2.8. Динамическое разрушение горных пород

2.8.1. Основные принципы и закономерности динамического разрушения горных пород

В процессе динамического разрушения горных пород удары наносятся по поверхности забоя буримой скважины. Динамический процесс разрушения в данном случае можно описать уравнениями кинетической энергии Э_к инструмента и потенциальной энергии деформирования породы П_д. Не учитывая потерь части энергии Э_к на рассеивание при деформировании породы, можно записать

(2.54)

где m – масса ударного инструмента, кг;

v₀ – скорость в момент соударения инструмента с породой, м/с;

Р – усилие взаимодействия инструмента с породой, Н;

δ – деформация породы, м.

Из уравнения (2.54) в общем виде можно определить усилие Р, вызывающее заданное деформирование породы:

(2.55)

В случае если используются для разрушения горной породы забойные машины ударного действия – гидро- или пневмоударники, энергия удара ударником по наковальне забойной машины определяется уравнением

где р_с – давление над ударником в момент нанесения удара, Па;

F_п – площадь торцевой части ударника, м²;

l_п – ход ударника, м.

Усилие удара Р в этом случае будет равно

(2.56)

где g – ускорение силы тяжести, м/c².

Сопоставление формул (2.55) и (2.56) позволяет определить скорость воздействия ударника на инструмент при бурении забойной машиной ударного действия

(2.57)

где m_у – масса ударника забойной машины ударного действия, кг.

2.8.2. Механизм и энергоемкость разрушения горных пород при динамическом нагружении

Исследования процесса разрушения горных пород под действием удара показывают [16, 30], что при малой энергии удара на поверхности породы виден лишь след индентора в виде зоны трещин (рис. 2.37, а). При этом зависимость деформации породы от динамической нагрузки имеет вид узкой петли (кривая 1 на рис. 2.36). При дальнейшем увеличении энергии удара появляется круговой скол породы (рис. 2.37, б). Этот этап разрушения назван первой формой хрупкого разрушения. Характер зависимости деформации от усилия мало изменился в сравнении с кривой 1 на рис. 2.36.

Повышение энергии удара приводит к разрушению породы с образованием лунки (рис. 2.37, в). Этот этап разрушения назван второй формой разрушения породы. Данной форме разрушения соответствует кривая 2 на рис. 2.36.

Д альнейшее увеличение энергии удара до определенной величины не приводит к изменению формы разрушения. На графике 3 рис. 2.36 появление первого, а затем второго скачка свидетельствует об избытке энергии для образования второй формы разрушения, но, в то же время, о недостатке энергии для перехода к следующей форме разрушения. Избыток энергии приводит к некоторому незначительному увеличению глубины внедрения индентора и появлению трещин и сколов в породе.

Д альнейшее повышение энергии удара до определенного и достаточного уровня приводит к реализации новой – третьей формы разрушения, которой соответствует кривая 4 на рис. 2.36.

Для перехода к четвертой форме разрушения потребуется новый и уже более значительный приток энергии удара.

Таким образом, при динамичес-ком внедрении индентора в породу наблюдается определенная периодич-ность и ступенчатость процесса, во многом схожая с процессом статического внедрения в породу клиновидного индентора, отраженного в виде графика на рис. 2.22.

С качкообразность развития форм разрушения горных пород связана с резким увеличением объема отделяемой при ударе породы V. На рис. 2.38 видно, что при переходе от первой формы разрушения ко второй наблюдается существенный (в 1,7 раза) объем разрушения, но для этого потребовалось двойное повышение энергии удара [30]. Дальнейшее увеличение энергии сразу не приводит к росту объема отделяемой породы, и только превышение энергии удара, достигнутой на втором этапе разрушения породы более чем в 2 раза, привело к реализации нового этапа разрушения породы. При этом объем разрушенной породы возрос в 1,4 раза. Если сравнивать первый этап разрушения и третий, то при повышении энергии удара в 4,5 раза удалось повысить объем разрушения породы в 2,4 раза.

Кривая энергоемкости на рис. 2.38 имеет максимумы и минимумы, которые соответствуют формам разрушения, – максимумы достижению новой формы разрушения, минимумы – этапам ударного нагружения, недостаточного для реализации формы разрушения более высокого порядка.

