книги из ГПНТБ / Воздвиженский Б.И. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения

где Аоб и Аш — работа, затраченная соответственно на разрушение образца породы и деформацию штампа в кгс-м; Vn — объем лунки, образующейся при вдавливании штампа в см3 ;

4) удельная контактная работа разрушения

^' шъуп где (д, — коэффициент Пуассона, в среднем принимаемый равным 0,25;

при вдавливании штампа (диаметр D3 р и глубину h3 р ) , и объем

Метод ВИМС [113] предназначен для определения твердости мягких пород (глин, суглинков и т. п.) с помощью динамометра ДМШ-1. Образец породы диаметром не менее 80 мм запрессовывается в стальную обойму. Стальной цилиндрический штамп диаметром от 2 до 20 мм (при меньшей твердости породы диаметр штампа должен быть больше) вдавливается на глубину 10 мм. По конечной нагрузке вычисляют твердость

на контактную прочность пород). При этом методе испытаний объем образца породы любой конфигурации должен быть не менее 250— 300 см3 (высотой не менее 120—150 мм). Штамп вдавливают в есте­ ственную (нешлифованную) поверхность образца до момента разру­ шения породы, при этом параллельность граней не обязательна (угол между двумя поверхностями при испытании пород с контактной прочностью рк «s 125 кгс/мм2 может достигать 10°, а при испытании

основания должна быть равной 5" мм2 , а при рк = 100—200 кгс/мм3 5 Ш = 10 мм2 . При рк < 100 кгс/мм2 испытания рекомендуется проводить двумя инденторами' (штампами), соотношение площадей

Авторы отмечали, что новый способ они предложили из-за неко­ торых недостатков метода вдавливания штампа, предложенного

Л.А. Шрейнером:

1)штамп вдавливается в шлифованную поверхность образца,

тогда как в реальных забойных условиях порода шероховатая; 2) трудоемкость подготовки образцов пород к испытаниям. Определение контактной прочности в забойных условиях произ­

водится с помощью приборов ПКП-1 и ПКП-2. Вдавливание индентора в массив производится с помощью ручного винтового гидравли­ ческого насоса. Порядок вычисления контактной прочности такой же,

деления контактной прочности горных пород в условиях геолого­ разведочных партий на кернах без их дополнительной обработки.

(механические и абразивные свойства) с ручным приводом. Штамп изготовляется из стали У10А, закаленной до твердости HRC-60—62, или из твердого сплава ВК-15. Для проведения испытаний на образце породы с помощью твердосплавного сверла с плоским лезвием готовят плоскую круговую площадку. Предполагается, что такие условия близки к реальным при разрушении породы резанием. С помощью прибора MAC можно определять твердость, упругие и пластические свойства, а также объемную работу разрушения по методике, изло­ женной выше [231].

Метод определения механических свойств пород вдавливанием на приборе MAC автором обосновывался тем, что, во-первых, он имеет ручной привод, во-вторых, на нем можно определить абразивность пород и, в-третьих, отпадает необходимость шлифования образцов. По этому поводу следует сказать, что преимущество

ручного привода перед электрическим довольно сомнительно, и на при­ боре УМГП-3 принципиально можно проводить опыты на образцах пород без шлифования их поверхности сразу же после распиловки керна.

Метод КузНИУИ [84]. На образце породы или на ровной по­ верхности забоя плоским напильником пришлифовывают площадку размером 3—4 см2 и с помощью пружины ручного прибора РПК-2 в нее вдавливают конический твердосплавный индентор (угол приострения 15°) с плоским основанием площадью 0,1 мм2 . При нагрузке на иглу 16—19 кгс специальный регулятор коснется породы и в этот момент фиксируют глубину внедрения индентора, являющуюся показателем твердости породы.

В ГДР запатентован ручной зонд для определения относительной прочности грунтов (по глубине внедрения стержня при фиксируемой силе) и степени их уплотнения (по величине усилия для достгокения

Для определения твердости угля и пород известен также ряд других методов [92, 245, 258], которые основаны на вдавливании в забой пирамидальных или конических инденторов на определен­ ную глубину и замере усилии с помощью динамометров или гидра­ влических мессдоз. Кроме статических, известны динамические ме­ тоды определения физико-механических свойств горных пород.

Метод В. П. Шубина заключается в том, что на образец угля сбрасывается конический боек с углом заострения 90°, после чего

где G — вес бойка в кг; )гб — высота сбрасывания бойка в м.

