книги из ГПНТБ / Арцимович, Г. В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин

калывается по завершении третьей фазы. Измерения гео­

метрических параметров зоны разрушения дали следующие соотношения:

На рис. 18 даны два смежных усеченных конуса зон разруше­

щины с углами к горизонту сск=40° зафиксированы при взрыв­ ном разрушении хрупкого материала.* Соответствующие иллю­ страции, приведенные в книге К. Б. Броберга [51], убеди­ тельно подтверждают единство процесса разрушения хруп­ ких тел. Такой же механизм разрушения был обнаружен нами

в песчанике после искусственного отделения консоли. Со­

трудники ИГД им. А. А. Скочинского [46] аналогичный харак­ тер разрушения получили в граните, песчанике и кварците.

Р. М. Эйгелес [52] непосредственно наблюдал развитие конус­ ных трещин почти во всех основных типах пород и даже в та­

ких пластичных, как глины.

Выше отмечалось, что одновременно с образованием ворон­

ки разрушения в массиве формируется зона предразрушения.

Глубина развития этой зоны в 7 —10 раз превышает глубину-

выкола.

Зона предразрушения формируется в породе после первого же прохода инструмента по забою. В процессе углубления сква-

42

рушенной зоне, созданной ударно-вращательным бурением,

идет со скоростью в 3 раза большей, чем по монолиту. Крутя­ щий момент при этом снижается в 2 раза. За оборот ослаблен­ ная зона снимается. Интересно отметить, что при ударно-вра­ щательном бурении механическая скорость во времени измеря­ ется по синусоидальному закону. Природа этого явления та­ кова. Чрезмерное развитие трещиноватой зоны приводит к

тому, что процесс распространения новых трещин затрудня­

ется. Механическая скорость бурения начинает падать. За­

тем инструмент как бы прорывается через этот слой, снимая

его, и производительность вновь растет.

£4. МЕХАНИЗМ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ВДАВЛИВАНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ИНДЕНТОРА

СПЛОСКИМ ОСНОВАНИЕМ

Экспериментальные исследования процесса внедрения ци­

линдрического штампа с плоским основанием, выполненные в различных научных организациях страны (ИГиРГИ, ВНИИБТ,

ИСМ и др.), показали, что для некоторых пород рассмотренный

44

разрушении последнего нормальные радиальные сгг напря­

жения в течение 60 —80% времени цикла сохраняют положи­

же, что первоначально трещины образуются, а затем их

развитие прекращается. Формирование начальной кольцевой

трещины вызывает существенное перераспределение напря­

жений под штампом в сторону выравнивания уровня по кон­

тактной поверхности и смещение точки максимальных каса­ тельных ттах напряжений на оси симметрии в сторону откры­

той поверхности. Эти факты установлены методом фотоупру­

гости. Основываясь на теоретических решениях [56, 57] и по­

строив по материалам работы [56] поле изобар главных нор­

мальных напряжений (рис. 20), можно следующим образом

описать дальнейший процесс разрушения.

Увеличение нагрузки вызывает развитие в пространстве

под штампом необратимых изменений, связанных с пласти­

ческими деформациями или структурными изменениями (мик­

ротрещиноватости и т. п.). В результате образуется своеоб­ разная область, напоминающая по форме чашеобразное тело вращения. В сечении по оси симметрии зона необратимых деформаций имеет форму серпа, упирающегося острыми верши­

нами в кромки штампа (рис. 21 и [57]). Эта область, как видно

из рис. 20 и 21, размещается ниже зоны действия максималь­

ных касательных напряжений [57]. На заключительном этапе сформировавшееся ядро передает давление на кольцевую кон-

45

Максимальные растягивающие напряжения возникают у наи­

большего расширения «чаши». Картина траекторий главных

нормальных напряжений совпадает- с формой кратера, об­

разующегося при «скачке» разрушения. Полученные данные

свидетельствуют об идентичности заключительного этапа раз­

были приняты, исходя из соотношений, приводимых в рабо­ те [58[. Решалась плоская задача методом полос. Разделение главных напряжений велось методом численного интегриро-

46

вания. Новизна постановки задачи состояла в том, что серпо­ видная зона была выполнена из упругого материала, а штамп

брался сферической формы. Для обеспечения идеального при­

легания серповидной зоны к штампу и породе поступали сле­

дующим образом. После установления в исходное положение

названных составных частей модели в серповидное простран­ ство, образовавшееся между ними, заливалась специальная

быстротвердеющая и не дающая усадки паста К-5.

