Topic outline

  • General

    • Хуанган Нурбол, PhD
      Ассоциированный профессор кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых»
      Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова.


    • Характеристика дисциплины Дисциплина «Физика горных пород» является составной частью цикла «Базовых дисциплин» специальности «Горное дело» и предназначена для изучения сущности физико-технических свойств пород и физических явлений, формирующихся в массиве; методов количественной и качественной оценки физико-технических свойств горных пород; влияния состава, строения и внешних физических полей на свойства горных пород и использования их при проектировании, планировании горно-технологических операций и ведении горных работ. 

      Цель дисциплины Целью изучения данной дисциплины является получение студентами знаний о физико-технических свойствах и физических процессах в горных породах, закономерностях изменения свойств и их параметров под воздействием различных физических полей, а также принципов использования свойств пород при решении задач горного производства. 

      Задачи дисциплины Основными задачами изучения дисциплины являются: 

      1. усвоение методов определения плотностных, упругих, пластических и реалогических свойств горных пород; 
      2. составление паспорта прочности горных пород и прочность в объемном напряженном состоянии; 
      3. применение критериев прочности горных пород (Кулона, Мора, Гриффитса); 
      4. определение системы трещин, параметры трещин, размер структурного блока, изотропное и анизотропное поведение массивов; 
      5. изучение влияния трещиноватости на деформационные и прочностные свойства горных пород; 
      6. усвоение методов определения свойств горных пород в натурных условиях. 

      В результате изучения данной дисциплины студент: 

      Имеет представление: об основных физико-механических параметрах горных пород, об их качественных и количественных характеристиках и методах их определения. 

      Знает: определения, размерности, наиболее вероятностные численные значения важнейших физико-технических параметров горных пород, физическую сущность процессов, происходящих в горных породах и массивах при воздействии на них горными механизмами или физическими полями, тенденции и перспективные пути развития науки и техники в области физики горных пород. 

      Умеет: определять основные физико-технические параметры горных пород в лабораторных и натурных условиях, устанавливать категории разрабатываемости пород, применять данные о них для выбора режимов работы горного оборудования и его параметров, ориентироваться в научно-технической литературе по физике горных пород, объяснять физические явления и процессы с позиции современного уровня познания материального мира. 

      Приобрел практические навыки: в определении физико-технических параметров и категорий разрабатываемости горных пород в лабораторных и натурных условиях, в методиках наблюдения и установления закономерностей протекания физических процессов и контроля за состоянием массива горных пород.


  • ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД. БАЗОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

    • ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД. БАЗОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ



    • В видео-лекции рассматривается физика горных пород как фундаментальная горная наука, оформившаяся в самостоятельную дисциплину во второй половине XX века благодаря трудам В.В. Ржевского и других выдающихся учёных.

      Объектом исследования являются горные породы и массивы, а комплексный метод включает лабораторные испытания, натурные наблюдения, физическое и математическое моделирование.

      Горные породы представляют собой природные агрегаты минералов и по происхождению делятся на магматические, осадочные и метаморфические.

      Физическое свойство породы — это её реакция на внешние воздействия, а параметр свойства — количественная мера; из более чем 100 параметров выделено 12 базовых.

      К базовым параметрам относятся: объёмная масса, пористость, пределы прочности на сжатие и растяжение, модуль упругости, коэффициент Пуассона, теплопроводность, теплоёмкость, коэффициент теплового расширения, удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая и магнитная проницаемости.



  • МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ





    • Минералы и горные породы. Строение, классификация и свойства.

      В данной видео-лекции рассматриваются фундаментальные понятия физики горных пород — минералы и горные породы. Лекция раскрывает определение минерала как природного химического соединения, его агрегатные состояния и распространённость в земной коре. Подробно разбирается роль породообразующих и акцессорных минералов, их влияние на свойства горных пород.

