Файл: Комаров, М. А. Буримость горных пород и ее учет в техническом нормировании обзор.pdf

бит вариации 50% и более). На рио.3 график зависимости от нагрузки показан пунктирной линией. При раздельном рассмотре­

нии показателей бурения коэффициент вариации не превысил 30% и на графиках четко выделяются экстремальные области.

Б настоящее время многие исследователи считают необходимым осуществить комплексный подход к изучению физико-механических овойств пород,предусматривающий знание не менее ^ ём 20-30 различ­ ных показателей. рЩ .Учитывая,что ни одна из классификаций,по­ строенная на одном или двух показателях, не может удовлетворить теорию и практику горного деда, против этого мнения трудно воз­ разить. Однако говорить о таком комплексном подходе при состав­ лении классификации для нормирования алмазного бурения прежде­ временно, так как в настоящее время в существующей классификации не указывается ни одного показателя по физико-механическим свойствам. Следует признать, что объективных причин (неизученность пород, отсутствие методов и средств их изучения), которые могли бы сдерживать разработку классификации для технического нормирования, не существует, и в технологии бурения накоплен большой*фактический материал по физико-механическим свойствам пород. Степень корреляции физико-механических свойств с показа­ телем буримости зависит от степени влияния этих свойств на ме­ ханизм разрушения породы при бурении.

При вращательном способе проходки необходимым условием для разрушения породы является вдавливание породоразрушающих элемен­ тов долота или коронки в породу. Большинство методов определе­ ния твердости пород также основаны на вдавливании (статическом или динамическом) различных по форме и материалу штампов. Обще­ признанным методом определения твердости в бурении принят'метод вдавливания цилиндрического штампа (метод Л.А.Шрейнера). Между твердостью пород и скоростью бурения1существует тесная связь, что и установлено практически. Скорость бурения закономерно снижается яри переходе от мягких к твердым и весьма твердым по­ родам. И лишь специфика разрушения породы при бурении мелкоал­ мазными коронками несколько видоизменяет характер этой зависи­ мости .[ 8 ] .Б глинистых и карбонатных породах ( I группа) образую­ щийся при бурении медкоалмазиыми коронками шлам спрессовывается в плотную массу и скорость ‘бурения определяется качеством очист­ ки забоя. При бурении более твердых«псрод коровка зашламовывает-

- 2S

ся меньше. Поэтому в более твердых породах I группы скорость бу­ рения выше, чем в мягких, В изверженных и метаморфических поро­ дах (П группа) скорость алмазного бурения уменьшается с увеличе­ нием твердости, однако последняя не оказывает такого большого влияния, как при бурении другими породоразрушающими инструментами, что можно объяснить большой разницей в твердости алмазов и разбу­ риваемых пород.’

Исследования возможности применения данных о механических свойствах пород для разработки режимов бурения алмазными корон­ ками проводились в ВИТРе [12]. Установлено, что между глубиной внедрения алмаза и твердостью породы нет заметной корреляционной связи, но еоли учесть кроме твердости и пластичность, то связь становится более ощутимой. Установленные зависимости позволили более объективно рекомендовать типы алмазных коронок для бурения различных пород.

Чем меньше пластичность пород и больше их хрупкость, тем более эффективно применять коронки о овализованными алмазами. Показатель твердости пород по штампу используется при определе­ нии величины нагрузки на породоразрушающий инструмент [3 5 ]. Однако оценивать буримость пород алмазными коронками только по одному показателю твердости по штампу нельзя. Противоречивость показателей бурения в породах с различной твердостью по штампу отмечалась многими исследователями [8 ,2 4 ,2 5 ]. Это можно подтвер­ дить данными табл .5, в которой приведены значения механической скорости бурения для пород с различной твердостью по штвмпу (для условий Березовской экспедиции).

