Какие свойства горных пород существуют
На чтение 8 мин. Просмотров 1.2k. Опубликовано 23.08.2019
Горные породы – классификация и видыПоверхность Земли состоит из минералов, которые, в свою очередь, образуют различные горные породы. Они формируются при определенных условиях и, в зависимости от происхождения, обладают особенными, характерными свойствами.
Горные породы залегают в земной коре – поверхностной оболочке нашей планеты и представляют большой интерес для человека в качестве минерального сырья. В природе редко можно встретить минералы в чистом виде. Обычно их обнаруживают вместе в больших количествах и их совокупность образовывает определенную горную породу.
Те минералы, которых в породе больше всего (20— 50%), геологи называют породообразующими, остальные, которых обычно не более 2 — 3%, — акцессорными минералами (от лат. accessorius — добавочный).
Каждая горная порода характеризуется степенью кристалличности, величиной и формой минералов, расположением мельчайших частиц относительно друг друга. По происхождению различают горные породы магматические, осадочные и метаморфические.
Магматические горные породы
Классифицировать горные породы можно по различным признакам, которые влияют на их состав и свойства.
В зависимости от количества минералов в составе различают два вида горных пород:
- Простые (мономинеральные) – состоят только из одной разновидности минерала.
- Сложные (полиминеральные) – состоят из нескольких различных минералов.
К основным критериям классификации горных пород относят химический и минеральный состав. Последний определяется процентным содержанием минералов в горных породах.
Магматические горные породы образуются обычно на большой глубине, где преобладают высокие температуры и давление. Они кристаллизуются из очень горячих природных расплавов (из магмы) с характерным силикатным составом.
На долю полевых шпатов в них в среднем приходится около 60%, кварца — около 12%, пироксена — около 12%. Глубинным магматическим породам присуще равномерное распределение зерен минералов. Магматические породы делят на две большие подгруппы: интрузивные (граниты, диориты, габбро) и эффузивные, т. е. вулканические (базальты, андезиты, липариты, дациты).
Кроме того, по химическому составу условно выделяют кислые, основные и ультраосновные магматические породы. К кислым относятся породы, содержащие в среднем 64 — 78% кремнезема (Si02): граниты, дациты, грано-диориты. Основные породы в среднем содержат 44 — 53% кремнезема: габбро, базальты, пироксениты и др. Ультраосновные породы содержат 30 — 44% кремнезема: дуниты, периотиты и др.
Граниты (от лат. granulum — зернышко) возникают при кристаллизации магмы на глубине более 2 км. Внешне граниты — среднезернистые или крупнозернистые породы, имеющие светлую (розовую, красную, серую) окраску. Цвет гранитов во многом зависит от содержания калиевого полевого шпата. В этих породах преобладающими являются кварц (30 — 35%), полевой шпат (50 — 60%), плагиоклаз (10 — 15%).
Акцессорных минералов бывает очень много: апатит, циркон, сфен, монацит, турмалин, биотит, магнетит и др. Насчитывается более двух десятков разновидностей гранитных пород. Среди них есть гигантозернистые пегматиты и мелкозернистые аляскиты. В зависимости от химического состава граниты могут быть плагиоклазовыми или щелочными.
Плотность гранитов колеблется от 2,58 до 2,81 г/см3. Граниты различаются по своей форме, происхождению и глубине образования. Удалось выяснить, что часть магматических расплавов, образовавших граниты, залегала на глубине 15 — 20 км, при этом были отмечены следы поднятия гранитной магмы со скоростью примерно 100 — 150 см в год. Мощности гранитных тел достигают 6 — 8 км.
Гранит — прочная горная порода с красивым рисунком расположения кристаллов. Когда хотят сказать о чем-то очень прочном, говорят «крепкий, как гранит». Действительно, из гранита делают фундаменты, опоры мостов.
