К какой группе свойств горных пород относится параметр объемная масса
Для того чтобы легче разобраться в многообразии горных пород и выявить причины в различии их свойств, целесообразно воспользоваться классификацией горных пород, в основу которой положено их происхождение (генезис). Принципы такой классификации были предложены еще М. В. Ломоносовым, а в современном виде она была доработана российскими учеными Ф. Р. Левинсоном-Лессингом, А. П. Карпинским и др. Генетическая классификация горных пород учитывает условия их образования, которые предопределяют строение и, следовательно, свойства пород.
В соответствии с этой классификацией выделены следующие типы пород: магматические – первичные, образующиеся при остывании магмы; осадочные – вторичные, образовавшиеся в результате выветривания магматических пород; метаморфические – осадочные и магматические породы, изменившие свое строение и свойства в результате длительных физико-химических процессов, протекающих под воздействием высоких давлений, температур и минерализованных вод, во время нахождения их в земной коре.
Магматические породы
Магма представляет собой высокотемпературный силикатный расплав, который в зависимости от режима охлаждения может образовать: – плотные кристаллические породы, если остывание магмы происходило медленно и под большим давлением в глубине земной коры {глубинные магматические породы); аморфные (стеклообразные) или слабозакристаллизованные, а при наличии газа в магме – пористые породы (излившиеся магматические породы). Минеральный состав пород зависит от химического состава магмы. Различают магмы кислые (содержание Si02 > 65 %), средние (содержание Si02 = 50…65 %) и основные (содержание Si02 < 50 %). В горных породах, образовавшихся из кислой магмы, обязательно присутствует кварц. Если порода образовалась из основной магмы, в ней преобладают темноокрашенные железистомагнезиальные алюмосиликаты. Практически во всех изверженных кристаллических породах основная доля объема приходится на полевые шпаты. Ниже рассмотрены главнейшие представители изверженных пород. Глубинные породы характеризуются кристаллической структурой, отсутствием пор, высокой прочностью, твердостью и морозостойкостью. В полированном виде глубинные породы очень декоративны. К ним относятся: граниты, сиениты, габбро и диориты.
Гранит
Гранит – зернисто-кристаллическая порода , сложенная из трех минералов: кварца (20…40 %), полевых шпатов (40…70 %) и слюды (5…20 %); иногда слюду заменяет роговая обманка.
Строительные свойства гранитов (в среднем) следующие: плотность – 2600…2700 кг/м ; предел прочности при сжатии – 100… 250 МПа, а при растяжении, как и у других каменных материалов, в 20…30 раз ниже; вследствие малой пористости и низкого водопогло-щения ( 1000); химическая стойкость их также высока; граниты – твердые породы (твердость более 6).
Цвет гранитов определяется цветом полевого шпата и бывает чаще всего серым, розовым и темно-красным. Граниты хорошо полируются, приобретая декоративный вид. Граниты широко применяют для облицовки зданий и инженерных сооружений (набережные, мосты и т. п.), устройства полов общественных зданий и монументальной скульптуры.
Сиениты
Сиениты – аналоги гранита, но без кварца (образовались из средних магм); свойства и области применения такие же, как у гранита.
Диориты
Диориты – темно-серая мелкокристаллическая порода, состоящая в основном из полевых шпатов (около 75 %) и темноокрашенных минералов. Плотность – 2800…3000 кг/м3. Отличается повышенной ударной вязкостью. Применяют для облицовки и в дорожном строительстве (брусчатка и т. п.).
Габбро
Габбро – крупнокристаллическая порода, образовавшаяся из основной магмы; состоит из полевых шпатов (около 50 %) и темноокрашенных минералов (авгита, роговой обманки и т. п.). Плотность – 2900…3300 кг/м3; предел прочности при сжатии – 200…350 МПа. Как и гранит, габбро характеризуется высокой морозостойкостью и стойкостью против выветривания.
Цвет – темно-серый, темно-зеленый до черного. Габбро хорошо полируется и имеет красивую текстуру. Одна из разновидностей габбро – лабрадорит – очень декоративна благодаря содержащемуся в ней ирризирующему полевому шпату.
Излившиеся плотные породы имеют слабозакристаллизованную или стеклообразную структуру. Для ряда излившихся пород характерна порфировая структура (рис. 4.2, б), когда в общей аморфной массе вкарплены кристаллы какого-либо минерала. Так, излившийся аналог гранита – кварцевый порфир – имеет вкрапления кристаллов кварца, аналог диорита – порфирит – имеет вкрапления полевых шпатов. Некоторые виды порфиров очень декоративны.
