Какие показатели свойства горных пород
Механические свойства горных пород определяют их поведение под влиянием внешних нагрузок – усилий. Они проявляются и непосредственно оцениваются прочностью и деформируемостью горных пород.
Прочность – свойство горных пород (материалов) сопротивляться разрушению и образованию больших деформаций, т.е. не разрушаться под действием определенной нагрузки.
Деформация – свойство материала под действием нагрузки изменять свою форму и объем.
Прочность материала может изменяться под влиянием различных факторов в широких пределах: они могут быть очень прочными, прочными, средней прочности, малой прочности и очень малой прочности. Разрушение горных пород может происходить сразу, без образования больших деформаций, т.е. происходит хрупкое разрушение, в том случае говорят о условно-мгновенной прочности или стандартной и длительной прочности.
Деформации и напряжения в горных породах, как и для других материалов, связаны между собой определенными соотношениями.
Одним из свойств материала, горной породы является свойство упругости. Упругость это свойство материала восстанавливать первоначальные размеры после снятия нагрузки.
Скальные породы обладают высокой прочностью, упругостью и малыми деформациями и перемещениями, слабой водопроницаемостью. Разрушаются они хрупко, мгновенно, с потерей сплошности. Деформации, развивающиеся во времени, т.е. упруговязкие или упругопластичные для них нехарактерны. Для этих пород определяется так называемая мгновенная прочность
Полускальные породы отличаются от скальных меньшей прочностью и устойчивостью, большей деформируемостью, значительной водопроницаемостью. Они имеют хрупкопластический или пластический характер разрушения. Для них характерно развитие деформаций во времени, т.е. явление ползучести. Для таких пород необходимо учитывать не только мгновенную, но и длительную прочность, учитывать реологические свойства. Для обеспечения устойчивости сооружений, как в строительной, так и в горной практике требуются сложные инженерные мероприятия.
Породы рыхлые несвязные и мягкие связные по сравнению с предыдущими характеризуются значительно меньшей прочностью и устойчивостью и большей деформируемостью, сильной водопроницаемостью.
Для понимания природы свойств крупнообломочных, песчаных и особенно глинистых пород важно учитывать не только их геолого-петрографические особенности, но и свойства, обусловленные дисперсностью, так как эти породы – многофазные системы, состоящие из минеральных частиц, воды и воздуха или других газов.
При изучении и оценке прочности, устойчивости, деформируемости и водопроницаемости горных пород важно учитывать их анизотропию, обусловленную поверхностями и зонами ослабления, уменьшением напряжений при разгрузке, сопровождающейся образованием зон разгрузки, трещин упругого отпора. Поэтому перечисленные свойства горных пород важно охарактеризовать не только средними показателями, но и дирекционными, определяемыми по характерным направлениям. Эти показатели могут использоваться в качестве расчетных.
Повышенное содержание тонкодисперсных частиц в породах определяют в значительной степени их глинистые свойства и принципиальные отличия по свойствам глинистых пород от песчаных и других обломочных.
Образец, применяемый при испытании, имеет более однородную структуру, меньшее количество дефектов, поэтому прочность образца выше, чем прочность породы, в этом случае необходимо учитывать масштабный фактор. Но при испытании образца нужно учитывать расположение слоев, наличие внешних дефектов, поверхностей ослабления, иногда при испытании получаем заниженную прочность.
Если порода будет служить естественным основанием для какого-либо сооружения или средой для него, ее свойства должны изучаться при естественном сложении и влажности (на монолитах). Если она будет использоваться как строительный материал для отсыпки насыпей, дамб, земляных плотин, ее свойства нужно изучать на образцах нарушенного сложения, при влажности близкой естественной.
При решении различных инженерно-геологических задач, связанных с проектированием и строительством сооружений необходимо иметь следующие характеристики: вещественный состав, особенности строения, физические свойства, водные свойства, механические свойства, показатели специального назначения.
К механическим свойствам горных пород относятся прочность при сжатии и растяжении, сопротивление скалыванию и сдвигу, общая деформируемость, сжимаемость и просадочность, ползучесть и длительная прочность. Прочность горных пород обычно характеризуется пределами прочности на сжатие σсж, сдвиг, изгиб σиз и растяжении σр.
