Физико-механические свойства горных пород

• Несвязные (сыпучие) породы представляют собой скопления несвязанных или слабо связанных между собой частиц различной формы и размеров (пески, гравий, галька, щебень и т.п.). Бурение в подобных породах обычно производится с одновременным закреплением стенок скважины, так как стенки неустойчивы и происходят обвалы и оползни.

 

8. Твердость, прочность и хрупкость горных пород

 

Твердость горных пород - свойство горных пород оказывать сопротивление внедрению в них других тел при сосредоточенном контактном силовом воздействии.

Твердость - характеристика горных пород, отражающая их прочность. В зависимости от предназначения величина твердости определяется различными методами. При использовании метода царапания по поверхности горных пород перемещают острый алмазный наконечник или эталонный минерал (см. Мооса шкала). В качестве меры твердости принимают величину усилия, с которым протягивается наконечник, ширину и объём царапины. В методах сверления твердости определяют по показателям взаимодействия сверла и породы. Меры твердости в этом случае: объёмная работа разрушения, величина крутящего момента и др.

По методу Ф. Пфаффа и твердости А. Джаггара используют алмазные наконечники, по методу А. М. Янчура и А. М. Кульбачного — резцы, армированные твёрдыми сплавами. Распространено также определение твердости по высоте отскока бойка с алмазным наконечником, сбрасываемого на поверхность горных пород с фиксированной высоты (метод А. Ф. Шора). В современной практике широко используют методы вдавливания инденторов в исследуемый образец. При этом твердости определяют методами Ю. Бринелля, С. Роквелла и др., апробированными в металловедении.

В горном деле практическое применение имеет показатель твердости, определяемый по методу Л. А. Шрейнера путём выкола лунки в шлифованной поверхности породы под действием нагрузки, приложенной к штампу с плоским круглым основанием. Численное значение твердости представляет отношение максимальной силы, действующей на штамп в момент выкола лунки, к площади контактной поверхности. Аналогичным путём определяют контактную прочность по методу Л. И. Барона и Л. Б. Глатмана. Отличие заключается в том, что индентор вдавливают в естественную (необработанную) поверхность породы. Установлено, что контактная прочность на 30% меньше твёрдости по Л. А. Шрейнеру, которая в свою очередь в 5-20 раз превышает прочность породы при одноосном сжатии.

 Показатели  твердости используют при проектировании  средств механизации горных работ, оптимизации режимов эксплуатации породоразрушающих органов, обосновании нормативов производительности различных конструкций инструментов и т.д.

Прочность- это способность вещества не разрушаться под действием механических сил – будь то удар молотка или воздействие долота на породу. Прочность измеряется напряжением, при котором вещество разрушается. Измеряется прочность в МПа. Прочность горной породы зависит от вида деформации. Горная порода и минералы могут подвергаться одноосному сжатию и растяжению, деформациям изгиба и сдвига (простым видам деформации), а также нескольким деформациям одновременно (сложные виды деформации). Горные породы наиболее устойчивы по отношению к сжатию, а другим деформациям горные породы противостоят слабее; прочность на растяжение составляет менее 10% от прочности на сжатие. И действительно, из камня сложены стены неприступных крепостей, и даже конструкция арки такова, что и здесь камень в основном, работает на сжатие. Прочность горных пород на сжатие σсж, на сдвиг σс, на изгиб σизг и на растяжение σр связаны между собой следующим соотношением:

σcж> σс> σизг> σр                                                                                 

Приведенное соотношение  показывает, что наиболее рациональный способ разрушения горной породы на забое скважины связан с использованием деформации растяжения.

Прочность минералов  на сжатие достаточно велика, хотя и  колеблется в широких пределах –  свыше 500 МПа у кварца до 10–20 МПа  у кальцита. Прочность горных пород  существенно ниже, что объясняется  их неоднородностью, наличием локальных  дефектов, трещиноватостью (от зияющих  трещин до паутин и микротрещин). Прочность  пород существенно зависит от её минерального состава, структуры и текстуры породы, глубины залегания и других. факторов.

