Фізико-механічні властивості гірських порід. Види та класифікація гірських порід
Опубликованно 02.11.2018 06:53
Фізико-механічні властивості в сукупності описують реакцію конкретної гірської породи на різні типи навантажень, що має велике значення при розробці свердловин, будівництві, видобуванні корисних копалин та інших роботах, пов'язаних з руйнуванням породних масивів. Завдяки цим даним можна розрахувати параметри режиму буріння, правильно підібрати інструмент і визначити конструкцію свердловини.
Фізико-механічні властивості гірських порід багато в чому залежать від вхідних в їх склад породоутворюючих мінералів, а також від характеру процесу формування. Реакція породи на різні механічні дії визначається особливістю її структури і хімічного складу. Що таке гірська порода
Гірська порода — це освічена мінеральними агрегатами або їх уламками геологічна маса, що володіє певними текстурою, структурою і фізико-механічними властивостями.
Під текстурою розуміють характер взаємного розташування мінеральних частинок, а структура описує всі особливості будови, до яких належать: характеристика мінеральних зерен (форма, розмір, опис поверхні); особливості з'єднання мінеральних частинок; склад і структура розчину цементу.
Текстура і структура в сукупності складають внутрішню будову гірської породи. Ці параметри в значній мірі визначаються природою породоутворюючих матеріалів і характером геологічних процесів формування, які можуть протікати як у глибині, так і на поверхні.
У спрощеному розумінні гірська порода являє собою складає земну кору речовина, що характеризується певним мінеральним складом і дискретним набором фізико-механічних властивостей. Загальна характеристика гірських порід
Гірські породи можуть бути утворені мінералами різного агрегатного стану, найбільш часто — твердого. Значно рідше зустрічаються породи з рідких мінералів (вода, нафта, ртуть) і газоподібному (природний газ). Тверді агрегати найчастіше мають форму кристалів певної геометричної форми.
З 3000 відомих в даний час мінералів лише кілька десятків є породоутворюючими. Серед останніх виділяють шість різновидів: глинисті; карбонатні; хлоридні; окисні; сульфатні; силікатні.
Серед мінералів, що складають певний вид гірської породи, 95 % припадає на породоутворюючі і близько 5 % — на акцесорні (інакше допоміжні), які являють собою характерну домішка.
Гірські породи можуть залягати в земній корі суцільними шарами або утворювати окремі тіла — камені і валуни. Останні являють собою тверді шматки будь-якого складу, за винятком металів і піску. На відміну від каменю, валун має гладку поверхню і округлу форму, які сформувалися в результаті обкатки водою. Класифікація
В основі класифікації гірських порід лежить в першу чергу походження, на підставі якого вони поділяються на 3 великі групи: магматичні (інакше називаються виверженими) — формуються в результаті підйому з глибин мантійного речовини, яка в результаті зміни тиску і температури твердне і кристалізується; осадові — утворюються в результаті накопичення продуктів механічного або біологічного руйнування інших порід (вивітрювання, дроблення, перенесення частинок, хімічного розкладання); метаморфічні — є результатом перетворення (наприклад, перекристалізації) магматичних або осадових порід.
Походження відображає характер геологічного процесу, в результаті якого утворилася порода, тому кожному типу формування відповідає певний набір властивостей. У свою чергу, класифікація всередині груп враховує також особливості мінерального складу, текстури і структури. Магматичні породи
Характер будови магматичних порід визначається швидкістю охолодження мантійного речовини, яка обернено пропорційна глибині. Чим далі від поверхні, тим магма застигає повільніше, формуючи щільну масу з великими мінеральними кристалами. Типовим представником глибинної магматичної породи є граніт.
Швидкий прорив магми на поверхню можливий через тріщини і розломи земної кори. У такому разі мантійна речовина швидко твердне, утворюючи важку щільну масу з дрібними кристалами, часто не відрізнити на око. Найбільш поширеною породою такого типу є базальт, має вулканічне походження.
Магматичні породи поділяються на інтрузивні, які сформувалися в глибині, і ефузивні (інакше излившиеся), які застигли на поверхні. Перші характеризуються більш щільною структурою. Основними мінералами магматичних порід є кварц і польові шпати.
Осадові породи
За походженням і складом виділяють 4 групи осадових порід: уламкові (теригенні) — осад накопичується з продуктів механічного подрібнення більш давніх порід; хемогенные — утворюються в результаті процесів хімічного осадження; біогенні — формуються з залишків живої органічної матерії; вулканогенно-осадкові — формуються в результаті вулканічної діяльності (туфи, кластолавы та ін).
Саме з осадових порід видобуваються загальнопоширені корисні копалини органічного походження, що володіють горючими властивостями (нафта, асфальт, гази, кам'яне і буре вугілля, озокерит, антрацит та ін). Такі утворення називають каустобилитами. Метаморфічні породи
Метаморфічні породи формуються в результаті перетворення більш древніх геологічних мас різного генезу. Такі зміни є наслідком тектонічних процесів, що призводять до занурення порід на глибину, в умови з більш високими значеннями тиску і температури.
Переміщення земної кори також супроводжуються міграцією глибинних розчинів і газів, які взаємодіють з мінералами, викликаючи утворення нових хімічних сполук. Всі ці процеси призводять до зміни складу, структури, текстури і фізико-механічних властивостей порід. В якості прикладу такого метаморфізму можна навести перетворення пісковика в кварцит.
Загальна характеристика фізико-механічних властивостей та їх практичне значення
До основних фізико-механічних властивостей гірських порід відносять: параметри, що описують деформування під дією різних навантажень (пластичність, плывучесть, пружність); реакції на втручання твердого тіла (абразивність, твердість); фізичні параметри породної маси (щільність, водопроникність, пористість та ін); реакції на механічний вплив (крихкість, міцність).