Горные породы в условиях одноосного сжатия, изгиба и растяжения обычно обладают высокой прочностью на сжатие и незначительной прочностью на растяжение, изгиб, сдвиг.
При этом, как правило, во всех твердых породах σсж > σиз> σр.
Например, для гранита предел прочности при растяжении составляет 0,02…0,04 предела прочности на сжатие, на сдвиг – 0,08, на изгиб – 0,09. Слоистые горные породы дают различные значения прочности при сжатии и растяжении их параллельно и перпендикулярно слоистости и, как правило, сжатие перпендикулярно слоистости дает более высокие показатели прочности, а при растяжении – наоборот.
Испытания горных пород в условиях всестороннего равномерного сжатия показали, что при достаточно однородном и сплошном строении породы разрушение ее не происходит даже при очень больших давлениях.
Хрупкость – свойство горной породы сравнительно легко разрушаться при статической нагрузке без заметной остаточной деформации.
Почти все горные породы при существующих способах разрушения и скоростях приложения нагрузки разрушаются хрупко. Для этих пород предел текучести равен пределу прочности.
Для скальных пород характерны упругие свойства, а полускальные являются только частично упругими.
В рыхлых обломочных несвязных и глинистых мягких связных породах упругие свойства имеют подчиненное значение.
Для изучения полускальных пород кроме показателей упругих свойств большое значение имеют показатели, характеризующие их способность сопротивляться общим деформациям: обратимым (упругим) и необратимым (остаточным).
Различные группы горных пород имеют неодинаковый характер разрушения, поэтому для оценки их прочности применяют различные виды испытаний. Для скальных, полускальных и связных глинистых пород основными показателями прочности являются временное сопротивление сжатию (предел прочности при сжатии) породах , временное сопротивление растяжению (предел прочности при растяжении) , сопротивление скалыванию. Для мягких связных и рыхлых несвязных пород – показатели сопротивления сдвигу: угол внутреннего трения, общее сцепление и в некоторых случаях коэффициент сдвига.
Источник
| Наименование породы | Цвет | Минералы, входящие в состав породы. Структура породы | Средняя плотность, кг/м3 | Предел прочности при сжатии, МПа | Водопоглощение, % |
| Изверженные горные породы | |||||
| Гранит | Серый, голубовато-серый, розовый и темно-красный | Кварц, полевой шпат, слюда. Кристаллическая | 2500–2900 | 100–300 | 0,1–1,0 |
| Диорит | Серо-зеленый до темно-зеленого | Полевой шпат, роговая обманка, иногда кварц. Кристаллическая | 2800–3000 | 150–280 | 0,2–1,0 |
| Сиенит | Серый до темно-красного | Полевой шпат, роговая обманка, слюда. Кристаллическая | 2700–2900 | 100–250 | 0,2–1,0 |
| Габбро | Темно-серый до черного | Полевой шпат, роговая обманка. оливин. Кристаллическая | 2900-3100 | 100-300 | 0,1-0,2 |
| Лабрадорит | Темный | Полевой шпат, авгит, оливин, лабрадор. Кристаллическая | 2600-2900 | 100-250 | 0,2-1,0 |
| Диабаз | Серый до темно-серого | Полевой шпат и авгит. Кристаллическая. Мелкозернистая | 2800-3100 | 110-330 | 0,1-0,3 |
| Базальт | Темный, черный | Полевой шпат, авгит. Скрыто-кристаллическая | 2900-3300 | 200-400 | 0,1-4,0 |
| Туф вулканический | Розовый до фиолетового | SiC2, Аl2О3, Fe2O3. Стекловато-кристаллическая | 800-1800 | 4-20 | 4-40 |
| Осадочные горные породы | |||||
| Известняк плотный | Серый, желтый | Кальцит. Плотная, аморфная, частично кристаллическая | 1800-2600 | 25-100 | 1,0-30% |
| Известняк-ракушечный | Желтовато-белый | Обломки раковины цементированы известковым цементом | 800-1600 | 1-15 | 6,0-30% |
| Песчаник | Белый до темного | Кварц. Зерна кварца соединены глиной, известью, кальцитом. кремнеземом и др. | 2300-2600 | 30-300 | 2-5 |
| Метаморфические горные породы | |||||
| Мрамор | Белый, розовый до красного | Кальцит и доломит. Зернисто-кристаллическая | 2600-2800 | 60-300 | 0,1-0,7 |
| Гнейс | Серый до красного | Кварц, полевой шпат, слюда. Сланцевая | 2400-2700 | 60-250 | 0,1-1,0 |
| Кварцит | Белый до темно-вишневого | Кварц. Кристаллическая | 2800-3100 | 200-450 | 0,1-0,2 |
«___» ____________ 2004 г.
ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
(Практическая часть)
Классификация горных пород по их происхождению
Задание. Ознакомиться с классификацией горных пород по их происхождению. Привести примеры каждой группы классификации.
I. Изверженные породы – 1) массивные – а) глубинные ____________________
______________________
______________________
______________________
б) излившиеся ___________________
______________________
______________________
2) обломочные – а) рыхлые _____________________
______________________
______________________
______________________
б) цементированные _____________
______________________
______________________
II. Осадочные породы – 1) химические осадки _________________________________
______________________
______________________
2) механические отложения – а) рыхлые ___________
______________________
______________________
б) цементированные _____________
______________________
______________________
3) органогенные образования – а) зоогенные ________
______________________
______________________
б) фитогенные __________________
______________________
______________________
III. Метаморфические породы – 1) изверженные _________________________
__________________________
2) осадочные ____________________________
__________________________
Основные породообразующие минералы
Задание. Пользуясь учебником и коллекцией ознакомиться с основными породообразующими минералами. Заполнить таблицу с их характеристиками.
Табл. 1. Характеристика основных
Породообразующих минералов
| Наименование минерала | Структура | Твердость | Цвет | Истинная плотность, г/см3 | Условия нахождения в природе |
| Группа I. Минералы с твердостью 1-3 | |||||
| Каолинит | |||||
| Гипс | |||||
| Мусковит | |||||
| Группа II. Минералы с твердостью 3-4 | |||||
| Кальцит | |||||
| Доломит | |||||
| Группа III. Минералы с твердостью 5-6 | |||||
| Авгит | |||||
| Группа IV. Минералы с твердостью 6-7 | |||||
| Ортоклаз | |||||
| Оливин | |||||
| Кварц |
Основные горные породы, применяемые в строительстве
Задание. Пользуясь учебником и коллекцией ознакомиться с основными горными породами. Заполнить таблицу с их характеристиками.
Табл. 2. Характеристика основных
Горных пород
| Наименование породы | Цвет | Минералы, входящие в состав породы. | Структура породы | Средняя плотность, кг/м3 | Предел прочности при сжатии, МПа | Водопоглощение, % |
| Изверженные горные породы | ||||||
| Гранит | ||||||
| Диорит | ||||||
| Сиенит | ||||||
| Габбро | ||||||
| Лабрадорит | ||||||
| Базальт | ||||||
| Туф вулканический | ||||||
| Осадочные горные породы | ||||||
| Известняк плотный | ||||||
| Известняк-ракушечник | ||||||
| Песчаник | ||||||
| Метаморфические горные породы | ||||||
| Мрамор | ||||||
| Кварцит |
Петрографическая характеристика природных каменных материалов
Задание. Ознакомится с методикой описания внешних признаков каменных материалов (петрографической характеристикой). Провести петрографическую характеристику для двух образцов природных каменных материалов из коллекции.
Образец №1.
1) Наименование образца ______________________________________.
2) Форма образца _____________________________________________.
3) Размеры образца ___________________________________________.
4) Окраска ___________________________________________________.
5) Раскол ____________________________________________________.
6) Спайность ________________________________________________.
7) Плотность, структура _______________________________________.
8) Минералогический состав ____________________________________.
Образец №2.
1) Наименование образца ______________________________________.
2) Форма образца _____________________________________________.
3) Размеры образца ___________________________________________.
4) Окраска ___________________________________________________.
5) Раскол ____________________________________________________.
6) Спайность ________________________________________________.
7) Плотность, структура _______________________________________.
8) Минералогический состав ____________________________________.
