Физико-механические свойства пород и их буримость. Основные физико-механические свойства горных пород

Горные породы состоят из минеральных частиц, связанных между собой силами молекулярного взаимодействия или цементирующим материалом.

По происхождению все горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы образовались из магмы и являются продуктом ее охлаждения и затвердевания. В зависимости от условий охлаждения магматические породы делятся на глубинные (интрузивные) и излившиеся (эффузивные).

Глубинные породы обладают полнокристаллической структурой и представляют собой плотные кристаллические массивы (граниты, сиениты, диориты, габбро и пр.).

Излившиеся породы отличаются стекловидной и неполнокристаллической структурой.

Магматические породы имеют высокую прочность. По содержанию кремнезема магматические породы делятся на кислые, основные и ультраосновные. Кислые изверженные породы содержат свободный кварц.

Осадочные породы по своему происхождению делятся на следующие основные группы:

• механические осадки, являющиеся результатом разрушения, переноса и отложения мелких кусочков разрушенных пород;
• осадки химического происхождения (минеральные соли и пр.);
• органические осадки (известняки, доломиты, мел, угли и пр.).

По своим физико-механическим свойствам осадочные породы в зависимости от происхождения и геологических условий бывают весьма разнообразны - от рыхлых и сыпучих до плотных и крепких.

Метаморфические породы образовались из изверженных и осадочных пород под действием очень больших давлений и высоких температур.

Наибольшей твердостью обладают изверженные и метаморфические породы. Из осадочных пород более высокой твердостью отличаются песчаники, доломиты и плотные окремнелые известняки.

Породы, выходящие на дневную поверхность, выветриваются и имеют меньшую механическую прочность. При интенсивном выветривании крепкие скальные породы превращаются в рыхлую дресву и наносы.

По степени связности горные породы разделяются на три основные группы: скальные, связные и несвязные (сыпучие).

Скальные породы характеризуются наличием между частицами значительных ионных и молекулярных сил сцепления, которые после разрушения породы не восстанавливаются ни при высоком давлении, ни при увлажнении.

Скальные породы разделяются на хрупкие и вязкие.

Хрупкие породы разрушаются по достижении предела упругости. Разрушению вязких пород предшествуют не только упругие, но и остаточные вязко-пластические деформации. Поэтому на разрушение вязких пород затрачивается больше работы, чем на разрушение хрупких.

При всестороннем равномерном сжатии хрупкие горные породы выдерживают значительные нагрузки, проявляя пластические свойства.

Скальные породы бывают монолитные и трещиноватые. Стенки скважин, проведенные в скальных породах, устойчивы за исключением случаев пересечения сильно трещиноватых участков.

Связные породы отличаются тем, что силы сцепления между частицами этих пород могут сильно изменяться в зависимости от влажности и восстанавливаться после нарушения связности путем применения высокого давления и увлажнения.

Связные породы дают большие остаточные деформации без нарушения связности. Некоторые связные породы увеличиваются в объеме при увлажнении (глинистые породы, мел). В этих породах стенки скважины иногда бывают неустойчивыми и могут выпучиваться.

Несвязные (сыпучие) породы представляют собой скопления несвязанных или слабо связанных между собой частиц различной формы и размеров (пески, гравий, галька, щебень и т. п.). Бурение в подобных породах обычно производится с одновременным закреплением стенок скважины, так как стенки неустойчивы и происходят обвалы и оползни.

Породы обладают тем большей прочностью, чем тверже минеральные зерна, слагающие породу, чем крепче связь между минеральными зернами и цементом, чем большей твердостью обладает цемент.

Мелкозернистые породы прочнее крупнозернистых (при одном и том же минералогическом составе).

Более плотные, менее пористые и трещиноватые породы обладают большей прочностью и медленней бурятся.

Например, предел прочности некоторых известняков на сжатие колеблется от 50 до 1800 кг/см² при изменении объемного веса с 1,5 до 2,7 г/см³. Предел прочности на сжатие некоторых песчаников возрастает с 150 до 900 кг/см² при увеличении объемного веса с 1,9 до 2,6 г/см³.

