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

параллельно напластованию, при этом между а«кі . и °"сж2 существует

увеличение предела прочности на сжатие наблюдается при скорости нагружения более 20 кгс/см2 -с.

Чистота обработки граней образцов пород. С ростом чистоты обработки снижается трение между торцом и плитой пресса, и в про­ цессе обработки (шлифовки) рабочие поверхности образца отклоня­ ются от плоскости, поэтому сгс ж незначительно уменьшается:

22 марта 1961 г. в Праге [154, 155] на Международном совещании был разработан текст «Основных положений» по определению проч­ ности горных пород на одноосное сжатие, предложенный в качестве добровольного международного стандарта.

Для определения стсж рекомендуется использовать образцы керна диаметром и высотой 40—50 мм с отношением d/h = 1. Торцовые поверхности должны быть отшлифованы, строго параллельны (от­ клонение не более 0,05 мм) и перпендикулярны к оси образца. В мо­ мент испытания образец должен по возможности соответствовать состоянию породы в месте взятия образца пробы. Рекомендуется про­ вести также петрографические исследования породы. Испытания должны проводиться при скорости нагружения в пределах от 5 до 10 кгс/см2 - с.

Если отношение d/h не равно единице, тогда рекомендуется сде­ лать перерасчет предела прочности на сжатие по формуле

где ad — прочность породы на сжатие с нестандартным отношением диаметра к высоте образца.

Кроме того, была предложена шкала прочности из 12 классов, в основу которой принят знаменатель прогрессии, равный 1,5 (сред­

необходимо изготавливать образцы правильной формы со строгой параллельностью двух граней и иметь мощное прессовое хозяйство.

В связи с этим в ИГД им. А. А. Скочинского [152] М. М. Протодьяконовым и В. С. Вобликовым был разработан метод определения сопротивления раздавливанию а'сж на образцах неправильной формы, который также был рекомендован международным совещанием в Праге.

Образцы объемом примерно 100 см3 , размеры которых отличаются друг от друга не более чем в 1,5 раза, раздавливают на прессе со ско­ ростью 5—15 мм/мин. Приложенная нагрузка должна быть напра­ влена вдоль максимального размера образца и перпендикулярно напластованию (испытывают 15—25 образцов породы).

Сопротивление разрушению образцов горных пород неправиль­ ной формы вычисляют, по формуле

чину этого соотношения рекомендуется использовать как меру пластич­ ности. Коэффициент корреляции этой зависимости составляет 0,48.

помещают между двумя соосными пуансонами с плоским основанием площадью 0,25; 0,5; 1,0 и 2,0 см2 . Образец в центре нагружают пуан­ сонами до его разрушения и предел прочности горной породы на сжатие 0"сж вычисляют путем деления общей разрушающей нагрузки на приведенную площадь сечения образца Snp. Величина приведенной площади сечения зависит от диаметра образца, площади его истинного сечения и диаметра применяемых пуансонов и определяется она по графикам [32].

Временное сопротивление горных пород растяжению Ср опре­ деляется как отношение усилия разрыва образца к площади его поперечного сечения. При определении о"р возникают трудности из-за возникновения по ряду причин изгибающих напряжений. В связи с этим при испытании за предел прочности на разрыв принимается максимальное значение, а усовершенствование методики обычно заключается в разработке более совершенных захватов.

Захваты образцов горных пород бывают самые различные: 1) риф­ леными плашками; 2) заливкой концов образца в захватах пресса цементом; 3) зажим при помощи стальных пластин и винтов; 4) с по­ мощью приклеивания стальных зажимов к образцу породы клеем типа БФ и др.

Образцы горных пород для испытаний делают призматическими, при этом две его длинные стороны обычно параллельны напластова­ нию, а две другие — перпендикулярны. Тогда растягивающая на­ грузка направлена вдоль напластования.

Для определения предела прочности на разрыв применяют также метод соосных пуансонов. Для этого в центре образца породы

высверливают отверстие диаметром, равным диаметру применяемых пуансонов. Отверстие заполняется вязким веществом (например, смесью, состоящей на 75% из канифоли и на 25% из парафина). Нагрузку на пуансоны повышают до тех пор, пока не произойдет разрыв образца. Как и при определении временного сопротивления сжатию, приведенную площадь находят по графику [32].

Позже вместо этой смеси было предложено применять резиновые цилиндры. Обусловлено это было тем, что при использовании ма­ стики передача давления на образец при испытании слабых по проч­ ности или пластичных пород уменьшается при увеличении деформа­ ции образцов. Применение резиновых цилиндров показало, что коэффициент передачи давления не изменяется.

Предел прочности горных пород на растяжение вычисляется по

где о п — давление на пуансоны в кгс/см2 ; D и d — внешний и внут­

т]р — коэффициент передачи давления резиной от пуансона к образцу породы.

Известен также метод определения ар , разработанный К. В. Руппенейтом [159]. При этом методе круговая пластинка породы на­ гружается в центре штампом до тех пор, пока не разрушится на изгиб. Предел прочности на растяжение

где Кг — коэффициент, зависящий от геометрических размеров об­ разца породы и штампа, а также от коэффициента Пуассона; Р — нагрузка на штамп.

С помощью последнего метода определяется скорее не временное сопротивление растяжению, а временное сопротивление породы изгибу.

