Основы научных исследований в горном деле

Москва
ИНФРА-М
2022

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ 
ИССЛЕДОВАНИЙ 
В ГОРНОМ ДЕЛЕ

В.И. Голик

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено Учебно-методическим объединением 
вузов Российской Федерации по образованию в области
горного дела в качестве учебного пособия для студентов
вузов, обучающихся по направлению подготовки
21.05.04 «Горное дело»

Голик В.И.
Основы научных исследований в горном деле : учебное пособие / 
В.И. Голик. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 119 с. — (Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/681.

ISBN 978-5-16-006747-6

Изложены  аспекты  добычи полезных ископаемых в рамках учебных 
программ для студентов горных и геологических специальностей.
Рассматриваются, детализируются и оцениваются  вопросы изучения 
массива, параметров разработки месторождений и технологических качеств 
руд струнными тензометрами, реперами, звукометрией и другими методами 
в ходе натурных и комплексных исследований, а также исследований на моделях.
Для студентов и преподавателей вузов, горных инженеров и широкого 
круга читателей.

УДК 622.274(075.8)
ББК  33.21я73

Г60

УДК 622.274(075.8)
ББК 33.21я73
Г60

ISBN 978-5-16-006747-6 
© Голик В.И., 2014

Р е ц е н з е н т ы: 
В.Б. Заалишвили, д-р физ.-мат. наук, проф., директор ГФЦ РАН;
В.И. Комащенко, д-р техн. наук, проф., советник ректора БГУ

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВедение

Научные исследования, направленные на решение проблем ком
плексного освоения и сохранения недр, используют методологию 
максимального учета междисциплинарного взаимодействия комплекса горных наук.

Междисциплинарное взаимодействие обусловлено действием 

в рамках горного производства требований определенных ограничений и распространяется на привлекаемые к решению горных проблем 
другие науки. Особенность горного производства состоит в том, что 
оно не может обойтись без прямого взаимодействия геологической 
среды и человека.

Комплексность горного дела обусловливает необходимость взаи
мосвязи, иерархической организации и целенаправленности развития геологической среды и человеческой деятельности, а также взаимосвязи результатов освоения недр с природой и обществом.

Научные исследования позволяют систематизировать и объяснить 

совокупность природных и искусственно созданных объектов, используемых для освоения недр. Система научных исследований включает в себя представления о производственных, природных, социально-экономических и других объектов освоения недр. Их изучение 
и интерпретация осуществляется систематизацией, анализом, обобщением и оценкой характеристик объектов и явлений, а также значения их изменений в рамках системы.

Научные исследования осуществляют при изучении закономер
ностей развития и оценке параметров геосистем в связи с проблемами освоения недр.

Генеральной линией становится устойчивое развитие, основанное 

на сохранении среды обитания. Существующая стратегия преобразования природы привела к изменению глобальных биогенных факторов, в результате чего темпы антропогенного изменения природного круговорота намного превышают темпы восстановления среды 
обитания.

Важнейшим фактором развития государства является рациональ
ное использование минерально-сырьевого комплекса. Земные недра 
все чаще рассматриваются как комплексный природный ресурс жизнеобеспечения общества, используемый целенаправленно.

 Решение задач, комплектующих проблему природоохранного 

пользования минеральными ресурсами, невозможно без комплексных 
исследований аспектов горного дела. Требуют детализации и повышения уровня надежности вопросы исследования массива, параметров разработки месторождений и технологических качеств руд, оцен

ки состояния массивов струнными тензометрами, реперами, звукометрией и другими методами, совершенствование методики натурных 
и комплексных исследований, а также исследований на моделях.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность профессорам В.И. Комащенко, О.Н. Полухину и Ю.И. Разоренову за 
участие в подготовке книги к изданию.