Базальт
Базальт – аналог габбро – самая распространенная излившаяся порода; в зависимости от условий образования имеет стекловатую или скрытнокристаллическую структуру. Цвет базальта – темно-серый до черного. По физико-механическим показателям базальт аналогичен габбро, а по прочности даже превосходит его (Лсж достигает 500 МПа). Базальты очень твердые, но хрупкие породы, что затрудняет их обработку.
Плотные излившиеся породы менее декоративны и менее стойки к выветриванию, чем их глубинные аналоги. Применяют их главным образом как щебень для бетона, отсыпки железнодорожных путей и т. п. Базальт также используют в качестве сырья для каменного литья и получения высококачественной минеральной ваты.
Излившиеся пористые породы образовались непосредственно при извержении вулканов. Первичными продуктами извержения являются вулканические пеплы, пески и пемза; с течением времени они могли цементироваться, образуя туфы.
Вулканические пепел и песок
Вулканические пепел и песок – порошкообразные частицы, имеющие стеклообразное строение, благодаря чему при добавлении извести или цемента, а иногда и самостоятельно они способны к твердению. Используются как активная добавка к вяжущим (впервые были использованы в Древнем Риме – пепел Везувия – для придания извести водостойкости).
Пемза
Пемза – очень пористая легкая порода в виде кусков размером 5… 100 мм. Плотность пемзы в куске – 500… 1000 кг/м . Большая пористость (до 80 %) обусловливает низкую теплопроводность (0,14…0,23 Вт/(м * К)). Прочность при сжатии пемзы не велика – 2…4 МПа, но этого достаточно для получения на базе пемзы легких бетонов. Кроме того, пемза используется в молотом виде как добавка к цементам и в качестве абразивного порошка.
Вулканические туфы
Вулканические туфы – порода, образовавшаяся из вулканических пеплов, которые омонолитились в результате спекания массы, сохранившей высокую температуру, или в результате природной цементации. Вулканические туфы – пористая порода (П = 30…60 %), имеющая низкую плотность, равную 800…1800 кг/м3. Поры у туфа в большинстве своем замкнутые, что обусловливает его высокую морозостойкость. Прочность при сжатии зависит от пористости и составляет 2…20 МПа. Теплопроводность у туфа в 1,5…2 раза ниже, чем у кирпича. Цвет туфов разнообразный, но не яркий, а глухой; основные оттенки: красно-оранжевые и до коричневато-лиловых. Крупнейшие месторождения туфов, возникшие в результате деятельности ныне потухшего вулкана Арарат, имеются в Армении.
Туфы используют как облицовочный материал, а в местах крупных месторождений – как эффективный материал для кладки стен. Благодаря низкой твердости туфа стеновые камни из него вырезают механизированным способом прямо в карьере (рис. 4.3). В тонкомолотом виде туф используют как добавку к цементам.
Туфовая лава – разновидность вулканических туфов, образовавшаяся при попадании пепла и пемзы в огненно-жидкую лаву. По структуре, свойствам и областям применения туфовая лава аналогична вулканическому туфу, но благодаря большей доле замкнутых пор более долговечна.
Осадочные породы
Осадочные породы в зависимости от происхождения принято делить на: – механические осадки, при образовании которых главную роль играли физико-механические процессы (воздействие воды, мороза, нагрева и охлаждения и т. п.); при этом, как правило, не менялся минеральный и химический состав исходных пород; – органогенные осадки, которые образовались из остатков (скелетной части) живых организмов, как правило, морской фауны (ракушки, кораллы и т. п.); – хемогенные осадки, образовавшиеся в результате растворения первичных пород и последующей кристаллизации из водных растворов.
Механические осадочные породы могут быть рыхлые (гравий, песок, глина) и сцементированные – те же рыхлые осадки, частицы которых склеены природным цементом (брекчии, конгломераты, песчаники). Рыхлые механические осадочные породы: глины, песок.
Необходимо подчеркнуть причины, по которым преобладающим минералом песка является кварц. При выветривании гранита кварц оказывается самым твердым и химически стойким минералом, не подвергающимся разрушению, а разрушающим более слабые соседствующие с ним минералы (полевой шпат, слюду и т. п.). Его зерна лишь слегка окатываются при перемещении ветром или водой.
Не менее распространенной, чем песок, рыхлой осадочной породой является глина, поскольку источником ее образования служат самые распространенные минералы изверженных пород – полевые шпаты.
