2014-02-24
1055
Совокупность объективных характеристик, описывающих поведение горных пород при воздействии на них внешнего механического поля (силы, давления, удара), связанное с изменением размеров, формы и целостности, принято называть механическими свойствами горных пород.
В механике разрушения используется целый ряд таких характеристик:
Прочность горных пород - это способность их в определенных условиях воспринимать силовые воздействия без разрушения, или…сопротивляться разрушению связей между частицами под нагрузкой.
Реальная (техническая) прочность отличается от теоретической, под которой понимается прочность связи между элементарными частицами, слагающими идеальную кристаллическую решетку. Например, одностороннее растяжение ионного кристалла составляет 3000 МПа. Для реальных тел отношения теоретической прочности к технической достигают больших значений: для железа - 4500, цинка - 2000, хлористого натрия - 600, кварца - 90. Основная причина – наличие большого количества дефектов от примесей, несовершенства структуры и проч.
|
|
|
Твердость пород - это их способность сопротивляться внедрению в них постороннего тела. Твердость – частный случай прочности – это «прочность на вдавливание».
Горные породы могут деформироваться в пределах упругости и претерпевать пластические (остаточные) деформации.
Способность горных пород изменять без разрушения форму и размеры в результате направленного на них силового воздействия называется деформируемостью.
Способность пород при деформации поглощать энергию, а, следовательно, не восстанавливать форму после снятия нагрузки, называется пластичностью.
Способность пород при деформации запасать энергию, а, следовательно, восстанавливать форму после снятия нагрузки, называется упругостью.
Горные породы при их нагружении характеризуются одновременным проявлением упругой и пластической деформаций, так как не являются идеально упругими или идеально пластическими телами.
Минералы в большинстве случаев деформируются как упруго-хрупкие тела: их разрушение характеризуется моментом, когда напряжения достигают предела упругости; деформации следуют закону Гука. Повышение температуры и всестороннего давления может привести к тому, что минералы будут деформироваться как упруго-пластические тела.
Горные породы деформируются зачастую, не следуя закону Гука; вследствие их дисперсного строения их связь между напряжением и деформацией носит сложный характер.
Упругое поведение тела, в том числе горных пород, может быть охарактеризовано модулем Юнга (упругости) Е, коэффициентом Пуассона μ или модулем сдвига G. Иногда необходимо знать модуль объемного сжатия k. Указанные константы изотропного тела взаимно связаны:
|
|
|
(2.1)
Модуль упругости горных пород по мере увеличения глубины их залегания возрастает. Наибольшее влияние на модуль упругости оказывают минералогический состав, структура, текстура, условия залегания, природа вещества, заполняющего поровые пространства, и др.
По Л.А. Шрейнеру, для целей бурения модуль упругости можно определить по формуле:
Еш = р(1- μ2) / 2 dШ ξуп, (2.2)
где Еш - модуль упругости породы при вдавливании цилиндрического штампа, Па; р - нагрузка на штамп, соответствующая деформации, Н; μ - коэффициент Пуассона; dШ - диаметр штампа, м; ξуп - упругая деформация, м.
Хрупкость горных пород – это способность горных пород деформироваться вплоть до разрушения по закону Гука (упругому закону).
Горные породы по предложению Л.А. Шрейнера, - одного из ведущих специалистов по механике разрушения горных пород и способам количественной оценки их свойств, - принято делить на следующие разновидности:
· упруго-хрупкие;
· упруго-пластичные;
· пластичные.
Такое деление основано на экспериментальных деформационных кривых, полученных при вдавливании штампа в образцы горных пород (рис. 2.1.):