Глава 1. 
иССЛедОВАние УСЛОВиЙ РАЗРАБОТКи 
МеСТОРОЖдениЙ

1.1. 
ГОРные пОРОды и МАССиВы

Объектом деятельности при разработке полезных ископаемых 

подземным способом являются горные породы, которые характеризуются упругими, прочностными, радиационными и другими физическими свойствами.

Породы могут быть скальными, полускальными, разрушенными, 

сыпучими, плотными и мягкими. Свойства пород: абразивность, 
твердость, крепость, буримость и взрываемость.

Совокупность физических и горнотехнологических свойств пород 

называют физико-техническими свойствами.

Механические свойства пород обусловлены в первую очередь си
лами связей между частицами пород, а электрические — ориентировкой частиц и проводящих каналов.

Совокупность свойств пород, а также естественной напряженно
сти рудовмещающих массивов называют природными условиями 
разработки месторождений. В не тронутом горными работами массиве свойства пород являются постоянными.

Прочность (крепость) пород, т.е. свойство не разрушаться под 

воздействием нагрузок, определяется отношением разрушающего 
усилия к площади приложения нагрузки:

р
сж

сж
р
;
,
Р
Р
F
F
σ
=
σ =

где 
сж
σ
 и 
р
σ  — соответственно, пределы прочности на сжатие и рас
тяжение; Рсж и  Рр — соответственно, сжимающие и растягивающие силы; F — площадь образца породы.

Предел прочности при одноосном сжатии предложен профессором 

М.М. Протодьяконовым в качестве критерия механической прочности пород. За единицу прочности принята 1/100 предельной прочности породы.

Для большинства пород предел прочности на сжатие не превы
шает 20 МПа, на растяжение — в 10–50 раз меньше.

Предел прочности на срез (сдвиг) — это отношение срезывающей 

(сдвигающей) силы к площади среза (сдвига):

ср
сдв

ср
р
;
Р
Р

F
F
τ
=
σ =
,

где Рср и Рсдв — соответственно, срезывающие и сдвигающие силы; 

F — площадь образца породы.

Различают теоретическую, статическую, динамическую, остаточ
ную, электрическую прочности пород. Для реальных скальных массивов важна остаточная прочность или остаток несущей способности 
разрушенных пород, равный соответствующим минимальным напряжениям, при данных деформациях, которые породы выдерживают без дальнейшего разрушения. Прочность пород характеризуется 
паспортом, который описывает зависимости между касательными 
и нормальными напряжениями (рис.1.1). 

Рис. 1.1. Паспорт прочности горных пород а) диорита; б) мраморизированного известняка; 

σ1, y, — соответственно, нормальные и тангенциальные напряжения; σсж.ср и σр.ср — 
средние пределы прочности на сжатие и растяжение; С ср — сцепление; jср — угол 

внутреннего трения; τ1 — касательные напряжения

Упругость пород — свойство восстанавливать исходную форму 

и линейные размеры после снятия нагрузки. Предел упругости по

роды — минимальные напряжения, при которых кончаются упругие 
и начинаются пластические деформации.

Модуль упругости, или коэффициент пропорциональности меж
ду действующим нормальным напряжением σ и соответствующей 
ему относительной продольной упругой деформацией e, называют 
модулем Юнга (Е):

E
σ =
⋅e .

Для твердых пород модуль продольной упругости изменяется 

в пределах 5 · 109–1,5 · 1011 Па.

Отношение между продольными ex и поперечными ey деформа
циями называют коэффициентом поперечной деформации или коэффициентом Пуассона:

х

у

e
µ = e .

Для твердых пород коэффициент Пуассона изменяется в пределах 

0,10–0,40. В случае трехосного сжатия пород связь между прилагаемой силой Pσ и относительным изменением объема выражается модулем объемного сжатия (
'σ ):

'
K
V

V
⋅D
σ =
,

где K — величина сжатия; DV — сокращение объема; V — первона
чальный объем образца.

Отношение касательного напряжения τ, приложенного к образцу 

породы и деформации сдвига g, характеризуется модулем сдвига G:

G
τ
= g

.