При методе ВНИМИ в горную породу под действием бойка при­ бора вдавливается пуансон до заданной глубины. За меру твердости принимается число ударов.

Метод Гейнце [252] предусматривает вдавливание в породу специального долота под действием импульсов звуковой частоты. Мерой твердости является глубина внедрения долота за определенное время.

Метод измерения твердости пород по площади отпечатка [160] На испытуемый образец породы ставится цилиндр с внутренним диаметром 53 мм. Внутри него поднимается груз весом 946 г с шари­ ком диаметром 18 мм, который сбрасывается с высоты 50 мм на образец с листом копировальной и белой бумаги. Шарик оставляет вмятину, размер которой пропорционален деформации породы, а на листе бумаги — отпечаток.

склероскоп Шора или Тархова. С определенной высоты на испытуемый образец сбрасывают боек с алмазным или стальным наконечником. В отличие от других методов здесь использован реактивный эффект — за меру твердости по Шору принимается высота отскока бойка (пока­ зания каждого склероскопа могут значительно отличаться при ис­ пытании одного и того же материала). Данный метод оценки сопротивления пород разрушению в СССР широкого распростра­ нения не получил.

Известны также ударный молоток Шмидта [217], метод отскока маятника, метод измерения микротвердости [129]. Все эти методы, как и метод упругого отскока, распространения не получили.

Різ всех рассмотренных статических и динамических методов оп­ ределения механических свойств пород наиболее приемлемыми для оценкп горных пород разрушению при бурении являются следу­ ющие:

1)метод вдавливания штампа с плоским основанием в шлифо­ ванную поверхность образца;

2)метод определения контактной прочности;

свойств пород в забойных условиях горных выработок и, следова­ тельно, в скважинах они практически не применимы, другие (метод

Е. Ф. Эпштейна и Г. Франсена) требуют образцов больших размеров

пмогут быть применены для определения твердости лишь пластич­ ных пород, третьи позволяют определять лишь микротвердость отдельных породообразующих минералов, поэтому использование этого показателя дает весьма приближенные результаты.

Из названных выше четырех (наиболее приемлемых) методов определения механических свойств горных пород вдавливанием сле­

дует особо остановиться на методах динамического вдавливания на гравитационных и пневматических копрах. Эти методы требуют, как и методы Е. Ф. Эпштейна и Г. Франсена, больших размеров образцов, однако проведение исследований на копрах совершенно необходимо для решения многих частных задач, о которых говори­ лось выше и которые решить другими способами трудно.

Используя метод динамического вдавливания на гравитационных копрах, в институте Горного дела СО АН СССР определяют скорость распространения трещин при раскалывании образцов горных пород. По методике В. В. Смирнова, используют клин с симметричным

3) при испытании консольной балки

В ИГиРГИ модуль упругости предложено определять с помощью метода вдавливания штампа по диаграммам деформации [см. формулу (11.29)].

Величину модуля сдвига при испытании горных пород на круче­ ние можно вычислить по формуле

где Кп — коэффициент, зависящий от соотношения размеров образца и длины той его части, которая подвергается кручению; A x m s x — величина интервала приращения касательных напряжений при испытании; AlCR — соответствующая величина закручивания.

Коэффициент Пуассона в общем впде

графику); - Р К 0 Л Ь ц и Рспг. — усилия на пуансоне при испытании коль­ цевого и сплошного образцов.

Модули Юнга, сдвига и коэффициент Пуассона связаны между

§ 6. ПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

При направленном воздействии сил твердые тела деформируются. В начальной стадии деформация является упругой, т. е. она прямо пропорциональна приложенной силе. Дальнейшее увеличение напря­ жений (выше предела упругости) вызывает необратимые остаточные (пластические) деформации без нарушения сплошности твердого тела или же его разрушение. Общепринято называть тела, которые разрушаются при напряжениях, равных пределу упругости, хруп­

ность» пока не установлено. Достаточно, например, сказать, что во многих случаях вязкими называют сливные кварциты, которые ни­ когда в нормальных условиях пластически не деформируются, и их плохая разрушаемость объясняется исключительно высокой проч­ ностью на вдавливание. Некоторые исследователи считают, что пластичность характеризуется величиной остаточных деформаций, модулем упругости и др.

, В связи с этим возникла необходимость дать краткий анализ су­ ществующих методов определения пластичности горных пород.

