Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Под воздействием внешних сил горные породы испытывают деформации, связанные с изменениями их линейных размеров, объема или формы. Характер и значение деформаций зависят от приложенных напряжений и их типа. Деформации от нормальных напряжений выражаются через относительные изменения е линей­ных размеров образца и называются линейными:

е = А///, (1.5)

где А/ — изменение линейного размера I образца.

Деформации от касательных напряжений выражаются через угол сдвига у граней образца и определяются, например, для де­формации сдвига как или> вследствие малости углов, tg у « у.

С учетом линейных и сдвиговых деформаций деформации лю­бой точки тела определяются симметричным тензором дефор­маций

где х, у и г — оси координат.

При увеличении нагрузок и соответствующих напряжений в по­роде деформации возрастают, при этом изменяется их зависимость от напряжения. Первая или ранняя стадия деформации большин­ства горных пород характеризуется прямой зависимостью между напряжениями и соответствующими деформациями; последние на­зываются упругими, так как после прекращения действия внешних сил деформированный объем горной породы, как правило, прини­мает исходное состояние.

При дальнейшем возрастании напряжений характер зависи­мости от них деформаций усложняется, и они уже становятся не­обратимыми после снятия нагрузки, так как форма и размеры тела полностью не восстанавливаются. Этот вид деформации но­сит название пластической.

И наконец, увеличение нагрузок может привести к такому воз­растанию деформаций, при которых порода теряет свою сплош­ность и разделяется на части. Это область разрушающих дефор­маций.

В зависимости от характера деформаций горные породы разде­ляются на упруго-хрупкие (пластические деформации практически не наблюдаются вплоть до разрушения), упруго-пластичные (раз­рушающей деформации предшествуют упругая и пластическая де­формации) и пластичные (упругая деформация практически от­сутствует) .

Способность горных пород деформироваться и разрушаться определяется характером внутренних связей между частицами по­роды, наличием в них различных дефектов и зависит от целого ряда внешних факторов: вида и способа приложения нагрузки, давления, температуры и т. п.

Прочность породы определяется критическими напряжениями, при которых происходит ее разрушение. В зависимости от вида напряжений различают пределы прочности при сжатии аСж, рас­тяжении оР, сдвиге тСд, изгибе сТизг и т. д. Для большинства гор­ных пород имеет место неравенство

^сж ^сд ^ Оизг ®р-

При этом пределы прочности на растяжение редко превышают 10 % прочности на сжатие, что объясняется большим количеством нарушений и неоднородностей в породах и слабыми силами сцеп­ления между частицами.

Основным показателем, характеризующим прочностные свой­ства горных пород применительно к процессу их разрушения при механических способах бурения скважин, является твердость — местная прочность на вдавливание в породу элемента вооружения породоразрушающего инструмента.

При повышении температуры в зависимости от величины и на­правленности термических процессов возможен различный харак­тер изменения прочностных характеристик горных пород.

Если в породе в каком-то диапазоне температур ее нагрева отсутствуют термохимические и физические превращения, то в этом случае основную роль в изменении ее прочностных свойств будут играть термонанряжения, возникающие из-за неравномерного теп­лового расширения различных минеральных зерен или их поли­морфных превращений.

Экспериментальные данные показывают, что возникновение в этих условиях растягивающих напряжений способствует расши­рению микротрещин и снижению прочности пород, а появление сжимающих напряжений приводит к уменьшению микротрещино­ватости и к некоторому увеличению прочности при первоначаль­ном повышении температуры. Об этом говорит появление макси­мумов на кривых зависимости предела прочности при сжатии не­которых пород от степени их нагревания (рис. 1.2,а).

Опыты показывают, что упрочнение в основном характерно для плотных мелкозернистых пород. Повышение прочности до темпе­ратур примерно 800°С обнаружено у мелкозернистого песчаника (размер зерен й — 0,02-г-0,3 мм),серпентинита (с? = 0,1 — т-0,6мм), халькозиновой руды, уртита (рис. 1.2,6). У многих крупнозерни­стых пород, например гранитов, наблюдается снижение прочности с самого начала нагревания (рис, 1.2,в).

При температурах выше 800 °С почти во всех породах начинает преобладать разупрочняющий эффект термонапряжений.

Физические и термохимические эффекты при нагревании гор­ных пород чаще всего приводят к их разупрочнению. Однако неко­торые фазовые переходы могут вызвать скачкообразное увеличе­ние механических параметров породы.

Так, для кварцсодержащих пород (например, кварцитов, пес­чаников) существует точка минимума значения модуля упругости Е около температуры 573°С, выше которой происходит резкое его возрастание. Это объясняется полиморфным превращением квар­ца— переходом низкотемпературной тригональной модификации кварца (а-кварц) в высокотемпературную гексагональную ^(Р-кварц) (см. рис. 1.1,а).

Глинистые породы, имеющие водно-коллоидный характер связи между частицами, с повышением температуры спекаются, упроч-

)

Все параметры пород, характеризующие их пластичность, пол­зучесть, релаксацию напряжений, с повышением температуры уве­личиваются. Вязкость пород с нагреванием снижается.

Изменение температуры породы приводит к изменению не только ее прочности, но и механизма разрушения. Повышение температуры способствует проявлению пластичного характера разрушения пород.

Понижение температуры приводит к уменьшению пластичности и увеличению модуля упругости пород, возрастает их статическая прочность. В то же время при глубоком охлаждении пород резко возрастает их хрупкость. При динамических нагрузках они разру­шаются легче, чем в условиях положительных температур. Так, удельная работа разрушения габбро-диабаза и различных песча­ников при температурах ниже —150°С в 4—6 раз меньше работы разрушения при нормальной температуре, несмотря на то, что предел прочности этих пород при низких температурах 0Сж уве­личивается в 1,1 —1,7 раза.

Упрочняющие и разупрочняющие эффекты, возникающие при нагревании или охлаждении горных пород, приводят к остаточ­ным изменениям их свойств. Так, прочность фосфоритовых руд Каратау, равномерно нагретых до 500°С и затем охлажденных, снижается на 30—40 %; энергоемкость разрушения неокисленных железистых кварцитов меняется в зависимости от температуры предварительного нагревания. Породы, склонные к значительным проявлениям пластических деформаций при нагревании (например.

габбро), обнаруживают повышение энергоемкости разрушения после нагревания.

Эффект разупрочнения пород после нагревания или глубокого охлаждения усиливается при быстром, динамическом воздействии теплового поля. Это связано с большой неоднородностью теплового поля в породе, приводящей к повышению в ней термонапряжений.

С понижением температуры горных пород ниже нуля суще­ственно изменяются прочностные свойства только у рыхлых и по­ристых водонасыщенных пород. При замерзании содержащейся в них влаги они цементируются льдом и, упрочняясь, переходят в категорию скальных пород.

С увеличением давления в условиях всестороннего сжатия все прочностные характеристики горных пород значительно повы­шаются. В результате уплотнения пород резко снижается процесс развития в них микротрещин и этим, в частности, объясняется, что разница между прочностью на сжатие и прочностью на рас­тяжение в этих условиях существенно уменьшается.

В табл. 1.2 приведены некоторые механические свойства ос­новных типов горных пород.

Комментарии запрещены.