Деформационные свойства горных пород

Вязкость - это сопротивление пород силам, стремящимся разъединить их частицы. В однородных и простых породах вязкость равномерна во всех направлениях. В породах неоднородного сложения или сложных вязкость, как и твердость, меньше вдоль слоев и больше в направлении, перпендикулярном к слоям. Наибольшей вязкостью обладают мелкозернистые породы.
Разрыхляемость - способность горных пород к разукрупнению, разрыхлению и укладке (в т. ч. и в емкости).
Разрыхляемость породы характеризуется коэффициентом разрыхления k_v.
Коэффициент разрыхления - это отношение объема породы в состоянии разрыхления V_p к первоначальному объему той же породы в массиве V, т. е. 

2.Деформационные и прочностные свойства горных пород.

Большая часть горных пород при отсутствии высокого всестороннего давления как в условиях одноосного, так и сложного напряженного состояния, при быстром нагружении или разгрузке в большом диапазоне напряжений хорошо подчиняются закону Гука. Горные породы условно разделяются на твердые, пластичные, сыпучие и т. д. Однако хрупкость или пластичность не является их постоянным свойством. Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя и как хрупкие и как пластичные тела. При растяжении, изгибе и одноосном сжатии пластические свойства горных пород почти не проявляются. Разрушение пород происходит без заметной пластической деформации. При всестороннем сжатии многие горные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают значительные пластические свойства. Правда, горные породы, как правило, ограниченно пластичны. В зависимости от состава и свойств пород, условий их залегания и действия нагрузки механизм пластических деформаций может быть различен. Иногда пластические деформации пород происходят вследствие межзерновых и трансляционных движений и явлений перекристаллизации. Если сжимать породы типа песчаников, известняков и др., состоящие из сцементированных зерен кварца или мелких сросшихся кристаллов кальцита, отдельные зерна могут двигаться независимо друг от друга. Каждое зерно под нагрузкой движется и вращается около соседних. В результате такого перемещения зерен, которое можно рассматривать как межзерновое, порода приобретает ограниченные пластические свойства.
Термические свойства горных пород.
В нефтепромысловом деле широко применяются термические исследования скважин для решения ряда геологических и технических задач: изучение пород, слагающих разрез скважин по их тепловым свойствам, выявление в разрезе скважин горизонтов, содержащих полезные ископаемые, изучение технического состояния скважин и обсадных колонн и т. д. Особенно часто промысловые работники сталкиваются с тепловыми свойствами пород при проектировании различных методов теплового воздействия на пласт (введение в пласт горячей воды или других теплоносителей, чтобы увеличить количество извлекаемой нефти из пласта, обработка забоев и стволов скважин горячими агентами для удаления парафина и т. д.). Установлено, что с увеличением пористости, влажности и температуры теплоемкость пород возрастает. Зависит она также от минералогического состава, от количества и состава солей, которые растворены в воде, содержащейся в породе. С ростом пористости пород теплопроводность их уменьшается. При свободном движении вод, способствующем дополнительному переносу тепла, коэффициент теплопроводности пород возрастает с увеличением проницаемости. С увеличением нефтенасыщенности пород коэффициент теплопроводности также уменьшается. Он мало зависит от минерализации пластовых вод. Породам также присуща анизотропия тепловых свойств - в направлении напластования теплопроводность выше, чем в направлении, перпендикулярном напластованию. Рост газонасыщенности пород, так же как и уменьшение влажности, сопровождается уменьшением теплопроводности.
3.ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД.
Горные породы под действием внешних сил меняют свою форму и размеры, т.е. деформируются.
Изменение относительного положения частичек породы, вызывающее изменение объема и формы пород, называется деформацией.
Деформации могут быть неразрушающими и разрушающими.
Неразрушающие деформации изменяют размеры, форму и объем породы без нарушения ее сплошности; разрушающие – приводят к разделению породы на отдельные части.