Дата добавления: 2016-12-31; просмотров: 429 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов
Читайте также:
Рекомендуемый контект:
Поиск на сайте:
© 2015-2020 lektsii.org – Контакты – Последнее добавление
Источник
При ведении буровзрывных работ (БВР) на горных предприятиях, выбор их основных параметров и методов управления взрывом, в значительной степени, зависит от свойств горных пород, трещиноватости массива и структурных особенностей его залегания. При составлении расчетов используются физические, механические, горно-технологические свойства горных пород.
Физические свойства горных пород. Физические свойства характеризуются плотностью, пористостью и пластичностью горных пород.
Плотность пород – физическая величина, равная отношению массы породы к их объему определяется по формуле:
(г/см3)
где m – масса породы, г;
V – объем породы, см3;
Пористость породы – физическая величина, равная отношению всех пустот к общему объему породы в сухом состоянии определяется по формуле:
где Vп – объем всех пустот;
Пористость породы характеризуется коэффициентом пористости.
Коэффициенты пористости некоторых типов горных пород:
Гранит, габбро, кварцит 0,8-1,2
Известняк, мрамор, доломит 0,5-13,4
Песчаник, глинистый сланец, 4-28,3
Глина, суглинок, почва 44-65
Пластичность горных пород – физические свойства горных пород сохраняют остаточную деформацию после прекращения действия внешних сил.
Влажность горных пород характеризует содержание воды в породе. Коэффициент влажности (относительная влажность) определяется по формуле:
где w – влажность приходящейся на 1г абсолютно сухой породы.
Механические свойства горных пород. К механическим свойствам горных пород, относятся предел прочности горных пород одноосному сжатию, растяжению, модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона.
Предел прочности горных пород одноосному сжатию– отношение максимальной разрушающей силы при одноосном раздавливании на начальную площадь поперечного сечения образца и определяется по формуле:
где Рсж.max – максимальная сжимающая, разрушающая сила, в кг;
F0 – площадь поперечного сечения образца породы, см2;
Предел прочности горных пород одноосному растяжению – отношение максимальной разрушающей силы при одноосном растяжении на начальную площадь поперечного сечения образца определяется по формуле:
где Рр.max – максимальная растягивающая разрушающая сила, в кг;
Модуль Юнга (модуль упругости) – называется коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и деформацией, который определяется по формуле:
где s – нормальное напряжение, кгс/см2;
n – относительная деформация
Модуль сдвига – называется коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и деформацией, который определяется по формуле:
где t – касательное напряжение, кгс/см2.
Коэффициент Пуассона – называют коэффициентом пропорциональности относительных продольных и поперечных деформаций.
К горно-технологическим характеристикам и классификациям горных пород относятся: крепость, твердость, абразивность, буримость, взрываемость и трещиноватость.
Крепость горных пород – оценивается по шкале проф.М.М.Протодьяконова, которая равна отношению временного сопротивления горных пород одноосного сжатия на 100 и определяется по формуле:
Твердость горных пород– это способность породы оказывать сопротивление проникновению в него твердого тела. Степень твердости для сопротивления породы при бурении определяют по методу Л.А.Шрейнера.
Абразивность горных пород – это способность породы изнашивать контактирующий с ней поверхность горных машин или горного оборудования в процессе их работы. Характеристикой абразивности горных пород оценивается по шкале Л.И.Барона и А.В.Кузнецова.
Буримость горных пород – это способность породы сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента. Буримость породы характеризуется скоростью бурения – м/час.
Взрываемость горных пород – это сопротивляемость горной породы разрушению действием взрыва. Взрываемость характеризуется классификацией пород по взрываемости.
Трещиноватость горных пород и массивов – это совокупность трещин определенных размеров, частоты их расположения и ориентации в массиве горных пород.
Трещиноватость определяется по классификации массивов горных пород по степени их трещиноватости, которые определяются планиметрическим, фотопланиметрическим, керневым, сейсмическим и экспресс методами.
Резюме
В общем технологическом комплексе по добыче и переработке полезных ископаемых БВР, предопределяют эффективность погрузочно-транспортных работ на карьерах, а также качества дробления измельчения руд на обогатительных фабриках. Поэтому от качества буровзрывных работ зависит качество добываемой продукции.
При ведении БВР на горных предприятиях, выбор их основных параметров и методов управления взрывом, в значительной степени, зависит от физических, механических и горно-технологических свойств горного массива, а также структурных особенностей его залегания.
