Какие есть механические свойства пород

Всем снова здравствуйте! Продолжаем разбирать принципы бурового ремесла. В этот раз расскажу Вам, уважаемые читатели и подписчики, какие условия для сооружения скважин существуют.

В технологии бурения решающее значение имеет группа свойств горных пород – физико-механические свойства, характеризующие реакцию горных пород на механические воздействия. Еще раз повторюсь – ни в одной из моих статей не будет формул и расчетов, моя задача рассказать максимально доступным языком о таком сложном процессе как бурение.

Что же такое физико-механические свойства горных пород? Это особенность поведения породы в процессе бурения. Свойства подразделяются на физические и механические.

Виды физических свойств:

Плотность– количество массы вещества в единице его объема. А теперь по-простому. Возьмите кусок поролона размером 1мХ1м и такого же размера кусок фанеры. Оба этих образца человек способен поднять, но вес у них разный – фанера значительно тяжелее. Все дело в том, что она имеет более высокую плотность по отношению к куску поролона. Так и в горных породах – одни похожи на структуру поролона, а другие имеют плотность выше чем у древесины.
Пористость– количество пор на определенную единицу объема породы. Этот показатель характеризует способность пород вмещать в себя нефть или газ. Пример – губка для мытья посуды(Рис.1)

Рисунок 1 – губка для мытья посуды

удельная электропроводность – способность проводить ток заданной величины через определенную единицу площади поперечного сечения.

Физические свойства в основном несут диагностический смысл и необходимы при геофизическом исследовании пород.

Механические свойства имеют гораздо более практическое значение в отличие от физических, так как именно по ним задаются режимы бурения и определяются геолого-технические условия бурения скважин.

Рассмотрим их.

твердость – способность горной породы оказывать сопротивление внедрению в ее поверхность другого(инородного) тела. Чем тверже порода тем труднее резцу его разрушить и наоборот. Именно поэтому в породоразрушающем инструменте используют очень крепкий материал, такой как, алмаз, победит или карбид вольфрама(Рис.2) которые способны разрушить практически любую горную породу.

Рисунок 2 – основные элементы породоразрушающего инструмента

абразивность – способность горной породы изнашивать породоразрушающий инструмент. Проще говоря, если порода разрушается на мелкие частицы крепкой структуры, то вкупе они воздействуют на инструмент в виде мелких частиц выбивающих из него элементы, тем самым уменьшая его разрушающую способность. А теперь еще проще – многие видели как затачивают ножи на точильном станке(Рис.3) Так вот – круг на станке это порода, обладающая повышенной абразивностью, а нож – породоразрушающий инструмент. И вот, чем больше абразивности у круга, тем быстрее заточится нож.

Рисунок 3 – работа точильного круга схожа с абразивным эффектом горных пород

пластичность – способность горной породы к деформации без нарушения сплошности минеральных зерен. Другими словами – представьте пластилин, ему можно придать любую форму и он при этом не разрушится. Значит такая порода (Рис.4)обладает высокой пластичностью (глина, суглинок).

Рисунок 4 – глина и суглинок – пластичные породы

хрупкость – Антипод пластичности. Также характеризует способность к деформации без нарушения сплошности. Только в этом случае разрушение происходит буквально мгновенно. Здесь уместно такое изречение – “хрупкое как стекло”. Но также важно отметить – порода может быть очень крепкой, но в тоже время и хрупкой.

Но об этом расскажу в другой статье. Всем удачи и не забывайте подписываться, дальше еще очень много интересного.

Источник

Физико-механические свойства в совокупности описывают реакцию конкретной горной породы на различные типы нагрузки, что имеет большое значение при разработке скважин, строительстве, добыче полезных ископаемых и других работах, связанных с разрушением породных массивов. Благодаря этим сведениям можно рассчитать параметры режима бурения, правильно подобрать инструмент и определить конструкцию скважины.

Физико-механические свойства горных пород во многом зависят от входящих в их состав породообразующих минералов, а также от характера процесса формирования. Реакция породы на различные механические воздействия определяется особенностью ее структуры и химического состава.

Что такое горная порода

Горная порода — это образованная минеральными агрегатами или их обломками геологическая масса, обладающая определенными текстурой, структурой и физико-механическими свойствами.

