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, изменение условий 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.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему