Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [ 15 ] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332

Если E - модуль упругости параллельно, а E± - модуль упругости перпендикулярно к напластованию, то E/Ei для глинистых пород доходит до 2, для песчаников - до 1,2, для алевролитов - до 1,4. Это отношение характеризует степень упругой анизотропии горной породы.

С увеличением влажности горных пород модуль упругости существенно снижается. По Л.А. Шрейнеру, горные породы в зависимости от модуля упругости подразделяются на восемь категорий.

Коэффициент Пуассона ц для горных пород - величина, изменяющаяся в пределах 0,10-0,45. Значения ц для горных пород следующие:

Порода...................................... Глины пластичные Глины плотные Глинистые сланцы

ц................................................. 0,38-0,45 0,25-0,35 0,10-0,20

Порода...................................... Известняки Песчаники Каменная соль Гранит

ц................................................. 0,28-0,33 0,30-0,35 0,44 0,26-0,2

Коэффициент Пуассона уменьшается с увеличением деформирующей нагрузки: для известняка изменение нагрузки в пределах от 10 до 500 Н приводит к уменьшению ц от 0,33 до 0,28.

Направление приложения нагрузки, параллельное и перпендикулярное к напластованию, показывает, что ц > ц.

Л.А. Шрейнер и другие показали, что коэффициент Пуассона зависит от метода испытаний: при динамических испытаниях он меньше, чем при статических, и в некоторых случаях во много раз: для доломитов и известняков, например, в 1,7-2,1 раза.

Изучение процессов разрушения горных пород и исследование устойчивости горной выработки часто требуют знания их сжимаемости. Она характеризуется коэффициентом объемного сжатия

Р = ,

где V0 - объем при нормальных значениях давления и температуры; dV -уменьшение объема при увеличении давления на dp.

Горные породы под действием всестороннего давления уменьшают свой объем следующим образом: для большинства горных пород р = = 10-610-7, т.е. объем горных пород при увеличении давления на 0,1 МПа уменьшается на несколько миллионных или даже десятимиллионных долей их первоначального объема. С увеличением давления коэффициент объемного сжатия горных пород уменьшается. Например, для известняка значение р при небольших давлениях высокое (2,32,7)-Ю-6, а при давлениях выше 200 МПа оно достигает 1,39-10-6, т.е. значений р для кальцита, остающегося несжимаемым вплоть до давления 1000 МПа.

Горные породы принято делить на хрупкие и пластичные при обычных условиях. Изменение условий испытания перемещает границу между хрупкостью в ту или иную сторону. По В.С. Федорову, хрупкость, а значит, и пластичность, следует рассматривать как состояние тела, а отнюдь не как свойство материала. В понятие состояния горных пород входят: структура, дефекты и искажения, относящиеся к самим зернам (решеткам), их поверхности и к веществу, связывающему зерна, температура и время действия сил и их значения. При определенных сочетаниях этих факторов горные породы могут вести себя как хрупкие или как пластичные тела. Л.А. Шрейнер с сотрудниками на основании экспериментов при вдавливании штампа в образцы горных пород классифицировал их на упругохрупкие,

упругопластичные и не дающие общего хрупкого разрушения. При этом были установлены и характерные кривые деформации.

При построении и анализе диаграмм (рис. 3.1) деформации в координатах p - £ (соответственно нагрузка в ньютонах и деформация в микрометрах) тангенсы углов наклона прямых AB (а) и BC(а1) характеризуют уп-рочаемость породы при пластическом деформировании: точка A пересечения прямых 0A (в упругой области) и AB (в пластической области) дает значение нагрузки p0, по которой можно судить о пределе текучести.

Л.А. Шрейнер с сотрудниками под мерой пластичности понимают некоторый коэффициент кп, получаемый как отношение общей работы, затраченной до разрушения (площадь 0ABCD), к работе упругих деформаций (площадь 0Е1). Точка C соответствует значению нагрузки p, при которой наступает общее разрушение образца горной породы под штампом.

Для упругохрупких пород кп принимается равным единице. Породы осадочной толщи к этой категории практически не относятся. Для этих пород кп удовлетворяется неравенством 1 < кп < 6. К ним относятся известняки, доломиты, песчаники и другие породы.