Под действием минерализованных грунтовых вод и давления вышележащих горных пород рыхлые осадочные породы могут цементироваться, образуя так называемые сцементированные осадочные породы: песчаники, брекчии и конгломераты.
Песчаники
Песчаники состоят из зерен кварцевого песка, сцементированного природным цементом, например, карбонатом кальция, водным кремнеземом, гипсом и т. п. Цементация происходит путем постепенного осаждения на зернах песка цементирующего вещества из воды (как накипь в чайнике). В зависимости от цементирующего вещества песчаники называют известковыми, кремнистыми и т. д. Цвет их зависит от цвета цементирующего вещества.
Наибольшее применение в строительстве получили достаточно водостойкие известковые и кремнистые песчаники. Известковые песчаники легче обрабатываются, кремнистые более прочные и стойкие.
Плотность песчаников – 2300…2500 кг/м , прочность – от 10 до 100 МПа. Песчаники использовали для возведения зданий с глубокой древности, так как добывать их значительно легче, чем магматические породы, а свойства их достаточно хорошие. Известно много памятников архитектуры: соборов и замков (например, Виндзорский замок – резиденция английских королей), построенных из песчаника. В настоящее время песчаники используют для фундаментов, подпорных стенок, тротуаров, а особо стойкие – для облицовок; кроме того, из песчаников делают щебень для бетонов и дорожных покрытий.
Конгломераты и брекчии
Конгломераты и брекчии (природные бетоны) – породы, состоящие из сцементированных крупных зерен гравия {конгломераты) или из остроугольных с шероховатой поверхностью зерен щебня (брекчии). Области их использования такие же, как у песчаников.
Органогенные осадочные породы в основном состоят из карбоната кальция СаС03 и реже из аморфного кремнезема Si02. Главнейшие породы в этой группе – известняки различного вида, используемые человеком для самых разных целей с глубокой древности.
Известняки плотные
Известняки плотные – широко распространенная на Земле горная порода, состоящая в основном из кальцита СаС03; кроме кальцита они содержат примеси магнезита, глины и кремнезема. Цвет известняков в зависимости от примесей: белый, светло-серый, серовато-кремовый или желтоватый.
Плотность известняков – 2000…2600 кг/м , прочность при сжатии у них сравнима с прочностью бетона и составляет 10… 100 МПа. Твердость небольшая – З…3,5, что позволяет легко добывать и обрабатывать известняк. Морозостойкость известняков существенно зависит от пористости, степени цементации, наличия примесей и нуждается в постоянном контроле. Абсолютно не стойки они к воздействию кислых сред.
Известняки
Известняки – одна из самых важных горных пород для строителей. Они издавна использовались для возведения зданий и их облицовки (достаточно вспомнить слова “Москва белокаменная”), из известняков делались фундаменты. Самый распространенный щебень для бетонов и дорожных покрытий – известняковый, и, наконец, известняк – сырье для получения извести и цемента.
Мраморовидные известняки
Мраморовидные известняки – переходные породы от плотных известняков к мраморам. Они имеют большую плотность (до 2700 кг/м ) и прочность (60…150 МПа), чем обычный известняк.
Известняк-ракушечник
Известняк-ракушечник – пористая порода, состоящая из раковин и панцирей моллюсков, сцементированных известковым цементом. Плотность ракушечника – 900…2000 кг/м , прочность при сжатии – 0,5…15 МПа. Он имеет низкую теплопроводность и легко поддается распиловке. Используют в виде камней и блоков как местный стеновой материал. Декоративные разновидности ракушечника применяют как облицовочный материал.
Мел
Мел – землистая горная порода, состоящая из мельчайших обломков раковин и скелетов морских микроорганизмов, представляет собой почти чистый кальцит СаС03. Используют при производстве извести, цемента, стекла и благодаря высокой дисперсности для приготовления красок и шпатлевок.
Диатомиты и трепелы
Диатомиты и трепелы – рыхлые землистые породы белого, серого или желтоватого цвета, в основном состоящие из аморфного кремнезема Si02 * лН20; по внешнему виду и физическим свойствам похожи на мел. Они образовались из остатков мельчайших водорослей, а также кремневых скелетов морской микрофауны (диатомий, радиолярий и т. п.) с примесью глины и ила. Со временем под давлением вышележащих слоев горных пород диатомиты и трепелы уплотняются и превращаются в плотную, прочную и трудно размокающую в воде породу – опоку.