Источник
Геологоразведочные скважины бурят в самых разнообразных геологических условиях. Поэтому и способ разрушения горных пород, тип породоразрушающего инструмента, режим его работы, крепление стенок скважины выбирают в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород, которые определяются комплексом геологических признаков (минералогическим составом, структурой и текстурой) и зависят от свойств основного минерального вещества, размера зерен, минерального цемента, пустотности, трещиноватости и др. Наиболее существенно на процесс бурения влияют следующие свойства пород:
| • прочность, | • хрупкость, | • водопроницаемость, |
| • твердость, | • абразивность, | • трещиноватость, |
| • упругость, | • устойчивость, | • слоистость, |
| • пластичность, | • пустотность, | • плотность, |
| • анизотропность. |
Прочностью называется способность горных пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, растяжении и других видах деформации. Прочность горных пород зависит от многих факторов и колеблется в широких пределах.
Испытание на прочность при сжатии проводится в лабораторных условиях на гидропрессах с определением сжимающего усилия в момент разрушения образцов горной породы, изготовленных в виде куба с ребром 5 см или цилиндров диаметром и высотой 5 см.
Для определения прочности горных пород на скалывание изготавливают пластинку из породы поперечным сечением 30×15 мм и длиной 120–150 мм помещают в прибор между ножами, на один из которых действует гидравлический пресс.
Временное сопротивление горной породы растяжению определяют на образце горной породы в форме прямоугольной призмы длиной 80 мм, шириной 20 мм и толщиной 10 мм на гидропрессе, имеющем специальное приспособление.
Прочность горных пород на скалывание и растяжение значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при сжатии за 1,0, то предел прочности ее на скалывание равен 0,2–0,08, а на растяжение 0,07–0,04. Поэтому горные породы легче разрушать скалыванием, чем смятием или раздавливанием.
Сопротивление горных пород разрушению при динамических нагрузках существенно отличается от сопротивления при статическом воздействии. В связи с этим при выборе способов бурения предпочтение следует отдавать таким, при которых преобладает динамическое воздействие на породу. Динамическая прочность горных пород определяется несколькими способами: ударом на изгиб, толчением и дроблением, определением ударной вязкости. Испытание ударом на изгиб проводят на маятниковом копре Шоппера. Обычно породы, обладающие высокой твердостью, имеют сравнительно невысокую ударную вязкость. Эту зависимость необходимо учитывать при определении рациональной области применения различных способов бурения.
По коэффициенту динамической прочности Fд горные породы делят на шесть групп; к горным породам одной группы по динамической прочности могут относиться породы с различной прочностью на статическое сжатие.
Твердость есть свойство тела оказывать противодействие проникновению в него другого тела – сопротивление горной породы вдавливанию в нее другого, более твердого тела. Бурение сопровождается внедрением в породу рабочих элементов породоразрушающего инструмента, поэтому твердость существенно влияет на скорость бурения.
Существуют различные методы оценки твердости горных пород: вдавливание в породу наконечников, царапание породы; метод фиксации затухания колебаний маятника, на конце которого укреплена игла, царапающая шлифованную поверхность образца; истирание или резание породы. В геологии большое распространение имеет шкала твердости минералов Мооса, по которой условную твердость минералов определяют методом царапания; по этой шкале твердость характеризуется отвлеченным числом (номером). Для практических целей важно знать не условную или относительную твердость горной породы, а абсолютную твердость, измеряемую, как правило, в МН/м2 (кгс/см2).
В настоящее время механические свойства горных пород определяются методом, предложенным Л. А. Шрейнером. По этому методу твердость горных пород определяют путем вдавливания в шлифованную поверхность образца породы штампа с гладким торцом (пуансона) площадью 1×2 мм (для твердых пород) и 5×2 мм (для пород малой твердости)
с замером нагрузок, деформации до разрушения, параметров зоны разрушения и в вычислением показателей механических свойств.
На рис. 2.1 приведены типовые диаграммы разрушения горных пород, полученные на приборе УМГП-3. По диаграмме деформации горных пород определяются также их упругость, пластичность, хрупкость.
Упругость – свойство горных пород изменять свою форму и объем под действием внешней нагрузки и восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействия.
Хрупкость – свойство горных пород разрушаться без заметной пластической деформации.
