Технология и техника бурения в 2 частях Часть Горные породы

Коэффициенты набухания пород
Горная порода
Коэффициент набухания
Глина:
тяжелая вязкая
жесткая углистая, сланцевая и песчаная
обычная пластичная
1,5–2,0
1,02–1,15
1,5
Суглинок:
тяжелый
средний
легкий
1,45–1,50
1,20–1,45
1,2
Лёсс и лёссовидный грунт
1,25
Супеси
1,05–1,15
Песок:
пылеватый
глинистый
чистый
1,1
1,05–1,10
1,0

---

74 I. 
Основные 
физико-механические свойства горных пород
Увеличение влажности горных пород приводит к снижению 
большинства прочностных характеристик, увеличению пластично-
сти и деформируемости пород, влияет на величину угла естествен-
ного откоса.
Уменьшение прочности пород при водонасыщении характери-
зуется 
коэффициентом размокания (водопрочности) 
K
р
= 
V
сжн
d 1, 
(1.41)
V
сжо
где 
V
сжн
, 
V
сжо
— пределы прочности породы при сжатии соответ-
ственно после насыщения и до насыщения водой.

---

2
2
 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ 
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
ГОРНЫХ ПОРОД
Упругие свойства горных пород
Основными физико-механическими свойствами горных пород, 
влияющими на процесс бурения, являются их упругие и пласти-
ческие характеристики, прочность, твердость и абразивная способ-
ность.
Под действием внешних нагрузок все горные породы претер-
певают деформации, которые после снятия нагрузки исчезают или 
остаются. Первые из этих деформаций называются упругими, вто-
рые — пластическими. 
Основные породообразующие минералы деформируются как 
упруго-хрупкие тела. Они не дают никаких остаточных деформа-
ций, и их разрушение наступает в тот момент, когда напряжение 
достигает предела упругости.
Горные породы также относятся к упруго-хрупким телам, но в 
отличие от минералов их деформации подчиняются закону Гука 
только при динамическом приложении нагрузки.
Прочность является основным свойством всех твердых тел. На 
прочность горных пород влияют природные и технические факторы.
Твердость горных пород определяется как их свойство оказы-
вать противодействие проникновению в них другого тела.
Абразивная способность горных пород проявляется в том, что 
поверхности разрушающего инструмента (долота, бурголовки, ко-
ронки), соприкасающиеся с породой, подвергаются воздействию 
острорежущих ребер зерен пород, соскабливающих с породораз-
рушающего инструмента тончайшие стружки. Поэтому абразивно-
2.1.

---

76 I. 
Основные 
физико-механические свойства горных пород
стью называют способность породы изнашивать рабочую поверх-
ность породоразрушающего инструмента.
Чтобы технологически грамотно осуществлять процесс буре-
ния, специалист должен хорошо знать основные физико-механи-
ческие свойства разбуриваемых пород.
Однако из-за отсутствия надлежащих лабораторных баз, трудо-
емкости исследований, сложности методик и по ряду других при-
чин в большинстве регионов ведения буровых работ таких данных 
чаще всего нет. Поэтому на практике для характеристики степени 
трудоемкости разбуривания горных пород пользуются обобщен-
ным показателем — буримостью, о которой обычно судят по вели-
чине механической скорости проходки.
Все горные породы являются телами упругими. Породообра-
зующие минералы в большинстве случаев деформируются как 
упруго-хрупкие тела. Однако в условиях высокого всестороннего 
сжатия или в случаях длительно действующих нагрузок многие 
минералы деформируются как упруго-пластические тела.
Что же касается горных пород, то вследствие особенностей 
строения для них связь между напряжениями и деформациями но-
сит более сложный характер.
Для характеристики деформационных свойств твердого тела в 
области упругости используются модуль Юнга Е, или модуль упру-
гости; коэффициент поперечного расширения, или коэффициент 
Пуассона, μ; модуль сдвига G; модуль объемного сжатии K. 
Модуль Юнга по закону Гука связывает напряжение 
V и дефор-
мацию 
H: 
V = HЕ. 
Коэффициент поперечного расширения связывает относитель-
ные продольную 
H
пр
и поперечную 
H
поп
деформации: 
H
поп
= –
PH
пр
.
Модуль сдвига G связывает касательное напряжение 
W с дефор-
мацией сдвига 
J: 
W = GJ. 
Модуль объемного сжатия К связывает гидростатическое (все-
стороннее) давление Р
о
с относительной объемной деформацией 
H
о
: 
Р
о
 = –
H
о
К.

---

2. Физико-механические и технологические свойства горных пород 
77
Все показатели деформационных свойств в пределах справед-
ливости закона Гука связаны между собой следующими зависимо-
стями:
 Е 
= 
2G(1 + 
P),
(2.1)
Е =
KG = 3K(1 – 2P),
(2.2)
K + G
G =
Е
= 
K – ЕP
o
,
(2.3)
 1 + P)
3EK
K =
Е
= 
ЕG
,
(2.4)
 1 + 2P)
3(3G – E)
P = Е  – 1 = 3K – E .
(2.5)
2G
GK
Зависимости (2.1)–(2.5) позволяют по любым двум пара-
метрам определить все остальные деформационные показатели 
упругости.
Для анизотропных горных пород Е и μ должны быть заданы в 
виде кривых в зависимости от направления. При построении этих 
кривых из определенной точки как из центра в разных направле-
ниях проводят радиус-векторы, длина которых пропорциональна 
величинам Е или μ в соответствующем направлении. Соединив 
концы радиус-векторов плавной кривой, получают зависимости Е 
или μ от направления (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Зависимость модуля Юнга Е от направления

---

78 I. 
Основные 
физико-механические свойства горных пород
На модуль упругости горных пород оказывают влияние при-
родные и технические факторы. К природным факторам относятся: 
минералогический состав, структура и текстура, условия залегания 
и природа вещества, заполняющего поры.
Минералогический состав породы оказывает существенное 
влияние на модуль упругости (табл. 2.1, 2.2). Если основной поро-
дообразующий минерал имеет высокий Е
м
сж
, то и порода имеет вы-
сокий Е
п
сж
, однако при этом Е
п
сж
< Е
м
сж
.
 Таблица 
2.1