Фізико-механічні властивості гірських порід

ВЛАСТИВОСТІ ГІРСЬКИХ ПОРІД

Густина. Густиною гірської породи називається маса одиниці об’єму її твердої фази (тобто при нульовій пористості). Вона залежить від густин породоутворюючих мінералів, цементуючих речовин та співвідношення між вмістом мінералів і цементу. Густина породоутворюючих мінералів коливається в діапазоні від 1850 кг/м³ (алофан) до 5200 кг/м³ (магнетит). Густина гірських порід трохи менша густини породоутворюючих мінералів. Густина осадових порід змінюється від 2100 до 2900 кг/м³ (для найпоширеніших порід – 2400–2700 кг/м³).

Об’ємна маса. Об’ємною масою називається маса одиниці об’єму породи в її природному стані (з порами, тріщинами і їх вмістом). Об’ємна маса пористих порід завжди менша їх густини і ця різниця збільшується зі збільшенням пористості. Із збільшенням глибини залягання породи об’ємна маса породи збільшується в зв’язку із зменшенням пористості і збільшенням густини флюїдів, що знаходяться в порах і тріщинах. Об’ємна маса більшості гірських порід знаходиться в межах від 1500 до 3500 кг/м³, а об’ємна маса осадових порід складає 1800–2500 кг/м³.

Міцність. Міцність характеризує таке напруження, при якому гірська порода починає руйнуватися. На міцність впливають природні і технічні фактори.

До природних факторів належать:

Мінералогічний склад. Найміцнішим породоутворюючим мінералом є кварц, міцність якого при одноосьовому стискуванні перевищує 500 МПа. Міцність залізо-магнезіальних силікатів та алюмосилікатів дорівнює 200–500 МПа, а кальциту – 10–20 МПа. Тому міцність породи зростає із збільшенням вмісту кварцу.

Розмір та форма зерен кристалів, що утворюють породу. Порода, яка складається із зерен найміцніших мінералів найменшого розміру і найбільш кутастої форми, має найбільшу міцність. Наприклад, міцність при стискуванні тонкозернистого аркозового пісковика і дрібнозернистого вапняка у 2–2,5 рази більша міцності грубозернистих різновидностей цих порід.

Міцність анізотропних гірських порід залежить від напрямку дії сили. Міцність при стискуванні порід перпендикулярно шаруватості або сланцюватості, як правило, більша від міцності вздовж шаруватості. Серед осадових порід найбільшу міцність мають породи з кремнеземистим цементом. Міцність породи залежить не тільки від міцності мінералів, але й від міцності зв’язку на міжкристалічних границях, які розділяють мінеральні зерна. При наявності глинистого цементу міцність породи різко зменшується. Міцність однойменних гірських порід збільшується із зменшенням пористості, так як при цьому збільшується кількість контактів мінеральних частинок і сили взаємозв’язку між ними. Наприклад, міцність на стискування вапняків при збільшенні об’ємної маси з 1550 до 2700 кг/м³, обумовленої зменшенням пористості, зростає з 5 до 180 МПа.

Глибина залягання і ступінь метаморфізації. Так, міцність глин, що залягають біля денної поверхні землі, дорівнює 2–10 МПа, а міцність тих же глинистих порід, що залягають на великих глибинах і які зазнали початкової стадії метаморфізму під дією температури та високого тиску, може досягати 50–100 МПа.

Пластова температура. З підвищенням температури міцність глинистих порід збільшується внаслідок спікання або метоморфізації. Зміцнення при підвищенні температури до 600–800С спостерігається у щільних дрібнозернистих породах, що пояснюється зменшенням природної мікротріщинуватості і збільшенням контактної площі між мінеральними зернами. Міцність хемогенних порід із збільшенням температури зменшується, а їх пластичні властивості посилюються. Міцність гірських порід зменшується із збільшенням вологості.

До технічних факторів належать:

Вид деформації. Гірські породи чинять найбільший опір руйнуванню при стиску. Міцність осадових порід при інших видах деформації менша. Так, міцність при розтягуванні складає від 2 до 18%, при зсуві – від 5 до 20%, при згині – від 5 до 60% міцності при одноосьовому стиску. Це пояснюється крихкістю більшості порід, наявністю великої кількості локальних дефектів і неоднорідностей в них, зменшенням сил зчеплення у міру віддалення зерен породи одне від одного при розтягуванні.

Масштабний фактор. Міцність зерен мінералів закономірно зменшується із збільшенням лінійних розмірів. Масштабний фактор впливає на міцність гірських порід в меншій мірі, ніж на міцність мінералів. Це пояснюється тим, що міцність гірської породи залежить не тільки від міцності мінеральних зерен, але й від механічних властивостей цементу, який заповнює міжкристалічний простір.

Тривалість дії навантаження. Руйнування гірської породи може наступити і при напруженнях менших, ніж гранична міцність, якщо ці напруження діють тривалий час.