Под текстурой понимают характер взаимного расположения минеральных частиц, а структура описывает все особенности строения, к которым относятся:

характеристика минеральных зерен (форма, размер, описание поверхности);
особенности соединения минеральных частиц;
состав и структура скрепляющего цемента.

Текстура и структура в совокупности составляют внутреннее строение горной породы. Эти параметры в значительной степени определяются природой породообразующих материалов и характером геологических процессов формирования, которые могут протекать как в глубине, так и на поверхности.

В упрощенном понимании горная порода представляет собой слагающее земную кору вещество, характеризующееся определенным минеральным составом и дискретным набором физико-механических свойств.

Общая характеристика горных пород

Горные породы могут быть образованы минералами разного агрегатного состояния, наиболее часто — твердого. Значительно реже встречаются породы из жидких минералов (вода, нефть, ртуть) и газообразных (природный газ). Твердые агрегаты чаще всего имеют форму кристаллов определенной геометрической формы.

Из 3000 известных в настоящее время минералов лишь несколько десятков являются породообразующими. Среди последних выделяют шесть разновидностей:

глинистые;
карбонатные;
хлоридные;
окисные;
сульфатные;
силикатные.

Среди минералов, составляющих определенный вид горной породы, 95 % приходится на породообразующие и около 5 % — на акцессорные (иначе вспомогательные), которые представляют собой характерную примесь.

Горные породы могут залегать в земной коре сплошными слоями либо образовывать отдельные тела — камни и валуны. Последние представляют собой твердые куски любого состава, за исключением металлов и песка. В отличие от камня, валун имеет гладкую поверхность и округлую форму, которые сформировались в результате обкатывания водой.

Классификация

В основе классификации горных пород лежит в первую очередь происхождение, на основании которого они подразделяются на 3 большие группы:

магматические (иначе называются изверженными) — формируются в результате подъема из глубин мантийного вещества, которое в результате изменения давления и температуры затвердевает и кристаллизуется;
осадочные — образуются в результате накопления продуктов механического или биологического разрушения других пород (выветривания, дробления, переноса частиц, химического разложения);
метаморфические — являются результатом преобразования (например, перекристаллизации) магматических или осадочных пород.

классификация горных пород

Происхождение отражает характер геологического процесса, в результате которого образовалась порода, поэтому каждому типу формирования соответствует определенный набор свойств. В свою очередь, классификация внутри групп учитывает также особенности минерального состава, текстуры и структуры.

Магматические породы

Характер строения магматических пород определяется скоростью остывания мантийного вещества, которая обратно пропорциональна глубине. Чем дальше от поверхности, тем магма застывает медленней, формируя плотную массу с крупными минеральными кристаллами. Типичным представителем глубинной магматической породы является гранит.

фото гранита

Быстрый прорыв магмы на поверхность возможен через трещины и разломы земной коры. В таком случае мантийное вещество быстро затвердевает, образуя тяжелую плотную массу с мелкими кристаллами, часто неразличимыми на глаз. Наиболее распространенной породой такого типа является базальт, имеющий вулканическое происхождение.

фото базальта

Магматические породы подразделяются на интрузивные, которые сформировались в глубине, и эффузивные (иначе излившиеся), которые застыли на поверхности. Первые характеризуются более плотной структурой. Основными минералами магматических пород являются кварц и полевые шпаты.

магматические горные породы

Осадочные породы

По происхождению и составу выделяют 4 группы осадочных пород:

обломочные (терригенные) — осадок накапливается из продуктов механического раздробления более древних пород;
хемогенные — образуются в результате процессов химического осаждения;
биогенные — формируются из остатков живой органической материи;
вулканогенно-осадочные — формируются в результате вулканической деятельности (туфы, кластолавы и др).

осадочные горные породы

Именно из осадочных пород добываются общераспространенные полезные ископаемые органического происхождения, обладающие горючими свойствами (нефть, асфальт, газы, каменный и бурый уголь, озокерит, антрацит и др.). Такие образования называют каустобилитами.

Метаморфические породы

Метаморфические породы формируются в результате преобразования более древних геологических масс различного генеза. Такие изменения являются следствием тектонических процессов, приводящих к погружению пород на глубину, в условия с более высокими значениями давления и температуры.

