Физика горных пород. Физические явления и эффекты в практике горного производства. Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

Кафедра физических процессов горного производства и геоконтроля

С.А. Гончаров П.Н. Пащенков А.В. Плотникова

Физика горных пород

Физические явления и эффекты в практике горного производства

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2016

УДК 622.25 Г65

Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, проф. В.В. Мельник

Гончаров С.А.

Г65 Физика горных пород : физические явления и эффекты в практике горного производства : учеб. пособие / С.А. Гонча- ров, П.Н. Пащенков, А.В. Плотникова. – М. : Изд. Дом МИ-

СиС, 2016. – 27 с.

ISBN 978-5-87623-973-0

В учебном пособии изложены способы и средства использования при до- быче и переработке полезных ископаемых механических эффектов, молеку- лярных явлений, гидростатических и гидрогазодинамических явлений и эф- фектов, колебательных и волновых явлений и эффектов, электромагнитных явлений.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Горное дело» и «Физические процессы горного производства».

УДК 622.25

2

3

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯХ

ИЭФФЕКТАХ В ГОРНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Объектом труда в горной промышленности являются массив гор- ных пород и собственно горная порода. Массив горных пород и гор- ная порода, их качественные и количественные характеристики (свойства и состояние) изменяются под действием различных физи- ческих полей (механических, тепловых, электрических и т.д.). Эти изменения сопровождаются разного рода физическими явлениями и эффектами в горных породах и массивах.

На ранних стадиях развития горного производства технология до- бычи и переработки полезных ископаемых основывалась на механи- ческом воздействии на горную породу. В настоящее время область воздействий на горный массив и горную породу в горном производ- стве значительно расширился. Используются тепловые, электриче- ские, волновые, гидравлические, оптические и химические воздейст- вия, которые приводят к изменению свойств горного массива и гор- ных пород не только на макро-, но и на микроуровне, что сопровож- дается физическими явлениями и эффектами, протекающими в гор- ном массиве и собственно в горной породе. Примером является вы- щелачивание руды одновременно при гидравлическом и химическом воздействиях на рудное тело, находящееся в массиве горных пород. При этом имеют место два явления: гидрорасчленение массива гор- ных пород и химическое растворение извлекаемого из рудного тела минерала.

Расширение круга физических явлений и эффектов на макро- и микроуровне, изменяющих свойства и состояние массива горных пород, в конечном итоге позволяет повысить производительность технологических процессов добычи и переработки полезных иско- паемых, их экономическую эффективность и экологическую безо- пасность.

Воздействие на массив горных пород и на горную породу каким- либо одним физическим полем может приводить к физическим явле- ниям и эффектам в породе, физическая природа которых соответст- вует не только данному физическому воздействию, но и другим фи- зическим явлениям и эффектам, свойственным другим физическим полям. Например, при механическом разрушении горной породы в ней возникают также механические явления и эффекты: напряжения и деформации, а при импульсном электромагнитном воздействии на

4

горную породу, содержащую минералы – ферромагнетики, в них возникает явление магнитострикции, которое приводит к механиче- ским эффектам (напряжениям и деформациям) на границах этих ми- нералов с соседними минералами данной породы.

В настоящее время известен широкий круг физических явлений и эффектов, которые используются в практике добычи и переработки полезных ископаемых.

5

2.МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ

2.1.Силы инерции

Эти силы возникают в случае приложения к массиву горных по- род или к самой горной породе внешней силы с ускорением в про- цессе их разрушения. При этом увеличивается количество движения, а энергоёмкость процессов разрушения породы уменьшается. Вслед- ствие этого энергоёмкость статического разрушения горных пород значительно выше энергоёмкости их разрушения при динамических нагрузках. В подтверждение этого энергоёмкость разрушения пород в дробилках, где происходит практически статическое воздействие на породу, значительно выше, чем при взрывном разрушении горных пород, когда превалирует динамическая составляющая нагрузки на породу, обусловленная ускорением сил взрывного нагружения. При этом энергоёмкость разрушения пород более высокобризантными взрывчатыми веществами (скорость их детонации выше, чем низко- бризантных) ниже, чем взрывное разрушение пород низкобризант- ными взрывчатыми веществами.

2.2. Центробежные силы инерции

Эти силы возникают под действием центростремительной силы при вращении тела. Примером использования такой силы может слу- жить измельчение руды во вращающихся мельницах. В таких мель- ницах измельчающими телами являются высокоабразивные стальные шары или стержни, находящиеся внутри цилиндрической пустотель- ной мельницы, расположенной с небольшим уклоном в сторону раз- грузки продуктов измельчения руды. Загрузка исходной рудой такой наклонной мельницы происходит поточно в верхней её части.

