ГлавнаяДанных о влиянии всестороннего давления на свойства скальных и полускальных горных пород накопилось довольно много, Сводка результатов таких исследований сделана Ю.А. Розановым, им же были выполнены и новые эксперименты. Все полученные данные показывают, что при равномерном всестороннем сжатии, т. е. при о1 = о2 = о3, у прочных пород обнаруживается упругое изменение объема, а у малопрочных и пористых пород — остаточное. Упругое изменение объема у прочных горных пород даже при большом всестороннем сжатии (до 2000 МПа) незначительное по сравнению с их первоначальным объемом.
Коэффициент объемного сжатия в, характеризующий относительное уменьшение объема АV/V при увеличении давления на 0,1 МПа, равен
в = -1/Ар*АV/V.
У большинства горных пород коэффициент объемного сжатия составляет 10в-5—10в-6 МПа, т. е. при увеличении давления на 0,1 МПа объем горных пород уменьшается на несколько миллионных или десятимиллионных долей от их первоначального объема.
Из табл. III-17 видно, что коэффициент объемного сжатия уменьшается с увеличением давления, а модуль объемного сжатия и плотность пород увеличиваются. При уменьшении в составе горных пород количества кварца, слюд и полевых шпатов и увеличении железисто-магнезиальных силикатов их сжимаемость уменьшается. Кислые породы сжимаются больше, чем основные. Неодинакова при этом и роль действующего давления. Сжимаемость кислых пород при небольших давлениях превышает среднюю сжимаемость породообразующих минералов — кварца, полевых шпатов, слюд. При более высоких давлениях сжимаемость таких пород примерно равна средней сжимаемости составляющих их минералов.Сжимаемость основных пород как при малых, так и особенно при больших давлениях примерно соответствует средней сжимаемости породообразующих минералов (рис. III-30). Все это показывает, что структурные связи в кислых породах более податливы, чем в основных, а в последних податливость структурных связей между кристаллами минералов немногим отличается от податливости связей внутри кристаллов минералов.
Сжимаемость карбонатных пород (известняков, мраморов) при небольших давлениях больше (в = (2,3/2,7)*10в-6), чем магматических. При давлениях выше 200 МПа сжимаемость известняков достигает значений, равных сжимаемости кальцита (в = 1,39*10в-6), которые при дальнейшем увеличении давления не изменяются.
При высоком всестороннем сжатии скальных и полускальных пород, т. е. при о1>о2=о3, заметно повышаются их прочность, упругость и пластичность. В этом случае увеличение прочности пород проявляется в том, что они, не разрушаясь, выдерживают нагрузки значительно большие, чем при нормальном давлении. Так, например, при увеличении всестороннего давления от 0 до 165 МПа предел прочности (упругости) у мрамора возрастает со 136 до 390 МПа, т. е. на 254 МПа. Прочность песчаника увеличивается с 69 до 330 MПa, т. е. почти в 5 раз, при увеличении всестороннего давления от 0 до 155 МПа. Прочность на сжатие мелкокристаллического известняка при атмосферном давлении равна 260 МПа, а при всестороннем давлении 1000 МПа достигает 1300 МПа. Прочность кварца на сжатие в обычных условиях составляет 2500 МПа, а при всестороннем сжатии в 2500 МПа она достигает 15 тыс. МПа.Заметно изменяется и характер разрушения пород. Горные породы, хрупкие при нормальных условиях, становятся пластичными при высоком всестороннем давлении. Так, например, эксперименты показали, что известняк с прочностью на сжатие 260 МПа при обычных условиях обнаруживает только упругие деформации и хрупко разрушается, как только напряжения достигнут предела прочности и упругости. При всестороннем давлении 1000 МПа образец таких известняков сминается на 50% высоты без разрыва сплошности.
На рис. III-31 показана форма образцов мрамора, имеющего прочность на сжатие 120—150 МПа, до деформации и после деформации от действия вертикальной нагрузки 966, 970 и 1121 МПа при всестороннем давлении в пределах 630—650 МПа. Из этого рисунка видно, что испытываемые образцы мрамора деформировались пластически, без нарушения их сплошности.
На рис. III-32—III-33 показаны диаграммы деформаций различных горных пород под воздействием всестороннего сжатия. На первом рисунке приведены данные Д. Григгса по исследованию деформаций мрамора и известняка при всестороннем давлении от 0,1 до 1000 МПа. При всестороннем сжатии в 1000 МПа у мрамора максимальная деформация достигла 22% (уменьшение высоты образца), а у известняка — до 32 %, причем при давлении до 400 МПа как мрамор, так и известняк вели себя как упругие хрупкие тела. При большем всестороннем давлении происходят пластические деформации. На втором рисунке приведены результаты исследований Т. Кармана. Характер развития деформаций мрамора и песчаника в этих опытах такой же, как и в предыдущих. Однако в опытах Т. Кармана породы имели более высокие пластические свойства. Таким образом, при повышении всестороннего давления у скальных и полускальных горных пород повышается пластичность, т. е. способность в большей степени деформироваться необратимо без разрыва сплошности.
Наблюдения ряда исследователей показали, что влияние температуры на деформацию горных пород (при повышении ее до 200 и даже до 500 °С) незначительно. Однако надо полагать, что механические деформации горных пород, сопровождающиеся более значительным повышением температуры, должны способствовать метаморфическим процессам. Любопытно отметить, что на деформацию твердых горных пород большое влияние оказывает присутствие в них поровой воды. Эта вода играет роль как бы смазки при интергранулярных подвижках, она облегчает развитие пластических деформаций. При отсутствии воды даже в очень пластичных породах наряду с пластической деформацией проявляется и деформация хрупкая.
Важно также учитывать, что равномерное всестороннее сжатие и одностороннее давление, наложенные на горную породу, находящуюся в обстановке всестороннего сжатия, вызывают совершенно различные эффекты. Одно всестороннее сжатие повышает плотность породы, понижает ее проницаемость для растворов и газов и повышает температуру кристаллизации минералов, тогда как наложение дополнительного ориентированного давления повышает проницаемость пород, понижает температуру кристаллизации минералов и существенно влияет на изменение микроструктуры и текстуры горных пород. В этом случае наблюдается появление катакластических структур, структур пластического течения, кристаллизационной сланцеватости, возникновение ориентировки минералов. Наблюдения при лабораторных экспериментах, так же как и при полевых, показывают, что различные минералы имеют различную способность к пластическим деформациям. Так, например, нередко наблюдается, что в катаклазированных участках гранита зерна кварца и полевого шпата раздроблены (некоторые зерна кварца характеризуются облачным погасанием), в то время как листочки слюды не имеют трещин, изогнуты, пластически деформированы.Установлено, что для получения пластической деформации кальцита необходимо избыточное осевое давление около 40—50 МПа. Барит легко деформируется при избыточных осевых нагрузках в 20 МПа, а слюды — при еще меньших нагрузках. Все эти данные указывают на влияние минерального состава пород на их деформацию и на влияние высокого всестороннего давления на формирование в породах зон и поверхностей ослабления.