Если после всестороннего длительного сжатия образец горной породы в некоторый момент времени разгрузить, то часть деформаций, приобретенных под нагрузкой, с течением времени может восстановится. Такие деформации носят название деформаций генетического возврата (от слова «генезис» – происхождение осадочного массива).
Деформацию, появляющуюся в момент приложения нагрузки, называют упруго-мгновенной, а деформацию, которая развивается с течением времени – деформацией ползучести.
При увеличении нагрузок можно наблюдать три области деформации породы: упругую, пластическую и разрушающую. В зависимости от соотношения вида деформаций при сжатии, горные породы подразделяются на упругие или хрупкие (пластическая зона практически не наблюдается), упруго-пластичные (разрушающей деформации предшествует зона пластической деформации) и пластичные (упругая деформация незначительна).
На рисунке 5.1 представлены типичные графики деформаций пород.
Нормальные напряжения в образцах горных пород вызывают изменение их линейных размеров. Деформации в этом случае называются линейными.
Относительное изменение линейных размеров составляет
, (5.1)
где l – длина ребра деформированного образца, мм;
l_o– длина ребра образца горной породы до деформирования, мм.
Р исунок 5.1 – Типичные графики деформаций пород: 1 – упругой (кварцит); 2 – упругопластической (осадочные породы); 3 – пластичной (мрамор): ОВ и ОВ´ – зона упругих деформаций; В´С и ОС´ — зона пластических деформаций; точки В, С, С´ — моменты разрушения пород.
Касательные напряжения вызывают сдвиговые деформации, определяемые величиной угла сдвига грани образца.
Деформационные характеристики горных пород определяют обычно в лабораторных условиях при приложении к образцам нагрузок. Для этих целей используют «мягкие» и «жесткие» испытательные машины, на которых выполняются механические испытания горных пород.
В «мягких» испытательных машинах, в процессе деформирования накапливается большое количество упругой энергии, которая превращается в кинетическую в момент разрушения образца и поэтому разрушение приобретает взрывной характер (например: внезапный выброс породы, горный удар). В «жестких» испытательных машинах, наоборот, это количество энергии невелико и имеется возможность изучать характер деформирования породы за пределом максимальной сопротивляемости (например: процессы деформирования, растянутые во времени).
Для более полного представления о деформационных свойствах горных пород, в качестве примера рассмотрим полную диаграмму деформирования образца горной породы при сжатии (рисунок 5.2).
На диаграмме следует различать:
о-а – участок, характеризующий закрытие пор, трещин (т.е. дефектов породы);
а-в – участок, характеризующий область упругих деформаций (наблюдается линейная зависимость);
в-с – участок, характеризующий область начала возникновения трещин и пластической деформации. Если в точке сснять нагрузку, то процесс остановится и микротрещины закроются;
Ри сунок 5.2 – Полная диаграмма деформирования образца горной породы.
с-d – участок, характеризующий процесс развития образовавшихся трещин. Процесс неустойчивый, лавинообразный характер. Точка dсоответствует максимальной сопротивляемости образца разрушению.
d-е – участок, характеризующий уменьшение несущей способности образца. На этом участке наблюдают процесс дилатансии, т.е. увеличение объема образца.
е-k – участок, характеризующий разрушение испытываемого образца.
+Таким образом, горные породы не являются идеально упругими или идеально пластическими телами, в результате при их нагружении всегда наблюдается наряду с упругой деформацией, в той или иной степени, пластическая деформация.

4.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Арсеньтев А.И., Букин Н.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. - М: Недра, 1982.
2. Абрамов С.К., Газизов М.С., Костенко В.Н. Защита карьеров от воды. - М: Недра, 1976.
3. Гальперин А.М. Геомеханика открытых горных работ. - М.: изд. МГГУ, 2003. - 473 с.
4. Оборудование и конструкции для осушительных работ: Каталог справочник. - М.,1971.
5. Руководство по дренажированию карьерных полей. - Л., 1986.
6. Фисенко Г.П., Ревазов М.А. и др. Укрепление откосов в карьерах. - М: Недра, 1976.
7. Шелест А.Т., Беляев В.Л. Геомеханика: Учебное пособие. - Екатеринбург: изд. УГГГА, 2001. - 187 с.