Перемещения земной коры также сопровождаются миграцией глубинных растворов и газов, которые взаимодействуют с минералами, вызывая образование новых химических соединений. Все эти процессы приводят к изменению состава, структуры, текстуры и физико-механических свойств пород. В качестве примера такого метаморфизма можно привести превращение песчаника в кварцит.

метаморфическое преобразование горной породы

Общая характеристика физико-механических свойств и их практическое значение

К основным физико-механическим свойствам горных пород относят:

параметры, описывающие деформацию под действием различных нагрузок (пластичность, плывучесть, упругость);
реакции на вмешательство твердого тела (абразивность, твердость);
физические параметры породной массы (плотность, водопроницаемость, пористость и др);
реакции на механическое воздействие (хрупкость, прочность).

Все эти характеристики позволяют определить скорость разрушения горной породы, риск обвалов и экономическую стоимость бурения.

Данные по физико-химическим свойствам играют огромную роль в проведении работ по добыче общераспространенных полезных ископаемых. Особое значение имеет характер взаимодействия горной породы с буровым инструментом, влияющий на эффективность работы и износ оборудования. Этот параметр характеризуется абразивностью.

В отличие от других твердых тел, у горных пород физико-механические свойства характеризуются неравномерностью, то есть варьируют в зависимости от направления нагрузки. Такая особенность называется анизотропностью и определяется соответствующим коэффициентом (Кан).

Плотностные характеристики

К этой категории свойств относят 4 параметра:

плотность — масса единицы объема только твердой составляющей породы;
объемную массу — рассчитывается как плотность, но с учетом имеющихся пустот, к которым относят поры и трещины;
пористость — характеризует количество пустот в структуре породы;
трещиноватость — показывает количество трещин.

Так как масса воздушных полостей по сравнению с твердым веществом ничтожна, у пористых горных пород плотность всегда больше объемной массы. Если кроме пор в породе имеются трещины, эта разница увеличивается.

У пористых горных пород значение объемной массы всегда превышает плотность. Эта разница увеличивается при наличии трещин.

От количества пустот зависят другие физико-химические свойства горных пород. Пористость уменьшает прочность, что делает породу более восприимчивой к разрушению. Тем не менее такая масса более шершавая и сильнее повреждает буровой инструмент. Пористость также влияет на водопоглощение, проницаемость и влагоемкость.

Самые пористые горные породы имеют осадочное происхождение. В метаморфических и магматических породах общий объем трещин и пустот очень небольшой (не более 2 %). Исключение составляют несколько пород, отнесенных к категории излившихся. Они имеют пористость до 60 %. Примером таких пород являются трахиты, туфовые лавы и др.

Проницаемость

Проницаемость характеризует взаимодействие бурового раствора с горными породами в процессе бурения скважин. Эта категория свойств включает 4 характеристики:

фильтрацию;
диффузию;
теплообмен;
капиллярную пропитку.

Первое свойство данной группы является определяющим, так как влияет на степень поглощения бурового раствора и разрушение пород в зоне перфорации. Фильтрация вызывает набухание и потерю устойчивости пластов глинистых горных пород после первичного вскрытия. На этом параметре основаны расчеты по добыче нефти и газа.

Прочность

Прочность характеризует способность горной породы противостоять разрушению под воздействием механической нагрузки. Математически это свойство выражается в критической величине напряжения, при которой порода разрушается. Это значение называют пределом прочности. Фактически он устанавливает порог воздействия, до достижения которого порода устойчива к определенному типу нагрузки.

Существуют 4 вида пределов прочности: на изгиб, сдвиг, растяжение и сжатие, которые характеризуют сопротивляемость соответствующим механическим нагрузкам. При этом воздействие может быть одноостным (односторонним) или многоостным (происходит со всех сторон).

Прочность является комплексной величиной, в которую включены все пределы сопротивляемости. На основе этих значений в системе координат строят специальный паспорт, представляющий собой огибающую кругов напряжений.