М. И. Койфман [103] предложил скоростной метод определения сопротивления разрыву горных пород на кернах, полученных при. колонковом бурении. Предлагается раскалывать керн многократно посредством клиньев перпендикулярно к оси цилиндра, а затем без какой-либо обработки полученные образцы сжимают в радиальном направлении. Условное ар вычисляется как отношение усилия раз- , рушения ко всему сечению образца.

Аналогичный метод предложен также в работе [128]. Для испы­ таний горных пород на растяжение используются образцы любой формы, нагружаемые с двух противоположных сторон шариковыми инденторами. Предел прочности на растяжение определяется как отношение разрушающей нагрузки Р к площади поверхности раз­ рушения.

Временное сопротивление горных пород изгибу а в з определяют обычно на образцах квадратного или прямоугольного сечения самых различных размеров. Соотношение между длиной пролета Zn p и вы­ сотой образца ho6 составляет от 3,5 до 10,0. Нагрузку прилагают к концу консоли образца или к середине пролета (последний метод более надежен), свободно лежащего на двух опорах. Машины для испытания пород на изгиб должны фиксировать малые нагрузки, по­ скольку значение временного сопротивления пород изгибу небольшое.

при испытании на срез'или же на кручение. Схемы испытаний пород на срез приведены на рис. 3. Наиболее приемлемыми считаются мето­ ды испытания на двойной срез со сжатием [159], при которых опре­ деляют нормальные и касательные напряжения, а также другие параметры, необходимые для описания предельного состояния горной породы, — углы внутреннего трения и величины сцепления.

Схема одиночного среза образца со сжатием приведена на рис. 4. Z-образные плиты могут перемещаться как вертикально, так и

г Д е ^max и ^min — объемы фраКЦИЙ, НрОШЄДШИХ ЧЄрЄЗ СИТО С ОТВвр-

ударно-поворотном бурении (перфораторном) авторы рекомендуют определять объем фракций размером 0,25—0,30 мм, приблизив тем самым размер частиц пробы к реальным размерам частиц шлама и улучшив корреляцию показателя дробимости с буримостыо пород.

чего породу снова просеивают. Операции повторяют до полного размельчения образца. Количество ударов между просеиваниями выбирается таким образом, чтобы частицы размером менее 7 мм не подвергались дополнительному размельчению. Удельная энерго­ емкость вычисляется по формуле

A I*WLt кгс-м/см» (11.21)

где Q2 — вес породы в г; у - удельный вес породы в гс/см3 .

§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ВДАВЛИВАНИЕМ ИНДЕНТОРОВ

Методы испытания вдавливанием инденторов различной формы в образцы пород воспроизводят объемно-напряженное состояние, возникающее в породе при воздействии на нее рабочего органа породоразрушающего инструмента (зуба шарошечного долота или коронки ударно-вращательного бурения, опорной площадки резца буровой коронки, сферы при бурении дробью или штыревым долотом и т. д.).

Поскольку при вдавливании моделируется напряженное состоя­ ние, то показатели механических свойств горных пород могут быть использованы для определения истинного сопротивления' пород разрушению при бурении и, следовательно, для их прямого исполь­ зования на практике.

Однако это не значит, что при определении прочности на вдавли­ вание имитируются исключительно все или почти все особенности механического разрушения горных пород при различных способах бурения скважин. Речь идет лишь о том, что при этих методах опре­ деления свойств пород находит отражение главное в физической сущности их разрушения при бурении породоразрушающими ин­ струментами всех типов.

Стремление к имитации всех частных особенностей процесса , разрушения пород при бурении привело бы к необходимости разра­ ботки многих новых методов определения их механических свойств. Если же учесть, что показатели свойств пород, как известно, явля­ ются величинами вариационными,'то разработка многих новых методов была бы не только не оправданной, но даже вредной, поскольку это внесло бы дополнительные затруднения в их практическом исполь­ зовании.

В то же время чрезмерное стремление к простоте при определении физико-механических свойств горных пород приводит к тому, что получаемые лабораторные показатели имеют слабые корреляционные связи с технологическими показателями производственных процес­ сов. Эта причина в конечном итоге у части инженеров и научных работников вызывает некоторое недоверие к возможности ис­ пользования показателей физико-механических свойств пород на практике.

По своей физической сущности методы вдавливания наиболее близки к технологическим производственным процессам разрушения (хотя и не полностью моделируют). Из всех способов определения свойств пород большинство исследователей рекомендует к практи­ ческому использованию методы вдавливания.

Методы определения прочности твердых тел вдавливанием систе­ матизированы в работах [25, 32, 73, 74].

Основными показателями, определяемыми при вдавливании раз­ личных инденторов, являются твердость, пластичность и размеры образующихся зон разрушения.

Метод Е. Ф. Эпштейна можно применять для измерения сопро­ тивления разрушению лишь пластичных горных пород.

Аналогичный метод предложил также Г. Фрасен [246], который использовал пластинку из твердого сплава с углом простирания 120°. Преимуществ по сравнению с методом определения твердости, разработанным Е. Ф. Эпштейном, он не имеет.

Метод вдавливания штампа с плоским основанием. Исходя из того, что разрушение горных пород носит скачкообразный характер, Л. А. Шрейнер [231] еще в 1942 г. пришел к выводу о необходимости принципиально нового подхода к методике определения твердости пород. Метод определения свойств пород, предложенный Л. А. Шрей-

формация» (рис. 7), по которой вычисляют следующие показатели

формация» моменту перехода от прямолинейного участка к криво­ линейному в кгс;