Деформационные и прочностные свойства горных пород

Большинство горных пород (при отсутствии всестороннего давления) в условиях как одноосного, так и сложного напряженного состояния при быстром нагружении и разгрузке в большом диапазоне напряжений подчиняются закона Гука – закону линейной связи относительно деформации тела и напряжения (рис. 1)

По мере увеличения напряжения сжатия усиливается деформация образца (см. рис.1). При напряжении, соответствующем пределу прочности образца на сжатие - s_СЖ, происходит его разрушение (т.е. уже нет смысла говорить о деформации образца, т.к. образца нет).

Характер зависимости e(s) определяется продолжительность действия нагрузки на образец – при медленном нагружении деформация e почти всех горных пород отклоняется от линейной связи с s (рис.1, кривая t=¥).

Как видно из рис.1, при напряжении s £s_S остаточной деформации не наблюдается как при мгновенной нагрузке (t=0), так и при нагрузке и разгрузке с длительной выдержкой (t=¥).

У большей части пород необратимые пластические деформации при медленном нагружении (t=¥) при напряжениях s_S составляющих 10 – 15 % от разрушающего напряжения (s_РАЗР, t=¥).

Пластические свойства горных пород зависят от временного характера нагрузки:

1. при многократной циклической нагрузке и разгрузке пластические деформации постепенно уменьшаются в каждом цикле.

Под влиянием длительной нагрузки некоторые породы преобритают особые – реологические свойства, например, свойства крипа (ползучести).

Крип (ползучесть) горных пород возникает под действием длительной нагрузки и характеризуется постепенным нарастанием деформации при постоянном напряжении.

Явление ползучести свойственно глинам, аргиллитам, глинистым сланцам, калийной соли. Ползучесть отличается от пластической деформации тем, что она возникает при длительном воздействии напряжений, не превышающих предела упругости породы (т.е. s <s_S), тогда как при пластической деформации s >s_S (рис.1).

Почти все породы при различных условиях нагрузки ведут себя по разному (как хрупкие или пластичные тела):

1. при растяжении, изгибе и одноосном сжатии – как хрупкие тела (пластические свойства почти не проявляются – разрушение пород происходит без заметной пластической деформации их);

2. при всестороннем сжатии многие породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают пластические свойства (чаще, однако, породы ограниченно пластичны).

Обнаружено несоответствие между деформационными свойствами горных пород, определенных при лабораторных испытаниях, и реальными деформациями горных пород в естественных условиях.

Так, например, лабораторные испытания образцов песчаника, глинистого сланца и др. пород показали отсутствие перехода в пластическое состояние всесторонних давлений сжатия, соответствующих глубинам до 3000 м.

Но практика горных пород показывает, что и на меньших глубинах происходят деформации горных пород, похожие на пластические.

Это объясняется тем, что пластические деформации могут иметь различный механизм:

1. Вследствие межзерновых движений. В таких породах как песчаники, известняки и др., состоящих из сцементированных зерен или мелких сросшихся кристаллов, отделенные зерна смещаются друг относительно друга и вращаются и порода приобретает ограниченные пластические свойства (псевдопластическая деформация).

2. Вследствие трансляционных движений атомов внутри кристаллов вдоль плоскости скольжения под действием нагрузки (каменная соль и др. породы).

3. Вследствие явления перекристаллизации пород.

Плавные структуры большинства нефтесодержащих пород, сложенных упруго-крепкими минералами, связаны с их псевдопластической деформацией, т.к. при относительно небольшой глубине залегания горное давление недостаточно для перевода пород в пластическое состояние.

Псевдопластические состояния песчаников, известняков, доломитов и др. горных пород часто происходят в результате проявления многочисленных микротрещин и микроперемещениям по ним отдельных частей породы.

Несмотря на достаточную неизученность механизма пластичности, псевдопластичности и ползучести горных пород, установлено, что эти явления происходят даже на сравнительно небольших глубинах.

Например, известно, что нарушенное естественное поле напряжений вокруг горных выработок и нефтяных скважин в значительной мере со временем восстанавливается – давление на крепь выработки и на обсадные трубы длительное время после окончания бурения возрастает (из-за проявления ползучести и пластичности некоторых пород). Это свидетельствует о необходимости и важности изучения пластических и др. деформационных свойств горных пород.