При вращении мельницы возникает центробежная сила F:

F = mυ , r

где m – масса вращающихся в мельнице тел (шаров, стержней, кус- ков руды); υ – линейная скорость вращения мельницы;

r – внутренний радиус мельницы.

Скорость вращения мельницы подбирают такой, чтобы в зависи- мости от крупности кусков руды на входе мельницы под действием

6

центробежных сил измельчающие шары (стержни) достигали апогея, а куски руды (масса которых значительно меньше массы шаров) не достигали этой высоты. При падении шаров (стержней) под действи- ем сил гравитации из точек апогея на нижнюю внутреннюю поверх- ность цилиндрической мельницы куски руды оказываются между этой поверхностью и падающими шарами (стержнями). Поскольку масса отдельных шаров (стержней) на порядок и более выше массы отдельных кусков руды, происходит их измельчение.

2.3. Трение

Различают трение покоя и трение при скольжении одного тела относительно другого. Трение покоя имеет место в горном произ- водстве при контакте связных горных пород с поверхностью добыч- ного и транспортного оборудования. В этом случае между связной породой и поверхностью добычного или транспортного горного обо- рудования возникают силы адгезии, что приводит к налипанию связ- ных пород к этим поверхностям, а в период отрицательных темпера-

тур – к намерзанию.

Силы адгезии связных пород к твёрдой поверхности складывают-

ся из двух составляющих: капиллярной и электростатической. Ка-

пиллярная составляющая обусловлена поверхностным натяжением физически связной водой, находящейся в связной породе, с твёрдой поверхностью добычного или транспортного оборудования. Элек- тростатическая составляющая адгезии (прилипания) обусловлена раз- личием по величине, а в большинстве случаев и по знаку, электроста- тического заряда между частицами связной породы и твёрдой поверх- ности добычного и транспортного горного оборудования.

Капиллярная и электростатическая составляющие сил адгезии яв- ляются причиной слипания минералов концентрата между собой и с частицами флюсовых добавок при производстве окатышей, которые горно-обогатительные комбинаты отправляют на металлургические заводы. Изготовление окатышей осуществляют во вращающихся трубчатых или тарельчатых окомковательных машинах. Трубчатые окомковательные машины представляют собой трубу, расположен- ную с небольшим наклоном к горизонту. В верхнюю часть трубы загружаются концентрат, флюсовые добавки и адгезив (как правило, это доломитовая мука). При вращении трубы происходит пересыпа- ние шихты с верхних участков в нижние. При этом происходит сли- пание частиц шихты между собой. Скорость вращения трубы выби-

7

рают такой, чтобы частицы шихты не достигали апогея. Длину трубы

иугол ее наклона выбирают так, чтобы в месте разгрузки окатыши были заданного (требуемого) диаметра.

Тарельчатая окомковательная машина представляет собой диск в виде тарелки, наклонённой к горизонту под углом 15…20º. Загрузка шихты на тарелку происходит в верхней её части, разгрузка окаты- шей – в нижней. Диаметр и скорость вращения тарелки выбирают такими, чтобы в месте разгрузки окатышей их диаметр соответство- вал заданному размеру.

Трение скольжения имеет место при измельчении руды в струй- ных мельницах, а также в шаровых мельницах на последних стадиях измельчения руды (третьей и четвёртой). В этом случае измельчение руды происходит главным образом за счет трения частиц руды меж- ду собой или с измельчающими телами (шарами).

Строительство подземных сооружений (микротоннелей) в рыхлых

исвязных породах в условиях мегаполисов в большинстве случаев осуществляют с помощью продавливания. При этом трубы (будущие микротоннели) продавливают в грунт с помощью гидродомкратов. В этом случае на внутренней и внешней поверхности труб возникают силы трения скольжения, после преодоления которых происходит продвижение (продавливание) труб в грунте.

2.4. Деформации

Деформации в массиве горных пород и в собственно горных по- родах происходят при их разрушении. При деформации изменяется пространственное положение отдельных точек горного массива (гор- ных пород) относительно друг друга. Причинами деформации горных пород и массивов могут быть различные силы: механические, грави- тационные, электрические, магнитные, температурные, а также фазо- вые переходы в отдельных минералах, слагающих горную породу.

Деформации в горных породах и массивах возникают в техноло- гических процессах добычи и переработки полезных ископаемых.

