Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании

 
 
 
 
 
 
 
 
О. Г. Латышев, О. О. Казак  
 
 
 
ФИЗИКА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД  
ПРИ БУРЕНИИ И ВЗРЫВАНИИ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов  
Российской Федерации по образованию в области горного дела 
 в качестве учебника для студентов вузов,  
обучающихся по направлению подготовки «Горное дело»  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия»  
2024 

УДК 622.02 
ББК 33.13 
Л27 
 
 
 
Рецензенты: 
зав. кафедрой «Подземная разработка МПИ» Магнитогорского государственного  
технического университета, проф., д-р техн. наук Калмыков В. Н.; 
зав. лабораторией разрушения горных пород Института горного дела  
Уральского отделения РАН, канд. техн. наук Шеменев В. Г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Латышев, О. Г. 
Л27   
Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании : учебник / О. Г. Латышев, О. О. Казак. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 240 с. : ил., табл. 
ISBN 987-5-9729-2109-6 
 
Содержит анализ теорий прочности твердых тел и их применимости к процессам 
разрушения горных пород и породных массивов. На основе рассмотрения физических 
основ бурения шпуров и скважин различными способами и инструментами дается 
анализ и методы проектирования оптимальных параметров техники и технологии 
процессов бурения. Обсуждаются физические закономерности разрушения горных 
пород взрывом, методы прогнозирования и управления качеством дробления пород 
взрывом. 
Для студентов, обучающихся по специальности «Взрывное дело» направления 
подготовки «Горное дело», а также может быть полезным при организации научных 
исследований студентов, подготовке магистров и аспирантов, специализирующихся в 
области разрушения горных пород.  
 
УДК 622.02 
ББК 33.13 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2109-6 
 
” Латышев О. Г., Казак О. О., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
  
ВВЕДЕНИЕ  ................................................................................................................. 5 
1. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ КАК ОБЪЕКТ РАЗРАБОТКИ  ........................................... 6 
1.1. Строение горных пород и массивов  .................................................................. 6 
1.2. Классификации горных пород по буримости и взрываемости ....................... 9 
1.3. Кристаллическое строение и теоретическая прочность горных пород  
....... 13 
1.4. Дефекты кристаллической структуры  ............................................................ 16 
1.5. Напряженно-деформированное состояние горных пород  ............................ 19 
1.6. Упругое деформирование горных пород. Закон Гука  ................................... 22 
2. ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД  ...................................................... 25 
2.1. Технические критерии прочности  ................................................................... 25 
2.2. Теория прочности Мора  ................................................................................... 26 
2.3. Паспорт прочности горных пород  
................................................................... 28 
2.4. Теория хрупкого разрушения (теория трещин Гриффитса)  ......................... 30 
2.5. Коэффициенты интенсивности напряжений  .................................................. 34 
2.6. Паспорт прочности трещины ............................................................................ 35 
2.7. Динамика роста трещин  
.................................................................................... 39 
2.8. Пластическое деформирование горных пород 
................................................ 42 
2.9. Кинетическая теория прочности  
...................................................................... 46 
3. ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД  
........................................ 52 
3.1. Диаграмма состояния горных пород (Давиденкова – Фридмана)  ............... 52 
3.2. Критерии разрушения горных пород  .............................................................. 53 
3.3. Статическая и динамическая прочность горных пород  ................................ 56 
3.4. Статистическая природа прочности и масштабный эффект  
в горных породах  
...................................................................................................... 58 
3.5. Прочность массива горных пород  ................................................................... 61 
3.6. Управление прочностью горных пород  .......................................................... 66 
4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД  ............................... 72 
4.1. Классификация способов бурения 
.................................................................... 72 
4.2. Кинематика ударного бурения (теория Н. С. Успенского)  
........................... 73 
4.3. Напряженное состояние горных пород под буровым инструментом  
.......... 78 
4.4. Циклический характер разрушения горных пород при бурении  
(теория И. А. Остроушко)  
........................................................................................ 80 
4.5. Механизм скола и выкола (теория Ю. И. Протасова)  ................................... 83 
4.6. Динамика процесса ударного бурения  
............................................................ 88 
4.7. Износ и затупление бурового инструмента  
.................................................... 92 
4.8. Образование пыли при бурении горных пород  
.............................................. 96 
4.9. Удаление шлама из шпуров и скважин 
............................................................ 98 
4.10. Силовые характеристики резания горных пород  
....................................... 100 
4.11. Механизм вращательного бурения горных пород  ..................................... 103 
4.12. Вращательно-ударное бурение горных пород ............................................ 106 
4.13. Разрушение горных пород шарошками ....................................................... 108 
4.14. Термическое бурение горных пород ............................................................ 112 
3 