Модуль продольной упругости и модуль сдвига считаются основ
ными характеристиками упругости пород.

Пластические свойства пород проявляются в увеличении скорости 

роста деформаций с повышением нагрузки. В твердых горных породах пластичность объясняется сдвигом зерен под действием напряжений без нарушения сплошности вещества, что способствует проявлению остаточной несущей способности разрушенных пород. 
В результате происходят взаимное перемещение, смятие по контактам, обжатие, самозаклинивание и иные физические процессы, объединяемые понятием «квазипластичность», поскольку эти явления 
не совпадают с понятием истинной пластичности.

Реологические свойства характеризуют изменение поведения по
род при длительном воздействии нагрузок, превышающих предел 
упругости, но меньших разрушающих.

Ползучестью называют медленное увеличение пластических де
формаций при постоянном воздействии во времени за счет скольжения и перемещения зерен пород.

 Релаксация — явление, обратное ползучести, уменьшение напря
жений при постоянной деформации. Таким образом, ползучесть 
и релаксация — проявления одного и того же процесса. Если порода 
не потеряла способности к деформированию, имеет место ползучесть, 
в противном случае — релаксация. При релаксации упругие деформации переходят в пластические.

Состав массива определяется помимо свойств пород степенью их 

однородности и изотропности.

Свойства пород обусловлены межминеральными связями, мине
ралогическим составом, структурой, текстурой и микротрещиноватостью и зависят от гиперегенных и гидротермальных изменений.

 Структура пород, или строение породы в образце, характеризу
ется минеральным скелетом породы, их пустотностью и межзерновыми связями.

Характер и степень структурной неоднородности пород в масси
ве, относительное расположение и распределение определяются текстурой пород. Если минералогический состав и структура пород 
определяют механические свойства, то текстура обусловливает степень 
изотропности или анизотропности породы.

Текстура пород участвует в формировании свойств массива пород, 

поскольку текстурные единицы — слои, линзы, флюиды, шаровые 
и брекчиевидные образования, сланцеватость, полосчатость, гнейсовидность и др. — существенно превышают размеры образца. Интрузивные и грубослоистые осадочные породы характеризуются 
большей изотропностью механических свойств. Слоистые осадочные 
породы, сланцеватые метаморфические и флюидальные вулканические породы анизотропны, причем прочность вкрест текстур пород 
превышает прочность вдоль текстур. Текстура оценивается натурными измерениями микротрещин в массиве.

Строение массива определяется его расположением в земной коре, 

возрастом, тектоникой, этажностью и ярусов массивов. Согласно 
классификации П.Н. Панюкова выделяют типы месторождений по 
положению в структурах земной коры, подтипы — по возрасту, группы и подгруппы — по положению в структурах или этажах, классы — 
по формационной принадлежности пород, подклассы — по типу 
геологических ярусов и семейства — по генезису месторождений.

По типу тектонической структуры подразделяются на ненарушен
ные, слабонарушенные, с развитой разломной тектоникой или без 
нее.

Структурные элементы массива — петрогенетические, петротек
тонические и экзогенные — по отношению к размерам массива раз

деляются на значительно более крупные, соизмеримые и значительно более мелкие.

Разрывные структурные элементы определяются принадлежнос
тью к указанным разновидностям. Выделяются классы структур — 
разломы и трещины, подклассы — крупные, средние и мелкие разломы, крупные и мелкие макро- и микротрещины.

Количественные размеры структур изменяются в определенных 

пределах: разломы имеют зоны мощностью от 0,3 м до десятков метров и протяженность от сотен метров до первых десятков километров, 
крупные макротрещины — ширину от 0,5 до первых сантиметров 
и протяженность от 0,5 до первых десятков метров, мелкие макротрещины — ширину, равную миллиметрам, и длину — равную первым 
метрам, микротрещины — ширину менее 0,15 мм и протяженность — 
первые сантиметры.

