Физика горных пород : физические явления и эффекты в практике горного производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2721 

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. Гончаров, П.Н. Пащенков, А.В. Плотникова. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 27 с. 
ISBN 978-5-87623-973-0 

В учебном пособии изложены способы и средства использования при добыче и переработке полезных ископаемых механических эффектов, молекулярных явлений, гидростатических и гидрогазодинамических явлений и эффектов, колебательных и волновых явлений и эффектов, электромагнитных 
явлений. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Горное 
дело» и «Физические процессы горного производства». 

УДК 622.25 

© Гончаров С.А., Пащенков П.Н., 
Плотникова А.В., 2016 
 
 
ISBN 978-5-87623-973-0 
© НИТУ «МИСиС», 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Общие сведения о физических явлениях и эффектах 
в горных технологиях...............................................................................4 
2. Механические эффекты .......................................................................6 
2.1. Силы инерции ................................................................................6 
2.2. Центробежные силы инерции.......................................................6 
2.3. Трение.............................................................................................7 
2.4. Деформации ...................................................................................8 
2.5. Силы гравитационного поля.........................................................9 
2.6. Горное давление ..........................................................................10 
2.7. Горный удар.................................................................................10 
2.8. Внезапный выброс.......................................................................11 
3. Молекулярные явления......................................................................12 
3.1. Тепловое расширение горных пород.........................................12 
3.2. Фазовые переходы в минералах и горных породах..................12 
3.3. Поверхностное натяжение воды ................................................13 
3.4. Капиллярность .............................................................................14 
3.5. Сорбция ........................................................................................15 
3.6. Диффузия......................................................................................15 
3.7. Тепломассообмен.........................................................................16 
4. Гидростатика и гидроаэродинамика.................................................17 
4.1. Течение жидкости и газа.............................................................17 
4.2. Скачок уплотнения......................................................................19 
4.3. Гидравлические удары................................................................19 
4.4. Внезапный прорыв вод и плывунов...........................................19 
5. Колебания и волны.............................................................................21 
5.1. Механические колебания............................................................21 
5.2. Акустика.......................................................................................21 
5.3. Волновое движение .....................................................................22 
6. Электромагнитные явления...............................................................23 
6.1. Электропроводимость.................................................................23 
6.2. Электромагнитное поле ..............................................................23 
6.3. Магнетики ....................................................................................24 
Литература ..............................................................................................26 
 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯХ 
И ЭФФЕКТАХ В ГОРНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ 

Объектом труда в горной промышленности являются массив горных пород и собственно горная порода. Массив горных пород и горная порода, их качественные и количественные характеристики 
(свойства и состояние) изменяются под действием различных физических 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 добычи и переработки полезных ископаемых основывалась на механическом воздействии на горную породу. В настоящее время область 
воздействий на горный массив и горную породу в горном производстве значительно расширился. Используются тепловые, электрические, волновые, гидравлические, оптические и химические воздействия, которые приводят к изменению свойств горного массива и горных пород не только на макро-, но и на микроуровне, что сопровождается физическими явлениями и эффектами, протекающими в горном массиве и собственно в горной породе. Примером является выщелачивание руды одновременно при гидравлическом и химическом 
воздействиях на рудное тело, находящееся в массиве горных пород. 
При этом имеют место два явления: гидрорасчленение массива горных 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 ископаемых, их экономическую эффективность и экологическую безопасность. 
Воздействие на массив горных пород и на горную породу какимлибо одним физическим полем может приводить к физическим явлениям и эффектам в породе, физическая природа которых соответствует не только данному физическому воздействию, но и другим физическим 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 

горную породу, содержащую минералы – ферромагнетики, в них 
возникает явление магнитострикции, которое приводит к механическим эффектам (напряжениям и деформациям) на границах этих минералов с соседними минералами данной породы. 
В настоящее время известен широкий круг физических явлений и 
эффектов, которые используются в практике добычи и переработки 
полезных ископаемых. 
 

