Прочностные свойства минералов и горных пород

По характеру изменения прочности скальных горных пород в области высоких температур их можно разделить на две группы:

1) породы, прочность которых с увеличением температуры постоянно снижается; к этой группе относятся скальные породы относительно малопрочные (известняк, мрамор, апатит, доломит и др.), у которых при нагреве происходит количественные и качественные изменения, сопровождающиеся разложением с выделением летучих составляющих, диссоциацией, плавлением и другими явлениями.

2) породы, прочность которых с увеличением температуры сначала возрастает до некоторого максимума, а затем снижается. К ним относятся сравнительно прочные скальные породы (песчаники, габбро, безрудные кварциты, граниты и др.) максимальное значение прочности имеет место при температуре 473-573 К (200-300˚С). Увеличение прочности при нагреве до этих температур объясняется тем, что с ростом температуры в минералах и в межзерновом цементе образуются дислокации, которые запутываются между собой и не выходят на поверхность. Это согласно теории Коттрелла, приводит к увеличению прочности. Экстремальное значение прочности скальных горных пород при температуре 473-573 К (200-300˚С) на 20-40% превышает их прочность, соответствующей естественной температуре. При дальнейшем увеличении температуры образуется микротрещины, развивающиеся за счет структурных термических напряжений. Это, в конечном итоге, приводит к снижению прочности скальных пород.

Причиной разрушения скальных пород как в области низких, так и в области высоких температур является структурные термические напряжения, приводящие к микронарушениям на границах минеральных зерен равномерно по всему объему породы.

Прочность рыхлых и связанных водонасыщенных пород в области температур Т<273 К зависит от их минерального состава, степени водонасыщенности и температуры.

На первой стадии (температура 273 К (0˚С)) промораживания, когда содержание жидкой фазы велико, породы обладают значительной пластичностью и низкой прочностью. На второй стадии замораживания, когда жидкая фаза представлена тонкими слоями прочносвязанной воды и диффузный слой отсутствует, прочность связанных пород возрастает. На третьей стадии (температура 233 К (минус 40˚С)) замораживания жидкая фаза представлена разобщенными островками прочносвязанной воды, при которых прочность рыхлых и связанных водонасыщенных пород максимальна.

Применительно к оценке геометрических параметров ледопородных ограждений практическое значение имеют прочностные свойства при длительном приложении нагрузки (длительная прочность), т.к. ледопородные ограждения находятся под нагрузкой до 30 сут. Прочность замороженных рыхрых и связанных водонасыщенных пород со временем падает, причем наиболее интенсивно в начальный период нагружения. В первые 1-2 ч прочность понижается на 30-70 % по сравнению с первоначальной, в дальнейшем темп падения прочности значительно снижается, постепенно затухая.