Прочность породы уменьшается с ростом влажности, например, прочность песчаников и известняков снижается при насыщении их поровой водой на 25 – 45%, что и происходит в пластовых условиях. Особенно сильно можно снизить прочность пород, используя поверхностно-активные вещества ПАВ (эффект Ребиндера). У слоистых – т.е. анизотропных пород прочность сильно меняется в зависимости от направления действия нагрузки. Отношение прочности перпендикулярно слоям к прочности параллельно им называется коэффициентом анизотропии, который колеблется у различных пород от 0,3 до 0,8. Естественно, что у изотропных, однородных пород, например, известняков или гранитов он равен 1. Прочность пород растет по мере их погружения в недра, отражая уменьшение пористости, изменение структуры и минерального состава и благодаря напряженному состоянию, в котором порода пребывает в недрах. Например, у глин прочность возрастает от 2–10 МПа на поверхности до 50–100 МПа в зоне метаморфизма, где глины преобразуются в сланцы. В процессе разрушения долотом горной породы последняя испытывает сложные виды деформации. Учитывая это, а так же особенности процесса внедрения зубца долота в забой скважины, прочностные характеристики горной породы мало подходят для проектирования процесса её разрушения.

Хрупкость горных пород - способность горных пород к разрушению без заметной пластической деформаций (не более 5% от величины деформации разрушения). Абсолютное большинство горных пород предрасположено к такому разрушению и поэтому относится к хрупким материалам.

 Хрупкость  определяется их минеральным  составом, структурно-текстурными характеристиками и внешними условиями разрушения: температурой, скоростью приложения нагрузки, её видом (растягивдющая, сжимающая, сдвиговая) и т.д. Изменение даже одного из параметров существенно меняет характер разрушения породы, например при повышении температуры или снижении скорости приложения нагрузки хрупкое разрушение горных пород может перейти в вязкое.

 

 

 

9. Крепость горных пород

 

Крепость горных пород - общепринятое условное понятие, символизирующее совокупность механических свойств горных пород, проявляющихся в различных технологических процессах при добыче и переработке полезных ископаемых. Крепость возрастает с увеличением сил связей между частицами и отдельностями горных пород и содержания прочных минералов в породе и снижается, как правило, при увлажнении (особенно в связных горных породах). М. М. Протодьяконовым (старшим) первоначально для оценки крепости была предложена классификация, основанная на предположении, что разрушение горных пород происходит в основном путем преодоления прочности пород на сжатие. По этой классификации, получившей затем широкое практическое применение, все разрабатываемые горные породы подразделяются на 10 категорий от f=0,3 для слабых плывучих пород до f=20 для крепких и вязких базальтов, кварцитов и т.п., где f10-3 scж, кгс/см2 (Па). Метод экспериментальной оценки коэффициента крепости, предложенный М. М. Протодьяконовым (младшим), основан на относительной оценке работы, затраченной на дробление горных пород свободнопадающим с высотой 0,6 м грузом массой 2,4 кг (ГОСТ 21153.1-75).

Современные методы разработки полезных ископаемых при  воздействии на породу включают более  целесообразные сжимающие, скалывающие  и растягивающие усилия. При этом крепость для относительной технико-экономической  оценки разрабатываемости принято  классифицировать 5 классами по 5 единиц крепости в каждом (табл.).

Для характеристики крепости в этом случае служит показатель трудности  разрушения пород Пр:

Пр=5•10-2(scж + sp + tcдв) + 5•10-5g,

 где 5•10-2 —  эмпирический коэффициент (МПа-1);

5•10-5 — эмпирический  коэффициент (м3/Н);

scж, sp, tcдв —  соответственно, пределы прочности  на сжатие, растяжение и сдвиг  (МПа);

g — объёмный  вес (Н/м3).

 

 Для целей  нормирования и расчёта машин  и механизмов в практике горного  дела используют частные, преимущественно  ведомственные, критерии: буримость,  взрываемость, экскавируемость, дробимость, измельчаемость горных пород и т.п.

Показатели крепости горных пород представлены на рис. 6.

Рис. 6

10. Упругость

Упругость пород – это их способность восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия нагрузки. Упругая деформация полностью исчезает после снятия нагрузки. Это обратимая деформация. В идеально упругом теле деформации возникают мгновенно при действии нагрузки и быстро исчезают после ее снятия. Упругость пород является следствием взаимодействия атомов друг с другом. Различают упругую линейную деформацию, когда она прямо пропорциональна напряжению и упругую нелинейную деформацию.