Породы, для которых кп > 6, относят к классу пород, «не дающих общего хрупкого разрушения». К ним относятся глинистые сланцы; кп, равный практически бесконечности, характеризует глины.

Пластические свойства горных пород существенно изменяются с изменением их минералогического состава и пористости. Например, при постоянной пористости кп горной породы увеличивается по мере уменьшения ее карбонатности или глинистости. Породы с постоянной карбонатностью показывают увеличение кп с ростом пористости.

Прочность - одно из основных свойств горных пород. Ее можно определить как сопротивление тел механическому разрушению. Характер деформации играет существенную роль. Наиболее часто используются данные по пределам прочности при разрыве Rp (растяжение), изгибе Ки, сжатии Ксж, скалхвании (сдвиге, срезе).

Понятие о твердости менее определенно, и применительно к внедрению долота, условно состоящего из своеобразных клиньев (штампов), может быть сформулировано как сопротивляемость горной породы внедрению в нее штампа. Это есть прочность тела при вдавливании в него другого тела. Между показателями прочности и твердости существует корреляционная связь. Прочность горных пород зависит от ряда факторов, главные из которых - минералогический состав, размер и форма зерен кристаллов

Рис. 3.1. Диаграммы деформации ири вдавливании шгамна, построенные в координатах p и £:

а - в упругохрупкую породу; б - в упругопластичную породу

породы, структура, текстура, тип цемента, количественное соотношение между цементом и материалом породы, пористость и слоистость, уплотненность, перемятость, водонасыщенность и др. Значительное влияние на прочность оказывают вид деформации, масштабный фактор, скорость приложения нагрузки и др.

Рассмотрим некоторые из них.

Прочность материалов определяется силами сцепления и внутреннего трения. Между прочностью горных пород и их сцеплением существует прямая связь. Интенсивность сцепления C можно определить через предел прочности при сжатии Ксж и угол внутреннего трения ф:

(J = Ксж(1 - sin ф)

281Пф

или через предел прочности на разрыв Кр: С

Rp(1 + sin ф)

281Пф

Интенсивность сцепления численно почти равна пределу прочности при разрыве: C и Rp.

По сечению образца горной породы прочность не везде одинакова: ее значения максимальны при разрушении зерна породы, меньше в местах связи зерен и равны нулю в порах, трещинах.

Интенсивность сцепления часто определяется из условия разрушения на сдвиг, что обусловлено силами сцепления и силами трения. В общем случае сдвиг происходит не по плоскости, а по некоторой зоне толщиной, превышающей размер частиц породы. Силу внутреннего трения f принято оценивать коэффициентом или углом внутреннего трения, tg ф = f; ф = = 2у0 - 90°, где Y0 - определяемый экспериментальным путем угол некоторой площадки c в образце породы к горизонту, на которой при приложении нагрузки устанавливается равновесие сил (рис. 3.2).

Главные породообразующие минералы обладают различной прочностью: наивысшая прочность, достигающая 500 МПа, у кварца. При прочих равных условиях во всех осадочных горных породах с увеличением количества растворенного кварца прочность возрастает. Прочность кварцитов и кремния достигает 300-500 МПа, у карбонатных пород она меньше. Так, прочность основных породоразрушающих минералов кальцита и доломита составляет соответственно 160 и 200 МПа. Прочность обломочных сцементированных пород определяется минеральным составом цементирующего вещества. Наиболее слабые места этих конгломератов находятся на поверхностях контакта обломочного и цементирующего материалов.

По В.С. Федорову, прочность на разрыв горных пород выше, если зерна, ее составляющие, меньше. Прочность на скалывание слабо зависит от размера зерен. Разнозернистые горные породы характеризуются повышенной прочностью по сравнению с теми, у которых размеры зерен примерно одинаковые.

Как правило, горные породы, имеющие «цемент» соприкосновения, менее прочны, чем породы, имеющие базальный цемент и цемент пор. При прочности цементирующего вещества ниже прочности классических зерен породы с базальным цементом оказываются более прочными, чем породы с цементом пор.