Пластичность – свойство горных пород необратимо деформироваться от действия внешних сил или внутренних напряжений, т. е. претерпевать пластическую (остаточную) деформацию без нарушения сплошности материала.
Диаграмма, показанная на рис. 2.1, а, получена при испытаниях хрупких пород (гранита, кварцита). Участок OD характеризует упругую деформацию породы. На диаграмме рис. 2.1, б участок ОА соответствует упругой деформации, АВ – пластической. В точке В наступает хрупкая деформация.
Абразивность – способность горной породы изнашивать при трении разрушающий ее инструмент. При бурении абразивных горных пород за счет износа инструмента сокращается время его работы на забое. Абразивность в значительной степени зависит от твердости породообразующих минералов: повышенной абразивностью обладают породы, состоящие из зерен очень твердых минералов, связанных менее твердым цементом. Для оценки абразивности предложены различные методы, в основу которых принят один принцип – истирание эталонного предмета. На практике обычно применяют метод и прибор для определения абразивности пород по износу свинцовых шариков.
Пустотность (пористость), характеризуемая наличием в горной породе пустот, усложняет процесс бурения; пустоты могут образовываться и за счет растрескивания породы.
Трещиноватость горных пород также влияет на процесс бурения; наиболее существенно она снижает эффективность алмазного бурения.
Устойчивость – способность пород сохранять первоначальное положение при вскрытии их в массиве и не обрушаться со стенок скважины без дополнительного их крепления. В неустойчивых породах требуется закреплять скважину и принимать меры по сохранению разрушающегося керна; устойчивость зависит от характера связей в горной породе.
Водопроницаемость горных пород зависит от размера и характера пор и трещин, влияет на потери промывочной жидкости в скважине.
Плотность горных пород определяет условия транспортирования разрушенной породы на поверхность.
При определении физико-механических свойств горных пород необходимо помнить об анизотропности пород, т. е. различии значений свойств в зависимости от направления воздействия на образец.
Слоистость, сланцеватость также создают анизотропию свойств горных пород. Механические свойства многих горных пород связаны с их текстурой. Для осадочных пород характерна слоистая текстура, для метаморфических – сланцеватая, причем значения свойств породы в направлении, параллельном плоскостям напластования или сланцеватости, отличны от значений тех же свойств в перпендикулярном направлении (анизотропия). Магматические горные породы также могут быть анизотропными по механическим свойствам, если имеют текстуру, характеризующуюся ориентированным расположением кристаллов породообразующих минералов. Анизотропные горные породы при пересечении их скважиной под углом к плоскости напластования или сланцеватости (т. е. к плоскости наименьшего сопротивления породы разрушению при бурении) разрушаются на забое неравномерно, что приводит к искривлению скважины.
Совокупность физико-механических свойств горных пород определяет их буримость, т. е. способность горных пород сопротивляться проникновению в них породоразрушающего инструмента. Буримость горной породы характеризуется механической скоростью бурения – значением углубления скважины за единицу времени. Этот показатель очень важен, так как по буримости пород планируются и нормируются буровые работы.
2.3. Классификации горных пород по буримости
и физико-механическим свойствам
Чтобы технологически грамотно осуществлять процесс бурения, т. е. бурить быстро и дешево, необходимо знать основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения, (упругие и пластические свойства, прочность, твердость и абразивную способность). К сожалению, из-за сложности методики и трудоемкости исследований, отсутствия надлежащих лабораторных баз и по другим причинам в большинстве случаев при бурении скважин таких данных нет. Поэтому в практических условиях для характеристики разбуривания горных пород пользуются обобщенным показателем – буримостью. При этом под буримостью горных пород понимают степень их сопротивляемости разбуриванию. В настоящее время существуют два направления в классификации горных пород по буримости.
Одно направление при построении классификации базируется на технологических производственных показателях (в этом случае за единицу измерения буримости принимают либо величину проходки, либо скорость бурения, полученные при бурении в тех или иных породах при определенных условиях), другое – на механических свойствах горных пород.
В основу большинства классификаций горных пород по буримости положена зависимость фактической буримости пород от их петрографической характеристики, определенная путем большого числа фотохронометражных наблюдений. Разработаны и применяются при проектировании и нормировании буровых работ следующие классификации, учитывающие способ бурения:
1) для вращательного механического бурения – с двенадцатью категориями пород по буримости;
2) для вращательного бурения шнеками – с шестью категориями пород по буримости;
3) для ударного механического бурения (исключая разведку россыпных месторождений) – с семью категориями пород по буримости;
4) для ударного механического бурения при разведке россыпных месторождений – с шестью категориями пород по буримости;
5) для ручного ударно-вращательного бурения – с шестью категориями пород по буримости.
В табл. 2.1 приведены выраженная через механическую скорость примерная буримость горных пород и примерная твердость по штампу.
После осмотра и описания извлеченного из скважины керна породу относят к той или иной категории в соответствии с классификацией. Для облегчения и контроля определения горной породы и отнесения ее к соответствующей категории на месторождениях составляют эталонные коллекции пород различной буримости. Буримость зависит не только от физико-механических свойств горных пород, но и от способа бурения, типа и качества породоразрушающего инструмента, глубины скважины и режимов бурения.
По мере совершенствования буровой техники и технологии бурения показатели буримости одних и тех же пород могут изменяться. В связи
с этим нормативы на бурение, отражающие достигнутый уровень техники и технологии, необходимо постоянно корректировать.
Наиболее универсальный способ бурения – вращательный с применением породоразрушающих инструментов, армированных твердыми сплавами и алмазами. Область применения вращательного бурения твердыми сплавами ограничивается практически бескварцевыми породами малой и средней твердости и абразивности (I–VIII категории по буримости). В частности, ребристые коронки, пикобуры, долота лопастного типа, армированные резцами с заданным углом приострения, а также шарошечные долота типа М целесообразно применять при бурении пород небольшой твердости и абразивности.
Горные породы умеренной твердости и абразивности целесообразно бурить тонкостенными коронками, армированными резцами с заданным углом приострения, а также долотами уступообразной формы. Самозатачивающиеся коронки можно применять для бурения пород средней твердости и абразивности.
При ударно-вращательном бурении область использования твердых сплавов значительно увеличивается. Этот способ бурения осуществляется гидро- и пневмоударниками, а также шарошечными долотами вращательно-ударного действия. Он распространяется на все группы пород по твер дости и абразивности (V–XII категории по буримости), имеющие умеренную механическую прочность. При бурении весьма прочных горных пород эффективность применения указанных видов технических средств
снижается, тем не менее их использование весьма желательно, особенно шарошечных долот типа К, при высоких осевых нагрузках и пневмоударников, имеющих высокую энергию единичных ударов.
Область применения алмазного бурения охватывает породы от умеренно твердых и абразивных до весьма твердых и абразивных. Однослойные алмазные коронки эффективнее применять, начиная с пород средней твердости и абразивности и кончая твердыми и абразивными породами, а импрегнированные – в более твердых и абразивных породах, включая весьма твердые и абразивные.
2.4. Основные закономерности
разрушения горных пород
Основным видом деформационного процесса, под действием которого породы в процессе бурения разрушаются, является вдавливание. Рассмотрим явления, происходящие в породе при действии на нее постепенно возрастающей местной нагрузки, передающейся через штамп. Первоначально порода уплотняется в непосредственной близости от площади контакта. Затем, когда нагрузка достигает некоторого критического значения, в породе образуется конусообразная трещина, вершина которой обращена к вдавливаемому телу. При дальнейшем увеличении нагрузки трещина продолжает развиваться в глубину; при этом образуется система хаотически расположенных трещин, порода в вершине конуса раздавливается в порошок, передающий давление во все стороны.
Под влиянием этого давления порода продолжает разрушаться до образования лунки. Описанный процесс внедрения штампа составляет один полный цикл разрушения. При дальнейшем нагружеиии штампа процесс во всех трех фазах повторяется. Такая цикличность разрушения свойственна хрупким, прочным горным породам. В хрупких, но менее прочных горных породах разрушение также носит цикличный, но менее скачкообразный характер.
Разрушение малопрочных пород носит плавный характер. Рассмотрим действие динамического вдавливания (ударов) на породу. Исследованиями установлено, что в результате ударов горные породы могут разрушаться при напряжениях меньше критических, соответствующих пределу прочности. Сам механизм разрушения аналогичен описанному выше. Число ударов по одному и тому же мест?