- 30 -

По показателю твердости по штампу выделены три группы по­ род: первая о твердостью пород <150 кГ/мм2 (некоторые разновид­ ности слюдисто-кварц-карбонатных сланцев, алевролиты); вторая группа пород о твердостью по штампу от 150 до 500’кГ/мм2 (песча­ ники, углисто-кремнистые сланцы, габбро и д р .) и третья - с твердостью по штампу 500-700 кГ/мм2 . Для первой группы пород ха­ рактерно снижение скорости бурения по сравнению со второй. При бурении пород второй группы скорость не остается постоянной, но

закономерное снижение скорости бурения, но и здесь решающее влия­ ние оказывает на твердость пород. Так,например, при бурении в стендовых условиях амфибол-магнетитовогс кварцита коэффициент вариации значений механической скорости при постоянном режиме бурения не превышал I5J6 даже в том случае, если измерение скоро­ сти производилось на отрезке длиной I см. Амфибол-магнетитовый кварцит представляет чередование прослоев амфиболита мощностью О,5 -2 ,0 см о железистым кварцитом. Коэффициент вариации показа­ теля твердости по результатам замера образцов, отобранных из то­ го же блока, где производилось бурение, составлял более 30$, абсолютные значения твердости изменялись от 380 до 7X0 кГ/мм2.

В последнее время в колонковом разведочном бурении наибольшее распространение получил метод определения объединенного показа­ теля прочности пород, предложенный ЦНИГРИ, который основан на разработанном М.М.Продьяконовым методе толчения пород для опре­ деления коэффициента динамической крепости и методе определения абразивности по износу свинцовых шариков (метод Н.И.Любимова).

Удовлетворительная корреляционная связь показателей алмаз­ ного бурения отмечена ранее [6 ,1 8 ,2 5 ]. Это дает основание реко­ мендовать методы определения коэффициента динамической крепости и абразивности для использования их наряду с твердостью по штам­ пу при составдэнии классификации по физико-механическим свойст­ вам пород, которая служит для предварительной оценки их буримости о целью выбора породоразрушающих инструментов и параметров режима бурения. Для обоснования структуры шкалы классификации по физико-механическим свойствам при использовании нескольких

показателей необходимы специальные исследования.

%

Относительно построения шкалы классификации необходимо ука­ зать на.следующее. Шкалы показателей физико-механических свойств

- 31

определенных любыми приборами, должны быть самостоятельными, они не должны подменять шкалу по буримости пород, в какой бы тесной корреляционной связи с ней не находились, так как при изменении геолого-технических условий показатели бурения могут меняться без заметного изменения физико-механических свойств пород или, наоборот, могут остаться постоянными при изменении последних* Основной же недостаток использования показателей прочности для непосредственного определения категории породы по буримости со­ стоит в том, что будучи узаконен директивным документом (каким является сборник ЕНВ) способ определения категории по буримости на основе показателя прочности закрепит в практике нормирования все неточности, которые неизбежно о ним будут связаны* Поэтому попытки увязать различные показатели прочности пород о их клас­ сификацией по буримости Мингео СССР лишь усложняют основную проблему нормирования процесса механического бурения [25]. По­ следняя заключается не в определении категорий пород, а в уста­ новлении норм выработки на уровне научно обоснованных затрат времени, что возможно лишь при проведении опытного бурения в конкретных *геолого-технических условиях*

В связи с тем, что наиболее часто применяемые в настоящее время для решения технологических задач показатели механических свойств пород (твердость, динамическая прочность и др*) не всегда находятся в прямой зависимости с затратами времени на бу­ рение этих пород мелкоалмазными коронками; породам с невысокими показателями твердости могут соответствовать более выоокие нор­ мативы времени на бурение* Такие породы по физико-механическим свойствам целесообразно выделять в отдельные группы внутри дан­ ной категории пород* Подобное несоответствие показателей меха­ нических свойств и буримости пород вызывает иногда сомнение по поводу "нелогичности" классификации пород по буримости* Для

«•

- 32 -

хода истирающих» но не для расчета норм времени.и выработки на бурение. Проект единых норм времени (вып.1973 г . , ВИЭМС) не предусматривает применения алмазных коронок в породах. У1-УП ка­ тегорий, хотя эффективность бурения ими в определенных" условиях не вызывает сомнения. Точность нормирования по сборнику норма­ тивов зависит от полноты учета различных факторов, влияющих на затраты времени при бурении, и она нисколько не поотрадает, если будет нарушено соответствие величин нормативов порядку ка­ тегорий пород по физико-механическим свойствам.

