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

проходки и количества агента, подаваемого в скважину для очистки забоя;

7) методы определения абразивности раздробленных пород ими­ тируют физическую сущность износа деталей насосов, бурильных и обсадных труб, по не моделируют износ породоразрушающих ин­ струментов;

8) как и при других методах, в методе ЦНИГРИ совершенно не учитываются энергетические параметры процесса износа металла. Показатели абразивности пород без учета силовых и энергетических характеристик пригодны для практических расчетов при строго постоянных технических условиях бурения (параметрах режима бурения, тппе коронки и т. д.). При изменении условий бурения интенсивность износа инструментов изменяется, прпчем это измене­ ние в различных породах непропорционально. В связи с этим цен­

пород с использованием измененного виброизмельчателя института «Механобр». В стакан помещают ролики массой около 200 г и породу массой 50 г с размером частиц 4—5 мм. Вибратор сообщает корпусу круговые качания в вертикальной плоскости, в результате чего ролики изнашиваются (одновременно может быть испытано четыре пробы). Коэффициент абразивности (безразмерный) опреде­ ляют по формуле

гематито-мартитового (окисленного) и роговика магнетитового тонко-

инеяснополосчатого соответственно равна 44,5; 37,0 и 32,4. Абразивность пород предлагалось также определять по износу

стальных образцов, вращающихся на валу электродвигателя в раз­ дробленной сухой массе.

Этим методам присущи те же недостатки, что и методу ЦНИГРИ. Известен также метод определения абразивности промывочной жидкости различного состава. В сосуд заливают жидкость объемом 400 мл, в котором со скоростью 1400; 2100; 3100 и 4200 об/мин вра­ щается мешалка-пластинка. Потеря веса пластинки — критерий абразивности. В промывочную жидкость можно добавлять любые раздробленные минеральные массы и определять их абразивность.

Определение абразивности пород по другим показателям механи­ ческих свойств. Существует мнение, что об абразивности пород можно судить по другим показателям физико-механических свойств. Такое мнение основано на том, что в более прочных породах расход ма­ териалов в целом возрастает. При этом многие исследователи стой-

жин. Определение абразивности пород по весу изношенной коронки при постоянных параметрах режима бурения

где пгг и m 2 — вес коронки до и после бурения; /гр — проходка в м. Определение абразивности пород QFi при бурении лопастными до­ лотами [199] по начальной Fu и конечной FK (после работы в течение

так как во многих случаях бурение при одном рейсе ведут в различ­ ных породах.

Анализ существующих методов определения абразивных свойств горных пород показывает, что все они имеют значительные недо­ статки, затрудняющие применение получаемых показателей для практических расчетов. При определении абразивности пород не­ обходимо учитывать ряд положений, необходимых для правильной характеристики износа породоразрушагощего инструмента.

В частности, процесс определения абразивностл должен хотя бы приближенно воспроизводить условия технологического процесса при механическом разрушении пород, т. е. показатель абразивности должен учитывать силовые и энергетические характеристики про­ цесса бурения и определяться с помощью тех материалов, из кото-

рых изготавливаются рабочие элементы коронок или долот. В этом случае показатель абразивности будет более достоверным.

Показатель абразивности можно определять одним из простых методов, описанных выше. Для-его использования в практических расчетах необходимо провести большой комплекс исследований по физической сущности и закономерности изнашивания различных материалов и выяснить необходимые зависимости для использова­ ния показателей абразивности при разрушении пород различными инструментами при различных параметрах режима бурения.

Процесс определения абразивности должен реагировать на все изменения породы природного характера (минералогический состав, степень выветрелости, зернистость, состав цемента, структуру, тек­ стуру, степень метаморфизма и др.). Корреляция прочности и абра­ зивности пород не обязательна.

§ 8. КОЭФФИЦИЕНТ ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ

Под внешним трением понимается сопротивление R относитель­ ному движению контактирующих твердых тел, которое прямо про­ порционально нормальному давлению р„

жения играет огромную роль, поскольку работа трения составляет значительную . долю всей работы разрушения [41, 66]. Несмотря на то что большинство исследователей при расчетах технологиче­ ского процесса разрушения пород пытаются учитывать коэффициент трения, его экспериментальное определение применительно к тре­ нию стали или твердого сплава по горной породе до последнего вре­ мени проводилось исключительно мало. И лишь сравнительно не­ давно Л. И. Барон [41] написал монографию, в которой сделал обзор способов определения характеристик трения пород в сыпучем со­ стоянии и в монолите, изложил новую методику и результаты про­ веденных исследований.

Принципиально процесс определения характеристик трения за­ ключается в том, что одно тело при некоторой нагрузке Ри и с опре­ деленной скоростью v перемещаемся относительно другого. Сила сопротивления движению R определяется с помощью динамометра. С конкретными установками, применяемыми для определения ко­ эффициента / т Р , можно ознакомиться в работе [41].

На коэффициент трения скольжения оказывают влияние ряд фак­ торов. При трении сталей и твердого сплава о породы выявлено, что с ростом удельного давления коэффициент трения может:

а) закономерно уменьшаться; б) сначала снижаться, а затем воз­ растать; в) вначале возрастать, а затем снижаться; г) оставаться без изменения.

Л. И. Барон считает, что различный характер связей между / т Р и удельным давлением вполне закономерен в связи с различной сущ­

добавки к воде поверхностно-активных веществ. Отрицательные температуры коэффициент трения также снижают.