Проникність характеризує здатність породи пропускати через себе під дією градієнту тиску рідини, гази або газорідинні суміші. Майже всі осадові породи містять певну кількість сполучених між собою пор, і вони здатні пропускати через себе рідини і гази. Породи, у яких є тільки закриті і субкапілярні пори, чинять надто великий опір руху рідин (газів), і тому їх вважають практично непроникними. Проникність осадових порід із збільшенням величини всестороннього стиску зменшується помітніше, ніж пористість. Це зв’язано не тільки із зменшенням пористості, але в значній мірі із скороченням площі перерізу надкапілярних порових каналів і перетворенням частини їх в капілярні або замкнуті пори.

Пружність. Більшість породоутворюючих мінералів є тілами пружно-крихкими, тобто вони підпорядковуються закону Гука і руйнуються, коли напруження досмягає границі пружності. Гірські породи за характером залежності деформації від напружень при статичному навантаженні можна умовно розділити на три групи:

1. Пружнокрихкі, які підпорядковуються закону Гука;

2. Пружнопластичні, руйнуванню яких передує пластична деформація;

3. Високопластичні і дуже пористі породи, пружна деформація яких незначна або практично дорівнює нулю.

Пружні властивості гірських порід характеризуються модулем пружності (Е) та коефіцієнтом Пуасона (m).

Модулем пружності називається коефіцієнт пропорційності між нормальним напруженням в породі і відповідною йому відносною деформацією.

Модуль пружності для більшості гірських порід коливається від 0,03х10⁴ до 1,7х10⁵ МПа. Його величина залежить від мінералогічного складу, пористості породи, а також від виду деформації і величини прикладеного навантаження.

Із збільшенням пористості модуль пружності гірських порід зменшується. При розтягуванні модуль пружності зменшується із збільшенням навантаження, при стискуванні – навпаки. Модуль пружності більшості осадових гірських порід менший від модуля пружності відповідних породоутворюючих мінералів.

На модуль пружності гірських порід впливає і їх текстура. Як правило, в породах з явно вираженою шаруватістю або сланцюватістю модуль пружності у напрямку шаруватості більший, ніж в напрямку, перпендикулярному шаруватості, а іноді спостерігається і зворотне явище.

Коефіцієнт Пуассона – це коефіцієнт пропорціональності між відносними поперечними і поздовжніми деформаціями. Для більшості осадових порід і мінералів він знаходиться в межах 0.1–0.4, і тільки для деяких високопластичних порід досягає 0,45–0,5 (кам’яна сіль, бішофіт, карналіт, високопластичні і дуже зволожені глини), а для кварцу він аномально низький (близько 0,07), що обумовлено особливостями будови його кристалічної решітки. Із збільшенням пористості коефіцієнт Пуасона в одних породах збільшується, а в інших зменшується. Коефіцієнт Пуасона і модуль пружності при стиску завжди більші, ніж при розтягу.

Пластичність. Руйнуванню багатьох осадових гірських порід передує пластична деформація. Вона починається як тільки напруження в породі перевищують границю пружності, і розвивається одночасно із зміцненням породи. Пластичність залежить від мінерального складу гірських порід і зменшується із збільшенням вмісту кварцу, польового шпату та інших крихких мінералів. Пластичні властивості порід зростають із збільшенням всестороннього тиску. Так, багато порід, які при атмосферному тиску крихко руйнуються, стають пластичними із збільшенням величини всестороннього стиску. Границя текучості більшості гірських порід з ростом величини всестороннього стиску збільшується.

Пластичні властивості порід із збільшенням температури і вологості зростають. Вплив вологості особливо помітно позначається на пластичності глинистих та хемогенних порід.

Повзучість проявляється в постійному зростанні деформації при незмінному напруженні, звичайно при тривалій дії навантаження на породу, навіть якщо напруження не перевищують межі пропорціональності. Значною повзучістю відзначають глини, глинисті сланці, деякі різновидності вапняків та хемогенних порід. Повзучість посилюється при збільшенні вологості порід.

Твердість. Твердість характеризує локальну міцність породи при витискуванні в неї іншого, більш твердого тіла, величина якої суттєво залежить від способу виміру.

Границя втоми (витривалості). Це те найбільше напруження, при якому тіло не руйнується при будь-якій кількості циклів навантаження. Якщо взірець породи навантажувати циклічно, він може зруйнуватись навіть у тому випадку, якщо напруження весь час були менші за його міцність. Чим більша амплітуда зміни напружень, тим менше циклів навантаження потрібно для руйнування породи. Навпаки, при достатньо малій амплітуді зміни напружень порода не руйнується навіть після дуже великої кількості циклів навантаження. Межа втоми осадових порід у багато разів менша міцності при статичному навантаженні.

Стискуваність. При рівномірному стискуванні об’єм взірця буде зменшуватись як внаслідок скорочень об’єму пор, так і в результаті зменшення об’єму твердої фази породи. Коефіцієнт об’ємного стискування суттєво залежить від літолого-петрографічного складу, пористості та пружних властивостей породи, величини всестороннього стиску. Він зменшується при збільшенні величини всестороннього стиску, а також пористості породи. Коефіцієнт об’ємного стиску високоміцних, практично безпористих порід, приблизно на два порядки менший аналогічного коефіцієнту порід із середньою та великою пористістю. Це пояснюється тим, що зменшення об’єму твердої фази породи при всесторонньому стискуванні в багато разів менше, ніж зменшення об’єму пор.

Дата добавления: 2014-01-07