4.15. Специальные способы бурения  ................................................................... 119 
5. АНАЛИЗ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БУРЕНИЯ  
ГОРНЫХ ПОРОД  
................................................................................................... 124 
5.1. Технические средства бурения горных пород .............................................. 124 
5.2. Анализ характеристик процессов бурения горных пород  .......................... 128 
5.3. Управление свойствами горных пород в процессах бурения шпуров 
и скважин 
.................................................................................................................. 139 
5.4. Проектирование процессов бурения горных пород  .................................... 143 
6. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД  
ВЗРЫВОМ  
............................................................................................................... 154 
6.1. Общий механизм разрушения горных пород взрывом  ............................... 154 
6.2. Основные концепции и гипотезы дробящего действия взрыва .................. 158 
6.3. Образование ударной волны ........................................................................... 160 
6.4. Теория детонации взрывчатых веществ ........................................................ 164 
6.5. Разрушение горных пород взрывом сосредоточенного заряда ВВ 
............. 167 
6.6. Разрушение горных пород взрывом удлиненного заряда ВВ 
...................... 169 
6.7. Совместное действие нескольких зарядов ВВ .............................................. 172 
6.8. Разрушение горных пород при последовательном взрывании  
зарядов ВВ 
................................................................................................................ 174 
6.9. Кумулятивное действие взрыва ...................................................................... 177 
7. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ  
ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ  ..................................................... 180 
7.1. Дробление горных пород с позиций теории максимальных 
 напряжений ............................................................................................................. 180 
7.2. Энергетическая концепция дробления  
.......................................................... 182 
7.3. Особенности дробления неоднородных массивов пород  ........................... 185 
7.4. Анализ качества дробления горных пород  ................................................... 188 
7.5. Энергоемкость дробления горных пород  ..................................................... 196 
7.6. Управление качеством дробления горных пород взрывом.......................... 198 
7.7. Критерии эффективности дробления горных пород .................................... 208 
7.8. Проектирование параметров БВР на основе статистики активируемых 
взрывом нарушений в горной породе ................................................................... 212 
7.9. Моделирование действия взрыва и удара 
...................................................... 220 
7.10. Проектирование параметров БВР с учетом требуемой степени  
дробления горных пород ........................................................................................ 229 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 233 
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 
.................................................................... 234 
ПРИЛОЖЕНИЯ ....................................................................................................... 235 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Разрушение горных пород взрывом (буровзрывные работы) является основным элементом технологии разработки месторождений полезных ископаемых подземным и открытым способами, строительства шахт и подземных сооружений. Рассмотрению физических основ разрушения горных пород и посвящена данная работа. Структурно в ней можно выделить три блока. В первом 
обсуждаются критерии и теории прочности твердых тел, особенности горных 
пород как объекта разработки и закономерности механического разрушения 
породных массивов. Второй блок посвящен рассмотрению физических основ 
различных способов бурения горных пород и проектированию оптимальных 
параметров технологии данного процесса. Третий блок содержит вопросы физики разрушения породного массива взрывом различных зарядов ВВ, прогнозирования и управления качеством дробления горных пород. 
В соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (ФГОС 3-го поколения) в результате изучения данной дисциплины студент должен:  
Знать: 
= физико-механические, физико-технические свойства и классификации 
горных пород; 
= основные технологические параметры эффективного и безопасного 
производства взрывных работ на горных предприятиях в различных горногеологических условиях. 
Уметь: 
= выбирать тип ВВ при расчетах и проектировании взрывных работ в 
различных горно-геологических и горнотехнических условиях. 
Владеть:  
= информационными технологиями для выбора оптимальных технологических, эксплуатационных, экономических и безопасных параметров ведения 
буровзрывных работ. 
Требования образовательного стандарта определяют содержание данного 
учебника. 
Освоение студентами представленных в учебнике материалов базируется 
на ранее изученных предметах цикла математических и естественнонаучных 
дисциплин, а также дисциплин специализации: «Физика горных пород», «Геомеханика», «Методы ведения взрывных работ», «Промышленные взрывчатые 
материалы». Материалы пособия отражают современное состояние рассматриваемых проблем, а также научные разработки кафедры шахтного строительства 
УГГГА и автора. В этом качестве работа может быть полезной при организации 
научных исследований студентов, подготовке магистров и аспирантов, специализирующихся в области разрушения горных пород.  
Для организации самостоятельной работы студентов и контроля усвоения 
знаний по материалам пособия составлена компьютерная тестовая обучающая 
программа, предусматривающая вопросы и задачи разного уровня сложности и 
оценку знаний студентов по пятибалльной шкале. 
5 

1. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ КАК ОБЪЕКТ РАЗРАБОТКИ 
 
1.1. 
 Строение горных пород и массивов 
 
Горная порода является сложным многокомпонентным телом. В ее состав 
входят как твердые минеральные частицы, так и жидкости и газы, которые 
находятся в порах и трещинах породы. По степени неоднородности состава и 
строения, а также изменчивости свойств горные породы не имеют аналогов 
среди других, используемых человеком материалов. В табл. 1.1 даны характеристики изменчивости основных свойств горных пород Урала.  
 
Т а б л и ц а 1.1 
Вариация свойств горных пород Урала 
Показатели свойств 
Граница  
изменчивости 
Относительная 
ширина  
интервала, % 
Коэффициент 
вариации 
 единичных 
измерений, % 
Объемная масса, г/см3 
2,2–3,2 
36 
3,5 
Пористость, % 
0,3–36 
200 
17 
Скорость упругой волны, 
км/с 
1,2–6,5 
140 
8 
Модуль упругости, ГПа 
3–85 
190 
19 
Прочность при растяжении, 
МПа 
0,8–32 
190 
27 
Прочность при сжатии, МПа 
12–227 
180 
27 
Дробимость, см3 
1,0–18 
180 
32 
Абразивность, мг 
1–104 
200 
45 
Контактная прочность, МПа 
160–3900 
180 
16 
 
Как видно из таблицы, относительная изменчивость свойств горных пород даже одного петрографического типа достигает сотен процентов. Поэтому в 
отличие от других материалов наименование породы еще не определяет однозначно ее характеристик. При проектировании буровзрывных работ (БВР) 
необходимо иметь информацию о конкретной разновидности разрушаемой породы. Для ее получения проводят лабораторные определения свойств пород. Но 
даже в этом случае естественная вариация большинства определяемых характеристик достигает десятков процентов. 
Такая изменчивость свойств обусловлена преимущественно неоднородностью строения горных пород, выраженная в случайном распределении размеров и формы минеральных зерен, микротрещин, пустот и других нарушений. 
Для горных пород большое значение имеет характер связи между отдельными 
минеральными зернами. Формирование таких связей происходит в момент кристаллизации горных пород или осадконакопления. Условно можно выделить 
следующие типы связей между зернами в горной породе. 
6 

