5.2. Прочностные свойства горных пород

По типу связей между зернами горные породы делят на породы: с кристаллизационными связями; сцементированные; связные; раздельнозернистые.

Кристаллизационные связи обусловлены межмолекуляр­ным взаимодействием зерен и поэтому могут возникнуть только в процессе кристаллизации или перекристаллизации горной поро­ды при высоких давлениях и температуре, когда расстояния меж­ду зернами ничтожно малы и когда могут действовать ван-дерваальсовы силы. Чем меньше расстояние между кристаллами, тем прочнее связи.

Энергию взаимодействия между кристаллитами в соответ­ствии с теорией ДЛФО можно определить по формуле

кДж/моль,

(4.2)

где А = 10^-19 -10^-21 Дж - константа Гамакера; r - расстояние меж­ду кристаллитами.

Расчет по этой формуле показывает, что на малых расстоя­ниях (0,25 нм) энергия межкристаллитной связи приближается к энергии химической связи.

При значительных размерах зерен величина контакта меж­ду ними не велика. Не велико и межкристаллическое взаимодей­ствие (практически равно нулю). Породы, сложенные такими от­дельными зернами, называют раздельнозернистыми.

Тонкодиспергированный материал имеет суммарную пло­щадь контакта между зернами значительно больше, чем между крупными зернами, расстояние между кристаллитами в них резко понижается, сила взаимодействия между ними соответственно повышается. Расстояние между зернами снижается еще более при увеличении давления и температуры. В результате воздейст­вия этих факторов тонкодиспергированные частицы, располо­женные в порах между зернами горной породы, взаимодейству­ют между собой и зернами, связывая их в единый массив. Так возникают обломочно-осадочные и метаморфические горные породы.

Тонкодиспергированные глинистые частицы горной поро­ды без воздействия давления и температуры друг с другом взаи­модействуют слабо. Но при наличии между ними пленок воды они оказываются связанными друг с другом. Такие породы на­зывают связными или глинистыми. Тонкие пленки воды облада­ют значительной прочностью и вязкостью, потому связные поро­ды весьма пластичны.

5.3. Деформационные свойства горных пород

Прочность горной породы определяется не только прочно­стью межатомных и межкристаллитных связей, но и способно­стью удерживать эти связи при изменении расстояния между атомами в процессе деформации (вязкость).

Вязкость горных пород может быть обусловлена и наличи­ем в контактах минеральных зерен горных пород тонкодиспергированного материала. В глинах связь между зернами осуществляется за счет прочных пленок воды. В процессе деформации породы, вследствие повышения температуры, малого расстояния между молекулами и их подвижности, связи между молекулами не рназрываются, а переходят от одной молекулы к другой.

Токодиспергированный материал между зернами горной породы обладает малыми размерами и большой подвижностью частиц.

Вследствие беспорядочного расположения частиц и более высокой вязкости их прочность оказывается выше прочности самих минералов.

Поэтому буримость мелкозернистых горных пород всегда ниже буримости крупнозернистых. Так, например, среднезернистый гранит имеет IX категорию буримости, мелкозернистый - X, сходные по минеральному составу, но более плотные с меньшей величиной зерна роговики - XII категорию по буримости.

Наиболее вязкими горными породами являются эклоге (особенно жадеит). Их твердость - 5,5....6, а буримость — XII категории.

Большое влияние на прочность горной породы оказывает их пористость (плотность упаковки). И.П. Тимченко установил что предел прочности на сжатие кварцевых песчаников связан пористостью соотношением

(4.3)

где σ₀- прочность плотной породы; П - пористость, %.

С плотностью упаковки атомов в кристалле связаны такие параметры горных пород, как твердость (жесткость), хрупкоть и упругость.

Если горная порода, сложена пористыми минералами прочными межатомными связями (каркасные силикаты, кварц и т.д.), она может при наложении нагрузки деформироваться подобно пружине, т.е. обладать высокой упругостью. Кристаллы с плотнейшей упаковкой (например, гранат) обладают слабой упругостью, высокой жесткостью, поэтому при сильных удара: хрупкие кристаллы раскалываются по плоскостям спайности. Мелкозернистые минералы с вязкими прослоями в контактах зерен обладают и большей ударной вязкостью (прочностью при ударах).

Упругость твердых тел определяют двумя параметрами: модулем упругости Е и величиной критической деформации при сжатии е, тогда предел прочности твердых тел

(4.4)

Наиболее упругими свойствами обладают каркасные сили­каты и кварц, наименее упругими - корунд и гранаты. Упругость горных пород существенно сказывается при бурении ударным способом.

В зависимости от прочности и, соответственно, механиче­ской скорости бурения все горные породы принято делить на двенадцать категорий. К I категории относят раздельнозернистые (пески, супеси) и рыхлые породы (торф, лесс, чернозем). Ко второй - связные увлажненные глинистые породы (суглинки, рыхлый мергель), пески с мелкой галькой. К двенадцатой катего­рии относят тонкозернистые метаморфические породы (кварци­ты, роговики, кремень)

Ориентировочно категорию горных пород можно опреде­лить исходя из твердости минералов (по шкале Мооса), прибавив к ней для кристаллических пород двойку, а для мелкокристалли­ческих пород - тройку. Например, для известняка, представлен­ного минералом кальцита с твердостью 3, категория породы будет 3+2=5. Для гранита, содержащего кварц твердостью 7, категория по буримости будет 7+2=9, а для микрогранита 7+3=10 и т.д.

Параметрами горных пород, влияющими на эффективность бурения, являются абразивность, трещиноватость и устойчи­вость. Подробно эти свойства были рассмотрены в курсе "Разрушение горных пород". Здесь кратко остановимся лишь на отдельных моментах.

При разработке технологии бурения горные породы обыч­но делят на малоабразивные и абразивные. К абразивным относят породы,, в которых имеются минералы, способные резать стекло (твердостью по шкале Мооса более 5), к малоабразивным - мине­ралы, не способные резать стекло.

При определении трещиноватости горные породы класси­фицируют по величине раскрытия трещин: микротрещиноватые с величиной раскрытия трещин до 0,5 мм и микротрещиноватые с величиной раскрытия трещин от 1 до 100 мм и долее и по дробленности (кусковатости керна): слаботрещиноватые, трещинова­тые, сильнотрещиноватые и дробленные.

Таким образом, основным свойством горных пород, влияющим на их буримость, является их прочность, обусловлен­ная прочностью химических связей между зернами.

Большое влияние на прочность горных пород оказывает их вязкость и упругость, поэтому при конструировании и выборе коронок необходимо это учитывать.

Вследствие высокой прочности горных пород (средней твердости и твердых) процесс бурения представляет собой про­цесс истирания, поэтому при определении буримости наиболее существенна характеристика твердости горных пород на истира­ние. Твердость на вдавливание и прочность горных пород на сжатие не будет характеризовать буримость горных пород.