О возможности применения лабораторных методов определения буримости пород для целей технического нормирования

* '

' Лабораторные методы определения буримости разделяют на две группы: пк первой относятся методы, основанные на применении лабораторных бурильных установок, моделирующих с тем или иным приближением процесс бурения; в основу методов второй группы заложено не моделирование процесса бурения, а установление бу­ римости о помощью других параметров или показателей, находящих­ ся в более или менее устойчивой корреляционной связи с показа­ телями буримооти...” [2 ]. В приведенной формулировке слова "с тем иди иным приближением" следовало бы исключить, так как они способствуют неправильной оценке некоторых методов. Так,

например, прибор ВИТР-ОТ отнесен к первой группе, хотя для мо­ делирования, в истинном смысле этого слова, процесса алмазного бурения он не пригоден [2 ] .

С точки зрения технического нормирования, к лабораторным методам определения буримости пород целесообразно относить те, которые позволяют определить затраты времени на бурение породы инструментом, применяемым на производстве, по данным опытного бурения на небольших"образцах породы (в керне).

К лабораторным методам определения буримости пород не сле­ дует относить бурение на стендах коронками стандартных размеров по крупным блокам пород, так как при этом не повышается точность прогнозирования, но требуются большие затраты времени и средств.

На современном этапе развития науки о буровом процессе в основе метода определения буримости пород в лабораторных усло­

- 33 -

виях целесообразно иметь физическое моделирование процесса бу­ рения . "...Моделирование есть замена изучения интересующего нас явления в натуре изучением аналогичного явления на модели мень-- шего или большего масштаба, обычно в специальных лабораториях". (Седов, 1970).

Одним из основных препятствий, затрудняющих распростране­ ние результатов бурения микродолотами на натурный процесс, при­ нято называть масштабный фактор.

При бурении, масштабный фактор проявляется через величину притупления рабочих элементов долота или коронки и тем больше, чем более соизмеримы размеры зерен породы с величиной притупле­ ния. В мелкозернистых, однородных и нетрещиноватых породах масш­ табный фактор проявляется слабее.

При моделировании процесса бурения алмазными коронками, вследствие незначительного размера алмазов, размер последних можно не изменять при изготовлении моделей алмазных коронок,что позволяет устранить влияние масштабного фактора при разрушении породы. Этому также способствует незначительное отличие размеров модели от натурных коронок, применяемых при бурении геологораз­ ведочных скважин на твердые полезные ископаемые.

При моделировании процесса бурения алмазными коронками нет необходимости моделировать напряженное состояние пород и гидро­ статическое давление. Работы Л.А.Шрейнера и других исследовате­ лей показали, что у пород с высокой твердостью и сравнительно низкой пластичностью дополнительное влияние горного и гидроста­ тического давлений вызывает незначительное изменение прочностных характеристик пород и размеров зон разрушения.

Научной основой физического моделирования является теория подобия и размерностей. Критерии подобия и параметры моделиро­ вания процесса алмазного бурения были рассчитаны на базе П-тео- ремы с помощью ЭВМ; при расчете размеров моделей алмазных коро­ нок соблюдались условия однозначности, определяющие индивидуаль­ ные особенности процесса [20]. Для экспериментального бурения в керне пород использовался специальный буровой стенд [7 ] . Ме­

тодикой экспериментальных исследований предусматривалось бурение коронками диаметром 25 и 30 мм на различных режимах с целью получения данных для прогнозирования скорости бурения в натурном процессе. Для того, чтобы устранить влияние износа на результат

- 34 -