5.2. Деформационные свойства пород

Прочность горной породы определяется не только прочно­стью межатомных и межкристаллитных связей, но и способно­стью удерживать эти связи при изменении расстояния между атомами в процессе деформации (вязкость).

Вязкость горных пород может быть обусловлена и наличи­ем в контактах минеральных зерен горных пород тонкодиспергированного материала. В глинах связь между зернами осуществляется за счет прочных пленок воды. В процессе деформации породы, вследствие повышения температуры, малого расстояния между молекулами и их подвижности связи между молекулами не разрываются, а переходят от одной молекулы к другой.

Токодиспергированный материал между зернами горной породы обладает малыми размерами и большой подвижностью частиц.

Вследствие беспорядочного расположения частиц и более высокой вязкости их прочность оказывается выше прочности самих минералов.

Поэтому буримость мелкозернистых горных пород всегда ниже буримости крупнозернистых. Так, например, среднезернистый гранит имеет IX категорию буримости, мелкозернистый - X, сходные по минеральному составу, но более плотные с меньшей величиной зерна роговики - XII категорию по буримости.

Наиболее вязкими горными породами являются эклогиты (особенно жадеит). Их твердость составляет 5,5....6, а буримость — XII категорию.

Большое влияние на прочность горной породы оказывает их пористость (плотность упаковки). И. П. Тимченко установил, что предел прочности на сжатие кварцевых песчаников связан пористостью соотношением

(5.3)

где σ₀- прочность плотной породы; П - пористость, %.

С плотностью упаковки атомов в кристалле связаны такие параметры горных пород, как твердость (жесткость), хрупкость и упругость.

Если горная порода сложена пористыми минералами с прочными межатомными связями (каркасные силикаты, кварц и т.д.), то она может при наложении нагрузки деформироваться подобно пружине, т.е. обладать высокой упругостью. Кристаллы с плотнейшей упаковкой (например, гранат) обладают слабой упругостью, высокой жесткостью, поэтому при сильных ударах: хрупкие кристаллы раскалываются по плоскостям спайности. Мелкозернистые минералы с вязкими прослоями в контактах зерен обладают и большей ударной вязкостью (прочностью при ударах).

Упругость твердых тел определяют двумя параметрами: модулем упругости Е и величиной критической деформации при сжатии ε. Тогда предел прочности твердых тел

(5.4)

Наиболее упругими свойствами обладают каркасные сили­каты и кварц, наименее упругими - корунд и гранаты. Упругость горных пород существенно сказывается при бурении ударным способом.

В зависимости от деформационных свойств и особенностей разрушения при вдавливании пуансона породы делятся на три класса:

1. упруго-хрупкие породы (граниты, кварциты и т.д.) При вдавливании пуансона происходят только упругие деформации, завершающиеся хрупким разрушением породы под пуансоном. Лунка разрушения много больше зоны контакта (< 5 раз).

2. упруго-пластичные (роговики, мрамор). При вдавливании наблюдается вначале упругая, затем пластическая деформации, завершающиеся мгновенным разрушением породы под пуансоном. Лунка разрушения несколько больше зоны контакта (2-2,5 раза).

3. пластичные (глинистые, солевые, пористые, известняк). Упругая деформация отсутствует. Хрупкого разрушения не происходит. Глубина вдавливания соответствует величине деформации.

- упругая деформация (кварцит);

- упруго-пластичная (мрамор) деформация;

- пластичная (каменная соль) деформация;

- ОВ – упругая деформация;

- ВС, ОС – пластическая деформация;

-С – момент разрушения породы.

Деформации могут быть не разрушающими и разрушающими. Разрушающие деформации приводят к разделению породы на отдельные части, неразрушающие изменяют размеры форму и объем породы без нарушения ее сплошности. Неразрушающие деформации бывают упругие и пластические. При упругой деформации наблюдается прямая пропорциональность между напряжением и соответствующей деформацией. С ростом упругой деформации в образце накапливается потенциальная энергия, которая после снятия нагрузки возвращает образец в исходное состояние.

Характерной чертой пластических деформаций является их необратимость после снятия нагрузки – форма и размеры образца полностью не восстанавливаются. При достижении определенной величины нагрузки деформация возрастает даже при постоянной или уменьшающейся нагрузке. Пластические деформации происходят длительное время.

В зависимости от усилия, воздействия резца на породу характер ее разрушения может быть различным. Это оказывает влияние на скорость углубки и расход долот и коронок. Различают три вида деформации разрушения, отличающихся по характеру и эффективности.

1. Р_к << Р_щ. Резец не может разрушить породу так, чтобы преодолеть ее структурную прочность. Разрушение породы происходит за счет работы сил трения на контакте лезвия с породой. Частицы, отделившиеся от породы очень малы. Скорость бурения небольшая. Такой вид деформации разрушения называется поверхностным истиранием породы.

2. Р_к < Р_щ . Если увеличить осевую нагрузку на резец настолько, чтобы под действием ее происходили нарушения межкристаллических связей в породе, развивались бы дефекты ее структуры и, особенно, трещины усталости под влиянием многократного приложения нагрузки в одной и той же точке забоя, то при пересечении многочисленных трещин происходит отделение более крупных частиц породы и бурение идет эффективнее. Этот вид деформации называется усталостным разрушением.

3. Р_к> Р_щ. В этом случае резец активно внедряется в породу, и перемещаясь на забое непрерывно преодолевает структурную прочность породы, срезая породную стружку. Такой вид деформации называется объемным разрушением. При объемном разрушении на забое отделяются значительные объемы породы, разрушение ее происходит эффективно.

Объемному разрушению предшествует формирование под резцом объемного напряженного состояния, близкого к всестороннему сжатию. При разрядке объемного напряжения возникают касательные напряжения и напряжения отрыва.

При объемном разрушении хрупкой породы единичным резцом наблюдается скачкообразность разрушения породы.

Исследованиями установлено, что при бурении внешняя среда в частности вода активно участвует в разрушении пород, особенно если она содержит в себе вещества, получившие названия “понизители твердости”. Механизм понижения твердости состоит в следующем: при разрушении породы на забое происходит как отделение частиц породы, так и образования зоны предразрушения, богатой микротрещинами и микрощелями.

Адсорбционные слои проникают в микротрещины и после снятия нагрузки не дают им сомкнуться, как бы расклинивая их.

Действие понизителей твердости наиболее эффективно при ударном, ударно-вращательном способах бурения.

В качестве понизителей твердости могут применяться различные ПАВ. Понизителями твердости кварцсодержащих пород могут быть NaCl, NH₄Cl, Na₂CO₃, CaCO₃, в карбонатных и сульфатных породах – NaOH, CaCO₃.