Principalele proprietăți fizice și mecanice ale rocilor sunt: elasticitatea, plasticitatea, rezistența, duritatea, abrazivitatea.
Elasticitatea se referă la capacitatea unui corp deformabil de a restabili forma sau volumul inițial după îndepărtarea încărcăturii.
Proprietățile elastice ale rocilor și altele cum ar fi solide elastice, caracterizate prin patru parametri: modulul de elasticitate longitudinal sau modulul lui Young, coeficientul lui Poisson, modulul de forfecare și modul în vrac.
Modulul E de elasticitate longitudinală este raportul tensiunii normale s la alungirea (sau scurtarea) relativă corespunzătoare d sub tensiune uniaxială (compresie)
E caracterizează rezistența rocii la deformarea elastică în condiții de tensiune (compresie).
Factorii care afectează modulul elasticității longitudinale pot fi împărțiți în două grupe: tehnice și naturale.
a) Metoda de determinare: pentru o singură încărcare E, în timpul încărcării și descărcării repetate Em. modulul dinamic al elasticității longitudinale. Se calculează prin viteza de propagare a undelor elastice. E<Ем <Ед .
E este mai mic decât EM în 1,2-1,5 ori și mai mic decât EM de mai multe ori.
Ei în 1,1-1,3 ori mai mult decât Ер și face 0,25-0,35 de la Есж.
c) amploarea sarcinii aplicate. Pe măsură ce crește tensiunea, E crește cu compresie, în timp ce când este întins, scade.
d) Viteza de încărcare. Cu o încărcare rapidă, E este de 1,1-1,5 ori mai mare decât pentru unul lent.
Amploarea E de roca afectată de următorii factori de mediu: compoziția mineralogică, structura, textura, umiditatea, temperatura, adâncimea compoziției și structurii materialului cimentos în roci clastic și roci carbonatice sandiness.
Compoziția mineralogică a pietrei are un efect semnificativ asupra modulului de elasticitate. Astfel, E șisturi 1,5-2,5 x 10 4 MPa și cuarțitelor -7,5-10 x 10 4 MPa. Pietrele E sunt întotdeauna mai puțin decât E din mineralele principale care formează rocă.
Modulul lui Young crește odată cu creșterea conținutului de nisip al pietrei, conținutul de carbonat al șisturilor. Se afectează în mod semnificativ compoziția și structura E a materiei cimentatoare în rocile clastice. Astfel, gresiile cu ciment carbonat au un modul mai mare al lui Young decât cei care au ciment de lut.
Modulul lui Young este, de asemenea, afectat de dimensiunea granulelor, porozitatea, laminarea și schistozitatea: cu mărirea granulei, porozitatea, scade; În direcția de-a lungul patului este mai mare decât în perpendicular
Pe măsură ce conținutul de umiditate crește, valoarea lui E scade. De exemplu, prin creșterea umidității șisturilor la 3 la 14% din modulul lui Young scade 716-314 MPa, și cu o creștere a umidității 14-23%, scade 314-29 MPa.
Pe măsură ce adâncimea de apariție a rocilor crește, porozitatea scade, compactarea rocilor crește, iar modulul Young crește.
Raportul Poisson este valoarea absolută a raportului dintre deformarea transversală relativă d1 și deformarea longitudinală relativă d
Pentru cele mai multe roci sedimentare m variază de 0.1 la 0.4, și numai unele specii ajunge la superplastic (Bisofit rocă de sare, carnalitului, argile plasticitate mari zone umede) 0,45-0,5.
Valoarea m este influențată de aceiași factori ca modulul elasticității longitudinale.
Modulul de forfecare sau modulul de forfecare G este raportul dintre tensiunea de forfecare t și unghiul de forfecare j corespunzător între planurile la care se aplică tensiunea tangențială
G determină capacitatea materialului de a rezista schimbării formei în timp ce își menține volumul.
Bulk K modulul sub presiune hidrostatică - normală raportul de stres s la valoarea relativă de compresie volum D, această tensiune indusă
Valoarea lui K caracterizează capacitatea unui material de a rezista schimbării volumului său, fără a fi însoțit de o schimbare de formă.
Forța - capacitatea rocilor de a rezista distrugerii, este principala proprietate a rocilor. Rezistența este determinată de forțele de aderență și de frecare internă.
Factorii care afectează puterea rocilor pot fi, de asemenea, împărțiți în punct de vedere tehnic și natural.
A) Tipul de deformare ss >> tc ³susg ³sp. Stâncile au cea mai mare rezistență la rupere în timpul compresiei. Rezistența rocilor sedimentare cu alte tipuri de deformare este de obicei un multiplu de fracție.
Astfel, rezistența la tracțiune este de 2 până la 18%, cu forfecare - de la 5 la 20%, cu îndoire - de la 5 la 35% din rezistența sub compresiune uniaxală. Acest lucru se datorează fragilității celor mai multe roci, prezența unui număr mare de defecte locale și a neomogenităților în ele, o scădere a forțelor de coeziune, deoarece granulele de rocă sunt îndepărtate una de alta în timpul întinderii. Din punctul de vedere al distrugerii rocilor, se întinde cel mai promițător tip de deformare, care trebuie luată în considerare la proiectarea sculei de tăiat rock.
B) Factorul scării. Rezistența rocilor este afectată de dimensiunea eșantioanelor.
B) Viteza de încărcare. Rezistența rocilor depinde de viteza de încărcare. În limitele vitezelor mici de încărcare (până la 10 m / s), indicele de rezistență diferă foarte puțin. Când funcționează instrumentul de tăiere a rocilor, vitezele de încărcare efective nu depășesc de obicei 5 m / s.