Cуществование скачков разрушения показано и при проведении опытов по динамическому внедрению твердо-сплавного (кривые 1 и 2 на рис. 2.39) и алмазного (кривые 3 и 4 на рис. 2.39) инденторов в различные горные породы [12]. Размер твердосплавного индентора 1,8×1,5 мм, с углом скоса 45^º, диаметр алмазного индентора 1,8 мм.

Результаты экспериментов показали, что при приложении определенного количества энергии происходит скачкообразное увеличение объема и глубины лунки разрушения. После достижения скачка разрушения масштаб разрушения увеличивается незначительно. С последующим увеличением энергии удара энергоемкость снижается, резко возрастает объем разрушения породы.

Пределом повышения энергии удара является ограниченная прочность инденторов, поэтому резерв повышения эффективности разрушения горных пород ударным воздействием заключается в увеличении ударной стойкости резцов бурового инструмента.

Изучение энергоемкости разрушения горных пород показывает, что следует стремиться к увеличению энергии взаимодействия элементов вооружения бурового инструмента с горной породой. Это направление интенсификации процесса разрушения реализуется повышением подводимой к забою мощности.

Данный вывод полностью подтверждается опытом пневмоударного бурения.

Из формулы (2.57) следует, что энергия удара прямо пропорционально зависит от давления воздуха над ударником забойной машины.

В ПГО «Сосновгеология» при бурении забойными пневмоударниками типа П-105 c давлением воздуха 0,5 МПа и максимальной глубине до 100 м при бурении фельзитов VIII-IX категории по буримости достигнуты механические скорости бурения 6-8 м/ч. При бурении гранитов IX-X категории по буримости – 5,0 м/ч.

Переход на бурение скважин теми же пневмоударниками, но с давлением воздуха 1,2 МПа, глубина буримых скважин возросла до 300-400 м, а механические скорости бурения до 10-15 м/ч в фельзитах и до 8 м/ч в гранитах. Ресурс долот также возрос в 2-2,5 раза.

То есть, при повышении энергии удара в 2,4 раза (пропорционально росту давления) механическая скорость бурения возросла в 1,5-2 раза при увеличении глубины скважины в 3-4 раза. Повышение же глубины буримых скважин, как известно, приводит к некоторому снижению механической скорости бурения при прочих равных условиях.

Показатели гидроударного бурения с увеличением удельной энергии единичного удара также резко возрастают [12]. Так, при увеличении энергии удара от 75 до 200 Дж скорость бурения возросла в 3,5 раза, а проходка за рейс – в 7,4 раза.

Таким образом, с повышением энергии удара растет не только скорость бурения, но и возрастает стойкость инструмента, что указывает на определенные изменения в механизме разрушения горных пород.

З начительный опыт в разработке и эксплуатации пневмоударников компанией Atlas Copco (Швеция) показал, что повышение давление воздуха при бурении дает практически прямопропорциональный рост механической скорости бурения. Пневмоударниками типа Cop в твердых горных породах при повышенном давлении воздуха достигаются механические скорости бурения 15-25 м/ч.

Механизм разрушения горных пород и энергоемкость разрушения ударной нагрузкой во многом определяются тем, какую форму имеет индентор [16].

При использовании плоского индентора отмечается несколько фаз разрушения в зависимости от уровня ударной нагрузки.

I. При нагрузках уровня 30-40% от необходимой для полного разрушения некоторого объема породы, видимого разрушения не наблюдается, а энергия удара расходуется на упругие деформации (рис. 2.40, а).

II. При приложении нагрузки в пределах 50% от необходимой для разрушения породы, в угловой зоне контакта индентора с породой отмечаются незначительные по глубине трещины, которые развиваются под углом 15-25^º к горизонтали (рис. 2.40, б).

III. Нагрузка, составляющая 75% от необходимой для разрушения, вызывает появление глубоких трещин, которые направлены под углом 45-60^º к горизонтали. Глубина трещин особенно велика по периферии зоны разрушения и превышает глубину лунок разрушения в 2-3 раза (рис. 2.40, в).

