- •В.В. Нескоромных разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ
- •ВведенИе
- •Глава 1. Общие сведения о методах разрушения
- •1.2. Общие сведения о горных породах
- •1.3. Механические свойства горных пород при простых видах деформации
- •Реологические модели для исследования поведения горных пород
- •1.4. Условия, определяющие состояние горных пород в процессе их разрушения при бурении
- •Глава 2. Теоретические основы механики разрушения горных пород
- •2.1 Основы механики разрушения твердых тел
- •2.1.1. Теоретическая прочность твердых тел
- •2.1.2. Теория разрушения твердых тел а. Гриффитса
- •2.1.3. Понижение прочности твердых тел физико-химическими методами
- •2.1.4. Теория эффективных растягивающих напряжений
- •2.2. Напряжение в горных породах под действием сосредоточенной силы
- •Основные положения теории Буссинеска
- •2.3. Основные параметры процесса разрушения горных пород
- •2.4. Влияние формы внедряемого индентора на процессы деформирования и разрушения горной породы
- •2.4.1. Разрушение горной породы при вдавливании плоского цилиндрического индентора
- •2.4.2. Разрушение горной породы при вдавливании индентора сферической формы
- •2.4.3. Разрушение горной породы при вдавливании пирамидального и клиновидного инденторов
- •2.5. Влияние касательной нагрузки на напряженное состояние горной породы при осевом внедрении инденторов
- •2.6. Влияние скорости и интенсивности приложения нагрузки на процесс разрушения горных пород
- •2.7. Особенности разрушения инденторами анизотропных горных пород
- •2.8. Динамическое разрушение горных пород
- •2.8.1. Основные принципы и закономерности динамического разрушения горных пород
- •2.8.2. Механизм и энергоемкость разрушения горных пород при динамическом нагружении
- •2.8.3. Разрушение горной породы ударом при несимметричном нагружении индентора
- •Глава 3. Основные физико-механические свойства горных пород, определяющие их буримость
- •3.1. Твердость минералов и горных пород
- •3.1.1. Влияние внешней среды на твердость горных пород
- •Экспериментальные зависимости свойств горных пород от воздействия
- •3.1.2. Влияние диаметра индентора на твердость горных пород
- •3.1.3. Разрушение породы внедрением нескольких инденторов
- •3.1.4. Твердость анизотропной горной породы
- •Параметры физико-механических свойств и буримости туфо-дацита
- •3.2. Изнашивание буровых инструментов и абразивность горных пород
- •3.2.1. Теоретические основы процесса изнашивания бурового инструмента
- •3.2.2. Влияние внешней среды на абразивное изнашивание инструмента
- •3.2.3. Направления и методы повышения износостойкости и создания высокоресурсного бурового инструмента
- •3.2.4. Методы изучения изнашивания инструмента при взаимодействии с горной породой
- •3.2.5. Методика определения динамической прочности, абразивности и категорий горных пород по буримости
- •3.2.6. Классификация горных пород по трещиноватости
- •3.3. Оценка буримости горных пород методом вызванной акустической эмиссии
Глава 1. Общие сведения о методах разрушения
и свойствах горных пород
1.1.Способы разрушения горных пород
Известные методы разрушения горных пород, представленные в табл. 1.1, основываются на классификации проф. С.С. Сулакшина [33].
Таблица 1.1
Методы и процессы разрушения горных пород
Метод разрушения горных пород |
Процесс разрушения |
Механизм разрушения
|
I. Физико-механическое воздействие на породу |
1.Смятие 2.Раздавливание 3.Дробление 4.Скалывание 5.Отрыв 6.Резание 7.Истирание 8.Шелушение 9.Растрескивание 10.Раскалывание |
Механическое нарушение связей между элементами, слагающими породу, без изменения состава и свойств веществ, слагающих породу |
II. Физико-химическое воздействие на породу |
1.Плавление 2.Испарение 3.Горение 4.Растворение |
Нарушение связей между элементами, слагающими породу, с изменением агрегатного состояния, состава и свойств вещества |
III. Физико-механическое и химическое воздействие на породу |
1. Механическое разрушение и адсорбционное понижение твердости 2. Механическое разрушение и интенсификация адсорб-ционного понижения твер-дости воздействием ультра-звука, магнитными и иными полями 3. Механическое разрушение и размягчение породы нагреванием |
Механическое нарушение связей между элементами, слагающими породу, с некоторым изменением свойств вещества |
Большинство способов бурения основано на механическом разделении некоторого объема породы (призабойного слоя) на частицы небольшого размера. Разделение объема породы происходит под воздействием поля механических напряжений, создаваемых в отдельных точках забоя, в которых напряжения достигают критических, с точки зрения прочности горных пород, значений.
При механическом разрушении напряжения в определенных зонах забоя превышают сопротивление внутренних связей в горной породе. Концентрированные напряжения возникают под воздействием внешних сил, появление которых связано с силовым воздействием со стороны буровых инструментов, оснащенных породоразрушающими элементами, твердость которых существенно выше твердости горных пород.
В результате взаимодействия породоразрушающего инструмента с забоем в горной породе под торцом инструмента формируется поле механических напряжений как результат объемно-геометрического суммирования напряжений от действия отдельных сил со стороны каждого породоразрушающего элемента.
Напряжения в горной породе могут возникать и без использования специальных породоразрушающих инструментов, вследствие напора струи жидкости, при действии взрывной волны или расширяющихся при взрыве газов, гидравлического удара.
Разрушение может происходить в результате действия внутренних сил, возникающих под влиянием градиента температуры породы, задаваемого струей раскаленных газов, электрическим полем или электромагнитным излучением оптического диапазона малой частоты, вызванного лазером и др.
При термическом воздействии на горную породу происходит ее плавление с выделением газа.
Растворению водой подвержены соли.
Из некоторых руд, например, золота, урана, меди, молибдена металлы извлекаются выщелачиванием, путем взаимодействия с кислотами, щелочами или растворами солей.
Для бурения известно также использование комбинированных способов разрушения горных пород, например, термомеханического, когда породоразрушающий инструмент для бурения механическим способом нагревается до температуры, достаточной для пластического размягчения горной породы в призабойном слое. В данном случае интенсификация процесса разрушения достигается за счет наложения полей механических напряжений и температурного поля. Нагрев породоразрушающего инструмента производится за счет подачи электроэнергии, нагрева паром или различными горелками.
Предварительные исследования показали, что скорость бурения может возрасти от 2 до 100 раз, в сравнении с механическим бурением, без какой либо значительной зависимости от степени износа резца.