Rezistența stâncului depinde de compoziția sa minerală și petrografică. Cele mai multe minerale solide formatoare de rocă este silice, este rezistenta la compresiune uniaxială depășește 500 MPa, în timp ce rezistența silicaților de fier-magneziu și aluminosilicați de 200-500 MPa, calcitu - de la 10 la 20 MPa. De aceea, în general, crește rezistența rocă cu creșterea conținutului de siliciu din compoziția minerală a boabelor formatoare de rocă, și ca parte a materialelor pe bază de ciment. Pietrele cu o densitate egală cu densitatea de cuarț de 2700 kg / m 3 au cea mai mare rezistență (figura 4).
Rezistența pietrelor carbonate depinde de raportul dintre calcit și dolomit. Dolomitul este mai puternic decât calcitul în 1,2-1,3 ori. O scădere a conținutului de calcit de la 100 la 7% conduce la o creștere a rezistenței de la 160 la 300 MPa. Din roci de sulfat prezintă cea mai mare rezistență anhidride (sszh la 130 MPa), dar puterea lor este drastic variază datorită trecerii de la anhidridei gips (sszh la 50 MPa).
Rezistența stâncilor este afectată de dimensiunea boabelor minerale. De exemplu, rezistența la compresiune a gresiei arcozate cu granulație fină și a calcarului cu granulație fină este de 2-2,5 ori mai mare decât cea a soiurilor grosiere ale acestor pietre.
Rezistența rocilor de același nume crește odată cu scăderea porozității.
Rezistența majorității rocilor scade odată cu creșterea umidității. Se remarcă o scădere semnificativă a rezistenței lutului, a rocilor chimogene, a marilor, precum și a gresiei cu ciment de argilă. Când rocile sunt umezite, rezistența lor este redusă cu 10-30%.
Ratele cu ciment silicos și feruginos au o rezistență mult mai mare decât rocile cu carbonat și ciment de lut.
Rezistența rocilor sedimentare este semnificativ afectată de gradul de metamorfism. De exemplu, puterea argilelor, care apar la adâncimi mari și este supus unui metamorfism stadiu inițial datorită temperaturii și presiunii, se poate ajunge la 50-100 MPa prin rezistența la compresiune uniaxială întrucât zgura din aceeași compoziție minerală, care apar în apropierea suprafeței, este 2-10 MPa .
Stabilitatea rocilor în pereții puțului este afectată nu numai de parametrii de rezistență, ci și de proprietățile reologice care caracterizează deformarea rocilor sub expunere prelungită la sarcini. Creepul și relaxarea se deosebesc de aceste proprietăți.
rocă Creep - acest fenomen este dezvoltarea treptată a deformare la o tensiune constantă de-a lungul timpului, chiar și în cazul în care tensiunea este mai mică decât limita elastică.
Relaxarea stresului este scăderea treptată a tensiunilor într-o stâncă cu o deformare constantă a acesteia.
Cunoașterea proprietăților reologice ale stâncii face posibilă evaluarea influenței factorului de timp asupra schimbării stării sale pe pereții puțului și în vecinătatea acestora.
Duritate - puterea stâncii pe indentare, capacitatea stâncii de a rezista introducerii în ea a unui alt corp solid.
În procesul de distrugere mecanică a stâncii de la fundul puțului, rolul primordial îl joacă inserția organului de lucru al sculei de tăiat în rocă. Pentru a evalua rezistența unei pietre la introducerea unui instrument, trebuie să-i cunoașteți duritatea.
Există multe metode de măsurare a durității materialelor, dar în industria de foraj, metoda propusă în 1942 și dezvoltată de prof. LA Schreiner. Procedura este aprobată ca GOST 12288-66.
Prin metoda LA. Duritatea stâncii este determinată prin intermediul unei matrițe având o suprafață plană de susținere. Stampile de două tipuri sunt utilizate pentru cercetare: oțel (fig.5, a) și inserție din carbură (figura 5, b).
Suprafața suprafeței de contact a ștampilei poate varia de la 1 la 10 mm 2, în funcție de mărimea granulelor minerale, structura și textura stâncii.
La testarea rocă foarte poroase și grosier recomandată utilizarea matrițelor cu suprafața de bază de 5 mm 2 sau mai multe, pentru roci și dense omogene poansoane adecvate solide, cu o suprafață de bază de 2 mm 2. În orice caz, este necesar să se plaseze o ștampilă pe suprafața probei, astfel încât la contactul nu era mai puțin de trei boabe de rocă.
Încărcarea pe ștampilă crește încet până la o anumită valoare critică Pcr. corespunzând primei sărituri de discontinuitate sub ștampila. Această sarcină (în H) caracterizează rezistența critică a pietrei la penetrarea matriței, adică permite evaluarea durității probei. Duritate, măsurată prin metoda LA. Shreiner (duritatea die) este presiunea critică sub ștampila de la contactul cu roca, corespunzătoare primului salt de discontinuitate.
În funcție de natura deformării sub ștampilă, toate rocile sunt împărțite în trei clase: fragil, elastoplastic, plastic (foarte poros).
Atunci când se testează rocile fragile, deformarea rămâne elastică până în momentul defectării. deformarea se dezvoltă proporțional cu sarcina până în momentul distrugerii (figura 6a).
Imprimarea durității
unde S este suprafața de contact, m 2.
Graficul elastoplastic rasa deformare vizibila două părți caracteristice de deformare (Fig.6, b) OA - deformare elastică, AB - deformare plastică.
Distrugerea stâncii sub ștampilă are loc sub acțiunea încărcăturii Pcr> Po, unde P0 este sarcina corespunzătoare rezistenței la curgere.