      Особое внимание уделяется кристаллическому строению минералов: семь типов кристаллических решёток (сингоний), типы химических связей (ионная, ковалентная, металлическая, молекулярная). Рассматриваются такие важные характеристики, как анизотропия кристаллов, спайность и макроструктура минеральных агрегатов.

      Лекция включает классификацию минералов по химическому составу (самородные элементы, сульфиды, окислы, силикаты, соли кислородных кислот, галоидные соединения) и по генезису (магматогенные, экзогенные, метаморфические). В заключении даётся обобщающий вывод о связи минерального состава и строения с физико-механическими свойствами горных пород.


  • ПОРИСТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД



    • Лекция посвящена одной из важнейших характеристик горных пород — пористости, которая определяет плотность, прочность, проницаемость и многие технологические параметры пород. В начале лекции даётся определение горной породы как агрегата минералов, проводится чёткое разграничение между минералом и породой. Рассматриваются типы пород по характеру связей между зёрнами (рыхлые, связные, твёрдые).

      Подробно разбираются структура и текстура пород, их влияние на физико-механические свойства. Основное внимание уделяется классификации пор по происхождению, размеру и форме, а также различию между общей и открытой (эффективной) пористостью.

      Лекция включает анализ факторов, влияющих на пористость: форма и размер зёрен, сортировка, цементация, глубина залегания, генезис пород. Рассматриваются понятия плотности и объёмной плотности, их связь с пористостью. Приводятся примеры пористости различных типов пород — от долей процента у магматических пород до 90% у некоторых осадочных.


  • ТРЕЩИНОВАТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

    • Данная видеолекция посвящена комплексному изучению состава, строения и нарушенности горных пород как объектов горного производства. В первой части рассматриваются основные методы диагностики минералов и пород — от простейших визуальных признаков (цвет, блеск, спайность, твёрдость) до инструментальных: поляризационная микроскопия шлифов, рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализы, термография и эмиссионная спектроскопия. Особое внимание уделяется количественным параметрам строения: среднему размеру и форме зёрен, коэффициентам неоднородности, анизотропии и степени ослабления связей между минеральными частицами, что позволяет перейти от качественного описания к инженерным оценкам свойств пород.

      Во второй части лекции акцент сделан на трещиноватости — одном из ключевых факторов, определяющих прочность, устойчивость и технологичность породных массивов. Рассматривается классификация трещин по порядкам (внутрикристаллические, межкристаллитные и тектонические), их влияние на процессы бурения, взрывания, выемки и обрушения, а также взаимосвязь трещиноватости с пористостью, водонасыщением и анизотропией физико-механических характеристик. Видеолекция сопровождается наглядными схемами и примерами из практики, что позволяет слушателям сформировать целостное представление о том, как строение и нарушенность пород учитываются при проектировании горных работ и оценке устойчивости массивов.


  • ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ ГОРНЫХ ПОРОД

    • Данная видеолекция посвящена систематизации физических свойств горных пород, которые проявляются при различных видах энергетического воздействия — механическом, тепловом и электромагнитном. В первой части лекции подробно рассматриваются три основные группы свойств: механические (упругие, прочностные, реологические и технологические параметры), термические (теплоёмкость, теплопроводность, тепловое расширение) и электромагнитные (электрические и магнитные проницаемости, диэлектрические потери). Объясняется деление параметров на два класса: характеризующие обратимые воздействия (модуль упругости, диэлектрическая проницаемость, удельная теплоёмкость и др.) и необратимые (пределы прочности, температура плавления, пробивная напряжённость). Также вводится важное различие между скалярными (накопительными) и тензорными (передающими энергию) параметрами.