Гранитной брусчаткой выложены улицы. Нижние этажи городских зданий часто облицовывают этим камнем. Гранит может противостоять ветру, дождю и снегу. Это объясняется особенностями его кристаллического строения, а внешний облик зависит от размеров породообразующих минералов и их цвета. Как правило, цвет гранита — это цвет его основного компонента — калиевого полевого шпата.
Особой разновидностью гранитов являются пегматиты — крупно- и гигантозернистые магматические породы. Из-за роста кристаллов кварца, проникающих сквозь полевые шпаты, пегматиты имеют вид «клинописи» на камне. Отсюда и такие названия, как «письменный гранит», «еврейский камень» и др. Из пегматитов добывают слюду, полевой шпат, драгоценные камни.
Гранит, как и всякая другая порода, может разрушаться на открытом воздухе, но происходит это медленно и едва заметно. Исторический опыт использования полированных плит гранита, которые подвергались воздействию резких колебаний температуры и атмосферных осадков, показал, что поверхность плит может начать изменяться только через 200 — 250 лет. Однако в современном мире выхлопные газы автомобилей, кислотные дожди и заводской дым существенно ускоряют процесс разрушения гранитов.
Магматические расплавы иногда прорываются по трещинам на поверхность, изливаясь в виде вулканических потоков. Излившиеся (эффузивные) потоки отличаются неравномерной кристалличностью, а отдельные минералы заключены в пористую или стекловидную массу.
Кристаллы в ней практически не видны. К таким горным породам относят базальты, которые по своему химическому составу являются основными породами (их плотность составляет 2,85 г/см3), и липариты — кислые породы с плотностью 2,59 г/см3.
Базальтовый расплав бывает сильно насыщен газами. Попадая на поверхность Земли, газы улетучиваются, оставляя поры, в результате чего порода становится ноздреватой. Иногда газов настолько много, что образующаяся горная порода (пемза) становится легче воды.
Осадочные горные породы
Осадочные горные породы — это разрушенные при выветривании и перемещенные водой или ветром обломки пород разного размера и формы. Осадочные породы покрывают 75% поверхности Земли. Их объединяют в четыре группы: обломочные, вулканогенно-обломочные (чаще их называют вулканогенно-осадочными или пирокластическими), глинистые и биохимические.
Обломочные породы состоят из обломков минералов, горных пород, остатков органических тел (например, из известковых скелетов животных, стволов и веток деревьев и др.). Обломки бывают крупными (более 10 мм) и мелкими (от I до 0,01 мм), имеют различную форму, иногда слабоокругленную, а иногда шарообразную.
В группу обломочных пород входят пески, алевриты, галечники и продукты их разрушения. Иногда обломки прочно скреплены глинистым веществом — природным цементом, который различается по своему составу и может быть кремнистым, карбонатным, железистым, глинистым. Плотность обломочных пород низкая — от 1.2 до 2.0 г/см2.
Осадочное происхождение имеют многие минералы — кальцит, доломит, гипс, галит, сильвин, ангидрит, лимонит и др. Их относят к минералам — индикаторам осадочных пород. Они могут возникать в самых разных физико-географических условиях. Например, железистые породы образуются на дне морей и озер, а также в болотах.
Особенно разнообразны известняки. Они накапливаются на дне морей или озер, встречаются в долинах рек и вблизи источников, где в воде много извести. Это широко распространенные известковые туфы — травертины.
Пирокластические породы находят вблизи действующих или давно потухших вулканов. Эти породы тесно связаны с вулканическими процессами, и поэтому их можно встретить как на суше, так и под водой, вблизи подводных вулканов.
Они представляют собой смесь вулканических пеплов, песков, шлаков, пемзы и даже вулканических бомб. Глинистые породы разнообразны. Встречается более 50 разновидностей глин, которые отличаются по своим минеральному, химическому и органическому составам. Их объединяет преобладание частиц, размеры которых колеблются от 0,01 до 0,001 мм.
Существуют две разновидности таких пород — глины и аргиллиты.