После обработки полученных материалов измерений были

построены: траектории главных нормальных напряжений

(рис. 23), главных касательных напряжений (рис. 24) и изо­

бары радиальных и тангенциальных нормальных напряжений (рис. 25). Анализ численного и графического материала позво­ лил установить, что траектории главных нормальных напря­ жений (см. рис. 23) при принятой структуре центрального ядра

не совпадают с направлениями развития трещин при обра­

зовании кратера разрушения в натурных условиях. Это ста­

вит под сомнение правомерность принятой в опыте структуры ядра. Основываясь на данных рис. 24, следует ожидать, что

Рис. 23. Изоклины (справа) и изостаты (слева) главных нор­ мальных напряжений.

47

Рис. 24. Изостаты максимальных касательных напряжений.

Рис. 25. Изобары главных радиальных (стг) и тангенциальных (с0) напряжений.

начальной причиной зарождения равновесных трещин на участ­

ке максимального расширения ядра, тем более что в этом мес­

те имеется относительный максимум напряжений Hefo) (см.

рис. 25).

В процессе развития трещины могут приобрести неравно­

весный характер и выйти на открытую поверхность. Однако появление равновесных трещин приводит к перераспределе­ нию напряжений и формированию новой системы сил.

48

Р и с . 2 6 . Изобары максимальных касательных напряжений.

Интересно рассмотреть также поле изостат главных касатель-

ных напряжений, приведенных на рис. 24, и изобар этих 'же

напряжений (рис. 26).

Траектории главных касательных напряжений очень хо­

рошо согласуются с направлениями трещин, развивающихся при выколе. На рис. 26 зона наиболее вероятного развития трещин

выкола показана штриховыми линиями. Следует отметить, что в этой области не отмечается максимальных величин касатель­ ных напряжений, и в то же время относительный уровень нор­ мальных сжимающих напряжений достаточно высок. По­ скольку предельные значения максимальных касательных на­ пряжений на площадках находятся в зависимости от уровня

действующих здесь сжимающих напряжений, трудно пред­

полагать, что трещины выкола связаны с достижением каса­ тельными напряжениями предельных значений.

Еще один факт свидетельствует в пользу высказанного пред­ положения. Если выкол биконической крышки происходит под воздействием касательных напряжений, то она всегда должна быть рассеченной радиальными трещинами. Если же причиной

разрушения являются нормальные напряжения и исследуемое

полупространство изотропно, то выкалываемая крышка оста­ ется целой, что мы многократно наблюдали при экспериментах на стекле, песчанике, литографском камне.

Таким образом, обе исследованные структурные схемы ядра

сжатия расширяют представления о механизме разрушения горных пород при вдавливании элементов породоразрушаю­ щего инструмента. Однако нужно иметь в виду, что экспери-

ментальные материалы, характеризующие напряженное со­ стояние массива при второй схеме ядра, получены для плоской, модели. В этом случае граничные условия на поверхности

вдавливания штампа характеризуются равенством нулю ка­

сательных напряжений. При действии же штампа на полу­

пространство эти условия не выдерживаются, и высказанные

соображения для плоской модели можно распространять на

объемную задачу весьма условно. Следует также отметить,

что механизм разрушения пород упруго-пластического класса изучен менее детально и усилия исследователей должны быть

направлены на скорейшую ликвидацию этого пробела. При даль­

нейшем ведении работ названного плана необходимо иметь в виду, что вообще для пород этого класса строгое применении схемы разрушения с образованием конусной трещины требует дополнительного обоснования, так как имеющийся экспе­

риментальный материал противоречит отдельным положениям схемы. Сюда могут быть отнесены следующие достоверно ус­

тановленные факты: плавное изменение кривизны конусной трещины на всем пути ее распространения от начала зарож­ дения до выхода на открытую поверхность; отсутствие «хвос­ тов» при статическом вдавливании; образование конусных тре­ щин, ветвящихся от кромки штампа или далее в глубине массива, и др.

Кроме того, нельзя забывать, что применение аналитических

решений теории упругости к породам, проявляющим в значи­ тельной степени пластические свойства, неправомерно, а если и допустимо, то в упругой части.

§ 5. ВЛИЯНИЕ ЗАБОЙНЫХ УСЛОВИЙ НА МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Исследование проводилось одновременно с изучением ме­ ханических свойств горных пород в условиях, моделирующих забой глубоких скважин. Необходимо было объяснить фи­ зическую природу изменений механических свойств пород и энергоемкости изучаемого процесса в условиях высоких дав­

лений.

Установлено, что хрупкие материалы (стекло, кварцит)

сохраняют механизм разрушения, присущий им в атмосфер­

ных условиях. Однако угол распространения конусной тре­

щины резко возрастает с 27—33° в атмосферных условиях до 57 —60° при всестороннем давлении 600 ат. Катастрофически снижается объем зоны разрушения (в 8,5 раз), что хорошо видно

50