2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ 

2.1. Силы инерции 

Эти силы возникают в случае приложения к массиву горных пород или к самой горной породе внешней силы с ускорением в процессе их разрушения. При этом увеличивается количество движения, 
а энергоёмкость процессов разрушения породы уменьшается. Вследствие 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 низкобризантных) ниже, чем взрывное разрушение пород низкобризантными взрывчатыми веществами. 

2.2. Центробежные силы инерции 

Эти силы возникают под действием центростремительной силы 
при вращении тела. Примером использования такой силы может служить измельчение руды во вращающихся мельницах. В таких мельницах измельчающими телами являются высокоабразивные стальные 
шары или стержни, находящиеся внутри цилиндрической пустотельной мельницы, расположенной с небольшим уклоном в сторону разгрузки продуктов измельчения руды. Загрузка исходной рудой такой 
наклонной мельницы происходит поточно в верхней её части. 
При вращении мельницы возникает центробежная сила F: 

 
m
F
r
=
υ , 

где m – масса вращающихся в мельнице тел (шаров, стержней, кусков руды); 
υ – линейная скорость вращения мельницы; 
r – внутренний радиус мельницы. 

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

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 действием сил гравитации из точек апогея на нижнюю внутреннюю поверхность 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 производстве при контакте связных горных пород с поверхностью добычного и транспортного оборудования. В этом случае между связной 
породой и поверхностью добычного или транспортного горного оборудования возникают силы адгезии, что приводит к налипанию связных пород к этим поверхностям, а в период отрицательных температур – к намерзанию. 
Силы адгезии связных пород к твёрдой поверхности складываются из двух составляющих: капиллярной и электростатической. Капиллярная составляющая обусловлена поверхностным натяжением 
физически связной водой, находящейся в связной породе, с твёрдой 
поверхностью добычного или транспортного оборудования. Электростатическая составляющая адгезии (прилипания) обусловлена различием по величине, а в большинстве случаев и по знаку, электростатического заряда между частицами связной породы и твёрдой поверхности добычного и транспортного горного оборудования. 
Капиллярная и электростатическая составляющие сил адгезии являются 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, расположенную с небольшим наклоном к горизонту. В верхнюю часть трубы 
загружаются концентрат, флюсовые добавки и адгезив (как правило, 
это доломитовая мука). При вращении трубы происходит пересыпание шихты с верхних участков в нижние. При этом происходит слипание частиц шихты между собой. Скорость вращения трубы выби

рают такой, чтобы частицы шихты не достигали апогея. Длину трубы 
и угол 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 окатышей – в нижней. Диаметр и скорость вращения тарелки выбирают 
такими, чтобы в месте разгрузки окатышей их диаметр соответствовал заданному размеру. 
Трение скольжения имеет место при измельчении руды в струйных 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 между собой или с измельчающими телами (шарами).  
Строительство подземных сооружений (микротоннелей) в рыхлых 
и связных 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 породах происходят при их разрушении. При деформации изменяется 
пространственное положение отдельных точек горного массива (горных пород) относительно друг друга. Причинами деформации горных 
пород и массивов могут быть различные силы: механические, гравитационные, электрические, магнитные, температурные, а также фазовые переходы в отдельных минералах, слагающих горную породу. 
Деформации в горных породах и массивах возникают в технологических процессах добычи и переработки полезных ископаемых.  
В массиве горных пород при отсутствии вмешательства человека 
или природы имеет место статическое равновесие и какие-либо деформации отсутствуют. При технологических процессах добычи и 
переработки полезных ископаемых возникают деформации сжатия, 
сдвига и растяжения. Они подразделяются на упругие деформации, которые исчезают в породе после снятия нагрузки, и пластические, которые остаются в породе после снятия нагрузки. В зависимости от этого 

горные породы делятся на упругие (весьма прочные кристаллические 
породы магматического происхождения), упруго-пластические (слабопрочные породы магматического происхождения и осадочные породы), пластические (связные породы). 
В случае приложения внешней нагрузки в горной породе (массиве) возникают структурные и текстурные деформации. Структурные 
деформации возникают на границах минералов, слагающих горную 
породу, текстурные – на границах слоёв пород. И структурные и текстурные деформации в горных породах возникают в результате формирования дислокаций на границах минералов или слоёв горных пород при внешних или внутренних нагрузках. 

