ТЕМА 1. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД. БАЗОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Первые обобщающие труды по теоретическим и экспериментальным исследованиям горных пород, на основании которых сформировалось основное содержание физики горных пород, появились только во второй половине двадцатого столетия.

Большой вклад в развитие и становление физики горных пород как самостоятельной науки внесли В.В. Ржевский, Н.В. Мельников, В.Н. Кобранова, А.И. Заборовский, В.Н. Дахнов, В.М. Добрынин, Э.И. Пархоменко, М.П. Воларович, М.М. Протодьяконов, П.М. Цымбаревич, Ю.А. Векслер, П.А. Ребиндер, А.С. Семенов, А.Г. Иванов, Б.Н. Кутузов, А.А. Воробьев, Г.Я. Новик, Ф. Берч, Ф. Гассман, Н. Кристенсен и многие другие учёные.

Научные и практические задачи физики горных пород, сформулированные во второй половине прошлого века академиком В.В. Ржевским, являются актуальными и на современном этапе развития горного производства. Без определения значений физико-технических параметров пород, закономерностей изменения их свойств в условиях внешних воздействий принципиально невозможна разработка новых эффективных методов разрушения пород и управления этими методами, новых технологий производства горных работ, создания систем контроля состава, состояния и особенностей поведения пород в процессе ведения горных работ.

Рисунок 1 - Объекты и направления исследований физики горных пород

Среди горных наук физика горных пород занимает особое место, являясь не только самостоятельной, но, пожалуй, и единственной фундаментальной наукой, обогатившей мировые знания целым рядом научных открытий.

Базовыми дисциплинами являются общая геология, минералогия, кристаллография, петрография, физика, математика, химия и сопротивление материалов.

Рисунок 2 - Взаимосвязь физики горных пород с геологическими науками

В программе подготовки специалиста горного профиля одной из основных учебных дисциплин является физика горных пород, изучающая физические свойства пород, закономерности изменения установленных свойств, протекающие физические процессы и происходящие при этом физические явления.

Комплекс полученных знаний используют при разработке новых методов воздействия на породы, конструировании машин и разработке новых технологий производства горных работ и т.д.

Физика горных пород не только даёт знания о тех или иных физических особенностях пород, но и предлагает наиболее эффективные пути решения технологических задач, поставленных горным производством.

Механика горных пород – часть физики горных пород, изучающая прочность, устойчивость и деформируемость дискретных объёмов горных пород, массивов горных пород и горнотехнологических объектов в поле природных и вызванных влиянием горных работ сил горного давления.

Интересно отметить, что исторически, как и общая физика, физика горных пород развивалась с формированием и развитием механики в XIX веке и оформилась в самостоятельную науку в 60-е годы XX века после развития основных положений механики горных пород.

1.1. Объект и метод исследования физики горных пород

Объектом исследования физики горных пород является горная порода вообще и горный массив в частности, а именно физико-технологические свойства массива и процессы, возникающие в нем, до воздействия на него горными работами, и процессы изменения этих свойств после возникновения в нем закреплённых и незакреплённых горных выработок.

Горная порода и процессы, происходящие в массиве горных пород на различных стадиях разработки месторождения, представляют собой очень сложную среду, свойства которой зависят от состава и строения горных пород, наличия в них дефектов, жидкостей и газов, возникновения и перераспределения аномалий напряжённо-деформированного состояния массива пород, методов проведения и крепления горных выработок и т.п.

Учитывая вышеизложенное, метод исследования в физике горных пород обычно комплексный и включает в себя: изучение свойств образцов горных пород в лабораторных условиях, натурные наблюдения, моделирование (физическое и математическое) механических процессов в лабораторных условиях и аналитические методы описания физических процессов на основе общих закономерностей теории упругости, пластичности и предельного равновесия.

Успешное решение технологических задач и вопросов повышения производительности труда в горном производстве невозможно представить без знания физико-химических процессов, протекающих в горных породах, явлений и закономерностей, характеризующих изменение свойств пород в результате воздействия на них различными физическими полями.

Наиболее ярким примером связи физики горных пород с проблемами горного дела является тесный союз этой науки с главными технологическими элементами процессов проведения выработок и выемки полезных ископаемых: разрушением, дроблением, поддержанием выработок, транспортированием горной массы, обогащением полезных ископаемых.

Однако не стоит считать, что связь физики горных пород ограничивается только кругом технологических проблем, возникающих при добыче полезных ископаемых. Параллельно решаются вопросы охраны окружающей среды, безопасности труда и многие другие практические и научные задачи, представляющие в целом интерес для цикла геологических дисциплин и физических наук.

1.2. Горные породы

Горные породы – природные образования, слагающие разнообразные геологические тела, из которых построена земная кора. Они представляют собой закономерные сочетания или механические смеси различных по составу кристаллических минеральных зёрен, наряду с которыми могут присутствовать аморфное вещество и органические остатки; к горным породам относятся встречающиеся в земной коре смеси жидких минеральных веществ (неорганических и органических). Термин «горные породы» впервые был введён в обиход российским академиком В.М. Севергиным в XIX веке.