Самый простой вариант графика учитывает только 2 значения, например, растяжения и сжатия, пределы которых откладываются на осях абцисс и ординат. На основании полученных экспериментальных данных чертят круги Мора, а затем — касательную к ним. Точки внутри кругов на таком графике соответствуют значениям напряжения, при которых порода разрушается. Полный паспорт прочности включает все виды пределов.

Упругость

Упругость характеризует способность породы восстанавливать первоначальную форму после снятия деформирующей нагрузки. Это свойство характеризуется четырьмя параметрами:

модулем продольной упругости (иначе Юнга) — представляет собой численное выражение пропорциональности между значениями напряжения и вызываемой им продольной деформацией;
модулем сдвига — мера пропорциональности между касательным напряжением и относительной деформацией сдвига;
модулем объемной упругости — рассчитывается как отношение напряжения к относительной упругой деформации по объему (сжатие происходит равномерно со всех сторон);
коэффициентом Пуассона — мера пропорциональности между величинами относительных деформаций, происходящих в разных направлениях (продольном и поперечном).

Модуль Юнга характеризует жесткость породы и ее способность к упругому сопротивлению нагрузке.

Реологические свойства

Эти свойства иначе называют вязкостными. Они отражают снижение прочности и напряжений в результате длительного действия нагрузки и выражаются в двух основных параметрах:

ползучести — характеризует постепенное увеличение деформации при постоянном напряжении;
релаксации — определяет время уменьшения напряжений, возникающих в породе при непрерывной деформации.

Явление ползучести проявляется тогда, когда значение механического воздействия на породу меньше, чем предел упругости. При этом нагрузка должна быть достаточно длительной.

Методы определения физико-механических свойств горных пород

В основе определения этой группы свойств лежит опытное вычисление реакции на нагрузки. Например, для установления пределов прочности образец породы сжимают под прессом или растягивают, выясняя уровень воздействия, который приводит к разрушению. Параметры упругости определяются по соответствующим формулам. Все эти методы называют нагружением физическими инденторами в условиях лаборатории.

оборудование для определение физико-механических свойств

Некоторые физико-механические свойства могут определяться и в натурных условиях с использованием метода обрушения призм. Несмотря на сложность и высокую стоимость, такой способ более реалистично определяет ответ природного геологического массива на нагрузку.

Источник

Механические свойства горных пород определяют их поведение под влиянием внешних нагрузок – усилий. Они проявляются и непосредственно оцениваются прочностью и деформируемостью горных пород.

Прочность – свойство горных пород (материалов) сопротивляться разрушению и образованию больших деформаций, т.е. не разрушаться под действием определенной нагрузки.

Деформация – свойство материала под действием нагрузки изменять свою форму и объем.

Прочность материала может изменяться под влиянием различных факторов в широких пределах: они могут быть очень прочными, прочными, средней прочности, малой прочности и очень малой прочности. Разрушение горных пород может происходить сразу, без образования больших деформаций, т.е. происходит хрупкое разрушение, в том случае говорят о условно-мгновенной прочности или стандартной и длительной прочности.

Деформации и напряжения в горных породах, как и для других материалов, связаны между собой определенными соотношениями.

Одним из свойств материала, горной породы является свойство упругости. Упругость это свойство материала восстанавливать первоначальные размеры после снятия нагрузки.

Скальные породы обладают высокой прочностью, упругостью и малыми деформациями и перемещениями, слабой водопроницаемостью. Разрушаются они хрупко, мгновенно, с потерей сплошности. Деформации, развивающиеся во времени, т.е. упруговязкие или упругопластичные для них нехарактерны. Для этих пород определяется так называемая мгновенная прочность

Полускальные породы отличаются от скальных меньшей прочностью и устойчивостью, большей деформируемостью, значительной водопроницаемостью. Они имеют хрупкопластический или пластический характер разрушения. Для них характерно развитие деформаций во времени, т.е. явление ползучести. Для таких пород необходимо учитывать не только мгновенную, но и длительную прочность, учитывать реологические свойства. Для обеспечения устойчивости сооружений, как в строительной, так и в горной практике требуются сложные инженерные мероприятия.

Породы рыхлые несвязные и мягкие связные по сравнению с предыдущими характеризуются значительно меньшей прочностью и устойчивостью и большей деформируемостью, сильной водопроницаемостью.

