2.Механические свойства горных пород.

Под механическими свойствами горных по­род понимаются такие особенности, которые определяют ха­рактер их деформации и разрушения под воздействием при­ложенной нагрузки. Иными словами, механические свойства горных пород проявляются в характере изменения внутрен­них связей и распределении материала в зависимости от изменения интенсивности и структуры полей напряжений. В массиве горных пород и в образце механические свойства проявляются по-разному. В массиве с изменением условий нагружения происходит перераспределение полей напряже­ний, которое оказывает влияние на состояние горной поро­ды и при определенной концентрации напряжений влечет местное разрушение. В ограниченном объеме образца уже созданы условия для концентрации напряжений, изменениеусловий нагружения образца приводит к изменению его фор­мы и в конечном счете вызывает его разрушение.

Механические свойства горных пород зависят от их со­става, строения, текстуры, структуры и условий залегания глубина залегания, тектоническая нарушенность и т.п.). Состав и строение горной породы в значительной степени определяются ее происхождением.

Условия формирования горной породы накладывают су­щественный отпечаток на ее строение. Магматические гор­ные породы, образовавшиеся на глубине, имеют, как прави­ло, крупнокристаллическое строение, тогда как эффузивные горные породы, застывшие на поверхности, характеризуют­ся скрытокристаллическим строением. Магматические поро­ды, не затронутые процессами выветривания и метаморфиз­ма и не подвергавшиеся тектоническим нарушениям, состав­ляют в земной коре плотные, достаточно монолитные тела. Породы осадочного комплекса характеризуются слоистым строением, что и обусловливает их анизотропию, т.е. суще­ственное различие механических свойств вдоль напластова­ний и перпендикулярно к ним. Механические свойства оса­дочных горных пород варьируют в широких пределах. Про­цессы метаморфизма оказывают существенное влияние на механические свойства горных пород. Например, выветрива­ние значительно снижает монолитность даже наиболее креп­ких магматических пород, а процессы регионального мета­морфизма приводят к повышению монолитности осадочных, первоначально довольно рыхлых, горных пород.

Для характеристики внутреннего строения горных пород введены понятия текстуры и структуры.

Текстура определяется положением и распределением ми­неральных зерен в горной породе. К текстурным признакам относятся слоистость, сланцеватость и пористость горной породы. Пористостью называется совокупность всех пустот в горной породе между минеральными зернами, образующи­ми минеральный скелет породы. Пористость характеризуется коэффициентом пористости, равным отношением объема пор к объему скелета. Помимо пор в горной породе принято выделять трещины (плоский разрыв сплошности среды) и ка­верны — полости больших размеров, превышающие разме­ры минеральных зерен и нарушающие целостность мине­рального скелета.

Под структурой понимают такие особенности горной по­роды, которые определяются размерами, формой и характе­ром поверхности минеральных зерен. По структуре различают, например, горные породы кристаллические, аморфные и обломочные. Механические свойства обломочных пород в значительной степени зависят от размера зерен и характера связи между ними, т.е. от состава и структуры цемента, скрепляющего минеральные зерна.

Пластичность — это способность материала к увеличению интенсивности деформирования по мере роста нагрузки и к сохранению остаточной деформации после снятия нагрузки. Для характеристики пластических свойств материала вводит­ся понятие модуля пластичности и коэффициента пластич­ности. Под модулем пластичности £_пд понимается предельный секущий модуль, т.е. отношение прироста напряжений в пла­стической зоне к полной относительной деформации в этой зоне.

Прочность — это способность материала без разрушения выдержать нагрузку в процессе деформирования. Прочность характеризуется пределом прочности, т.е. максимальным напряжением, которое материал может выдержать, не разру­шаясь. Когда напряжения в горной породе превосходят предел прочности, происходит разрушение, т.е. необратимое поражение внутренних связей. Предел прочности определяет­ся характером внутренней связи между частицами в горной породе.

Абразивность — это способность горной породы изнаши­вать породоразрушающий инструмент (или любое иное тело) при его перемещении в контакте с породой.

В практике бурения используется еще одна характерис­тика горных пород — буримость. Буримость — это свойство горной породы, которое характеризует ее разрушаемость на ограниченной поверхности забоя скважины. Это относитель­ная характеристика, зависящая от уровня развития техники и технологии бурения. Мера буримости той или иной горной породы — средняя скорость углубления ствола скважины.

Обычно механические свойства горных пород изучаются в условиях простой деформации: при растяжении, сжатии и т.п. Но необходимо учитывать, что на забое скважины гор­ная порода находится в условиях напряженного состояния. На нее действуют давление на контакте с породоразрушаю-щим инструментом, гидростатическое давление столба жид­кости в скважине, поровое (или пластовое) давление жидкос­ти, находящейся в порах, и другие факторы, поэтому надо рассматривать сложное деформированное состояние, возни­кающее при всем многообразии действующих нагрузок.