1. Внутрикристаллические связи. Проявляются по плоскостям спайности 
кристалла. При формировании отдельного зерна процесс кристаллизации сопровождается образованием плоскостей спайности или плоскостей ослабления. 
Их появление обусловлено тем, что кристаллизация начинается одновременно в 
нескольких центрах, и такие плоскости представляют собой границы соприкосновения растущих кристаллических образований. В плоскостях спайности расстояние между частицами несколько больше, чем в основном теле кристалла, 
что и определяет эти плоскости, как поверхности ослабления. 
2. Структурные связи. Образуются при механическом соприкосновении 
зерен, кристаллизующихся из разных центров в разное время. В процессе образования полиминеральных пород при остывании расплава (магмы) начинают 
кристаллизоваться наиболее тугоплавкие минералы, затем минералы со все 
меньшей температурой плавления. В результате последние заполняют промежутки между ранее сформировавшимися кристаллами, образуя зерна произвольной формы. Эти же связи могут возникать и при образовании мономинеральных пород за счет того, что начало кристаллизации из разных центров происходит не одновременно. Это обусловлено неоднородностью распределения 
температуры и давления в расплаве, наличием примесей и др.  
3. Адгезионные связи. Образуются при кристаллизации одного минерала 
на уже сформировавшейся поверхности другого минерального зерна. Ионы менее тугоплавкого минерала притягиваются к поверхности ранее образовавшихся зерен, и здесь начинается рост этого минерала, т. е. возникает центр кристаллизации. Такие связи достаточно прочны, но из-за несовпадения размеров 
ионов и различия в параметрах кристаллической решетки двух минералов такая 
поверхность является ослабленным сечением. 
4. Диффузионные связи. Образуются за счет проникновения (диффузии) 
атомов или ионов одного минерала в другой. Между внедренными в минерал 
чужими и своими частицами возникает прочная ковалентная или ионная связь. 
Граница между минеральными зернами в процессе взаимной диффузии размывается, становится нечеткой. Ширина области взаимной диффузии зависит от 
условий кристаллизации и достигает нескольких межатомных расстояний.  
5. Химические связи. Образуются за счет химических реакций на границе 
минеральных зерен. Например, при контакте кварца SiO2 с магнетитом Fe3O4 
образуется силикат железа Fe2SiO4 – минерал, называемый фаялитом. Такие реакции происходят в тонком приконтактном слое, и граница представляет собой 
трехслойную область (плавный переход от одного минерала к другому), точно 
повторяющую контуры минеральных зерен. Такая связь является наиболее 
прочной.  
6. Механические связи. Образуются при внедрении цемента (чаще всего 
глинистого состава) в промежутки между уже сформировавшимися минеральными зернами. Такая связь наиболее характерна для переотложенных осадочных пород и отличается наименьшей прочностью.  
В чистом виде указанные выше связи между минеральными зернами 
встречаются крайне редко. Действительно, диффузия атомов одного минерала в 
7 

другой практически всегда сопровождается их химическим взаимодействием.  
С другой стороны, образование структурной или механической связи вызывает 
диффузионные процессы в местах соприкосновения зерен, где возникают области повышенного давления.  
Кроме того, слагаемые горными породами массивы, как правило, имеют 
развитую систему трещиноватости, тектонические нарушения, слоистое строение. В зависимости от масштаба выделяют следующие порядки неоднородностей. 
1. Разрывные тектонические нарушения представлены сбросами и сдвигами мощностью более 0,5 м. Пересекаясь между собой, такие нарушения разбивают массив на отдельные структурно-тектонические блоки.  
2. Неоднородности в пределах пачки или слоя представлены главным образом системой тектонических трещин шириной зияния до 1 см. 
3. Неоднородности горной породы как петрографической разновидности 
обусловлены неравномерностью распределения минеральных зерен по крупности, разным качеством цементирующего материала, системой микро- и макротрещин.  
В зависимости от состояния горных пород, определяющего технологию 
их разработки, различают следующие типы породных массивов: скальные, 
рыхлые (разрушенные), глинистые (связные). Часто выделяют особое состояние массива влажных пород – мерзлые, когда за счет отрицательных температур вода в массиве кристаллизуется, существенно изменяя свойства, особенно 
рыхлых и глинистых пород.  
Исключительно важную роль при разрушении горных пород играет их 
трещиноватость. Обычно выделяют пять технологических категорий массивов 
пород по трещиноватости (Приложение 2): 
I. Чрезвычайно трещиноватые. Среднее расстояние между трещинами  
L < 0,1 м. 
II. Сильно трещиноватые. L = 0,1 – 0,5 м. 
III. Средне трещиноватые. L = 0,5 – 1,0 м. 
IV. Мало трещиноватые. L = 1,0 – 1,5 м. 
V. Практически монолитные. L > 1,5 м.  
Трещины разбивают породный массив на отдельные блоки, что играет 
исключительно важную роль в технологии разрушения горных пород. Природа 
трещиноватости массива различна. Первичные трещины возникают уже в процессе образования породного массива. К ним относятся трещины напластования в осадочных породах, трещины отдельности, образующиеся за счет уменьшения объема кристаллизующейся лавы, трещины разрыва, обусловленные перераспределением напряжений формирующегося массива и пр. Вторичные 
трещины образуются в процессе геологической истории массива. Они связаны с 
различного рода тектоническими процессами, явлением выветривания, техногенным воздействием при ведении горных работ и т. п. Каждый из перечисленных факторов образует свою систему трещин, формирующих общую трещиноватость породного массива.  
8 

Система трещиноватости и слоистости породного массива определяет 
анизотропию его свойств. Под анизотропией понимают разницу в величине 
свойств, измеренных в разных направлениях. Количественно данных фактор 
оценивают коэффициентом анизотропии: 
 
a
,
/ /
X
k
X A
=
 
 
т. е. отношение некоторого свойства, измеренного вдоль и перпендикулярно 
слоистости (рис. 1.1). 
 