Для понимания природы свойств крупнообломочных, песчаных и особенно глинистых пород важно учитывать не только их геолого-петрографические особенности, но и свойства, обусловленные дисперсностью, так как эти породы – многофазные системы, состоящие из минеральных частиц, воды и воздуха или других газов.

При изучении и оценке прочности, устойчивости, деформируемости и водопроницаемости горных пород важно учитывать их анизотропию, обусловленную поверхностями и зонами ослабления, уменьшением напряжений при разгрузке, сопровождающейся образованием зон разгрузки, трещин упругого отпора. Поэтому перечисленные свойства горных пород важно охарактеризовать не только средними показателями, но и дирекционными, определяемыми по характерным направлениям. Эти показатели могут использоваться в качестве расчетных.

Повышенное содержание тонкодисперсных частиц в породах определяют в значительной степени их глинистые свойства и принципиальные отличия по свойствам глинистых пород от песчаных и других обломочных.

Образец, применяемый при испытании, имеет более однородную структуру, меньшее количество дефектов, поэтому прочность образца выше, чем прочность породы, в этом случае необходимо учитывать масштабный фактор. Но при испытании образца нужно учитывать расположение слоев, наличие внешних дефектов, поверхностей ослабления, иногда при испытании получаем заниженную прочность.

Если порода будет служить естественным основанием для какого-либо сооружения или средой для него, ее свойства должны изучаться при естественном сложении и влажности (на монолитах). Если она будет использоваться как строительный материал для отсыпки насыпей, дамб, земляных плотин, ее свойства нужно изучать на образцах нарушенного сложения, при влажности близкой естественной.

При решении различных инженерно-геологических задач, связанных с проектированием и строительством сооружений необходимо иметь следующие характеристики: вещественный состав, особенности строения, физические свойства, водные свойства, механические свойства, показатели специального назначения.

К механическим свойствам горных пород относятся прочность при сжатии и растяжении, сопротивление скалыванию и сдвигу, общая деформируемость, сжимаемость и просадочность, ползучесть и длительная прочность. Прочность горных пород обычно характеризуется пределами прочности на сжатие σсж, сдвиг, изгиб σиз и растяжении σр.

Горные породы в условиях одноосного сжатия, изгиба и растяжения обычно обладают высокой прочностью на сжатие и незначительной прочностью на растяжение, изгиб, сдвиг.

При этом, как правило, во всех твердых породах σсж > σиз> σр.

Например, для гранита предел прочности при растяжении составляет 0,02…0,04 предела прочности на сжатие, на сдвиг – 0,08, на изгиб – 0,09. Слоистые горные породы дают различные значения прочности при сжатии и растяжении их параллельно и перпендикулярно слоистости и, как правило, сжатие перпендикулярно слоистости дает более высокие показатели прочности, а при растяжении – наоборот.

Испытания горных пород в условиях всестороннего равномерного сжатия показали, что при достаточно однородном и сплошном строении породы разрушение ее не происходит даже при очень больших давлениях.

Хрупкость – свойство горной породы сравнительно легко разрушаться при статической нагрузке без заметной остаточной деформации.

Почти все горные породы при существующих способах разрушения и скоростях приложения нагрузки разрушаются хрупко. Для этих пород предел текучести равен пределу прочности.

Для скальных пород характерны упругие свойства, а полускальные являются только частично упругими.

В рыхлых обломочных несвязных и глинистых мягких связных породах упругие свойства имеют подчиненное значение.

Для изучения полускальных пород кроме показателей упругих свойств большое значение имеют показатели, характеризующие их способность сопротивляться общим деформациям: обратимым (упругим) и необратимым (остаточным).

Различные группы горных пород имеют неодинаковый характер разрушения, поэтому для оценки их прочности применяют различные виды испытаний. Для скальных, полускальных и связных глинистых пород основными показателями прочности являются временное сопротивление сжатию (предел прочности при сжатии) породах , временное сопротивление растяжению (предел прочности при растяжении) , сопротивление скалыванию. Для мягких связных и рыхлых несвязных пород – показатели сопротивления сдвигу: угол внутреннего трения, общее сцепление и в некоторых случаях коэффициент сдвига.

Источник