Физико-механические свойства горных пород и их буримость.

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

Магматические породы являются продуктом затвердения магмы. 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 (SiO2) магматические породы делятся на четыре группы:

1. кислые с содержанием SiO2 более 65% — гранит, липарит, пегматит, кварцевый порфир;

2. средние с содержанием SiO2 от 65 до 52% — диорит, сиенит, -андезит;

3. основные с содержанием SiO2 от 52 до 40% — габбро, диабаз, базальт;

4. ультраосновные с содержанием SiO2 менее 40% — дуниты, перидотиты, кимберлиты.

Кислые магматические породы содержат свободный кварц и труднее поддаются разрушению при бурении. Осадочные породы по своему происхождению делятся на следующие основные группы:

а) механические осадки, являющиеся результатом разрушения, переноса и отложения мелких кусочков разрушенных горных пород;

б) осадки химического происхождения (минеральные соли и пр.);

в) 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 плывучих, сыпучих и рыхлых до плотных и крепких. Метаморфические породы образовались на больших глубинах 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 крепкие песчаники, доломиты и окаменелые 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 четыре основные группы: скальные, связные, рыхлые (сыпучие) и плывучие. Скальные породы характеризуются наличием между минеральными 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, хрупкопластичные и пластичные.

Хрупкие породы разрушаются по достижении предела упругости. Разрушению пластичных пород предшествуют не только упругие, но и остаточные вязкопластические деформации. Поэтому на разрушение этих пород затрачивается больше работы, чем на разрушение хрупких.

На больших глубинах под влиянием высокого горного давления и температуры хрупкие горные породы начинают проявлять пластические свойства.

Скальные породы бывают монолитные и трещиноватые от этого в значительной степени зависит и их буримость. Стенка скважин, пройденных в скальных породах, устойчивы за исключением случаев пересечения сильно трещиноватых, раздробленных участков.

Скальные породы можно разделить на две группы: содержащие свободный кварц и бескварцевые.

Первая группа (кварцевая) характеризуется большей твердостью и абразивностью и труднее бурится.

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 могут выпучиваться и оползать.

Рыхлые (сыпучие) породы представляют собой скопления несвязанных между собой частиц различной формы и размеров (пески, гравий, галька, валуны и т. п.). Бурение в подобных породах обычно производится с одновременным закреплением стенок скважины, так как стенки неустойчивы и склонны к обвалам и оползням. Плывучие породы состоят из частиц весьма малых размеров (пески) и полностью насыщены водой. Плывучие породы требуют закрепления стенок скважин. Плывучие породы, находясь под напором, могут подниматься по стволу скважины

Горные породы обладают тем большей прочностью, чем тверже минеральные зерна, чем крепче связь между минеральными зернами, чем плотнее они связаны цементом и чем большей твердостью обладает цемент. Мелкозернистые породы прочнее крупнозернистых (при одном и том же минералогическом составе. Более плотные, менее пористые и менее трещиноватые породы обладают большой прочностью

Прочность горных пород по отношению к разным видам деформаций различна. Разрушение горных пород при вращательном бурении, как правило, осуществляется вдавливанием резцов или зубьев различной формы в породу забоя и дальнейшим развитием разрушения породы скалыванием. Поэтому показатель твердости горной породы на вдавливание имеет при вращательном бурении большое значение. Различают следующие свойства горных пород: твердость, меха­ническую прочность, абразивность, вязкость, упругость, хрупкость, трещиноватость и кливаж.

Твердость—это свойство твердого тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела, не получающего остаточных деформаций. 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 силовому воздействию.