Прочность горных пород по отношению к разным видам деформаций различна.

Разрушение горных пород при бурении, как правило, осуществляется вдавливанием в них резцов или зубцов различной формы. Поэтому показатель твердости горной породы на вдавливание имеет значение для изучения процесса бурения скважин.

Различают следующие свойства горных пород: твердость, прочность, абразивность, вязкость, упругость, хрупкость, трещиноватость и кливаж.

Твердость. Комиссия технической терминологии Академии наук СССР характеризует твердость как "свойство твердого тела оказывать сопротивление проникновению в него другого, не получающего остаточных деформаций тела". Твердость также можно определить как местную механическую прочность. В отличие от понятия прочности, характеризующего сопротивление тела полному (объемному) разрушению, твердость представляет собой сопротивление поверхностных слоев тела местному воздействию усилий.

Различают агрегатную твердость горных пород и твердость отдельных минералов, слагающих породу. Агрегатная твердость зависит от твердости отдельных минеральных зерен, от твердости, прочности и количества цементирующего вещества и плотности горной породы (ее объемного веса). Именно агрегатная твердость горной породы больше всего влияет на механическую скорость бурения.

Твердость отдельных минералов влияет на износ породоразрушающего инструмента.

Измерение твердости методом вдавливания пуансона. Проф. Л. А. Шрейнер предложил определять твердость горной породы путем вдавливания в образец породы плоского пуансона с площадью основания от 1 до 5 мм².

Для пород высокой твердости применяются пуансоны со вставкой из твердого сплава в виде усеченного конуса с площадью у вершины F = 1 - 2 мм². Твердость и некоторые другие свойства измеряются на специальной установке УМГП-3 (установка для определения механических свойств горных пород) или на гидравлическом прессе. Глубину внедрения пуансона в образец породы, определяют специальным измерительным индикатором, обеспечивающим точность отсчета до 0,001 - 0,002 мм.

Одновременно с твердостью можно определить модуль упругости породы и коэффициент пластичности, который характеризует способность породы давать остаточные деформации без разрушения.

По данным измерений строят графики зависимости деформации в микронах (мк) от нагрузки Р (кг).

Пластичность может оказывать значительное влияние на процесс разрушения породы. В пластичных породах величина деформаций, необходимых для отделения частиц от массива, больше, чем в хрупких, и, кроме того, пластические деформации для своего протекания требуют определенного времени. Все это должно ухудшать условия разрушения пластичных пород. Пластичность зависит от скорости приложения нагрузок. При очень быстром приложении нагрузок многие пластичные породы ведут себя, как хрупкие.

Определение твердости методом истирания. Истирание можно рассматривать как сумму очень большого числа небольших царапин. Для определения твердости горных пород методом истирания может быть применен прибор М. И. Койфмана. Этот прибор состоит из цилиндра диаметром 14 см, вращаемого с постоянной скоростью (23 об/мин). Поверхность цилиндра покрыта карборундовой шкуркой. Образцы породы размером 10 X 10 X 30 мм прижимают к цилиндру под определенной нагрузкой.

Методом истирания определяют агрегатную твердость горной породы, поэтому этот метод определения твердости применим как для однородных, так и неоднородных по составу и структуре пород.

Определение твердости методом сверления. Для определения твердости производят сверление образца породы сверлом определенной формы при строго определенной скорости вращения и осевой нагрузке. За меру твердости принимается или число оборотов, необходимое для внедрения сверла на заданную глубину, или глубину внедрения сверла после определенного числа оборотов.

Метод сверления применяется редко, но является перспективным для определения твердости породы и ее буримости вращательным способом.

Из других методов определения твердости горных пород следует упомянуть методы Герца и Шора.

Метод Герца основывается на вдавливании шара в испытуемый образец. Этот метод в некоторой степени воспроизводит процесс разрушения породы при дробовом бурении и бурении шарошечными долотами со сферическими стержнями.