Биохимические породы образуются на дне озер, морей и океанов. К ним, например, относятся известняки-ракушечники, коралловые рифовые известняки, планктонные и фораминиферовые илы, озерный мел, диатомиты (диатомовые илы), сапропели (водорослевые илы) и другие, на суше — торф.
Метаморфические горные породы образовались в результате изменения (метаморфизма) толщ осадочных или магматических пород. При сильном и длительном их сжатии, а также под воздействием высоких температур и газов в породах происходит изменение состава минералов, появляются новые минералы; эпидот, хлорит, тальк, серицит, графит и др. Самая известная из таких пород — мрамор, образующийся при метаморфизме известняков.
Чистый, белоснежный мрамор может просвечивать в слое толщиной до 30 см, что придает мрамору характерное для него мерцание. Под воздействием сжатия и высоких температур вулканические и осадочные породы превращаются в гнейсы, а каменные угли — в графиты. Пейсы — метаморфическая горная порода.
Насчитывают около 40 разновидностей гнейсов. Их чаще всего можно встретить в Финляндии, Карелии, Восточной Сибири, в Канаде. Для гнейсов характерны серый или зеленовато-серый цвет, тонкая полосчатость из темных, почти черных и светлых прослоек, включения сплюснутых минералов и обломков пород.
Гнейсы образуются при температурах от 400 до 900°С и давлении в 3 — 9 тыс. атмосфер. Такие условия существуют только в глубоких недрах Земли.
Образование гнейсов протекает в несколько этапов. Сначала осадочные породы (илы, пески) превращаются в глины и песчаники, а иногда в глинистые сланцы. Обычно это происходит в верхних горизонтах земной коры, где еще невелики температура и давление. Затем по мере погружения в глубину и с возрастанием температуры и давления сланцы и песчаники резко уплотняются, теряя при этом воду; минералы «расплющиваются».
Смена геологических условий приводит к появлению характерных листовидных и чешуйчатых «метаморфических» минералов: хлорита, талька, силиманита, ставролита и др. Высокие температуры и горячие магматические расплавы способствуют частичному расплавлению уже измененных пород. На последнем этапе гнейсы приобретают пластичные свойства и способны сминаться в складки, образуя иногда даже характерные гранито-гнейсовые купола.
Эти преобразования происходят очень медленно и постепенно. Возраст гнейсов в большинстве районов Земли составляет 2 — 2,4 млрд. лет. Чем древнее такие породы, тем больше фаз метаморфизма они испытали.
Источники:
https://geographyofrussia.com/kakie-byvayut-gornye-porody/
https://obrazovaka.ru/geografiya/gornye-porody-klassifikaciya-vidy.html
Геологоразведочные скважины бурят в самых разнообразных геологических условиях. Поэтому и способ разрушения горных пород, тип породоразрушающего инструмента, режим его работы, крепление стенок скважины выбирают в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород, которые определяются комплексом геологических признаков (минералогическим составом, структурой и текстурой) и зависят от свойств основного минерального вещества, размера зерен, минерального цемента, пустотности, трещиноватости и др. Наиболее существенно на процесс бурения влияют следующие свойства пород:
| • прочность, | • хрупкость, | • водопроницаемость, |
| • твердость, | • абразивность, | • трещиноватость, |
| • упругость, | • устойчивость, | • слоистость, |
| • пластичность, | • пустотность, | • плотность, |
| • анизотропность. |
Прочностью называется способность горных пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, растяжении и других видах деформации. Прочность горных пород зависит от многих факторов и колеблется в широких пределах.
Испытание на прочность при сжатии проводится в лабораторных условиях на гидропрессах с определением сжимающего усилия в момент разрушения образцов горной породы, изготовленных в виде куба с ребром 5 см или цилиндров диаметром и высотой 5 см.
Для определения прочности горных пород на скалывание изготавливают пластинку из породы поперечным сечением 30×15 мм и длиной 120–150 мм помещают в прибор между ножами, на один из которых действует гидравлический пресс.
