Величина коэффициента сжимаемости минералов, горных пород и жидкостей

Минерал, порода	βТ·105, МПа-1, Р = 196 МПа	Жидкость	βТ·105, МПа-1
Алмаз	0,18	Вода	22,1
Кварц	2,86	Бензол	49,1
Галит	4,09	ССl4	91,6
Гранит	2,16	Спирт этил.	112,0

Данные табл. 4 показывают, что сжимаемость жидкостей значительно превосходит сжимаемость минералов и горной породы. Коэффициент сжимаемости горных пород практически всегда больше коэффициента сжимаемости минералов, входящих в состав породы. Объясняется это большой величиной адгезионной поверхности в горной породе, и как следствие, менее плотным ее сложением.

Процесс сжатия сопровождается ростом температуры и выделением тепла. Рост температуры также вызывает изменение объёма. Подобное изменение объема характеризует адиабатическая сжимаемость _S. Адиабатическая сжимаемость _S меньше изотермической _T. Модуль адиабатического объемного сжатия K_S определяется уравнением

K_S = ·(dP/dV)_T.

Отличие между величинами K_S и K составляет несколько процентов. Величина модуля сдвига G горных пород всегда меньше величины модуля Юнга. Величина коэффициента K может быть как больше модуля Юнга, так и меньше его.

4. Теории прочности

Под прочностью или трещиноcтойкостью понимается способность твердого тела сопротивляться развитию в нем трещины. Величина прочности оценивается либо значением напряжения, при котором тело разрушается, либо работой деформаций.

Трещины хрупкого разрушения в горных породах следует рассматривать как поверхность разрыва вектора перемещения. На такой поверхности все три компоненты u, v, w этого вектора могут иметь разрыв. Имеется три вида независимых кинематических движений верхней и нижней поверхностей трещины относительно друг друга при разрушении тела: нормальный отрыв, поперечный и продольный сдвиги.

Типы движений противоположных поверхностей трещины, расположенной до деформирования в одной плоскости, можно описать следующим образом:

• нормальный отрыв: две противолежащие поверхности трещины стремятся разойтись симметрично относительно плоскости, в которой была расположена трещина до деформации; между сторонами трещины возникает полость;

• поперечный сдвиг: две противолежащие поверхности трещины скользят одна по другой в одной плоскости, но в противоположных направлениях (срез);

• продольный сдвиг: две противолежащие поверхности трещины в процессе деформирования тела претерпевают кручение в противоположном направлении и оказываются после деформации в различных плоскостях (кручение).

Наиболее опасными с точки зрения развития разрушения являются трещины нормального отрыва. Это связано с тем, что при таком варианте разрушения не происходит потерь энергии, связанных с преодолением сил трения между противоположными поверхностями трещины.

При разрушении на разрыв различают прочность теоретическую и техническую (реальную). Под теоретической прочностью понимают прочность бездефектного твердого тела. В этом случае прочность определяется только величиной энергии связи между частицами (атомы, молекулы) твердого тела. Величина теоретической прочности тела на разрыв (развивается трещина нормального отрыва) составляет примерно одну десятую от значения модуля Юнга: _т = 0,1E = 10³ ÷ 10⁴ МПа.

Расчетная величина теоретической прочности некоторых кристаллических минералов: NaCl – 3950 МПа, MgO – 17300 МПа, LiF – 11400 МПа, теоретическая прочность аморфного неорганического стекла составляет 8000 МПа.

Под дефектами твердого тела понимаются любые нарушения кристалллической решетки (внедренные атомы другого вещества и вакансии в узлах кристаллической решетки – это точечные дефекты; дислокации - линейные дефекты; к дефектам относят и механическое повреждение поверхности твердого тела – царапины).

Под технической прочностью понимают прочность реального твердого тела со всеми дефектами. Величина технической прочности значительно (на 2 порядка) меньше теоретической прочности.

Главными дефектами в горной породе, приводящими к значительному понижению их прочности, являются адгезионные границы, трещины и поры. Как следствие этого, реальная прочность горных пород при одноосном растяжении _р невелика (гранит – 11 МПа, порфирит – 17,5 МПа, песчаник кварцевый – 6,6 МПа, известняк – 3,0 МПа).

Если представить трещины и поры в виде эллипса длиной l и радиусом закругления , то низкое значение технической прочности горных пород при их растяжении можно объяснить следующим образом: в тупиковой части микротрещин (вершине) или пор возникает резкое увеличение действующего напряжения (происходит концентрация напряжений). Если в среднем сечении образца возникает напряжение *, то в тупиковой части трещины действует напряжение:

_к = 2^*·(l / )^0,5,

величина которого зависит от геометрии дефекта, т.е. от величин l, .

При уменьшении радиуса кривизны  напряжение _к в вершине трещины возрастает. Тело разрушится тогда, когда напряжение _к достигает величины теоретической прочности _т данного тела.

Прочность образцов горных пород при разрушении их срезом, кручением _сдв, т.е. в тех условиях, когда величина трения между противоположными поверхностями трещины минимальна, превосходит величину прочности, измеряемую при растяжении образцов, но все же значительно меньше величины прочности при одноосном сжатии образцов.

Развитие трещин сдвига существенно затруднено при наличии сил (напряжений), стремящихся прижать две поверхности сдвиговой трещины друг к другу. При этом резко возрастают силы трения (силы внутреннего трения), сдерживающие развитие сдвиговой трещины. Физически это означает появление дополнительного слагаемого (помимо слагаемого, учитывающего действие сил связи в структуре тела), из-за которого и наблюдаются значительные расхождения величины прочности твердых тел при их растяжении и сжатии.

Прочность горных пород при одноосном сжатии _сж многократно превышает величину их прочности _р на разрыв и сдвиговую прочность. Это является следствием не только возникновения внутреннего трения, но и большой неоднородности свойств горных пород. Для более однородных материалов отношение _сж / _р значительно меньше: для чугуна, например, это отношение равно трем, для магниевых сплавов – чуть больше единицы.

Относительные значения величин _сж ,_р ,_сдв для некоторых горных пород приведены в табл. 5.

Таблица 5