§ 3. Деформационные и прочностные свойства горных пород

Большая часть горных пород при отсутствии высокого все­стороннего давления как в условиях одноосного, так и сложного напряженного состояния при быстром нагружении или разгрузке в большом диапазоне напряжений хорошо подчиняется закону Гука.

П о мере увеличения напряжения на сжатие усиливается и деформация (рис.5). При нагрузке, соответствующей пре­делу прочности образца _сж, происходит его разрушение. Ха­рактер зависимости между напряжением и деформацией опре­деляется продолжительностью действия нагрузки на образец — при медленном нагружении деформация почти всех горных по­род отклоняется от закона прямой пропорциональности (кривая с t=∞). Рассматривая кривые t=0 и t=∞ (см. рис. 5), можно заметить, что при напряжениях, меньших _s, остаточ­ной деформации не наблюдается как при мгновенной нагрузке (t = 0), так и при нагрузке и разгрузке с длительной выдерж­кой (t =∞ ).

Рис. 5. Схематические зависимости деформации глини­стого сланца от напряжений при одноосном сжатии

У большей части пород необратимые пластические деформа­ции при медленном нагружении появляются при напряжениях _S составляющих 10—15 % от разрушающих. Пластические де­формации при многократной нагрузке и разгрузке постепенно уменьшаются в каждом цикле. В ряде случаев под влиянием нагрузки некоторые горные породы приобретают специфические реологические свойства.

Реологическими свойствами горных пород при­нято называть изменение механических их характеристик под влиянием длительно действующих нагрузок. Установлено, что многие горные породы подвержены явлению крипа (ползуче­сти), которое характеризуется постепенным нарастанием дефор­мации при постоянном напряжении. Явления крипа в наиболь­шей степени свойственны глинам, аргиллитам, глинистым слан­цам, каменной соли. Деформация ползучести зависит от струк­туры породы, нагрузки, времени и направления их действия. При нагрузках, действующих перпендикулярно к плоскости на­пластования, ползучесть возрастает. Этот вид деформации отличается от пластической тем, что она возникает при длительном воз­действии напряжений, не превы­шающих предела упругости поро­ды, в то время как пластическая деформация происходит при возра­стающих напряжениях за преде­лами упругости пород.

При изучении причудливого строения складок осадочных пород возникает вопрос: как могут твер­дые породы изменять свою форму без появления видимых трещин и какие процессы при этом происхо­дят внутри породы?

Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя и как хруп­кие, и как пластичные тела. При растяжении, изгибе и одно­осном сжатии пластические свойства горных пород почти не проявляются. Разрушение пород происходит без заметной пластической деформации. При всестороннем сжатии многие гор­ные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают пластические свойства. Правда, горные породы, как правило, ограниченно пластичны.

В процессе лабораторных испытаний таких пород, как песча­ник, глинистый сланец и другие, не обнаружен переход в пла­стическое состояние при всестороннем сжатии с давлением, соответствующим глубине залегания более 3000 м. Вместе с тем практика горных работ показывает, что и на меньших глуби­нах происходят деформации пород, похожие на пластические.

В зависимости от состава и свойств пород, условий их зале­гания и действия нагрузки механизм пластических деформа­ций может быть различен. Иногда пластические деформации пород происходят вследствие межзерновых и трансляционных движений и явлений перекристаллизации. Если сжимать породы типа песчаников, известняков и другие, состоящие из сцемен­тированных зерен кварца или мелких сросшихся кристаллов кальцита, отдельные зерна могут двигаться независимо друг от друга. Каждое зерно под нагрузкой движется и вращается около соседних. В результате такого перемещения зерен, которое можно рассматривать как межзерновое, порода приобре­тает ограниченные пластические свойства.

Большое значение в пластической деформации материалов имеют трансляционные движения, происходящие под воздей­ствием внешней нагрузки, смещающие атомы внутри отдельных кристаллов вдоль плоскостей, известных под названием плоско­стей скольжения. Такая природа пластических деформаций при­суща, по-видимому, каменной соли и некоторым другим мине­ралам, обладающим кристаллическим строением.

Иногда пластической деформации пород, по-видимому, спо­собствуют явления перекристаллизации минералов. Часто пла­стичность горных пород проявляется под действием длительной нагрузки, вызывающей изменение структуры породы.