Xŏ 
XII 
 
 
Рис. 1.1. Модель слоистого массива 
 
Рассмотри, например, прочность слоистого массива при растяжении. 
Очевидно, что при растяжении данной модели перпендикулярно слоям разрыв 
произойдет по наименее прочному слою. Напротив, при растяжении вдоль слоев разрывать придется все даже самые прочные слои. Тогда для этого случая  
ka > 1. Аналогично для скорости упругой (взрывной) волны ka > 1, но для коэффициента ее затухания ka < 1.  
 
1.2. Классификации горных пород по буримости и взрываемости 
 
Проектирование технологии бурения и взрывания горных пород, как правило, производится по соответствующим нормам выработки или времени 
(ЕНВ). Эти нормы опираются на соответствующие классификации пород. Такие классификации известны еще с конца XVIII века (Вернер). В настоящее 
время существуют многие десятки различных классификаций, так или иначе 
связанных с процессами бурения и взрывания горных пород. По своему содержанию их можно разделить на четыре основные группы: 
1. качественные; 
2. по физико-механическим свойствам пород; 
3. по показателям производственных процессов; 
4. смешанные – по свойствам пород и производственным показателям. 
Качественные классификации исторически первые стали использоваться в горном деле. Они основаны на субъективном описании горных пород в со9 

поставлении с качественными описаниями производственных процессов.  
В сущности, такие классификации представляют собой систематизированный 
опыт различных специалистов. Главным их недостатком является субъективный подход и, следовательно, невозможность применения в конкретных расчетах горных процессов. 
Классификации по свойствам горных пород основаны на количественных показателях с качественным описанием выделяемых классов. До XX века 
существовала единственная классификация горных пород по крепости: мягкие, 
крепкие и весьма крепкие породы. К ним обычно давалось минералогическое 
описание породы. 
Профессор М. М. Протодьяконов (1874–1930) предложил классификацию 
горных пород по трудности разработки. Разработанная им шкала включала  
10 категорий по коэффициенту крепости f с описанием наиболее представительных пород (см. Приложение 1). Однако он понимал, что качественное описание пород не может служить надежным критерием разделения горных пород 
по крепости. На обсуждение он предложил различные методы оценки коэффициента крепости: 
- по дробящему усилию при разрушении куска породы; 
- по количеству работы на выбуривание 1 см3 породы; 
- по производительности бурильщика в смену; 
- по количеству расходуемого ВВ на 1 м3 породы; 
- по производительности проходчика в выработке; 
- по скорости проходки выработки. 
Многообразие и неопределенность указанных критериев не позволила 
установить единообразный количественный показатель. В качестве временной 
меры М. М. Протодьяконов предложил определять коэффициент крепости по 
прочности горной породы на одноосное сжатие ıсж: 
 
 
f = ıсж/10 [МПа].  
  (1.1) 
 
До настоящего времени данный показатель является основным нормирующим критерием. По классификации М. М. Протодьяконова коэффициент крепости горных пород изменяется от f = 0,3 до f = 20. При этом все горные породы 
с прочностью более 200 МПа относят к первой категории – в высшей степени 
крепкие. Столь упрощенный подход не позволяет использовать данный коэффициент крепости для достоверного расчета параметров реальных процессов. 
Поэтому предпринимаются попытки модернизации формулы (1.1), введение в 
нее различных поправочных коэффициентов, учитывающих трещиноватость и 
блочное строение породных массивов и т. п. 
Аналогичный подход реализован для построения классификаций по другим (более 30) физико-механическим характеристикам пород. Применительно к 
процессам бурения и взрывания наибольшее применение имеют следующие 
классификации горных пород. 
10