2Определение абразивной способности горных пород методом л.И. Барона и а.В. Кузнецова
2.1Краткая теория
В процессе бурения скважин горная порода разрушается бурильным инструментом. При этом происходит и встречный процесс – разрушение инструмента породой, так называемый износ. А для оценки интенсивности этого процесса принят соответствующий параметр – абразивность горной породы. Это есть способность горной породы изнашивать трущиеся об неё предметы и, в частности, породоразрушающий инструмент.
Абразивность проявляется за счёт истирания, в том числе, за счёт микрорезания зёрнами породы разной формы, величины и твёрдости. На абразивность большое влияние оказывают как свойства самих зёрен, так и свойства природных цементов, которыми скреплены эти зёрна.
Оценка абразивности производится различными способами, среди которых существует и данный. В нём имеется наибольшее подражание внешним признакам бурения скважин (сверление), что позволяет ощутить действительность истирания металла в бурильном процессе разрушения горных пород и исключить малейшее в этом сомнение. Поэтому данный метод используется как демонстрационная лабораторная работа для студентов, не имевших до этого зрительно-чувственного представления о контактном взаимодействии металла и горной породы.
Сущность метода испытания породы заключается в следующем: эталонный стержень с заданными свойствами, формой и размерами сверлится об испытываемую горную породу заданное время, под воздействием заданной осевой нагрузки с заданной скоростью. При этом происходит износ стержня, то есть уменьшение его массы, которое фиксируется с помощью весов. Это уменьшение массы принимается за величину абразивности.
В качестве материала для эталонного стержня используется мягкая сталь- серебрянка. Преимуществами стали-серебрянки (ГОСТ 2588-44), как эталонного материала для определения абразивности пород, является:
1)Сравнительная однородность, состава и постоянство механических свойств.
2)Невысокая твёрдость (10 кгс/мм2 по Бринеллю), что обеспечило широкий диапазон среднего весового износа эталонного стержня от а = 0,36мг для известняка до а = 103 мг для корунда, т.е. крайние опытные значения абразивности относятся между собой как 1:286.
3)По сравнению с латунным стержнем в методе Шеферда эталонный стержень из стали-серебрянки имеет большую твёрдость и меньшую вязкость, что снижает «засаливание» породы на поверхности трения изношенными частицами металла.
2.2Цель лабораторной работы
Получить зрительно-чувственное восприятие процесса истирания металла о различные камни. Наработать навыки определения и вычисления абразивности горных пород посредством использования оборудования, таблиц и формул. Сравнить абразивность двух различных горных пород.
2.3Установка и принцип её использования
Установка изготовлена путём некоторого изменения конструкции настольного сверлильного станка с ручной подачей. В её состав среди прочего входят следующие части (Рисунок 2 .12):
1 – крышка;
2 – рычаг для поднятия патрона;
3 – тройной шкив;
4 – клиновой ремень;
5 – электродвигатель;
6 – кнопка пусковая;
7 – кнопка выключающая;
8 – груз;
9 – самоцентрирующий патрон;
10 – тиски;
11 – плаха поворачивающаяся и приподнимающаяся;
12 – рычаг для фиксации плахи.
Испытания пород на абразивность по методу Л.И. Барона и А. В. Кузнецова производят путём многоразового истирания о необработанную поверхность образца горной породы 13 торца вращающегося эталонного стержня (стержней) 14 из нержавеющей стали-серебрянки и последующего определения весового износа этого стержня (стержней) за период опыта. Показателем абразивности горной породы является средний весовой износ (потеря веса стержня (стержней) в мг) за время усреднённого единичного опыта, выполненного на установке для испытания пород на абразивность при постоянных параметрах испытания.
Рисунок 2.12 – Конструкция установки
Образец горной породы 13, заключённый между деревянными прокладками 15, зажимают в тиски 10, так; чтобы верхняя поверхность образца была приблизительно горизонтальна. Перед испытанием предварительно взвешенный эталонный стержень 14 зажимают в самоцентрирующем патроне 9, опускают на образец и включают электродвигатель 5, который с помощью клинового ремня 4 вращает шкив 3, соединённый осью с патроном 9. Зажим эталонного стержня в патроне производят рукой, вращая патрон по часовой стрелке. При этом другой рукой следует придерживать тройной шкив 3 при выдернутой вилке 16 из розетки 17. Требуемое осевое усилие создаётся грузом 8.
В процессе испытания крышка 1 должна быть на месте!
После окончания опыта стержень вынимают из патрона и определяют потерю в весе. Уменьшение веса стержня за период опыта, выраженное в миллиграммах (мг), принимается за показатель абразивности (а) горной породы.
Эталонные стержни изготовляют из незакалённой инструментальной калиброванной прутковой стали-серебрянки (ГОСТ 2588-44). Стержни диаметром 8 мм и длиной около 70 мм должны иметь торцы строго перпендикулярно оси. В одном из торцов каждого стержня высверливается по оси тупиковое отверстие диаметром 4 мм и глубиной 10-12 мм. Стержни могут использоваться повторно при условии обточки концов на токарном станке для удаления участков, получивших закругление. Применение стержней с закруглёнными торцами не допускается.
В качестве образцов горных пород для испытания на абразивность применяют керны или штуфы массой от 0,1 до 2 кг. В случае применения кернов при испытании используется как поверхность разлома на торцах, так и поверхность по образующей цилиндра. Образец породы прочно закрепляют в тиски между деревянными прокладками во избежание растрескивания породы. Верхняя поверхность образца должна занимать горизонтальное положение. Для этого, в отдельных случаях можно применять грубую обдирку образцов. Истирание эталонного стержня производят о естественную поверхность разрушения горной породы, т.е. о необработанную поверхность образца. Авторы метода отмечают нецелесообразность шлифовки и особенно полировки поверхности образца перед испытанием.