Упругие горные породы, как и другие твердые  тела, подчиняются закону Гука. В них деформация пропорциональна силе, вызвавшей эту деформацию.

Из  осадочных пород только некоторые обладают упругостью. Минералы в основном упруги при любых видах приложения нагрузки. Отличие горных пород от упругих тел, подчиняющихся закону Гука, в основном в том, что для них характерны такие явления, как упругий гистерезис и упругое последействие . На рис. 7 показана остаточная деформация εост при гистерезисе и упругом последействии.

а                                                                    б

Рис. 7 - Упругий гистерезис и упругое последствие.

При нагрузке и разгрузке пород, если нагружения проходило в упругой  области, кривые Р=f(ε) не совпадают (рис. 7а), образуя характерную петлю упругого гистерезиса. В случае, если при деформации наблюдение за величиной остаточной деформации будет продолжено, то с течением времени она исчезнет, а образец восстановит свои размеры (рис. 7б). Это явление носит название упругого последствия.

Упругие свойства горных пород характеризуются  модулем продольной упругости, модулем  сдвига, модулем объемной упругости, коэффициентом Пуассона. Физически  модули упругости, модули сдвига и модули объемной упругости – это коэффициенты пропорциональности между напряжениями и упругими деформациями для соответствующего вида приложенных напряжений.

Модуль  продольной упругости или модуль Юнга Е – это коэффициент пропорциональности между нормальными сжимающими или растягивающими напряжениями σ и соответствующей им относительной продольной деформацией ε. Модуль продольной упругости называют еще модулем продольной упругости он равен:

Е=σ/ε.

Модуль  сдвига G есть коэффициент пропорциональности между касательным напряжением τ и относительной деформацией сдвига δ.

G = τ/ δ

 

 

11. Абразивность

 

Еще одной важной механической характеристикой горной породы является её абразивность. Под абразивностью понимается способность горных пород изнашивать в процессе трения металл, твердые сплавы, в том числе и буровой инструмент. Понятие абразивности хорошо известно и в быту. С помощью шлифовальных кругов и брусков мы точим ножи и ножницы.

Абразивность  горных пород проявляется при  взаимодействии с ними долот и  других элементов бурового оборудования. Чем больше абразивность, тем выше темп износа инструмента. Поэтому необходимо знать абразивные свойства породы для правильного выбора типа долота. Для определения абразивности горной породы обычно измеряют обьем или массу металла, изношенного в процессе трения в стандартных для выбранного метода условиях. В отечественной практике бурения наиболее известный метод был предложен проф. Л.А. Шрейнером. Он заключается в износе эталонного кольца о испытуемый образец горной породы. Кольцо прижимается боковой цилиндрической поверхностью к горизонтальной поверхности образца и вращается вокруг своей оси. Одновременно образец поступательно перемещается относительно кольца. Продукты истирания удаляются струей жидкости. Об абразивных свойствах породы судят по объему изношенного материала кольца при перемещении образца на один метр.

Эксперименты  показали, что для большинства  пород износ эталонного кольца прямо  пропорционален силе прижатия и не зависит от скорости вращения. Установлено  что абразивный износ металла зависит не только от абразивности породы, но и от других факторов: соотношения твердости породы (и её минеральных зерен) и металла, шероховатости трущихся поверхностей, контактного давления скорости скольжения, свойств смазки или бурового раствора и др. Абразивность возрастает при наличии в породе зерен кварца, большой шероховатости поверхности, увеличения контактного давления.

Абразивность  горных пород связана с твердостью по-разному: у однородных пород они  связаны пропорционально, а вот  у неоднородных связь иногда оказывается  даже обратной. Дело в том, что твердость, например, песчаника сильно зависит от структуры и текстуры цементирующего вещества, но мало от выкрашивающихся зерен. Напротив, при стирании более мягкий цементирующий карбонат изнашивается быстрее и абразивность определяют высокопрочные зерна кварца. При содержании, например, обломков кварца более 20% абразивность известковистого песчаника превышает даже абразивность кварцита.