Деформаційні властивості гірських порід

Гірські породи чинять різний опір деформації. Цей опір називається міцність. Найбільшу міцність мають гірські породи при стисканні, найменшу – при розтягнення. Міцність деяких гірських порід, а також модуль Юнга¹ та коефіцієнт Пуассона при нормальній температурі та тиску 1 амтосфера (1,___ МПа) наведені у табл. 1.

Таблиця 1

Фізико-механічні властивості гірських порід (за матеріалами В.М.Крейтера (1956) та В.В.Білоусова (1971))

Гірська порода	Міцність, кгс/см2			Модуль Юнга (Е), 106 кгс/см2		Коефіцієнт Пуассона (μ)
	Стискання	Розтягнення	Зріз
Пісковик	500-1500	10-30	50-150		0,06-1,00		0,06-0,11
Вапняк	400-1400	20-60	100-200		0,76-0,85		0,16-0,32
Сланець	700	250	150-200		0,05-0,22
Фельзіт	2000-2900
Андезіт					0,40-0,54		0,16-0,18
Базальт	2000-2500				1,01-1,06		0,22-0,25
Граніт	1000-3200	30-50	150-300		0,16-0,60		0,04-0,27
Сієніт	1500-2000
Діорит	1000-2500				0,55-0,87
Габро	1000-1900				0,58-1,08		0,11-0,27
Діабаз	1300-2100	50			0,72-1,16		0,10-0,28
Мармур	800-1500	30-90	100-300
Гнейс	1400-2400				0,09-0,50		0,03-0,15
Кварцит	1400-5000

Важливою характеристикою гірських порід є в’язкість η, тому що з її врахуванням визначається пластичної деформації . В’язкість відображає процес внутрішнього тертя, тобто спроможність тіла чинити опір при переміщенні одних часток тіла відносно інших. В’язкість виражається у пуазах (СИ). Чим більше в’язкість, тим більший опір чинить тіло пластичній деформації. У тіл різного складу в’язкість дуже різна: у води вона складає 0,01 пуаза, у вологої глини 1000 пуаз, а у гірських порід досягає 10²⁴ пуаз. Пластичні матеріали і породи здатні витримувати значну пластичну деформацію без руйнації. У крихких тілах зразу за пружною деформацією або після незначної пластичної деформації відбувається руйнація. Для пластичних тіл між межею пружності та межею міцності знаходиться дуже широкий інтервал значень, тоді як для крихких тіл ці обидві межі співпадають або майже співпадають.

При різних типаж деформації (розтягнення, стискання, зсув) у гірських породах виникають два типа тріщин – сколювання та відриву. Утворення перших пов’язане з максимальним дотичним напруженням, а других – з максимальними розтягуючими напруженнями. Таким чином, кожна гірська порода має дві межа міцності: один для сколювання інший для відриву. Руйнація порід при збільшенні напружень відбувається по тому типу, для якого при даних умовах межа міцності нижче і, відповідно, може бути досягнутий раніше. В табл. 2 наведені деякі дані про короткотривалу міцність зразків гірських порід (Гзовський, 1960).

Таблиця 2

Міцність сухих зразків гірських порід при атмосферному тиску та кімнатній температурі, кгс/см²

Гірські породи	Міцність на відрив	Міцність на сколювання
		мінімальна	максимальна	середньостатистична
Граніти	30	600	1800	750
Діабази	50	650	2300	900
Гнейси	-	400	1600	800
Кварцити	80	130	1600	1000
Кристалічні сланці	-	300	1500	700
Мармури	50	120	1300	500
Вапняки	50	100	1800	450
Пісковики	20-60	200	750	-
Глинисті сланці	30-40	180	260	-
Кам’яна сіль	15-50	90	-	-
Вугілля	-	20	80	-

Деформаційні властивості гірських порід залежать від величини всебічного тиску, температури, наявності середовищ, що насичують та швидкості деформації. Відомості з цього питання знаходяться у книзі «Деформационные свойства горнах пород …» (1968). Зі збільшенням величини всебічного стискання міцність всіх гірських порід збільшується, тим більше чим менше розмір зерен гірської породи (табл. 3, 4). Збільшення всебічного тиску збільшує в’язкість та міцність порід, особливо на відрив. Час, або швидкість деформації відіграє дуже важливу роль. Під час миттєвої деформації (вибухи) навіть пластичні тіла поводять себе як крихкі. Тривала деформація сприяє тому, що породи які є відносно крихкими, поводять себе як пластичні матеріали. Збільшення температури загалом приводить до зниження в’язкості гірських порід і, відповідно, до збільшення їх властивостей до пластичної деформації. Підвищення температури призводить також до зниження міцності гірських порід на сколювання. Зі зниженням температури в’язкість та міцність порід на сколювання збільшуються. Наявність в породі рідини та водяних парів приводить до зменшення міцності цієї породи.

Таблиця 3

Залежність модуля пружності від величини всебічного стискання (за М.П.Воларовичем)

Гірська порода	Модуль Юнга (Е) в 105 кгс/см2 при всебічному тиску в кгс/см2
	1	400	500	1000	5000
Діабаз	7,32	10,3	-	11,5	-
Базальт	4,39	6,0	-	6,66	-
Граніт	2,90	4,25	-	4,40	-
Гнейс	3,59	-	-	8,36	9,30

Таблиця 4

Міцність на сколювання деяких гірських порід при різному всебічному тиску (за Дж.Хендіну)

Гірська порода	Міцність та сколювання у кгс/см2 при всебічному тиску у кбар
	10	20	30	40	50
Базальт	2900	7500	13000	14000	17000
Обсидіан	3800	8000	12000	14000	15000
Піроксеніт	2700	6300	-	12000	14000
Вапняк	1000	3400	5700	6800	7200
Кам’яна сіль	900	1800	2200	2400	2900

Характер прояву деформацій гірської породи залежить від умов деформацій, від сукупності та взаємного сполучення всіх факторів (глибини залягання гірської породи, часу або швидкості деформації, температури, наявності в породі розчинів).

Сумісна дія температури та всебічного тиску приводить до того, що з деякої глибини гірські породи руйнуються переважно шляхом в’язкого сколювання, тоді ж як поблизу до поверхні може бути проявлений і відрив.

Тривалість геологічного часу сприяє розвитку пластичних деформацій і більш кращому утворенню сколових порушень у порівнянні з тріщинами відриву, що виникають під час крихких деформацій.

При дослідженні рудних родовищ необхідно мати на увазі, що в межах багатьох з них проявилися процеси гідротермального змінення порід (скарнування, грейзенізації, пропілітизації, березитизації, обкварцювання та ін.). В зв’язку з цим фізико-механічні властивості порід (пористість та показники міцності) зазнають значних змін, а це в свою чергу впливає на майбутню локалізацію зруденіння.