Разрывные нарушения образуют в массиве блоки — тектонические, 

структурные, элементарные и микроблоки. Взаимодействие блоков 
определяет анизотропию массива.

Свойства массива отличаются от свойств пород, его слагающих, 

по причинам:

 
• нетождественности условий испытаний в лаборатории и в массиве;

 
• физической неоднородности массива вследствие изменчивости 

свойств пород;

 
• структурной неоднородности массива.

При переходе от свойств пород к свойствам массива учитывается 

масштабный фактор, или изменение свойств в зависимости от размеров и формы исследуемых объемов пород. С увеличением размеров 
образцов прочность пород снижается за счет изменения соотношения 
размеров и частоты трещин в образце и массиве. Это снижение достигает предельного для данной породы значения, которое характерно для элементарного тела в массиве (структурный блок).

Для определения свойств массива надо знать [53]:

 
• физико-механические свойства пород в образце;

 
• структурную блочность массива;

 
• физико-механические свойства пород, сжимающих структурный 

блок.
Показателями структурной блочности являются форма и размеры 

блоков и характеристика механической прочности по их граням.

Крупные макротрещины в массивах месторождений образуют 

системы трещин с углами встречи до 90°, из которых две системы 
крутопадающих трещин и одна — пологопадающих, или горизонтальных.

Структурные блоки в массиве имеют вид параллелепипедов, кубов, 

призм и плит. При углах встречи наклонных и крутопадающих крупных макротрещин, значительно меньших 90°, структурные блоки 

имеют форму ромбов. Средние расстояния между крупными макротрещинами вертикально- и крутопадающих систем образуют горизонтальные размеры структурных блоков, а средние расстояния между горизонтально-пологопадающими крупными макротрещинами — 
вертикальные размеры структурных блоков.

По размерам структурных блоков различают следующие типы 

массивов [2]:

 
• с очень мелкой блочностью — 0,1–1,0 м;

 
• с мелкой блочностью — 1,0–2,0 м;

 
• со средней блочностью — 2,0–4,0 м;

 
• с крупной блочностью — 4,0–8,0 м;

 
• с очень крупной блочностью — 8,0 м.

Характеристикой механической прочности граней структурных 

блоков являются сцепление σпр и угол трения jк

тр (или коэффициент 

трения tgjк

тр).

Угол трения по поверхности ровных гладких трещин на 10° мень
ше угла внутреннего трения монолитных пород, по трещинам с зеркалами скольжения — снижается на 20–25°. Сцепление определяют 
в натурных условиях путем среза породных призм по крупным макротрещинам, искусственно оконтуриваемым в массиве и нагружаемым 
гидравлическими домкратами.

Внутри структурных блоков породы находятся в условиях есте
ственного напряженного состояния, характеризуются определенной 
текстурой и ослаблены мелкими макротрещинами. Текстуры пород 
разделяют на две группы: с упорядоченным и неупорядоченным расположением материала породы. Первая характерна для большинства 
осадочных, метаморфических и некоторых магматических пород. Эти 
текстуры вызывают анизотропность физических и механических 
свойств, снижают прочность пород в массиве по сравнению с прочностью образца, ослабляют устойчивость пород к выветриванию, При 
неупорядоченном расположении материала свойства пород, как правило, сходны во всех направлениях. Такие породы отличаются высокой механической прочностью.

Упорядоченное расположение материала характерно для магма
тических пород с флюидальной, сланцевой или ленточной текстурами, метаморфических пород со сланцевой плойчатой гнейсовидной 
и очковой текстурами и осадочных пород.

По структуре породы разделяются следующим образом:

 
• тонкослоистые — менее 0,05 м;

 
• среднеслоистые — 0,1–0,5 м;

 
• грубослоистые — 0,5–2,0 м;

 
• толстослоистые  — 2,0–5,0 м;

 
• массивные — более 5,0 м.

Наличие упорядоченных макроструктур определяется натурными 

измерениями свойств массива. Характеристикой мелких макротре