Термин «пластичность» предпочтителен, поскольку он более точно отражает физическую сущность деформации горной породы при напряжениях, которые выше напряжений предела текучести. Термин «вязкость» применим к аморфным веществам, которые по своим свойствам ближе к жидкостям, чем к кристаллическим ве­ ществам. Диаграмма деформаций этих веществ представляется в ко­ ординатах «касательная сила — скорость сдвига», и внешне она на­ поминает диаграмму деформаций кристаллических тел в упругой области.

В практике определения пластичности горных пород, как и в практике определения других показателей физико-механических свойств, известны несколько способов.

Наиболее известным и распространенным методом определения пластичности является метод вдавливания штампа с плоскими ос­ нованием в шлифованную поверхность образцов пород [231]. Сущ­ ность этого способа заключается в следующем.

По диаграмме «нагрузка — деформация» (см. рис. 7) графоана­ литическим способом вычисляется условный коэффициент пластич­

сляется по данным размера штампа и модуля упругости стали или твердого сплава).

По пластичности горные породы были разделены на три основ­

Коэффициент пластичности пород, не дающий хрупкого разруше-. ния, условно принимается равным бесконечности. Для количествен­ ной оценки пластичности пород этого типа В. В. Булатов и В. С. Фе­ доров [51] предложили условный коэффициент пластичности вычи­ слять как отношение общей работы на деформирование, породы при вдавливании штампа до глубины, равной диаметру штампа, к работе, затраченной на упругое деформирование породы.

Т. Г. Фараджев и М. Д. Фаталиев [194] сделали попытку опре­ деления коэффициента пластичности по данным пористости горных пород и деформационных углов ах и а2 при вдавливании штампа (рис. 8)

штампа пластическая деформация пород отсутствует вообще, а оста­ точная деформация возникает в связи с образованием трещин, разру­ шением и уплотнением породы под штампом, вытеснением мелко­ раздробленной породы из-под штампа. Вместо понятия условный коэффициент пластичности предлагалось ввести понятие коэффи­ циента уплотнения, равного отношению общей деформации до раз­

Вместо хрупкие, пластично-хрупкие и пластичные было пред­ ложено делить породы на три класса: первый класс — не тре­ бующий уплотнения до разрушения; второй — требующий уплотне­ ния до разрушения и третий — не дающий скачка разрушения при значительном уплотнении.

Не вдаваясь в полемику о физической сущности процесса остаточ­ ного деформирования (известно, что при больших всесторонних да­ влениях возможно истинно пластическое течение, и поэтому здесь возможно -как уплотнение породы, так и ее пластическое течение), следует отметить, что предложение об определении величины КуП заслуживает внимания из-за простоты вычисления.

В принципе условный коэффициент пластичности К' можно опре­ делять также при определении контактной прочности на образцах

с необработанной поверхностью. Исследования показывают, что при испытании некоторых пород К Ж ' в 1,08—2,44 раза [131].

По аналогичному принципу был предложен способ оценки пла­ стичности горных пород в ИГД им. А. А. Скочинского. При одноос­

упругости Е (было испытано 7 разновидностей пород). Исследова­ тели [130] считают, что коэффициент хрупкости влияет на буримость, дробимость и измельчаемость пород, хотя эти предположе­ ния еще не подтверждены экспериментальным путем.

В 1963 г. одновременно вышли четыре работы (М. И. Койфмана [102], М. И. Койфмана и О. И. Квашниной[101], Л. И. Барона и П. А. Мухамедиева [34] и Л. И. Барона [35], в которых отмечалось, что при сбрасывании бойка на склероскопе Шора в одну точку образца прочность породы возрастает. Одни авторы [101,102] это явле­ ние назвали псевдопластической деформацией (М. И. Койфман [102] отметил, что проявление контактного упрочнения он наблюдал еще

где Тп — твердость пород после упрочнения; Тш — начальная твер­ дость по Шору.

Л. И. Барон этот коэффициент назвал показателем динамической контактной пластичности 8 (приоритет в разработке этого метода определения пластических свойств горных пород принадлежит М. И. Койфману).

Таким образом, Л. И. Барон предложил два способа оценки пла­ стичности горных пород (по Kxv и 6). Однако он считает [22], что обязательной характеристикой свойств пород, которая необходима для инженерных расчетов процессов их механического разрушения, является показатель динамической контактной пластичности.

В. 3. Деветьев предложил определять пластичность пород при их резании. При резании пород образуется канавка, поперечное сече­ ние которой имеет форму трапеции. Угол между боковой стороной