Временное сопротивление горной породы растяжению определяют на образце горной породы в форме прямоугольной призмы длиной 80 мм, шириной 20 мм и толщиной 10 мм на гидропрессе, имеющем специальное приспособление.
Прочность горных пород на скалывание и растяжение значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при сжатии за 1,0, то предел прочности ее на скалывание равен 0,2–0,08, а на растяжение 0,07–0,04. Поэтому горные породы легче разрушать скалыванием, чем смятием или раздавливанием.
Сопротивление горных пород разрушению при динамических нагрузках существенно отличается от сопротивления при статическом воздействии. В связи с этим при выборе способов бурения предпочтение следует отдавать таким, при которых преобладает динамическое воздействие на породу. Динамическая прочность горных пород определяется несколькими способами: ударом на изгиб, толчением и дроблением, определением ударной вязкости. Испытание ударом на изгиб проводят на маятниковом копре Шоппера. Обычно породы, обладающие высокой твердостью, имеют сравнительно невысокую ударную вязкость. Эту зависимость необходимо учитывать при определении рациональной области применения различных способов бурения.
По коэффициенту динамической прочности Fд горные породы делят на шесть групп; к горным породам одной группы по динамической прочности могут относиться породы с различной прочностью на статическое сжатие.
Твердость есть свойство тела оказывать противодействие проникновению в него другого тела – сопротивление горной породы вдавливанию в нее другого, более твердого тела. Бурение сопровождается внедрением в породу рабочих элементов породоразрушающего инструмента, поэтому твердость существенно влияет на скорость бурения.
Существуют различные методы оценки твердости горных пород: вдавливание в породу наконечников, царапание породы; метод фиксации затухания колебаний маятника, на конце которого укреплена игла, царапающая шлифованную поверхность образца; истирание или резание породы. В геологии большое распространение имеет шкала твердости минералов Мооса, по которой условную твердость минералов определяют методом царапания; по этой шкале твердость характеризуется отвлеченным числом (номером). Для практических целей важно знать не условную или относительную твердость горной породы, а абсолютную твердость, измеряемую, как правило, в МН/м2 (кгс/см2).
В настоящее время механические свойства горных пород определяются методом, предложенным Л. А. Шрейнером. По этому методу твердость горных пород определяют путем вдавливания в шлифованную поверхность образца породы штампа с гладким торцом (пуансона) площадью 1×2 мм (для твердых пород) и 5×2 мм (для пород малой твердости)
с замером нагрузок, деформации до разрушения, параметров зоны разрушения и в вычислением показателей механических свойств.
На рис. 2.1 приведены типовые диаграммы разрушения горных пород, полученные на приборе УМГП-3. По диаграмме деформации горных пород определяются также их упругость, пластичность, хрупкость.
Упругость – свойство горных пород изменять свою форму и объем под действием внешней нагрузки и восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействия.
Хрупкость – свойство горных пород разрушаться без заметной пластической деформации.
Пластичность – свойство горных пород необратимо деформироваться от действия внешних сил или внутренних напряжений, т. е. претерпевать пластическую (остаточную) деформацию без нарушения сплошности материала.
Диаграмма, показанная на рис. 2.1, а, получена при испытаниях хрупких пород (гранита, кварцита). Участок OD характеризует упругую деформацию породы. На диаграмме рис. 2.1, б участок ОА соответствует упругой деформации, АВ – пластической. В точке В наступает хрупкая деформация.
Абразивность – способность горной породы изнашивать при трении разрушающий ее инструмент. При бурении абразивных горных пород за счет износа инструмента сокращается время его работы на забое. Абразивность в значительной степени зависит от твердости породообразующих минералов: повышенной абразивностью обладают породы, состоящие из зерен очень твердых минералов, связанных менее твердым цементом. Для оценки абразивности предложены различные методы, в основу которых принят один принцип – истирание эталонного предмета. На практике обычно применяют метод и прибор для определения абразивности пород по износу свинцовых шариков.
Пустотность (пористость), характеризуемая наличием в горной породе пустот, усложняет процесс бурения; пустоты могут образовываться и за счет растрескивания породы.
