2.4 Вплив всесторонннього стиску і температури на механічні властивості гірських порід

В умовах всестороннього стиску механічні властивості гірських порід суттєво змінюються. При рівномірному всесторонньому стиску мінералів і монолітних гірських порід відбувається в основному пружна деформація, при стиску пористих порід можливе виникнення залишкових деформацій. Стиск гірських порід при всесторонньому тиску веде до збільшення їх об’ємної маси. Наприклад, об’ємна маса пісковиків, які залягають на глибині біля 3000 м, приблизно на 45-50% більша, ніж об’ємна маса аналогічних порід на поверхні. Зі збільшенням всестороннього стиску дещо збільшуються коефіцієнт Пуассона та модуль пружності гірських порід. Проте найістотніше всесторонній стаск впливає на міцнісні та пластичні властивості.

Збільшення всестороннього тиску перш за все виявляється на пластичності породи. Багато гірських порід, які при атмосферному тиску руйнуються крихко, із підвищенням всестороннього тиску набувають пластичних властивостей.Величина всестороннього тиску, при якому починається пластична деформація, неоднакова для різних гірських порід. Так, пластична деформація однорідних середньо- і грубозернистих вапняків, а також метаморфізованих аргілітів з’являється при всесторонньому тиску 50–100 МПа, дрібнозернистих вапняків, щільних аргілітів, ангідритів та алевролітів – при 80–100 МПа і більше, грубозернистих доломітів – при 100 МПа і більше, дрібнозернистих доломітів та дуже метаморфізованих глинистих порід при 200–350 МПа. Кварцити при тиску до 1000 МПа поводяться як крихкі тіла, пісковики з кремнеземистим цементом наближаються до кварцитів.

Границя текучості більшості гірських порід, тобто те напруження, після перевищення якого з’являється пластична деформація, зростає із збільшенням всестороннього стиску і тим значніше, чим менш пластична порода. Для кам’яної солі границя текучості майже не залежить від всестороннього тиску. Величина пластичної деформації до руйнування зростає із збільшенням всестороннього стиску, причому найбільша у вапняків і найменша у кварцитів; доломіти та пісковики займають проміжне положення.

Міцність всіх гірських порід зростає із збільшенням всестороннього стиску. Так, міцність мармуру при збільшенні всестороннього тиску від 0 до 20 МПа зростає в середньому на 2,15 МПа на кожний 1 МПа; міцність ангідриту зростає в середньому на 2,3 МПа, аргіліта – на 2 МПа. Міцність однойменних порід зростає тим більше, чим менша величина їх зерен.

При дії всестороннього тиску на гірську породу відбувається зміщення зерен одне відносно одного та їх зближення. Чим більший всесторонній стиск, тим щільніше притискуються зерна одне до одного і більші сили взаємодії між ними. У гірських породах пластична деформація відбувається в основному внаслідок відносного переміщення зерен (міжкристалічне ковзання). У тонкозернистій породі більша площа контактної поверхні між зернами, значить і більше можливостей для міжкристалічного ковзання, а тому і більша її пластичність. При дуже високому всесторонньому тиску відносне переміщення зерен практично неможливе, пластична деформація відбувається внаслідок ковзання всередині самих зерен і, звичайно, супроводжується зміцненням породи.

Зменшення пористості породи при збільшенні всестороннього стиску, зближення зерен і збільшення сил взаємодії між ними сприяє росту міцності породи. Деформаційне зміцнення при внутрішньокристалічному ковзанні зумовлює збільшення міцності із підвищенням всестороннього тиску. Збільшення всестороннього тиску призводить до “заліковування” внутрішніх дефектів у кристалічній решітці породи і, як наслідок, до росту міцності та пластичної деформації до руйнування. З підвищенням температури зростає здатність гірських порід до пластичної деформації, але одночасно знижуються границя текучості і міцність породи. Іноді вплив температури настільки значний, що повністю знімається ефект приросту міцності внаслідок підвищення всестороннього тиску. Так, міцність деяких глинистих порід, вапняків і навіть доломітів при температурі 300⁰С і всесторонньому тиску 200 МПа виявляється меншою, ніж при температурі 24⁰С і тиску 100 МПа. Підвищення температури особливо позначається на зниженні міцності ряду хемогенних порід (бішофіт, карналіт, галіт). Пружні властивості гірських порід з підвищенням температури суттєво не змінюються. Модуль пружності дещо зростає, а коефіцієнт Пуассона практично майже не змінюється.