Метод Шора заключается в том, что на зашлифованную поверхность образца породы с определенной высоты свободно падает боек со сферическим наконечником. Твердость по Шору определяется высотой отскока бойка. Но высота отскока характеризует не твердость, а упругость породы. Поэтому метод Шора подходит для таких пород, у которых твердость пропорциональна модулю упругости.

Из рассмотренных способов определения твердости для суждения о буримости горных пород наибольшее значение имеет метод вдавливания пуансона. Для определения буримости вращательным способом перспективен метод сверления. Метод Шора можно рекомендовать для определения твердости хрупких пород, которые бурятся ударным способом.

Прочность. Прочностью твердого материала (породы) называют его способность сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Чем выше предел прочности горной породы, тем больше энергии расходуется на ее разрушение.

Механическую прочность пород определяют на сжатие, скалывание и разрыв.

Прочность на одноосное сжатие определяют на гидравлическом прессе. Образцами служат цилиндры или кубики определенного размера, изготовленные из горной породы.

Прочность на скалывание можно определить методом одностороннего среза на приборе Гороновича. Предел прочности на скалывание у большинства пород составляет от 6 до 10% предела прочности на сжатие. Поэтому желательно, чтобы при бурении породоразрушающий инструмент производил в основном скалывание породы.

Абразивность. Абразивностью пород называется их способность изнашивать при трении металлы, твердые сплавы и пр.

Абразивность горных пород в значительной степени зависит от твердости породоразрушающих минералов - чем тверже минералы, тем больше абразивность породы. Особенно большой абразивностью обладают песчаники с кварцевыми зернами угловатой формы, сцементированными менее твердым цементом.

Для суждения об абразивности породы были предложены следующие методы:

• измерение износа вращающегося стального или твердосплавного диска при трении под определенным давлением о поверхность горной породы. Мерой абразивности данной породы принимают весовой или объемный износ диска, отнесенный к единице длины пути трения;
• измерение весового износа коронок стандартного типа при бурении в испытуемой породе при стандартных условиях;
• измерение износа стальной пластинки зернами разрушенной породы; размельченную породу вводят в струю жидкости, вытекающую под определенным напором из сосуда через калиброванное отверстие; эта струя ударяется о поверхность взвешенной заранее пластинки; после истечения определенного времени пластинку вновь взвешивают и по разности ее веса определяют условную характеристику абразивности породы.

Последний способ дополняет первые два и в совокупности они представляют два вида износа, которым подвержены породоразрушающие инструменты в скважине:

• износ от трения о поверхность породы;
• износ частицами выбуренной породы (шламом).

Вязкость. Вязкость характеризуется сопротивлением, оказываемым породой при отделении от массива некоторой его части. Степень вязкости зависит от состава и структуры породы, формы и размеров ее частиц и влажности.

Упругость. Упругость - способность породы восстанавливать свою форму и объем по прекращении воздействия на нее внешних сил. Упругость характеризуется также отскакиванием ударяющего инструмента (долота, бура) от породы.

Хрупкость. Хрупкость - способность породы сравнительно легко разрушаться на отдельные куски при ударе. Большинство скальных пород при обычных условиях деформаций относятся к телам хрупким.

Трещиноватость и кливаж. Трещиноватость и кливаж понижают сопротивляемость пород механическим воздействиям и облегчают отбойку их от массива. Однако при попадании лезвия бура в трещину возможны случаи заклинивания.

Итак, физико-механические свойства пород зависят от твердости и размера зерен породообразующих минералов, количества и минерального состава цемента, от молекулярных связей между отдельными минеральными зернами, возникающих на их контакте.

Скальные горные породы можно разделить на две основные группы - породы, содержащие кварц, и бескварцевые породы. Первая группа характеризуется большей твердостью и большей абразивностью. Скорость вращательного бурения твердосплавными коронками в породах этой группы мала, а износ коронок велик. Вторая группа бескварцевых пород характеризуется значительно меньшей твердостью и малой абразивностью. Скорость вращательного бурения твердосплавными коронками в породах этой группы, несмотря на высокую механическую прочность этих пород, во много раз выше, чем для пород первой группы.