. В. Баклашов), термического воздействия и тепловых свойств пород (А. П. Дмитриев, 10. Д. Дядькин), электриче­ ского воздействия на горные породы (Ю. И. Протасов, М. П. Тон­ коногов) и др.

Дальнейшее развитие физики горных пород вызвано возраста­ ющими потребностями горного производства в изучении физи­ ческих процессов, происходящих в массивах пород. Успешное удовлетворение этих потребностей возможно лишь при условии усвоения горными инженерами знаний о физических свойствах горных пород, методов прогноза и управления их свойствами в зависимости от тех или иных условий, а также основных прин­ ципов воздействия на горные породы с целью их эффективной разработки.

Ч А С Т Ь П Е Р В А Я

СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ ГОРНЫХ ПОРОД

1. Классификация свойств и параметров

1.1.Минералы и горные породы. Их строение и состав'

Под м и н е р а л о м понимают природное тело, приблизи­ тельно однородное по химическому составу и физическим свой­

обнаруживаемые в земной коре (самородные металлы и металлои­ ды). Всего известно около 3000 различных минералов. В большин­ стве это твердые кристаллические химические соединения. Рас­ пределение минералов в земной коре весьма неравномерно. В об­ разовании горных пород основную роль играют только около 30 так называемых породообразующих минералов. Наиболее распространены полевые шпаты — натриевые, калиевые и каль­ циевые алюмосиликаты, составляющие 60% верхней части зем­ ной коры, амфиболы и пироксены — 17%, кварц — 12% и слю­ ды — 3,8%. Большинство других минералов, например все ми­ нералы, составляющие руды цветных металлов, присутствуют в породах в незначительном количестве.

Кристаллы минералов имеют свою пространственную решетку, соответствующую закону распределения вещества внутри кри­ сталла. Известно семь типов (сингоний) кристаллических реше­

тзтрагональная

а~ Ъ ф с \ a —р = Y = 90°;

т в е р д ы е (скальные и полускальные) — с жесткой, упругой связью между частицами минералов (песчаники, граниты, диа­

Название породы дает лишь некоторое приближенное пред­ ставление о ее минеральном составе, строении и, следовательно, свойствах. Например, гранит — это порода, в состав которой входит около 60% полевого .шпата, 5—10% слюды, 25—30% кварца. Переходы от одного типа к другому типу породы посте­ пенные, резких границ между ними часто не существует (рис. 1.1).

Так, осадочная горная порода, состоящая из минерала кальцита, назы­ вается известняком; порода, состоящая из доломита, — доломитом. Но между этими крайними состояниями существуют переходные породы смешанного состава, например доломитизированный известняк. Прогнозировать в ка­ кой-то мере физические свойства пород можно лишь, имея точные данные об их минеральном составе и строении.

Как минеральный состав, так и строение горных пород определяются их генезисом и воздействием различных внешних факторов (движением земной коры, деятельностью ветра и воды, давлением, температурными коле­ баниями) в течение всего периода их существования.

Как известно, горные породы по происхождению делятся на три большие группы: магматические, осадочные и метамор­ фические. В магматических породах крупность кристаллов, их форма, наличие или отсутствие стекловатой массы обусловлены давлением и скоростью затвердевания магмы. В осадочных поро­ дах условия накопления осадков и дальнейшие изменения опре­ деляют слоистость, пористость пород, способ цементации обло­ мочного материала и т. п. В метаморфических породах темпе­ ратура и состав горячих растворов, давление, его характер и дли­ тельность воздействия определяют степень метаморфизма пород, перекристаллизацию их и, следовательно, сланцеватость, по­ ристость и зернистость.

Вмагматических породах практически отсутствует слоистость,

вто время как в осадочных толщах она является одним из

вляющие угля присутствуют в ней в виде минеральных включе­

минералов претерпевает необратимые фазовые превращения. Для углей, используемых в качестве энергетического топлива,

важно знать общую зольность. Качество углей как энергетиче­ ского топлива ухудшается также при содержании в них органи­ ческих примесей типа липтобиолитов, которые имеют пониженную теплоту сгорания. Для целей коксования решающее значение кроме зольности имеет также содержание серы.

Для алюминиевой промышленности и для изготовления элек­ тродного кокса важно знать также химический состав золы. В таких случаях соединения алюминия, например, не считаются вредными примесями. Минеральные примеси в углях бывают свободные и связанные, причем последние наиболее трудно под­ даются обогащению.

Сера в угле может быть представлена минеральными приме­ сями (в основном пиритом), но может входить и в состав органиче­ ских компонентов.

Содержание углерода в горючей массе углей зависит от степени метаморфизма. Так, наименее метаморфизованные длин­

и в общем случае не зависит от степепи их метаморфизма. Так, зольность Ас длиннопламенных углей и антрацитов Донбасса составляет 14—16%. Имеются угли с зольностью, достигающей 40%.

Содержание общей серы в углях колеблется от долей про­ цента до 5—6%. Каменные угли Кузбасса содержат серы в 5— 10 раз меньше, чем угли Донбасса.

Элементы-примеси в углях предстг ;лены обычно германием,

1.3. Пористость горных пород

Совокупность всех пустот в горных породах, заключенных

между минеральными частицами или их агрегатами, носит назва­ ние пористости.