В массиве горных пород при отсутствии вмешательства человека или природы имеет место статическое равновесие и какие-либо де- формации отсутствуют. При технологических процессах добычи и переработки полезных ископаемых возникают деформации сжатия, сдвига и растяжения. Они подразделяются на упругие деформации, ко- торые исчезают в породе после снятия нагрузки, и пластические, кото- рые остаются в породе после снятия нагрузки. В зависимости от этого

8

горные породы делятся на упругие (весьма прочные кристаллические породы магматического происхождения), упруго-пластические (слабо- прочные породы магматического происхождения и осадочные поро- ды), пластические (связные породы).

В случае приложения внешней нагрузки в горной породе (масси- ве) возникают структурные и текстурные деформации. Структурные деформации возникают на границах минералов, слагающих горную породу, текстурные – на границах слоёв пород. И структурные и тек- стурные деформации в горных породах возникают в результате фор- мирования дислокаций на границах минералов или слоёв горных по- род при внешних или внутренних нагрузках.

2.5. Силы гравитационного поля

Гравитационное поле – это силовое поле, обусловленное притя- жением Земли за вычетом центробежной силы, которая возникает вследствие суточного вращения Земли; силы гравитации незначи- тельно зависят также от притяжения Луны и Солнца. Гравитацион- ное поле Земли характеризуется потенциалом силы тяжести; размер- ность этого поля м2·с–2.

Гравитационное поле используется во многих технологических процессах горного производства, основными из которых являются

гравитационное обогащение полезных ископаемых и выпуск руды из отрабатываемых подземным способом блоков при системах разра- ботки с магазинированием руды, а также с этажным или подэтаж- ным её обрушением.

Гравитационное обогащение – это разделение минералов в зави- симости от их плотности и крупности в поле силы тяжести или цен- тробежных сил. В результате происходит отделение пустой породы от извлекаемого полезного минерала с получением концентрата. При гравитационном обогащении используется сила земного притяжения; иногда дополнительно используют поля центробежных сил или элек-

тромагнитных (при магнитогидростатической и магнитогидроди- намической сепарации).

Выпуск руды – это извлечение обрушенного полезного ископае- мого из очистного пространства через рудоспуски или дучки под действием силы тяжести. Через рудоспуски полезное ископаемое выпускают в откаточные сосуды (вагонетки), через дучки – на гори- зонт выпуска руды (скреперования, вторичного дробления).

Выпуск руды из отрабатываемых подземным способом блоков (при системах разработки с магазинированием руды или с обруше-

9

нием вмещающих пород) происходит из объёмов взорванной или обрушенной руды в виде эллипсоида вращения, располагающегося над выпускным отверстием, при этом большая ось эллипсоида ори-

ентирована вдоль оси выпускного отверстия.

Расстояние между выпускными отверстиями выбирают таким,

чтобы обеспечить максимально возможное извлечение руды из отра- батываемого блока при минимально возможном её разубоживании.

Это расстояние зависит от крупности отбитой (или обрушенной) ру- ды и её сыпучести.

2.6. Горное давление

Горное давление – это явление, обусловленное силами гравитации, вызывающее напряжения и деформации, возникающие в массиве горных пород. Его влияние необходимо учитывать при оценке де- формаций и напряжений в стенках выработок и скважин, а также в целиках при подземной разработке полезных ископаемых. Эти на- пряжения и деформации при креплении подземных горных вырабо- ток возникают на поверхности контакта «порода – крепь» в результа- те действия, главным образом, гравитационных и тектонических сил, а также при изменении температуры разных слоёв земной коры.

Формой проявления горного давления является деформирование горных пород, которое приводит к потере ими устойчивости, форми- рованию нагрузки на крепь, динамическим явлениям: горным уда- рам, внезапным выбросам. Поэтому при проведении горных вырабо- ток предварительно рассчитывают горное давление с целью опреде- ления прочности несущих конструкций подземных сооружений (сте- нок выработок, целиков и крепей) и выбора способа управления гор- ным давлением.

2.7. Горный удар

Горный удар – это явление внезапного быстропротекающего раз- рушения предельно напряжённой части массива полезного ископае- мого (породы), прилегающей к подземной выработке. Горные удары сопровождаются выбросом полезного ископаемого (пород) в горную выработку, сильным звуковым эффектом, возникновением мощной воздушной волны.

Горный удар вызывается наличием в массиве горных пород тек- тонических напряжений, превышающих гравитационные напряже- ния, иногда в несколько раз.

10