2.5. Силы гравитационного поля 

Гравитационное поле – это силовое поле, обусловленное притяжением Земли за вычетом центробежной силы, которая возникает 
вследствие суточного вращения Земли; силы гравитации незначительно зависят также от притяжения Луны и Солнца. Гравитационное поле Земли характеризуется потенциалом силы тяжести; размерность 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 разработки с магазинированием руды, а также с этажным или подэтажным её обрушением. 
Гравитационное обогащение – это разделение минералов в зависимости от их плотности и крупности в поле силы тяжести или центробежных 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 электромагнитных (при магнитогидростатической и магнитогидродинамической сепарации). 
Выпуск руды – это извлечение обрушенного полезного ископаемого из очистного пространства через рудоспуски или дучки под 
действием силы тяжести. Через рудоспуски полезное ископаемое 
выпускают в откаточные сосуды (вагонетки), через дучки – на горизонт выпуска руды (скреперования, вторичного дробления). 
Выпуск руды из отрабатываемых подземным способом блоков 
(при системах разработки с магазинированием руды или с обруше

нием вмещающих пород) происходит из объёмов взорванной или 
обрушенной руды в виде эллипсоида вращения, располагающегося 
над выпускным отверстием, при этом большая ось эллипсоида ориентирована вдоль оси выпускного отверстия. 
Расстояние между выпускными отверстиями выбирают таким, 
чтобы обеспечить максимально возможное извлечение руды из отрабатываемого блока при минимально возможном её разубоживании. 
Это расстояние зависит от крупности отбитой (или обрушенной) руды 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 деформаций и напряжений в стенках выработок и скважин, а также в 
целиках при подземной разработке полезных ископаемых. Эти напряжения и деформации при креплении подземных горных выработок возникают на поверхности контакта «порода – крепь» в результате 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, формированию нагрузки на крепь, динамическим явлениям: горным ударам, внезапным выбросам. Поэтому при проведении горных выработок предварительно рассчитывают горное давление с целью определения прочности несущих конструкций подземных сооружений (стенок выработок, целиков и крепей) и выбора способа управления горным давлением. 

2.7. Горный удар 

Горный удар – это явление внезапного быстропротекающего разрушения предельно напряжённой части массива полезного ископаемого (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 тектонических напряжений, превышающих гравитационные напряжения, иногда в несколько раз. 

В горных ударах участвуют потенциальная энергия упругого сжатия пласта полезного ископаемого в очаге разрушения и энергия упругих деформаций окружающих пород. Динамический характер потери устойчивости при горных ударах обусловлен превышением притока энергии над её поглощением при разрушении. По силе проявления горных ударов выделяют стреляния, толчки, микроудары и собственно горные удары. Последние проявляются в краевых частях 
подготовительных и очистных выработок, в целиках. 

2.8. Внезапный выброс 

Внезапный выброс – это явление самопроизвольного выброса газа, 
твёрдого полезного ископаемого (угля, соли) или вмещающей породы в 
подземную горную выработку из забоя или призабойной зоны массива; 
продолжительность внезапного выброса – до нескольких секунд. 
С увеличением глубины разработки полезного ископаемого возрастают частота и сила внезапных выбросов, которые происходят, 
как правило, через несколько минут после прекращения работ в забое горной выработки. В процессе внезапного выброса в пласте полезного ископаемого или в массиве горных пород образуется полость 
обычно грушевидной или кавернообразной формы объёмом до нескольких тысяч кубических метров. 
Между полостью выброса в угольном пласте и плоскостью забоя 
иногда остаётся целик толщиной 2…4 м. Горная выработка при внезапных выбросах заполняется раздробленной массой полезного ископаемого, породой и природным газом. 
Внезапные выбросы угля и газа происходят в основном на глубинах 
свыше 250 м в пластах мощностью от 0,5 до 2,5 м, при этом чем больше 
мощность угольного пласта, тем выше интенсивность выброса.