Л. И. Барон провел большие и ценные исследования по сопоста­ влению коэффициента трения твердого сплава по горным породам с другими показателями физико-механических свойств (о"С ж , 0 с ж , рШ1

Поскольку коэффициент трения ранее почти отождествляли с абразивностыо пород, то особый интерес представляет сопоставление этих показателей. На рис. 15 приведено сопоставление / т р с абразивностью пород, определенной методом инстирания стержня [30]. -Приведенные данные свидетельствуют о наличии лишь весьма гру­ бой связи между этими двумя показателями.

Г Л А В А I I I

МЕТОДЫ ОБЩЕЙ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОРОД

РАЗРУШЕНИЮ МЕХАНИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ

§ 1. ПАСПОРТ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Паспорт прочности — это совокупность характеристик механи­ ческой прочности горной породы. В настоящее время общепризнано, что для построения паспорта прочности наиболее приемлемой является теория прочности О. Мора. Огибающая кривая предель­ ных кругов Мора (рис. 16) представляет собой зависимость между сопротивлением сдвигу пород т (кгс/см2 ) и величиной нормальных напряжений а (кгс/см2 ). Эта кривая разграничивает области упругих

заданной некоторым углом а, величину сил сцепления, угол внутрен­ него трения.

Круги Мора располагаются в зависимости от напряженного со­ стояния твердого тела (рис. 16). При равномерном всестороннем сжатии круг Мора превращается в точку, лежащую на положитель­ ной ветви оси абсцисс, т. е. т = 0 и разрушения не происходит, хотя величина нормальных напряжений может быть большой.

Проведя касательную к огибающей кривой в любой точке, можно определить угол внутреннего трения данной породы.

Процесс построения кривых довольно сложен, поскольку для этой цели необходимы значения а с ж , стр и т, или о с ж и т при сжатии в наклонных матрицах под различным утлом, либо использование данных, полученных при испытании пород в условиях всесторон­ него сжатия.

Наибольшее распространение получили следующие методы по­ строения паспортов прочности [212]:

1) метод объемного неравномерного сжатия; 2) метод среза со сжатием; 3) метод соосных пуансонов; 4) скоростной комплексный метод (расчетный).

К настоящему времени не существует единого мнения о харак­ тере огибающих кривых, и для ее аналитического выражения, пред­ ложены различные уравнения (прямой, параболы, циклоиды). После

2. Находят параметр а, равный отношению фактических радиусов кругов Мора к безразмерным

3. Определяют величину максимальных касательных напряже­ ний %т при а = оо

4. По таблицам находят безразмерную координату точки каса­ ния кругов Мора для одноосного растяжения и сжатия

<fc. (ИІ.5)

где Кг и К2 — безразмерные координаты центров кругов Мора для трехосного растяжения и одноосного сжатия.

5. Находят величину сопротивления породы.трехосному растя­

6. По таблицам находят для различных значений К = х/а ко­ ординаты нескольких точек кривой в системе т (у) и а (х) и строят огибающую кривую.

§2. КОЭФФИЦИЕНТ КРЕПОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Вгорнодобывающей промышленности для общей оценки сопро­ тивляемости пород разрушению применительно к самым различным производственным процессам применяется коэффициент крепости / ,

предложенный М. М. Протодьяконовым (старшим),

/ = - ж - ( щ - 7 >

Многие специалисты горняки этот коэффициент считают той плат­ формой, на которой происходит обмен опытом и на которой они полу­ чают представление о результатах внедрения новой техники. М. М. Протодьяконов предостерегал, что в частных случаях к опре­ делению / необходимо относиться с большой осторожностью и реко­ мендовал определять коэффициент крепости не только по 0"С ж , но и по количеству работы, затрачиваемой на выбуривание 4 см8 породы а также по производственным показателям, предложив для этой цели ряд простых эмпирических формул.

Как известно, максимальное значение коэффициента крепости равно 20, однако на практике временное сопротивление пород сжа­ тию достигает 4500 кгс/см2 и более, поэтому Л. И. Барон [21, 32] предложил при раздавливании кернов определять f по формуле

жено определять осредненный коэффициент крепости по временному сопротивлению одноосному сжатию образцов пород правильной и не­ правильной форм

^оср^~ш' + }/Г~Ш + ~ І П - (ІИ.9) П. М. Кошулько тот же коэффициент крепости рекомендует опреде­

произведению максимального коэффициента крепости и гиперболи­ ческого тангенса от а с ж /1500

т.е. при любом значении о~сж коэффициент крепости пород f =5 20. Имеются также другие предложения по определению коэффи­

циента крепости. Так, М. М. Протодьяконов (младший) отмечал, что для точной оценки механических свойств горных пород нужно иметь по крайней мере столько показателей, л сколько имеется основных влияющих факторов (вязкость, хрупкость, абразивность, трещиноватость и др.) но, по мнению автора, учесть эти факторы трудно, поэтому он рекомендует пользоваться ограниченным числом показа­ телей свойств пород. Поскольку же каждый показатель механиче­ ских свойств колеблется около некоторого среднего значения, т. е. он может быть определен лишь приближенно, излишне стремиться к точности определения показателей, а нужно стремиться лишь к про­ стоте. Кроме того, учитывая, что между различными показателями механических свойств пород существуют некоторые корреляционные связи (часто грубые), М. М. Протодьяконов пришел к выводу о том, что по любому показателю физико-механических свойств пород можно найти приближенное значение f.

Другие исследователи считают, что в среднем соотношение проч­ ности пород на сжатие и на срез с с ж / т = 6 (это соотношение коле­ блется от 2 до 12), поэтому f предлагают определять по следующим формулам

Известны формулы для определения коэффициента крепости при­ менительно к конкретным месторождениям полезных ископаемых.