Трещиноватость горных пород также влияет на процесс бурения; наиболее существенно она снижает эффективность алмазного бурения.
Устойчивость – способность пород сохранять первоначальное положение при вскрытии их в массиве и не обрушаться со стенок скважины без дополнительного их крепления. В неустойчивых породах требуется закреплять скважину и принимать меры по сохранению разрушающегося керна; устойчивость зависит от характера связей в горной породе.
Водопроницаемость горных пород зависит от размера и характера пор и трещин, влияет на потери промывочной жидкости в скважине.
Плотность горных пород определяет условия транспортирования разрушенной породы на поверхность.
При определении физико-механических свойств горных пород необходимо помнить об анизотропности пород, т. е. различии значений свойств в зависимости от направления воздействия на образец.
Слоистость, сланцеватость также создают анизотропию свойств горных пород. Механические свойства многих горных пород связаны с их текстурой. Для осадочных пород характерна слоистая текстура, для метаморфических – сланцеватая, причем значения свойств породы в направлении, параллельном плоскостям напластования или сланцеватости, отличны от значений тех же свойств в перпендикулярном направлении (анизотропия). Магматические горные породы также могут быть анизотропными по механическим свойствам, если имеют текстуру, характеризующуюся ориентированным расположением кристаллов породообразующих минералов. Анизотропные горные породы при пересечении их скважиной под углом к плоскости напластования или сланцеватости (т. е. к плоскости наименьшего сопротивления породы разрушению при бурении) разрушаются на забое неравномерно, что приводит к искривлению скважины.
Совокупность физико-механических свойств горных пород определяет их буримость, т. е. способность горных пород сопротивляться проникновению в них породоразрушающего инструмента. Буримость горной породы характеризуется механической скоростью бурения – значением углубления скважины за единицу времени. Этот показатель очень важен, так как по буримости пород планируются и нормируются буровые работы.
2.3. Классификации горных пород по буримости
и физико-механическим свойствам
Чтобы технологически грамотно осуществлять процесс бурения, т. е. бурить быстро и дешево, необходимо знать основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения, (упругие и пластические свойства, прочность, твердость и абразивную способность). К сожалению, из-за сложности методики и трудоемкости исследований, отсутствия надлежащих лабораторных баз и по другим причинам в большинстве случаев при бурении скважин таких данных нет. Поэтому в практических условиях для характеристики разбуривания горных пород пользуются обобщенным показателем – буримостью. При этом под буримостью горных пород понимают степень их сопротивляемости разбуриванию. В настоящее время существуют два направления в классификации горных пород по буримости.
Одно направление при построении классификации базируется на технологических производственных показателях (в этом случае за единицу измерения буримости принимают либо величину проходки, либо скорость бурения, полученные при бурении в тех или иных породах при определенных условиях), другое – на механических свойствах горных пород.
В основу большинства классификаций горных пород по буримости положена зависимость фактической буримости пород от их петрографической характеристики, определенная путем большого числа фотохронометражных наблюдений. Разработаны и применяются при проектировании и нормировании буровых работ следующие классификации, учитывающие способ бурения:
1) для вращательного механического бурения – с двенадцатью категориями пород по буримости;
2) для вращательного бурения шнеками – с шестью категориями пород по буримости;
3) для ударного механического бурения (исключая разведку россыпных месторождений) – с семью категориями пород по буримости;
4) для ударного механического бурения при разведке россыпных месторождений – с шестью категориями пород по буримости;
5) для ручного ударно-вращательного бурения – с шестью категориями пород по буримости.
В табл. 2.1 приведены выраженная через механическую скорость примерная буримость горных пород и примерная твердость по штампу.
После осмотра и описания извлеченного из скважины керна породу относят к той или иной категории в соответствии с классификацией. Для облегчения и контроля определения горной породы и отнесения ее к соответствующей категории на месторождениях составляют эталонные коллекции пород различной буримости. Буримость зависит не только от физико-механических свойств горных пород, но и от способа бурения, типа и качества породоразрушающего инструмента, глубины скважины и режимов бурения.