      Во второй части лекции акцент смещается на практические аспекты определения физико-технических параметров с учётом строения и минерального состава пород. Рассматриваются методы статистической обработки экспериментальных данных: расчёт средних значений, среднеквадратичных ошибок, коэффициентов вариации и доверительных интервалов, а также построение вариационных кривых и корреляционных зависимостей. Особое внимание уделяется влиянию пористости, анизотропии, размеров зёрен и формы пор на свойства пород; показывается, как учёт этих факторов позволяет прогнозировать технологические показатели при бурении, взрывании, выемке и переработке. Лекция сопровождается примерами расчётов и графическими иллюстрациями, что помогает слушателям освоить как теоретические основы, так и прикладные методы оценки свойств горных пород для горного производства.


  • БАЗОВЫЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ ГОРНЫХ ПОРОД

    • Лекция посвящена анализу изменчивости физико-технических свойств горных пород под действием внешних факторов – механического, вещественного и теплового полей. В первой части рассматривается механическое поле: показано, что характер напряжений (одноосное, двухосное, гидростатическое сжатие или разупрочняющие нагрузки) по-разному влияет на структуру породы. Гидростатическое давление уплотняет материал, увеличивает площади межзерновых контактов и повышает тензорные параметры (прочность, упругость, теплопроводность), тогда как разупрочняющие напряжения создают трещины и резко снижают связность. Также перечислены основные виды напряжений, встречающиеся в горном производстве: горное давление, тектонические, термические и техногенные.

      Во второй части анализируется влияние вещественного поля – жидкостей и газов, заполняющих поры и трещины. Их воздействие проявляется двояко: как составная часть породы (изменение интегральных свойств) и как химически активная среда, вызывающая набухание, размягчение, растворение или гидроразрушение. Особо чувствительны к такому воздействию рыхлые, глинистые и слабосцементированные породы. Третья часть посвящена тепловому полю: рассмотрены термонапряжения (возникающие из-за неравномерного расширения минералов) и термохимические превращения – плавление, полиморфные переходы (например, скачок объёма кварца при 573°С), дегидратация, диссоциация и окислительно-восстановительные процессы. Отмечены критические температуры самовозгорания для углей и сульфидных руд, а также влияние низких температур. В завершении подчёркивается, что свойства пород не являются константами – их необходимо оценивать с учётом конкретных условий залегания и внешних воздействий для корректного проектирования и безопасного ведения горных работ.



  • НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД


    • Данная лекция посвящена фундаментальным понятиям, определяющим поведение горных массивов под воздействием внешних нагрузок. В ходе занятия студенты знакомятся с природой напряжений – нормальных и касательных, – а также с методами их описания: тензором напряжений, законом парности касательных напряжений и графическим аппаратом кругов Мора. Отдельно рассматриваются особенности напряжённого состояния в пористых и трещиноватых породах, где из-за локальной концентрации усилий прочностные свойства проявляются иначе, чем в идеально плотных средах.

      Вторая часть лекции посвящена деформациям – относительному удлинению и сдвигу, диаграмме деформирования, на которой выделяются упругая, пластическая и запредельная стадии, а также ключевым упругим параметрам: модулю Юнга, модулю сдвига, модулю всестороннего сжатия и коэффициенту Пуассона. Показывается, что для изотропных пород достаточно двух независимых параметров, а остальные вычисляются через известные соотношения. Особое внимание уделяется различию между статическими и динамическими методами определения упругих характеристик.

      Значительная часть материала посвящена теориям прочности – от классических подходов Галилея и Кулона до наиболее применимой для горных пород теории Мора, в рамках которой вводится понятие паспорта прочности, сцепления и угла внутреннего трения. Объясняется, почему реальная прочность пород на порядки ниже теоретической, – главную роль здесь играют дефекты структуры (вакансии, дислокации, микротрещины), которые создают местные концентрации напряжений и инициируют лавинное разрушение по механизму Гриффитса–Ребиндера. В заключение рассматриваются реологические эффекты – ползучесть и релаксация, – которые приводят к снижению длительной прочности и должны учитываться при проектировании выработок, целиков и откосов с учётом фактора времени.


  • Список литературы и сокращений