В диатомите и трепеле до 75…95 % активного кремнезема, поэтому их применяют как гидравлическую добавку к вяжущим. Их также используют при производстве теплоизоляционных материалов.
Хемогенные осадочные породы образовались главным образом при испарении вод, содержащих минеральные соли. Для строителей интерес представляют сульфаты и карбонаты кальция и магния: гипс, ангидрит, известковый туф, магнезит и доломит.
Известковый туф
Известковый туф образовался в результате выпадения СаСОэ из источников подземных углекислых вод. Туфы пористы и имеют ноздреватое строение. Они легко поддаются распиловке и используются для внутренней облицовки помещений, улучшая их акустические свойства. Для этих целей приобрела популярность разновидность туфа – травертин.
Магнезит
Магнезит – порода, состоящая в основном из минерала магнезита MgC03. Используют для получения огнеупорных материалов и магнезиальных вяжущих.
Доломит
Доломит – порода, состоящая в основном из минерала доломита СаС03 * MgC03, с примесью глины, оксидов железа и др. По структуре и физическим свойствам доломит близок к плотным известия-кам: рт = 2200…2800 кг/м ; Дсж = 50…200 МПа. Поэтому его применяют в качестве строительного камня и щебня для бетона.
Гипс
Гипс – горная порода обычно белого или серого цвета, состоящая из минерала того же названия CaS04 -2H20. В строительстве используют как сырье для получения гипсовых вяжущих. Благодаря низкой твердости применяют для изготовления мелких поделок по камню.
Ангидрит
Ангидрит – плотная горная порода, состоящая преимущественно из минерала ангидрита CaS04. Цвет породы белый с голубым или серым оттенком. Используют для получения вяжущих и для внутренней отделки и скульптурных работ. На открытом воздухе быстро выветривается, переходя в гипс.
Метаморфические породы
Горные породы, находящиеся в земной коре, со временем могут существенно изменить структуру и свойства, не меняя принципиально свой химический состав. Причина таких изменений – воздействие давления, повышенных температур и минерализованных вод. Метаморфизироваться могут как магматические, так и осадочные породы. Яркий пример метаморфизма – превращение массивной магматической породы перидотита в слоистую породу серпентинит, имеющую в своем составе тонковолокнистый минерал – асбест. Среди метаморфических пород для строителя представляют интерес мрамор, кварцит, глинистый сланец и гнейс.
Мраморы
Мраморы – метаморфизированные известняки, состоящие из плотно сросшихся между собой кристаллов кальцита (СаС03), иногда с примесью доломита (СаС03 * MgC03). Кристаллы в мраморе прочно связаны друг с другом без цементирующего вещества. Это произошло за счет огромного многостороннего давления на известняки в условиях повышенных температур. Мрамор имеет высокую плотность (2600…2800 кг/м ) и прочность (RQX = 30… 100 МПа); водо-поглощение мрамора менее 1%. При всем этом твердость мрамора не высока – З…3,5, что облегчает его обработку.
Мраморы могут быть как чисто белого цвета, так и самых разнообразных цветов с характерным “мраморовидным” рисунком. Окраска мрамора объясняется проникновением в известняк в процессе мета-морфизации минерализованных вод, из которых впоследствии кристаллизуются окрашивающие мрамор минералы – примеси: гематит, лимонит, хлорит и др. Отличает мрамор от известняков еще одно свойство: мраморы хорошо полируются. Мраморы широко применяют для отделки зданий и общественных сооружений.
Кварциты
Цвет кварцитов белый, красный, темно-вишневый. Применяют их в ответственных частях зданий и сооружений, для облицовки, а также в виде щебня для бетона и сырья для получения огнеупоров.
Гнейсы
Гнейсы – слоистая порода, образовавшаяся в результате перекристаллизации гранитов и других магматических пород при одноосном давлении. Поэтому гнейсы имеют слоистое (сланцеватое) строение, что облегчает их добычу и обработку, но снижает стойкость к выветриванию. Раскалываются гнейсы по слоям слюды.
Глинистый сланец
Глинистый сланец образовался из глин в результате перекристаллизации в условиях одноосного давления и повышенных температур. Сланцы имеют темно-серый цвет и легко раскалываются на плоские плитки. Такие плитки, называемые шифером (от нем. schiefer – сланец), используются в качестве долговечного кровельного материала. Многие архитектурные памятники в Европе имеют сланцевую кровлю. В настоящее время сланцевые кровли стали популярны в коттеджном строительстве.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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