«Плавные» изгибы большинства нефтесодержащих пластов, сложенных упруго-хрупкими минералами, по-видимому, объяс­няются их псевдопластической деформацией, так как вследствие сравнительно небольшой глубины их залегания горное давле­ние недостаточно для перевода большинства горных пород в пластическое состояние. По-видимому, лишь глины и глини­стые породы и небольшое число минералов типа каменной соли могут претерпевать значительные пластические деформации. Пластические деформации пластов песчаника, известняков, до­ломитов и других пород часто происходят в результате появ­ления многочисленных микротрещин, позволяющих отдельным участкам пластов скользить и перемещаться вдоль плоскостей трещин. При этом происходят незаметные для глаза ступенеоб­разные опускания отдельных участков пород, создающие впе­чатление плавных изгибов пластов.

Какова бы ни была природа ползучести и пластических де­формаций пород, деформация их происходит даже на сравни­тельно небольших глубинах. Установлено, что с течением вре­мени нарушенное поле естественных напряжений вокруг гор­ных выработок и нефтяных скважин в значительной мере восстанавливается, и давление на крепь выработки и на обсадные трубы нефтяных скважин после окончания бурения длительное время возрастает, что объясняется проявлением ползучести и пластичности некоторых пород.

Пластические свойства горных пород еще недостаточно изу­чены. Вместе с тем эти свойства весьма важно знать при про­ектировании процессов искусственного воздействия на призабойную зону скважин. Поэтому изучению пластических свойств пород в последние годы уделяется возрастающее внимание.

Широкое разнообразие условий возникновения горных по­род — причина значительных различий в механических свой­ствах пористых сред даже одного класса.

Для горных пород характерна анизотропия механических свойств (модули упругости при одноосном сжатии образца вдоль напластования и перпендикулярно к напластованию не одинаковы). Упругие параметры пород зависят от давления. По данным М. П. Воларовича и Е. И. Баюка, модуль Юнга, например, песчаников пористостью 24—26 % при всестороннем сжатии может возрастать на 140 %. При этом наиболее резкое изменение упругих свойств происходит при низких давлениях порядка 60—100 МПа и продолжается до давлений 150— 200 МПа.

Модуль пропорциональности напряжений и деформаций, наблюдаемый при однократном нагружении, модуль нормаль­ной упругости, наблюдающийся в результате исключения необ­ратимых деформаций многократным нагружением и разгрузкой, и динамический модуль упругости (вычисляемый по ско­рости распространения упругой волны), как правило, не оди­наковы. Модуль нормальной упругости оказывается большим модуля пропорциональности в 1,2—1,5 раза, а модуль динами­ческой упругости больше в 2—2,2 раза.

Установлено, что имеется значительная разница в прочностях одной и той же породы в условиях одноосного сжатия _сж, изгиба _изг и одноосного растяжения _рас. Для твердых пород _сж >_изг >_рас.

При всестороннем сжатии однородные сплошные породы разрушаются лишь при больших давлениях. При этом, когда разность главных напряжений достигает некоторого значения, многие породы переходят вначале в пластическое состояние.

Результаты исследований последних лет показывают, что горные породы при изучении их механических свойств в мас­сивах и при использовании образцов достаточно больших размеров имеют постоянные характеристики (модуль упругости, коэффициент Пауссона, прочностные показатели и т. д.).

В табл. 1 и 2 приведены значения модуля Юнга и коэф­фициента Пуассона для некоторых пород.

Таблица 1 - Механические свойства горных пород Донецкого бассейна, определенные при испытаниях на сжатие

Породы	Модуль Юнга Е10^-4, МПа		Коэффициент Пуассона, 
	по слоям	перпендикулярно к слоям	no слоям	перпендикулярно к слоям
Глинистые сланцы	3,16	1,54	0,22	0,22
Песчаные сланцы	3,63	2,42	0,25	0,16
Песчаники	3,47	3,98	0,13	0,13
Известняки	6,36	7,25	0,28	0,3

Таблица 2 - Модули Юнга горных пород нефтяных месторождений Волго-Уральской области, определенные методом вдавливания штампа

Породы	Модуль Юнга Е10^-4, МПа
Алевродиты кварцевые	0,56—0,83
Известняки пелитоморфные (глинистые)	2,0
Доломиты мелкозернистые	4,37
Аргиллиты	0,55
Песчаники кварцевые мелкозернистые	0,24—0,47
среднезернистые	1,76