IV. При ударной нагрузке достаточной для полного разрушения породы, глубина лунок разрушения превышает ширину торца индентора в 1,5-2 раза, а трещины 3 уходят в глубь массива от поверхности лунок разрушения на 10-12 мм, обособляя конус – ядро уплотнения породы. Заключительная фаза заканчивается взрывоподобным разрушением конуса и скалыванием объема, обособленного трещинами. Отмечается веер трещин по всему контуру лунки (рис. 2.40, г).

Изучение забоя, полученного в блоке породы при бурении ударной машиной, также показало наличие значительного числа трещин, которые уходят из углов забоя вглубь массива на глубину 5-10 мм под углом 45^º. Эти трещины наблюдаются в стенке скважины и в керне.

П ри проведении опытов по внедрению в породу клиновидных (угол приострения 90^º) инденторов и аналогичных по форме клиновидных инденторов с площадками притупления шириной 4 мм получены интересные результаты, которые дополняют сведения о механизме разрушения горных пород при ударном воздействии (рис. 2.41, а, б).

Определено, что при применении инденторов с площадками притупления возрастает объем разрушения породы в сравнении с лунками разрушения, полученными острыми клиновидными инденторами.

Глубина внедрения острого индентора h_o мало отличается от глубины лунок разрушения h_ло (рис. 2.41, а).

При разрушении породы индентором с площадкой притупления глубина внедрения индентора h_п в 10-15 раз меньше глубины лунки разрушения h_лп, и эта разница возрастает с увеличением энергии удара А_уд (рис. 2.41, б, рис. 2.42).

В процессе ударного нагружения острые инденторы достаточно быстро затуплялись и теряли острые грани.

Э нергоемкость ударного разрушения также существенно зависит от формы и размеров, внедряемых в породу инденторов.

Результаты экспериментальных исследо-ваний по изучению влияния формы и размеров инденторов на процесс разрушения, представленные в работе [16], показали следующие результаты:

- увеличение удельной энергии удара приводит к резкому снижению энергоемкости разрушения различных пород (рис. 2.43) до определенного предела, после которого этот показатель снижается незначительно;

- оптимальные значения удельной энергии удара для острого и притупленного клиновидных инденторов отличаются примерно в 1,5 раза, при этом меньшее значение этого показателя у острого индентора, который неспособен, вероятно, воспринимать значительные ударные нагрузки по условию прочности;

- при повышении удельной энергии удара очевидное преимущество имеет индентор с площадкой притупления, который способен воспринимать более высокие значения ударного импульса, при этом разновеличие энергоемкости разрушения для различных пород сокращается, и при высоком уровне энергии удара становится совершенно незначительным;

- при малых значениях удара эффективность разру-шения породы выше острым индентором.

Приведенные выводы результатов экспериментов нуждаются в пояснении.

Результат того, что после некоторого повышения уровня энергии удара не повысилась эффективность разрушения породы, не вызывает сомнения, но вывод в работе [16] о нецелесообразности дальнейшего повышения энергии удара ошибочен, т.к. если учесть стадийность процесса разрушения (см. рис. 2.36, 2.38, 2.39), дополнительный приток энергии удара способен дать повышение объема разрушения породы и, соответственно, новый скачок в снижении энергоемкости разрушения, а график на рис. 2.43 – это лишь ступень развития стадий разрушения, отраженных на рис. 2.38 и 2.39.

Выравнивание энергоемкости разрушения различных по прочности горных пород (рис. 2.43) связано, очевидно, с изменением и выравниванием твердостей горных пород при повышении скорости соударения долота с породой. По условию эксперимента [16] скорость соударения достигала 7-9 м/с, что привело к более активному повышению сопротивляемости мрамора, прочность которого возросла, что следует из данных, представленных на рис.2.27.

Влияние скорости соударения инденторов и породы можно проанализировать по зависимостям влияния энергии удара, т.к. скорость (см. формулы 2.54 и 2.55) является наиболее активным параметром, определяющим величину энергии и силу удара.

Динамическое взаимодействие с породой сферических инденторов с различным размером сфер, показывает, что при равных значениях силы удара Р удельная энергоемкость разрушения существенно зависит от радиуса сферы торца индентора – с увеличением радиуса сферы энергоемкость разрушения возрастает. В то же время повышение силы удара снижает различие в энергозатратах на разрушение горной породы сферическими инденторами различного размера (рис. 2.44) [16].