Всі ці характеристики дозволяють визначити швидкість руйнування гірської породи, ризик обвалів і економічну вартість буріння.
Дані по фізико-хімічним властивостям відіграють величезну роль у проведенні робіт з видобутку загальнопоширених корисних копалин. Особливе значення має характер взаємодії гірської породи з буровим інструментом, що впливає на ефективність роботи і знос устаткування. Цей параметр характеризується абразивністю.
На відміну від інших твердих тіл, у гірських порід фізико-механічні властивості характеризуються нерівномірністю, тобто варіюють в залежності від напрямку навантаження. Така особливість називається анізотропного і визначається відповідним коефіцієнтом (Кан). Густинної характеристики
До цієї категорії властивостей відносять 4 параметри: щільність — маса одиниці об'єму тільки твердої складової породи; об'ємну масу — розраховується як щільність, але з урахуванням наявних пустот, до яких відносять пори і тріщини; пористість — характеризує кількість порожнин у структурі породи; тріщинуватість — показує кількість тріщин.
Так як маса повітряних порожнин у порівнянні з твердим речовиною незначна, у пористих гірських порід щільність завжди більше об'ємної маси. Якщо крім пір в породі є тріщини, ця різниця збільшується.
У пористих гірських порід значення об'ємної маси завжди перевищує щільність. Ця різниця збільшується при наявності тріщин.
Від кількості пустот залежать інші фізико-хімічні властивості гірських порід. Пористість зменшує міцність, що робить породу більш сприйнятливою до руйнування. Тим не менше така маса більш шорстка і сильніше пошкоджує буровий інструмент. Пористість також впливає на водопоглинання, проникність і вологоємність.
Самі пористі гірські породи мають осадове походження. У метаморфічних і магматичних породах загальний обсяг тріщин і порожнеч дуже невеликий (не більше 2 %). Виняток становлять кілька порід, віднесених до категорії що вилились. Вони мають пористість до 60 %. Прикладом таких порід є трахиты, туфові лави та ін. Проникність
Проникність характеризує взаємодію бурового розчину з гірськими породами в процесі буріння свердловин. Ця категорія властивостей включає 4 характеристики: фільтрацію; дифузію; теплообмін; капілярну просочення.
Перше властивість даної групи є визначальним, так як впливає на ступінь поглинання бурового розчину і руйнування порід в зоні перфорації. Фільтрація викликає набухання і втрату стійкості глинистих пластів гірських порід після первинного розтину. На цьому параметрі засновані розрахунки з видобутку нафти і газу. Міцність
Міцність характеризує здатність гірської породи протистояти руйнуванню під впливом механічного навантаження. Математично це властивість виражається в критичній величині напруги, при якій порода руйнується. Це значення називають межею міцності. Фактично він встановлює поріг впливу, до досягнення якого порода стійка до певного типу навантаження.
Існують 4 види меж міцності на згин, зсув, розтяг та стиск, які характеризують опірність відповідним механічним навантаженням. При цьому вплив може бути одноостным (одностороннім) або многоостным (відбувається з усіх боків).
Міцність є комплексною величиною, в яку включені всі межі опірності. На основі цих значень у системі координат будують спеціальний паспорт, який представляє собою огинаючу кіл напруги.
Найпростіший варіант графіка враховує тільки 2 значення, наприклад, розтягування і стиснення, межі яких відкладаються на осях абцисс і ординат. На підставі отриманих експериментальних даних креслять кола Мора, а потім — дотичну до них. Точки всередині кіл на такому графіку відповідають значенням напруги, при яких порода руйнується. Повний паспорт міцності включає всі види меж. Пружність
Пружність характеризує здатність породи відновлювати первісну форму після зняття деформуючої навантаження. Це властивість характеризується чотирма параметрами: модуль поздовжньої пружності (Юнга) — являє собою чисельне вираження пропорційності між значеннями напруги і викликається їм поздовжньою деформацією; модулем зсуву — міра пропорційності між дотичним напруженням та відносною деформацією зсуву; модуль об'ємної пружності — розраховується як відношення напруги до відносної пружної деформації за об'ємом (стиснення відбувається рівномірно з усіх сторін); коефіцієнтом Пуассона — міра пропорційності між величинами відносних деформацій, що відбуваються в різних напрямках (поздовжньому і поперечному).
Модуль Юнга характеризує жорсткість породи та її здатність до пружному опору навантаження. Реологічні властивості
Ці властивості інакше називають в'язкі. Вони відображають зниження міцності і напруг в результаті тривалої дії навантаження і виражаються у двох основних параметрах: повзучості — характеризує поступове збільшення деформації при постійному напрузі; релаксації — визначає час зменшення напружень, що виникають в породі при безперервній деформації.
Явище повзучості проявляється тоді, коли значення механічного впливу на породу менше, ніж межа пружності. При цьому навантаження повинна бути досить тривалою. Методи визначення фізико-механічних властивостей гірських порід
В основі визначення цієї групи властивостей лежить дослідне обчислення реакції на навантаження. Наприклад, для встановлення меж міцності зразок породи стискають під пресом або розтягують, з'ясовуючи рівень впливу, який призводить до руйнування. Параметри пружності визначаються за відповідними формулами. Всі ці методи називають навантаженням фізичними инденторами в умовах лабораторії.
Деякі фізико-механічні властивості можуть визначатися і в натурних умовах з використанням методу обвалення призм. Незважаючи на складність і високу вартість, такий спосіб більш реалістично визначає відповідь природного геологічного масиву на навантаження. Автор: Лідія Шерстова 20 Серпня, 2018
Категория: Студентам