По мере совершенствования буровой техники и технологии бурения показатели буримости одних и тех же пород могут изменяться. В связи
с этим нормативы на бурение, отражающие достигнутый уровень техники и технологии, необходимо постоянно корректировать.
Наиболее универсальный способ бурения – вращательный с применением породоразрушающих инструментов, армированных твердыми сплавами и алмазами. Область применения вращательного бурения твердыми сплавами ограничивается практически бескварцевыми породами малой и средней твердости и абразивности (I–VIII категории по буримости). В частности, ребристые коронки, пикобуры, долота лопастного типа, армированные резцами с заданным углом приострения, а также шарошечные долота типа М целесообразно применять при бурении пород небольшой твердости и абразивности.
Горные породы умеренной твердости и абразивности целесообразно бурить тонкостенными коронками, армированными резцами с заданным углом приострения, а также долотами уступообразной формы. Самозатачивающиеся коронки можно применять для бурения пород средней твердости и абразивности.
При ударно-вращательном бурении область использования твердых сплавов значительно увеличивается. Этот способ бурения осуществляется гидро- и пневмоударниками, а также шарошечными долотами вращательно-ударного действия. Он распространяется на все группы пород по твер дости и абразивности (V–XII категории по буримости), имеющие умеренную механическую прочность. При бурении весьма прочных горных пород эффективность применения указанных видов технических средств
снижается, тем не менее их использование весьма желательно, особенно шарошечных долот типа К, при высоких осевых нагрузках и пневмоударников, имеющих высокую энергию единичных ударов.
Область применения алмазного бурения охватывает породы от умеренно твердых и абразивных до весьма твердых и абразивных. Однослойные алмазные коронки эффективнее применять, начиная с пород средней твердости и абразивности и кончая твердыми и абразивными породами, а импрегнированные – в более твердых и абразивных породах, включая весьма твердые и абразивные.
2.4. Основные закономерности
разрушения горных пород
Основным видом деформационного процесса, под действием которого породы в процессе бурения разрушаются, является вдавливание. Рассмотрим явления, происходящие в породе при действии на нее постепенно возрастающей местной нагрузки, передающейся через штамп. Первоначально порода уплотняется в непосредственной близости от площади контакта. Затем, когда нагрузка достигает некоторого критического значения, в породе образуется конусообразная трещина, вершина которой обращена к вдавливаемому телу. При дальнейшем увеличении нагрузки трещина продолжает развиваться в глубину; при этом образуется система хаотически расположенных трещин, порода в вершине конуса раздавливается в порошок, передающий давление во все стороны.
Под влиянием этого давления порода продолжает разрушаться до образования лунки. Описанный процесс внедрения штампа составляет один полный цикл разрушения. При дальнейшем нагружеиии штампа процесс во всех трех фазах повторяется. Такая цикличность разрушения свойственна хрупким, прочным горным породам. В хрупких, но менее прочных горных породах разрушение также носит цикличный, но менее скачкообразный характер.
Разрушение малопрочных пород носит плавный характер. Рассмотрим действие динамического вдавливания (ударов) на породу. Исследованиями установлено, что в результате ударов горные породы могут разрушаться при напряжениях меньше критических, соответствующих пределу прочности. Сам механизм разрушения аналогичен описанному выше. Число ударов по одному и тому же месту может быть значительным. С увеличением силы удара число их уменьшается, и при некотором значении силы разрушение наступает после первого же удара. Таким образом, горная порода может разрушаться при действии как статических, так и динамических нагрузок. Сила удара в процессе динамического разрушения зависит от величины нагрузки и скорости ее приложения. Эффект разрушения в значительной мере зависит от формы твердого тела, которым разрушают горную породу. Все эти и некоторые другие факторы оказывают влияние на объемную работу разрушения.
3. способы бурения.
бурение глубоких скважин