Деформационные и прочностные свойства горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Деформационные и прочностные свойства горных пород

Большая часть горных пород при отсутствии высокого всестороннего давления как в условиях одноосного, так и сложного напряженного состояния при быстром нагружении или разгрузке в большом диапазоне напряжений хорошо подчиняется закону Гука.

По мере увеличения напряжения на сжатие усиливается и деформация (рис. 7.1). При нагрузке, соответствующей пределу прочности образца усж, происходит его разрушение. Характер зависимости между напряжением и деформацией определяется продолжительностью действия нагрузки на образец -- при медленном нагружении деформация почти всех горных пород отклоняется от закона прямой пропорциональности (кривая с t=?). Рассматривая кривые t=0 и t=? (см. рис.7.1), можно заметить, что при напряжениях, меньших уs, 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 появляются при напряжениях уs составляющих 10--15 % от разрушающих. Пластические деформации при многократной нагрузке и разгрузке постепенно уменьшаются в каждом цикле. В ряде случаев под влиянием нагрузки некоторые горные породы приобретают специфические реологические свойства.

Реологическими свойствами горных пород принято называть изменение механических их характеристик под влиянием длительно действующих нагрузок. Установлено, что многие горные породы подвержены явлению крипа (ползучести), которое характеризуется постепенным нарастанием деформации при постоянном напряжении. Явления крипа в наибольшей степени свойственны глинам, аргиллитам, глинистым сланцам, каменной соли. Деформация ползучести зависит от структуры породы, нагрузки, времени и направления их действия. При нагрузках, действующих перпендикулярно к плоскости напластования, ползучесть возрастает. Этот вид деформации отличается от пластической тем, что она возникает при длительном воздействии напряжений, не превышающих предела упругости породы, в то время как пластическая деформация происходит при возрастающих напряжениях за пределами упругости пород.

Рис. 1 - Схематические зависимости деформации глинистого сланца от напряжений при одноосном сжатии

При изучении причудливого строения складок осадочных пород возникает вопрос: как могут твердые породы изменять свою форму без появления видимых трещин и какие процессы при этом происходят внутри породы?

Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя и как хрупкие, и как пластичные тела. При растяжении, изгибе и одноосном сжатии пластические свойства горных пород почти не проявляются. Разрушение пород происходит без заметной пластической деформации. При всестороннем сжатии многие горные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают пластические свойства. Правда, горные породы, как правило, ограниченно пластичны.

В процессе лабораторных испытаний таких пород, как песчаник, глинистый сланец и другие, не обнаружен переход в пластическое состояние при всестороннем сжатии с давлением, соответствующим глубине залегания более 3000 м. Вместе с тем практика горных работ показывает, что и на меньших глубинах происходят деформации пород, похожие на пластические.

В зависимости от состава и свойств пород, условий их залегания и действия нагрузки механизм пластических деформаций может быть различен. Иногда пластические деформации пород происходят вследствие межзерновых и трансляционных движений и явлений перекристаллизации. Если сжимать породы типа песчаников, известняков и другие, состоящие из сцементированных зерен кварца или мелких сросшихся кристаллов кальцита, отдельные зерна могут двигаться независимо друг от друга. Каждое зерно под нагрузкой движется и вращается около соседних. В результате такого перемещения зерен, которое можно рассматривать как межзерновое, порода приобретает ограниченные пластические свойства.

Большое значение в пластической деформации материалов имеют трансляционные движения, происходящие под воздействием внешней нагрузки, смещающие атомы внутри отдельных кристаллов вдоль плоскостей, известных под названием плоскостей скольжения. Такая природа пластических деформаций присуща, по-видимому, каменной соли и некоторым другим минералам, обладающим кристаллическим строением.

Иногда пластической деформации пород, по-видимому, способствуют явления перекристаллизации минералов. Часто пластичность горных пород проявляется под действием длительной нагрузки, вызывающей изменение структуры породы.

«Плавные» изгибы большинства нефтесодержащих пластов, сложенных упруго-хрупкими минералами, по-видимому, объясняются их псевдопластической деформацией, так как вследствие сравнительно небольшой глубины их залегания горное давление недостаточно для перевода большинства горных пород в пластическое состояние. По-видимому, лишь глины и глинистые породы и небольшое число минералов типа каменной соли могут претерпевать значительные пластические деформации. Пластические деформации пластов песчаника, известняков, доломитов и других пород часто происходят в результате появления многочисленных микротрещин, позволяющих отдельным участкам пластов скользить и перемещаться вдоль плоскостей ещин. При этом происходят незаметные для глаза ступенеобразные опускания отдельных участков пород, создающие впечатление плавных изгибов пластов.

Какова бы ни была природа ползучести и пластических деформаций пород, деформация их происходит даже на сравнительно небольших глубинах. Установлено, что с течением времени нарушенное поле естественных напряжений вокруг горных выработок и нефтяных скважин в значительной мере восстанавливается, и давление на крепь выработки и на обсадные грубы нефтяных скважин после окончания бурения длительное время возрастает, что объясняется проявлением ползучести и пластичности некоторых пород.

Пластические свойства горных пород еще недостаточно изучены. Вместе с тем эти свойства весьма важно знать при проектировании процессов искусственного воздействия на призабойную зону скважин. Поэтому изучению пластических свойств пород в последние годы уделяется возрастающее внимание.

Широкое разнообразие условий возникновения горных пород -- причина значительных различий в механических свойствах пористых сред даже одного класса.

Для горных пород характерна анизотропия механических свойств (модули упругости при одноосном сжатии образца вдоль напластования и перпендикулярно к напластованию не одинаковы). Упругие параметры пород зависят от давления. По данным М. П. Воларовича и Е. И. Баюка, модуль Юнга, например, песчаников пористостью 24--26 % при всестороннем сжатии может возрастать на 140 %. При этом наиболее резкое изменение упругих свойств происходит при низких давлениях порядка 60--100 МПа и продолжается до давлений 150-- 200 МПа.

Модуль пропорциональности напряжений и деформаций, наблюдаемый при однократном нагружении, модуль нормальной упругости, наблюдающийся в результате исключения необратимых деформаций многократным нагружением и разгрузкой, и динамический модуль упругости (вычисляемый по скорости распространения упругой волны), как правило, не одинаковы. Модуль нормальной упругости оказывается большим модуля пропорциональности в 1,2--1,5 раза, а модуль динамической упругости больше в 2--2,2 раза.

Установлено, что имеется значительная разница в прочностях одной и той же породы в условиях одноосного сжатия усж, изгиба уизг и одноосного растяжения урас. Для твердых пород усж>уизг>урас.

При всестороннем сжатии однородные сплошные породы разрушаются лишь при больших давлениях. При этом, когда разность главных напряжений достигает некоторого значения, многие породы переходят вначале в пластическое состояние.

Результаты исследований последних лет показывают, что горные породы при изучении их механических свойств в массивах и при использовании образцов достаточно больших размеров имеют постоянные характеристики (модуль упругости, коэффициент Пауссона, прочностные показатели и т. д.).

Для того чтобы описать деформационное поведение пластов используются реологические модели.

Реологические модели - модели, которые описывают поведение породы посредством элементов.

Реологические модели:

1. Упругие модели:

a. Модель Гука.

2. Вязкие модели:

a. Модель Ньютона.

3. Упруго-вязкие модели:

a. Модель Кельвина-Фогта.

b. Модель Максвелла.

4. Пластические модели.

5. Вязкопластические модели.

Рис. 2

горный деформация порода

Таким образом, из отдельных элементов можно скомбинировать различные типы деформационного поведения пласта.

Размещено на Allbest.ru