Физико-механические свойства горных пород

Горные породы могут залегать в земной коре сплошными пластами или образовывать отдельные тела - скалы 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 образовались в результате перекатывания водой.

Валун имеет гладкую поверхность и округлую форму.

Классификация Классификация горных пород основана, прежде всего, на их происхождении, на основании которого они делятся на 3 большие группы: магматические - иначе называемые самородными - образовались в результате подъема мантийного материала из глубин, который затвердевает и кристаллизуется в результате изменения давления и температуры; осадочные - образовались в результате накопления продуктов механического или биологического разрушения других пород выветриванием, дроблением, переносом частиц, химическим распадом; метаморфические - I

Происхождение отражает характер геологического процесса, в результате которого образовалась порода, поэтому каждому типу образования соответствует определенный набор свойств. В свою очередь, классификация внутри групп также учитывает особенности минерального состава, текстуры и структуры.

Магматические породы Структура магматических пород определяется скоростью охлаждения мантии, которая обратно пропорциональна глубине. Чем дальше от поверхности, тем медленнее застывает магма, образуя плотную массу с крупными минеральными кристаллами.

Типичным представителем глубинной магматической породы является гранит. Быстрый прорыв магмы на поверхность возможен через трещины и разломы в земной коре. В этом случае мантийный материал быстро застывает, образуя тяжелую плотную массу с мелкими кристаллами, часто неразличимыми на глаз. Наиболее распространенной породой этого типа является базальт, имеющий вулканическое происхождение. Магматические породы делятся на интрузивные, которые образовались в глубине, и эффузивные, застывшие на поверхности.

Первые характеризуются более плотной структурой. Основными минералами в магматических породах являются кварц и полевые шпаты. По происхождению и составу различают 4 группы осадочных пород: обломочно-терригенные - осадочные породы накапливаются из продуктов механического дробления более древних пород; хемогенные - образуются в результате химических процессов седиментации; биогенные - образуются из остатков живого органического вещества; вулканогенно-осадочные - образуются в результате вулканической деятельности туфы, кластолавы и др.

Из осадочных пород извлекаются широко распространенные органические минералы горючих свойств нефти, асфальта, газов, каменного угля, бурого угля, озокерита, антрацита и др. Такие образования называются каустобилитами. Метаморфические породы Метаморфические породы образуются в результате преобразования более древних геологических масс различного генезиса.

Эти изменения являются результатом тектонических процессов, которые заставляют породы погружаться глубже, в условия более высокого давления и температуры. Движения 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 горных пород. Примером такого метаморфизма является превращение песчаника в кварцит.

Общая характеристика физико-механических свойств и их практическое значение Основными физико-механическими свойствами горных пород являются: параметры, характеризующие деформацию под действием различных нагрузок пластичность, плывучесть, упругость; реакции на воздействие твердого тела абразивность, твердость; физические параметры массива породы плотность, водопроницаемость, пористость и т.д.; реакции на механическое воздействие хрупкость, прочность.

Все эти характеристики позволяют определить скорость разрушения породы, риск обрушения и экономическую стоимость бурения. Данные о физических и химических свойствах играют огромную роль в операциях по добыче полезных ископаемых.

Особенно важно взаимодействие между породой и буровым инструментом, которое влияет на производительность и износ оборудования.

Этот параметр характеризуется абразивностью. В отличие от других твердых тел, физико-механические свойства породы непостоянны, то есть изменяются в зависимости от направления нагрузки.

Эта особенность называется анизотропией и определяется соответствующим коэффициентом Кана. Плотность относится к четырем параметрам этой категории свойств: плотность - это масса на единицу объема только твердого компонента породы, насыпная плотность рассчитывается подобно плотности, но с учетом пустот, к которым относятся поры и трещины, пористость описывает количество пустот в структуре породы, а трещиноватость указывает на количество трещин. <Поскольку масса воздушных полостей по сравнению с твердыми телами ничтожно мала, пористые породы всегда имеют большую плотность, чем их объемная масса. Если, помимо пор, в породе имеются трещины, эта разница увеличивается. В пористых породах значение объемной массы всегда больше плотности. При наличии трещин эта разница увеличивается. Другие физические и химические свойства пород зависят от количества пустот. Пористость снижает прочность, что делает породу более восприимчивой к разрушению.

