Файл: Куличихин Н.И. Разведочное бурение учебник.pdf

Различают агрегатную твердость горных пород и твердость отдельных минералов, слагающих породу. Агрегатная твердость зависит от твердости отдельных минеральных зерен, прочности и количества цементирующего вещества и плотности горной породы (ее объемного веса). Именно агрегатная твердость породы больше всего влияет на механическую скорость бурения.

Твердость отдельных минералов влияет на износ породоразруша­ ющего инструмента.

Л. А. ПІрейнер предложил определять твердость горной породы путем вдавливания в образец породы плоского пуансона с площадью основания от 1 до 5 мм2.

Для пород высокой твердости применяются пуансоны со вставкой из твердого сплава в виде усеченного конуса с площадью у вершины F = 1—2 мм2. Твердость и некоторые другие свойства измеряются на специальной установке для определения механических свойств горных пород УМГП или на гидравлическом прессе (рис. 2). Глу­ бину внедрения пуансона в образец породы определяют специальным измерительным индикатором, обеспечивающим точность отсчета до 0,001 мм.

Одновременно с твердостью можно определить модуль упругости породы и коэффициент пластичности, который характеризует спо­ собность породы давать остаточные деформации без разрушения.

По данным измерений строят графики зависимости деформации от нагрузки Р.

Характер кривых е = / (Р) показан на рис. 3. На рис. 3, а показана кривая, получаемая при внедрении пуансона в хрупкие породы, не дающие остаточных деформаций. Момент разрушения отмечается выкалыванием кольцеобразного участка породы вокруг основания пуансона с образованием конической лунки.

где Р 0 — нагрузка в кгс, соответствующая пределу текучести (нахо­ дится в точке А перехода от прямолинейного участка диаграммы деформации к криволинейному) (см. рис. 3, б).

Коэффициент пластичности породы к вычисляется по формуле

ОАВС на диаграмме деформации), в кгс-мм; А уп — работа приве­ денных упругих деформаций (площадь ODE) в кгс-мм; А ш — работа деформации штампа в кгс-мм (вычисляется исходя из размеров штампа и модуля упругости материала штампа).

Удельная объемная работа разрушения А ѵ (в кгс-м/см3) вычис­ ляется по формуле

где V — объем зоны разрушения в см3.

где Q — вес материала слепка лунки разрушения в г; р — плотность материала слепка в г/см3.

Пластичные породы, например глины, дают кривые без хрупкого разрушения (рис. 3, в).

Пластичность может оказывать значительное влияние на процесс разрушения породы. В пластичных породах величина деформаций, необходимых для отделения частиц от массива, больше, чем в хруп­ ких и, кроме того, пластические деформации для своего протекания требуют определенного времени. Все это должно ухудшать условия разрушения пластичных пород. Проявление пластичности зависит от скорости приложения нагрузок. При очень быстром приложении нагрузок многие пластичные породы ведут себя как хрупкие.

Из других методов определения твердости горных пород следует упомянуть методы Герца и Шора.

Метод Герца основан на вдавливании шара в испытуемый обра­ зец. Этот метод в некоторой степени воспроизводит процесс разру­ шения породы при дробовом бурении и бурении шарошечными долотами со сферическими штырями.

Метод Шора заключается в том, что на зашлифованную поверх­ ность образца породы с определенной высоты свободно падает боек со сферическим наконечником. Твердость по Шору определяется высотой отскока бойка.Но высота отскока характеризует не твердость,

аупругость породы. Поэтому метод Шора подходит для таких пород,

укоторых твердость пропорциональна модулю упругости. Определение твердости также можно производить путем сверле­

ния образца породы незатупляющимся сверлом при строго опре­ деленной скорости вращения и осевой нагрузке. За меру твердости принимается число оборотов сверла, потребное для высверливания цилиндрического отверстия на определенную глубину.

Из рассмотренных способов определения твердости для суждения о буримости горных пород наибольшее значение имеет метод вдавли­ вания штампа. Для определения буримости вращательным способом перспективен метод сверления. Метод Шора можно рекомендовать для определения твердости хрупких пород, которые бурятся удар­ ным способом.

Механическая прочность. Прочностью твердого материала (по­ роды) называют его способность сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Чем выше предел прочности горной породы, тем больше энергии расходуется на ее разрушение.

Величины модуля продольной упругости Е для некоторых пород таковы (в кгс/см2):

Коэффициент поперечной деформации, или коэффициент Пуас­ сона, является отношением относительной поперечной деформации ех к относительной продольной деформации е:

( 1 0 )

Величины .коэффициентов Пуассона для некоторых пород таковы:

Знание величины коэффициента Пуассона ѵ необходимо при определении коэффициента бокового распора для различных гор­ ных пород, определения модуля продольной упругости по формуле

(8) и др.

Модуль поперечной упругости, или модуль сдвига, G определяет способность материала (породы) сопротивляться изменению формы при сохранении объема:

G ' Ф 2 (1 + ѵ) ’

где т — касательное напряжение в кгс/см2; <р —угол сдвига между плоскостями, к которым приложено касательное напряжение;

V — коэффициент Пуассона; Е — модуль продольной упругости. Абразивность горных пород. Абразивностью (от латинского

слова abrasio — соскабливание) называется способность горных пород изнашивать поверхность контакта другого, более твердого тела (резца, зубка, лезвия и т. п.) в процессе трения при движении. При бурении движущимся по породе телом является породоразрушаю­ щий инструмент, который контактирует с породой забоя резцами коронок, лезвиями лопастных долот, зубьями шарошечных долот.

Различают два вида абразивного износа: первичный и вторичный. Первичный износ осуществляется разрушаемой породой. Он зависит от абразивных свойств разбуриваемой породы, от износо­