Минерал – природное, как правило, твёрдое тело, относительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, возникшее как продукт физико-химических процессов, протекающих на поверхности и в глубинах Земли. По происхождению горные породы делят на три группы:

· магматические – образованные из застывшей в недрах или на поверхности Земли магмы;

· осадочные – образованные в результате накопления и преобразования продуктов разрушения ранее возникших горных пород на поверхности Земли при обычных температурах и нормальном давлении;

· метаморфические – образовавшиеся за счёт изменения осадочных и магматических пород в результате действия высоких давлений, температур, естественного электрического поля, газообразных веществ, выделяющихся из магмы, и т.д.

Все горные породы характеризуются определёнными особенностями строения и физическими свойствами, которые отражают условия их образования и изменения. Это плотностные, упругие, прочностные, тепловые, электрические и магнитные свойства.

1.3. Классификация физико-технических свойств пород

Физическое свойство горной породы – это ответная реакция на воздействие тех или иных физических полей или веществ.

Каждое свойство может быть количественно оценено одним или несколькими параметрами. Совокупность всех параметров называется физико-техническими характеристиками.

Параметр физического свойства горной породы – размерное или безразмерное скалярное или векторное число; количественная мера свойства. В настоящее время известно и используется более 100 параметров горных пород, из которых 12 отнесены к базовым или обязательным к определению (табл. 1.1).

Таблица 1.1 – Базовые параметры горных пород

№	Класс	Группа	Наименование	Обозна- чение	Единица СИ
1	Плотностные	-	объёмная масса	ρ	кг/м^3
2			пористость	Р	%
3	Механические	Прочностные	предел прочности на одноосное сжатие	σсж	Па
4			предел прочности на одноосное растяжение	σр	Па
5		Деформационные	модуль упругости	Е	Па
6			коэффициент Пуассона	ν	ед.
7	Тепловые		коэффициент теплопроводности	λ	Вт/м∙К
8			удельная теплоёмкость	С	Дж/кг∙ ^ос
9			коэффициент линейного теплового расширения	α	1/^оК
10	Электромагнитные	Электрические свойства	удельное электрическое сопротивление	ρэ	Ом∙м
11			относительная диэлектрическая проницаемость	εп	ед.
12		Магнитные свойства	относительная магнитная проницаемость	μ	ед.

Контрольные вопросы

1. Какова роль ФГП в подготовке горного инженера?

2. Что является объектом исследования ГП?

3. Перечислите методы исследования, применяемые в ФГП.

4. Какие вещества называют горной породой. В чем заключается отличие горной породы от минерала?

5. На какие группы делятся горные породы по происхождению?

6. Что характеризует физическое свойство горной породы?

7. Что такое параметр физического свойства горной породы?

8. Какие свойства горных пород относятся к базовым?

Рекомендуемая литература

1) Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород: учебник для студентов горных специальностей вузов. – 5-е изд. – М.: ЛИБРОКОМ, 2010. – 360 с. – (Классика инженерной мысли: горное дело).

2) Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород: учебник для вузов. – 6-е изд. – М.: URSS, 2012. – 360 с.

3) Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика (физика горных пород): учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Нефть и газ; РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. – 368 с.

4) Ерофеев Л.Я., Вахромеев Г.С., Зинченко В.С., Номоконова Г.Г. Физика горных пород: учебник для вузов / под ред. Л.Я. Ерофеева. – Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2006. – 520 с.

5) Кобранова В.Н. Физические свойства горных пород (Петрофизика): учебное пособие для нефтяных, геологоразведочных и горных вузов / под ред. В.Н. Дахнова. – М.: Гостоптехиздат, 1962. – 490 с.

6) Масаев Ю.А., Будников П.М., Масаев В.Ю. Физика горных пород: (геотехнические свойства горных пород): учебное пособие. – Кемерово: Кузбасский государственный технический университет, 2022.

7) Вахромеев Г.С., Ерофеев Л.Я., Канайкина В.С., Номоконова Г.Г. Петрофизика: учебник для вузов. – Томск: Издательство Томского университета, 1997. – 462 с.

8) Зеливянская О.Е. Физика горных пород: учебное пособие (курс лекций) для студентов специальности 21.05.03 «Технология геологической разведки». – Ставрополь: СКФУ, 2014. – 156 с.

9) Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П. Основы горного дела: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки «Горное дело». – М.: Академический проект, 2010. – 232 с.

10) Попов А.Н. Разрушение горных пород: учебное пособие. – М.; Вологда: Инфра-Инженерия, 2021. – 184 с.

11) Городниченко В.И., Дмитриев А.П. Основы горного дела: учебник. – 3-е изд., доп. и перераб. – М.: Горная книга, 2020. – 488 с.

12) Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика): справочник геофизика / под ред. Н.Б. Дортман. – М.: Недра, 1976.

13) Справочник физических констант горных пород / под ред. С. Кларка. – пер. с англ. – М.: Мир, 1969.