Лабораторна робота 8

Визначення енергоємності руйнування

Гірських порід

При динамічному втискуванні

Мета роботи.: Виявлення залежності зміни енергоємності і параметрів зон руйнування ( ) від кінетичної енергії удару.

Теоретичні відомості

При бурінні зубці шарошкового долота ударяють по породі з відповідною швидкістю, яка залежить від швидкості обертання долота, його діаметра, співвідношення діаметрів долота і шарошки, кроку зубців і схеми їх розміщення.

С тосовно до буріння, в лабораторних умовах процес руйнування гірських порід вивчають при ударі різних породоруйнівних зубців різних форм на копрах з вільно падаючим вантажем. Характер руйнування гірських порід зубцями показано на рис 8.1.

Механізм руйнування породи при ударі такий же, як і при статичному втискуванні. Під зубцем утворюється лунка руйнування 2, ядро 3 тонкоподрібненої породи, що передає зусилля на оточуючий його масив 4, і велика кількість мікро - і макротріщин 5.

При збільшенні енергії удару зубців по породі в широкому діапазоні її зміни процес руйнування проходить стрибкоподібно. Може відбуватися декілька стрибків руйнування (рис. 8.2).

Основним енергетичним показником процесу руйнування гірських порід є енергоємність як відношення затраченої роботи до об’єму зруйнованої породи , тобто

(8.1)

Л .А.Шрейнер, Н.М.Філімонов, М.Р.Мавлютов встановили, що залежність енергоємності руйнування від кінетичної енергії , витраченої при ударі, виражається періодичними кривими з декількома максимумами та мінімумами. Енергоємність процесу руйнування при малих значеннях енергії удару різко знижується, потім темп зниження зменшується і досягає мінімуму, після чого спостерігається збільшення до максимуму. При подальшому збільшенні кінетичної енергії енергоємність різко падає, досягаючи другого мінімуму і т.д. Мінімальні значення енергоємності відповідають стрибкам руйнування породи, тобто тим значенням енергії, при яких удар повністю реалізується на руйнування породи.

При збільшенні енергії удару від до росте її не використана частина, яка витрачається на пружні деформації, ущільнення породи і утворення в ній зони передруйнування.

Прилади і матеріали для проведення роботи

Лабораторна установка, індикатор переміщень годинникового типу, торсійна вага, пластилін, взірець гірської породи.

Опис приладів для проведення дослідів

Досліди проводяться на вертикальному випробувальному копрі КИ з вільно падаючим вантажем, загальний вид і принципову схему якого показана на рис. 8.3 і 8.4 відповідно.

На фундаменті 1 укріплена основа 2 з плитою 3 для закріплення гірської породи 4. На плиті 3 кріпиться три стійки 6 які виконують роль направляючих для падаючого вантажу 10 породоруйнівним елементом 19. На плиті 3 також кріпиться рейка з масштабною лінійкою 8. Направляючі стійки 6 і рейка масштабної лінійки 12 у верхній частині скріплені нерухомою траверсою 8. Вантажотримач 10 переміщується по стійках і кріпиться на них за допомогою гвинтів 14. Він має спусковий пристрій 16 з кнопкою 15, а вантаж 10 містить фіксуючий пристрій 5.

1 – фундамент; 2 – основа; 3 – плита; 4 – гірська порода; 5 – фіксатор; 6 – направляючі стійки; 7 – задня стійка; 8 – траверса; 9 – вантажотримач; 10 – вантаж; 11 – обмежувач; 12 – мірна лінійка; 13 – механізм підйому; 14 – гвинти; 15 – кнопка спуску; 16 – спусковий пристрій; 17, 18 – пластини; 19 – індентор.

Рисунок 8.4 – Принципова схема випробувального копра КИ

Швидкість удару породоруйнівного елементу 7 по породі не залежить від маси падаючого вантажу 6 і визначається за формулою

, м/с, (8.2)

де − прискорення вільного падіння, м/с²;

− висота падіння вантажу, м.

Потенціальна енергія вантажу вагою , піднятого на висоту , визначається за формулою

, (8.3)

що при ударі перетворюється в кінетичну енергію

, (8.4)

де - маса вантажу, кг;

- прискорення вільного падіння;

- потенціальна енергія піднятого вантажу, Нм;

- кінетична енергія вантажу, що падає Нм .

Порядок виконання роботи

1. Підготовлений взірець гірської породи закріплюють на плиті копра - рис. 8.3.

2. Розраховують для кожного досліду необхідну висоту падіння вантажу (баби) при заданій величині потенціальної енергії за формулою

, (8.5)

де - маса вантажу кг;

- прискорення вільного падіння.

3. Встановлюють вантажотримач 10 на розраховану величину за масштабною лінійкою 8 і проводять вкидання вантажу (баби).

4. Повторні удари проводять на віддалі від лунки руйнування, більшій за два діаметри зони руйнування.

5. Переносять відбитки форми лунки руйнування на міліметровий папір і визначають середнє значення діаметра зони руйнування за формулою

, (8.6)

де і − відповідно максимальний і мінімальний діаметри зони руйнування.

6. Проводять замір найбільшої глибини зони руйнування індикатором годинникового типу. При цьому порошок спресованої породи під штампом (ядро стиску) видаляти не слід.

7. Визначають об’єм лунки руйнування. Для цього пластилін втискується в лунку руйнування для отримання відбитка. Потім пластиліновий відбиток виймають і зважують з точністю до 0,01 мг. Об’єм лунки руйнування визначають за формулою

, (8.7)

де - маса пластиліну, що заповнив лунку руйнування;

- густина пластиліну, кг/м³.

Для отримання залежностей ; ; та необхідно провести 68 дослідів з трикратним повтором кожного із них.

Результати випробувань занести в табл. 8.1,. (6−8 дослідів).

Таблиця 8.1 − Результати динамічних випробувань породи

№ досліду	Номер точки удару	Вага вантажу, G, (Н)	Потенціальна енергія Т0, (Нм )	Висота падіння вантажу, Н (м)	Параметри удару			Параметри процесу руйнування
					маса вантажу,що падає, m, (кг)	швидкість удару ,v0, м/с	кінетична енергія, Е0, (кгм)	глибина зони руйнування, hзо, м)м	діаметр зони руйнування, Dзр, (мм)	об’єм зони руйнування, Vзр, (м3)	об’ємна енергоємність, Av, Дж/м3
І	1
	2
	3
	сер
ІІ	1
	2
	3
	сер