Вариат 10. Характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам

• Название: Характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам
• Дата: 17.11.2019
• Размер: 23.26 Kb.
• Имя файла: Вариат 10.docx
• Тип: Документы; #95546

Механические свойства характеризуют поведение горных пород в различных механических силовых полях. Их подразделяют на ряд групп: прочностные, характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам; деформационные, характеризующие упругую и пластическую деформируемость пород под нагрузками; акустические, харак­теризующие условия передачи породами упругих колебаний; реологические, характеризующие деформирование пород во времени при заданных условиях нагружения; горнотехнологи­ческие, характеризующие реакцию пород на воздействие каких-либо определœенных технологических процессов или инстру­ментов.

Прочностные свойства определяют способность пород со­противляться разрушению под действием приложенных к ним внешних сил. Οʜᴎ характеризуются пределами проч­ности при сжатии и растяжении, сцеплением и углом внутрен­него трения.

Пределом прочности [σ]называют максимальное значение напряжения, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ выдерживает образец до разрушения:

[σ] = P/F, (1)

где Р— разрушающая нагрузка; F— площадь, на которую дей­ствует приложенная нагрузка.

Предел прочности при одноосном сжатии образцов горных пород или, короче, прочность на сжатие [σ_сж] — наиболее ши­роко определяемая характеристика прочности пород. Ее наи­высшие значения для горных пород достигают 500 МПа (наиболее прочные - базальты, кварциты), минимальные значе­ния измеряются десятыми долями МПа (мергель, гипс, каменная соль в водонасыщенном состоянии). Учитывая зависимость отсостава и струк­туры пород даже одного петрографического наименования прочность на сжатие может колебаться в весьма больших пре­делах. Так, показатель [σ_сж]для различных базальтов изменя­ется в диапазоне 30—500 МПа, гранитов — 37—380 МПа. Обычно прочность пород на сжатие тем выше, чем выше их плотность.

Прочность на растяжение [σ_р] горных пород значительно ниже их прочности на сжатие. Это одна из наиболее характер­ных особенностей горных пород, определяющих их поведение в поле механических сил. Горные породы плохо сопротивля­ются растягивающим усилиям, появление которых в тех или иных участках массива пород при разработке служит крите­рием опасности обрушений пород и разрушения горных вы­работок.

Отношение [σ_р]/[σ_сж] весьма показательно для сравнитель­ной характеристики различных пород и колеблется в пределах 1/5 ÷ 1/80, чаще же всœего в пределах 1/15 ÷ 1/40. Верхний предел 1/5 соответствует глинистым породам, нижний — наиболее хрупким породам (гранитам, песчаникам и др.).

Прочность на срез (сдвиг) может быть охарактеризована двумя функционально связанными параметрами: сцеплением и углом внутреннего трения породы. Эту функциональную связь выражают уравнением Кулона—Мора:

τ_n = σ_n tg φ + [τ_о], (2)

где σ_n — нормальное напряжение при срезе; φ — угол внутрен­него трения; [τ_о] — сцепление.

Сцепление [τ_о] характеризует предельное сопротивление срезу по площадке, на которой отсутствует нормальное давле­ние, т. е. нет сопротивления срезающим усилиям за счет внут­реннего трения. Угол внутреннего трения φ или коэффициент внутреннего трения tgφ характеризует интенсивность роста сре­зающих напряжений с возрастанием нормальных напряжений, т. е. представляет собой коэффициент пропорциональности между приращениями касательных dτ_nи нормальных dσ_nна­пряжений при срезе.

Значение сцепления горных пород меняется в пределах от десятых долей (глины, мергели, слабо сцементированные пес­чаники и др.) до сотен килограмм-сил на квадратный санти­метр (прочные песчаники и массивно-кристаллические породы), угол внутреннего трения — от 10—15 для некоторых глин до 35—60° для прочных массивно-кристаллических и метаморфи­чески

Под пластичностью в общем  случае понимают свойства твердых пород  сохранять остаточную деформацию, возникшую  под воздействием внешних сил, после  прекращения их действия. Пластичность проявляется  тогда, когда напряжение превысило  предел упругости, и предшествует разрушению. Пластические деформации в отличие  от упругих непропорциональны величине деформирующего напряжения, а растут быстрее, например, пластилин или влажная глина. Если пластические деформации растут без роста давления, то тело идеально пластично и деформируется в режиме ползучести (режиме растекающегося масла). Если рассматривать поведение вещества за долгий промежуток времени, то текучим оказывается «твердый» битум, а за геологическое долгое время текучими оказываются многие горные породы. Горные породы по пластичности разделены на шесть категорий. К первой отнесены упруго-хрупкие породы. Ко второй–пятой категориям пластично-хрупкие породы, а шестую составляют высокопластичные горные породы. В табл. 23 приведена классификация осадочных пород по пластичности.

В недрах пластичными  оказываются породы хрупкие на поверхности, потому что пластичность пород возрастает при растущих давлениях и температурах за геологически большие промежутки времени. Например, лед и сухая глина – хрупкие на поверхности, в тот же время на глубине несколько сот метров они пластичные. Этим обусловлено медленное течение ледников, галит на глубине более 500 метров выдавливается, образуя соляные купола и штоки.

Таблица 1 Классификация осадочных  горных пород по пластичности

Коэффициент пластичности	1	1,22	2,3	3,4	4,6	>6
Породы	Кремнистые, кварцевые песчаники	Сланцевые глины, глинистые  сланцы, аргиллиты, алевролиты, кремнистые породы	Глинистые сланцы и аргиллиты, известняки,  мелкозернистые доломиты, сульфатные породы,  песчаники кварцевые, алевролиты кварцевые	Известняки,  доломиты,  ангидриты,  песчаники кварцевыеалевролиты кварцевые	Известняки, доломиты	Глинистые мергели, известняки, доломиты

Пористые породы пластичны  за счет деформации пор и выдавливания порового флюида. На глубинах в несколько  километров, пластичность появляется у перекристаллизующихся в мрамор известняков, что видно на отдельных плитках мрамора на полу коридоров университета: в некоторых истертых ногами плитках проявляется сложная плойчатость, образовавшаяся в вязком состоянии. Песчаники, кварциты и даже граниты преобразуются в гнейсы с чертами слоистости, плойчатости и течения, сформировавшиеся когда началось частичное плавление и размягчение пород. Пластическая деформация может скомпенсировать внешнее давление, а если нагрузку снять, то деформация сохранится. На этом свойстве основана штамповка по металлу или пластмассы. Пластичность также проявляется  в релаксации напряжений в горных породах. Например, если образец горной породы зажать в тисках, деформируя на постоянную величину, находящуюся  в пределах области упругой деформации, и оставить в таком положении  на длительное время, то постепенно сила противодействия сжатой породы будет  уменьшаться, а её деформация перейдет из упругой в пластическую. Вынув этот образец из тисков, мы обнаружим на нем вмятину (остаточную деформацию). Еще одно важное проявление пластичности – это ползучесть горных пород, т.е. непрерывный рост деформации при постоянном нагружении. Она проявляется при продолжительном действии постоянной нагрузки, даже если напряжение в породе меньше предела упругости. Наглядной иллюстрацией этого является следующий опыт. Если на образец горной породы поставить гирю и оставить её на продолжительное время, а потом снять, на поверхности образца останется след. Из осадочных горных пород значительной ползучестью обладают глины, глинистые сланцы, аргиллиты, некоторые известняки. Ползучесть горных пород  является одной из причин неустойчивости стенок скважин в процессе бурения, что серьезно затрудняет проводку скважины.