содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

§ 4. ГИПОТЕЗЫ ПРОЧНОСТИ ПОРОД

Существующие методы оценки устойчивости глинистых и хемогенных пород в скважинах основаны на принципах механики сплошных сред, которая рассматривает реальные физические среды и твердые тела как идеально сплошные. Известно, что все природные материалы, в том числе и горные породы, имеют внешние и внутренние дефекты структуры, вызывающие разрывы сплошности, проявляющиеся в виде пористости, зернистости, слоистости, сланцеватости, трещиноватости и т. д.
 

Эти и ряд других дефектов строения горных пород снижают их прочностные свойства и сопротивление действию внешних нагрузок (горного давления, гидродинамических сил и т. д.). При этом оценка механических свойств горных пород базируется на допущении, что, несмотря на ослабленность пород дефектами, они условно принимаются сплошными и протекающие в них деформации непрерывны по отношению к координатам, в которых рассматривается состояние испытуемой породы. В общем случае такие допущения правомерны, если размеры указанных нарушений прочности малы и ими можно пренебречь по сравнению с размерами испытуемого образца породы или его массива. При весьма развитых пористости, слоистости и трещиноватости пород в горном массиве они также рассматриваются сплошными, но состоящими из отдельных слоев, различающихся по механическим и физическим свойствам [73]. Это упрощает применение теории сплошных сред к оценке прочностных характеристик горных пород.

Однако современная информация о прочностных свойствах горных пород показывает, что оценка их прочности зависит от анизотропности, кристалло-химического строения, литогенезиса, напряженного состояния, трещиноватости, плотности, влажности, растворимости в воде, реологических свойств пород 13, 7, 62, 49, 51, 73].

По данным А. Д. Панова, К- В. Руппенейта, Ю. М. Либер-мана, многие разновидности глин обладают высокой прочностью в естественных условиях залегания. Модуль упругости таких глин составляет от 3900 до 200000 кгс/см2 и коэффициент Пуассона меняется соответственно от 0,2 до 0,4.

Оценка прочностных свойств пород и соответствующая им устойчивость на стенках горных выработок базируется на принципах физических гипотез прочности, которые описываются аппаратом теории упругости и пластичности. С этих позиций изучается в породах связь между тензором напряжений, деформацией и их разрушением 13,10, 11].

Одной из простейших является теория прочности (Ламе, Клебис, Ренки), в которой используется гипотеза о том, что нарушение прочности материала наступает при достижении критического значения главного напряжения (амах) и предельной величины а0.

Теория наибольших нормальных напряжений плохо согласуется с опытными данными для горных пород. Такой подход к оценке наибольших нормальных напряжений частично справедлив для хрупких материалов. Недостаток этой теории состоит в том, что она неприемлема для оценки прочностных свойств материалов, слабо сопротивляющихся действию одноосного сжатия, но выдерживающих высокие гидростатические давления.
 

Согласно теории наибольших относительных удлинений при растяжении и сжатии, горная порода должна обладать высокой сопротивляемостью на сжатие и меньшей на растяжение. Однако этот теоретический подход практически не согласуется с опытными данными, поскольку многие материалы обладают низкой сопротивляемостью к линейной деформации и разрушаются, минуя деформации удлинения или сжатия [73 ]. В пластичпых и коллоидальных твердых материалах, наоборот, возникают большие линейные и объемные деформации сжатия и растяжения при внешнем нагружении.
 

Однако и эта теория прочности не отвечает опытным данным при испытании материалов.

Краткий обзор существующих теорий прочности показывает, что пока не существует единой гипотезы прочности, которая могла бы достаточно полно охарактеризовать прочность горных пород. Как правило, для каждой теории прочности существует определенная область ее применения, в которой расчеты в той или иной мере приближаются к экспериментальным данным [73].

Для большинства гипотез прочности допускается механистический подход к оценке сопротивления материала или горной породы разрушающей нагрузке. Чаще всего такие расчеты проводятся без учета среды испытания и не дают представления о влиянии ее на характер разупрочнения испытуемого материала.

Прочностные свойства горных пород применительно к условиям их поведения в скважинах изучаются чаще всего на образцах породы, в которых создается заранее известное напряженное состояние. Методы изучения прочностных свойств горных пород подробно описаны в работах [73, 78], и поэтому нет необходимости останавливаться подробно на каждом из них. Достаточно отметить, что большинство этих методов базируется на принципах внедрения в породу под нагрузкой штампов различных размеров и форм или же па измерении деформации линейных и объемных размеров испытуемых образцов породы при всестороннем сжатии или сложном сдвиге. При проведении таких исследований часто не учитывается влияние бурового раствора на прочностные характеристики пород. Многие методические подходы к оценке прочности и устойчивости горных пород нуждаются в доработке.

Для оценки физико-механических свойств горных пород используют теорию Мора и условие пластичности Мизеса — Генки 111]. Это обусловлено тем, что закон Гука соблюдается лишь в области малых деформаций. Дальнейшее деформирование породы приводит к хрупкому разрушению, потере пропорциональности между напряжениями и деформациями, а также к проявлению пластических (необратимых) деформаций.

Сложность оценки зависимостей между деформациями и напряжениями в породе приводит к тому, что в настоящее время еще нет общепринятой теории поведения горных пород в условиях пластического деформирования.

В большинстве задач механики горных пород исходят из следующих общих положений:

1) направления главных нормальных напряжений и главных деформаций совпадают между собой;

2) объемная деформация пропорциональна среднему нормальному напряжению

При этом принимается, что деформация изменения объема связана со средним нормальным напряжением линейно вплоть до момента разрушения. Если же напряженное состояние является всесторонним и равномерным сжатием, то материал пород не разрушится, как бы не было велико приложенное напряжение от внешнего давления;
 

Модуль пластичности для большинства горных пород является переменной величиной, зависящей от напряженного состояния. В общем случае уравнения Генки, связывающие деформации и напряжения.

В момент перехода породы от упругого состояния деформирования к пластическому достигается предельное состояние. При этом весьма важно иметь показатель, однозначно описывающий предельное напряженное состояние породы в пластической стадии деформирования. Однако отыскать такой показатель до сих пор не удалось.

Французский ученый Треск высказал предположение, что состояние пластичности в твердых телах наступает тогда, когда во всех точках среды максимальное касательное напряжение достигает определенного значения.

Главное промежуточное напряжение не влияет на состояние текучести, но это положение не всегда и не для всех материалов подтверждается в опытах.

В отличие от классических теория прочности Мора учитывает значения сопротивления разрушению при сжатии и растяжении