При увеличении бокового давления порода становится прочнее и пластичнее.

Чем обусловлена прочность горных пород?

Какие физические характеристики обеспечивают сопротивление деформации и разрушению?

Получить ответы на эти вопросы можно посмотрев в микроскоп (рис. 8-6). Для того чтобы образец разрушился или изменил форму, отдельные зерна породы должны переместиться относительно друг друга. Одна часть образца движется в одном направлении, а другая - в противоположном. Трение и присутствие цемента в пространстве между отдельными зернами препятствуют этому движению, придавая прочность породе.

Прочность породы определяется величиной трения и степенью цементации межзернового пространства.

На трение влияет нагрузка от веса вышележащих пород, а также форма и ориентация зерен.

Возраст породы влияет как на степень цементации, так и на форму и ориентацию зерен.

Прочность горных пород обусловлена, главным образом, трением между зернами. На трение влияют несколько факторов, в том числе:

• Размер и форма зерен

• Ориентация зерен

• Сжимающие нагрузки, действующие на зерна

• Количество смазывающей жидкости в поровом пространстве

Цемент образуется из минералов, осаждающихся из воды, протекающей через пласт. Можно заметить похожий на породу материал, образующийся на дне электрического чайника. Он сходен с осадками, которые выпадают из раствора в пласте. Эти осадки цементируют зерна, в результате чего увеличивается прочность породы.

Роль трения и цемента можно проиллюстрировать на примере песка на пляже (рис. 8-7). Когда песок сухой, то при высыпании он образует конус, похожий на вулкан или пирамиду. Песок не растекается тонким слоем, поскольку этому препятствует трение между отдельными зернами. Трение между зернами обеспечивает прочность песка, достаточную для образования конуса и сохранения параметра, называемого углом естественного откоса.

Если песок влажный, он достаточно прочен, чтобы из него можно было строить замки. Вертикальные стенки из влажного песка будут стоять, не разрушаясь. Вода, обладающая когезивными и адгезивными свойствами, действует как цемент, удерживающий зерна вместе. Кроме того, вода способствует более плотной упаковке песчаных зерен, в результате чего возрастает трение между зернами. Влажный песок является более прочным строительным материалом, чем сухой.

Однако если песок полностью насыщен водой, он становится непрочным и растекается тонким слоем. Это объясняется тем, что вода действует как смазочный материал. Без заметного трения песок не обладает прочностью.

Относительную прочность песочного конуса можно определить по углу откоса. Трение между зернами обеспечивает прочность песка, достаточную для образования конуса. Зерна влажного песка расположены ближе друг к другу, благодаря чему возрастает внутреннее трение и песок приобретает прочность, достаточную для строительства неразрушающихся вертикальных стенок. Чрезмерно количество воды в насыщенном песке приводит к разъединению зерен, причем вода смазывает их. Поскольку трение между зернами очень мало, песок растекается тонким слоем.

Рис. 8-7 Аналогии прочности горных пород

Представим себе рытье колодца на пляже. В сухом песке стенки колодца будут располагаться под тем же углом, что и откосы холма сухого песка. Во влажном песке стенки колодца будут вертикальными. Когда же колодец дойдет до зеркала воды, дальше рыть будет невозможно - песок стекает на дно колодца.

Вернемся к нашему образцу в лаборатории. Когда к нему приложено боковое давление, внутреннее трение между зернами возрастает. Поэтому прочность породы увеличивается при действии бокового давления.