Пористость, однако, делает породу более шероховатой и более восприимчивой к повреждению инструментом. Пористость также влияет на водопоглощение, проницаемость и влагоемкость.

Наиболее пористые породы имеют осадочное происхождение. Исключение составляют некоторые породы, классифицируемые как излившиеся. Примерами таких пород являются трахиты, туфовые лавы и т.д. Проницаемость Проницаемость характеризует взаимодействие бурового раствора с горными породами в процессе бурения. Эта категория свойств включает 4 характеристики: фильтрация; теплообмен; капиллярная проницаемость.

Первое свойство в этой группе является определяющим, так как влияет на степень поглощения бурового раствора и разрушение породы в зоне перфорации.

Первое свойство в этой группе является определяющим, так как влияет на степень поглощения бурового раствора и разрушение породы в зоне перфорации.

Фильтрация вызывает глинистые породы.

Фильтрация вызывает набухание глинистых пород и потерю устойчивости после первичного проникновения. Расчеты добычи нефти и газа основаны на этом параметре. Прочность характеризует способность породы сопротивляться разрушению под действием механической нагрузки.

Математически это свойство выражается в значении критического напряжения, при котором происходит разрушение породы. Это значение называется прочностью на растяжение. Фактически, она устанавливает порог воздействия, до которого порода устойчива к определенному виду нагрузки. Существует четыре типа пределов прочности: изгиб, сдвиг, растяжение и сжатие, которые описывают устойчивость к соответствующим механическим нагрузкам.

Удар может быть одноосным односторонним или многоосным со всех сторон. Прочность - это комплексная величина, в которую включены все пределы сопротивления. На основании этих значений в системе координат строится специальный паспорт, который представляет собой огибающую кругов напряжений. В простейшем варианте графика учитываются только 2 величины, например, растяжение и сжатие, пределы которых откладываются по осям абсцисс и ординат.

По полученным экспериментальным данным строятся окружности Мора, а затем к ним проводится касательная. Точки внутри окружностей на таком графике соответствуют значениям напряжения, при которых происходит разрушение породы.

По полученным экспериментальным данным строятся окружности Мора, а затем к ним проводятся касательные.

Полная таблица прочности включает в себя все виды пределов. Упругость Упругость характеризует способность породы восстанавливать свою первоначальную форму после снятия деформирующей нагрузки. Это свойство характеризуется четырьмя параметрами: модуль упругости или модуль Юнга, который является численным выражением пропорциональности между величиной напряжения и вызванной им продольной деформацией; модуль сдвига - мера пропорциональности между касательным напряжением и относительной деформацией сдвига; объемный модуль упругости, рассчитываемый как отношение напряжения к относительной упругой деформации по объему; коэффициент Пуассона - мера пропорциональности между величинами напряжения и деформации со всех сторон породы. <Модуль Юнга> характеризует жесткость породы и ее способность сопротивляться упругой нагрузке. Реологические свойства Эти свойства иначе называют свойствами вязкости. Они отражают снижение прочности и напряжения в результате длительного нагружения и выражаются двумя основными параметрами: ползучестью, которая характеризует постепенное увеличение деформации при постоянном напряжении, и релаксацией, которая определяет время снижения напряжения, возникающего в породе при непрерывной деформации.

Явление ползучести проявляется, когда величина механического воздействия на породу меньше предела упругости. В этом случае нагрузка должна быть достаточно продолжительной. Методы определения физико-механических свойств горных пород Определение этой группы свойств основано на экспериментальном расчете отклика на нагрузки. Например, чтобы установить пределы прочности, образец породы сжимают под давлением или растягивают, чтобы выяснить уровень воздействия, который приводит к разрушению.

Параметры упругости определяются по соответствующим формулам. Все эти методы называются физическим нагружением вдавливанием в лабораторных условиях. Некоторые физико-механические свойства можно определить и в полевых условиях, используя метод разрушения призмы. Несмотря на сложность и высокую стоимость, этот метод более реалистично определяет реакцию природного геологического массива на нагрузку.


Навигация

thoughts on “Физико-механические свойства горных пород

  1. Неоднократно доводилось читать подобные посты на англоязычных блогах, но это не выходит что ваш пост мне не понравился

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *