Разрушение горных пород и его цели при геологоразведочных и горных работах

Краткий электронный курс лекций по дисциплине «РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД» Составитель канд.геол.мин наук В.В.Ильяш Лекция №1 Разрушение горных пород и его цели при геологоразведочных и горных работах Геологоразведочное дело это особый вид практической деятельности человека, превратившейся во многих странах в целую отрасль экономики, специфика которой в получении информации о строении недр с целью выявления месторождений полезных ископаемых. Горнодобывающая промышленность это разветвленная отрасль производства, связанная с разработкой месторождений полезных ископаемых и их переработкой. Все виды работ в том и другом производстве, так или иначе, связаны с цепочкой последовательных способом разрушением горных пород, которое необходимо для извлечения из них полезного компонента (минерала и химического элемента). Методология геологоразведки основывается на принципе стадийности, суть которого в последовательном сужении размеров перспективной площади с увеличением плотности информации. Это достигается с одной стороны увеличением точек наблюдений, как на единицу площади, так и на глубину, с другой стороны расширением методов изучения свойств геологического пространства с целью оценки экономической эффективности предстоящего промышленного освоения. На этом пути последовательно от стадии к стадии расширяется не только арсенал применяемых методов, но и их энергоемкость, что связано с необходимостью увеличения глубины геологоразведочных скважин и применения всё более тяжелых горных выработок. При этом всё более увеличивается объем и количество образцов, как частей горного массива, отделяемых от него теми или иными способами разрушения его целостности. Экономическая эффективность, а именно минимум затрат на единицу продукции зависит не только от технологии проведении работ, но во многом от технических средств - применяемое оборудование, механизмы, в том числе инструмент и способы (технологии) разрушения горных пород. Основная доля затрат при этом в геологоразведке приходится на бурение скважин, поэтому важно в первую очередь применять наиболее эффективные технологии бурения, которые между собой и различаются в первую очередь способами разрушения горных пород на забое скважины. Несмотря на мощный прорыв в научных дисциплинах, касающихся геологоразведочного 1 дела, таких как общей физики, физики твердого тела, теоретической механики, сопротивления материалов, математики и информатики, механические способы разрушения горных пород и в двадцать первом веке всё ёще остаются основными, совершенствуется лишь применяемая техника. 1. Стадии геологоразведочного дела, применяемые технологии и техника 1.1 Стадия регионального геологического изучения Начальная стадия геологоразведки это региональное изучение геологического строения. На это стадии изучаются большие площади по листам номенклатурной топографической разметки. Технология в целом называется мелкомасштабной геологической съемкой. Основная задача – составление кондиционной геологической карты с выделением площадей, перспективных на обнаружение месторождений. Применяемые технологии или виды работ это дешифрирование аэро- и космоснимков в разных спектральных диапазонах съемки, линейные геологические маршруты главным образом по водотокам, это геофизические работы, нацеленные на выявление наиболее общих особенностях физических полей изучаемой территории (гравитационного и магнитного). На этой стадии объемы бурения и проходки минимальные. Их задача ограничивается вскрытием коренных пород, перекрытых чехлом осадочных толщ в узловых точках, т.е. в местах представляющих особый интерес для геолога с точки зрения выявления предпосылок и поисковых признаков оруденения. Объемы проходки зависят от категории геологического строения изучаемой территории открытой или закрытой. К первой относятся щиты и горноскладчатые районы с большой долей обнаженности коренных пород. Ко второй относятся платформы с развитым чехлом рыхлых отложений. Но в любом случае на региональной стадии основная нагрузка приходится на геофизику. Бурение на открытых территориях мелкое с применением мотобуров и даже ручное. Глубокое бурение применяется как картировочное для закрытых территорий по редкой сети на глубину вскрытия складчатого основания. Способ бурения колонковый. Проходка горных выработок ограничивается мелкими картировочными шурфами на открытых территориях при наличии маломощного чехла перекрывающих рыхлых отложений. 1.2 Стадия поисковых работ 2 Проводится на ограниченной площади (называемой поисковым участком), выделенной по результатам региональных работ, как перспективной на выявление тех или иных полезных ископаемых. Здесь объемы работ с применением методов, основанных на нарушении целостности горных пород, зависят как от особенностей геологического строения, так и вида полезных ископаемых. Наибольшие объемы бурения приходятся при поисках на нефть и газ, поскольку они залегают почти всегда на больших глубинах в пределах мощных осадочных толщ, а поиски твердых полезных ископаемых требуют меньших объемов. Для последних, также имеет значение вид полезного ископаемого: рудные, нерудные, каустобиолиты (торф, уголь, горючие сланцы). Рудные полезные ископаемые залегают, как правило, на территориях со сложным геологическим строением, поэтому для их выявления приходится прибегать к большому объему бурения и проходки горных выработок. Бурение в основном колонковое, но при поисках геохимическими методами широко применяется и шнековое. Из горных выработок набольший объем приходится на поверхностные (канавы, траншеи, неглубокие шурфы), реже проходятся штольни. На поисковой стадии более разнообразны и применяемые геофизические методы. При этом для некоторых из них на этой стадии приходится бурить технологические скважины. Например, для сейсморазведки. 1.3.Стадия оценочных работ Задачей этой стадии является оценка ресурсов, выявленных на поисковой стадии проявлений полезных ископаемых. Перспективная площадь сужается, но плотность точек наблюдений увеличивается, в том числе и глубинность прогноза оцениваемых ресурсов. Соответственно увеличивается объем буровых и проходческих работ. Итогом будут оценочные категории ресурсов полезных ископаемых. 1.4.Стадия разведки Это заключительная стадия геологоразведочных работ с максимальной плотностью точек наблюдений и глубиной изучения. Соответственно максимальный объем всех работ приходится на бурение и проходку. Итогом будут подсчитанные запасы полезного ископаемого по 3 категориям А, В, С. Наиболее плотная сеть наблюдений приходится на участки разведки по категории А. Но по этой категории разведуются лишь наиболее ценные полезные ископаемые, залегающие в сложных геологических условиях. 1.5. Эксплуатационная доразведка. Уже в ходе эксплуатации (разработки) месторождения иногда возникает необходимость доразведки отдельных участков месторождения, чаще всего для уточнения горно-технологических условий его отработки. Иногда проводится разведка на флангах месторождения с целью приращения запасов. 2. Общие понятия о разрушении горных пород Курс данной дисциплины нацелен на получение информацию о: 1- свойствах горных пород, определяющих их прочность и буримость; 2- способах разрушения горных пород; 3- механике разрушения горных пород; 4- технологиях разрушения горных пород различными породоразрушающими инструментами и изучения методов интенсификации разрушения под воздействием различных технологических факторов; 5- о процессах удаления продуктов разрушения горных пород с забоя горной выработки. Процесс разрушение горных пород на забое скважины, или иной горной выработки это процесс физико-химического воздействия на породу, производимого с целью формирования поля механических напряжений, достаточных для нарушения сплошности определенного объема (слоя) горного массива или преобразование породы в расплав, пар, раствор и удаление образовавшихся продуктов разрушения, растворения или плавления с забоя на поверхность или в пространство выработки. Рациональное соотношение операций породоразрушающего воздействия на породу и удаления продуктов разрушения с забоя из-под торца породоразрушающего инструментаа является важным аспектом, определяющим минимальную энергоемкость и, соответственно, эффективность бурового процесса. Энергоемкость процесса разрушения горных пород на забое это показатель эффективности процесса разрушения горных пород, определяемый как отношение затраченной на разрушение породы энергии к 4 интервалу проходки, углубки, объему разрушенной породы за единицу времени. Важно подчеркнуть, что проходка включает два взаимосвязанных явления: собственно нарушение целостности породы породоразрушающим действием и удаление полученных продуктов разрушения из зоны работы породоразрушающих элементов инструмента. Эти два взаимосвязанных явления объединены в понятии буримость для скважины и проходки для горной выработки. Буримость как преодоление сопротивления горной породы разрушению буровым инструментом, зависит как от совокупности прочностных и абразивных свойств горной породы, так и способа и интенсивности породоразрушающего действия, от конструктивных параметров и технического состояния бурового инструмента, а также способом и параметрами процесса удаления продуктов разрушения из зоны породоразрушающего действия бурового инструмента. Количественно буримость можно оценить механической скоростью бурения. В начале ХХI века способы механического разрушения горных пород по-прежнему обеспечивают основной объем буровых и горнопроходческих работ, именно поэтому мы основное внимание уделимк механическому разрушению горных пород под воздействием поля механических напряжений. Перечень способов разрушения горных пород при бурении приводится в табл.1 Следует отметить, что резервы механических способов бурения и проходки в настоящее время далеко не исчерпаны. В связи с появлением новых сверхтвердых материалов, технологий их обработки, упрочнения металлов и сплавов, новых конструкций бурового инструмента, мощных и надежных забойных приводов, забойных машин ударного и ударно-вращательного действия, новых конструкций буровых станков непрерывно растет производительность бурения. В то же время получают развитие и новые способы бурения, основывающиеся на физико-химических воздействиях на горную породу. Наиболее перспективными представляются это бурение лазером и колтюбинг. Ещё в1997 г. В США, в Gas Technology Institute начат проект лазерного бурения. Для экспериментов предоставлены два армейских лазера MIRACL и COIL. Оба лазера работают в инфракрасном диапазоне, потребляют мощность до1 МВт. Параметры лазера: длина волны– 1,06 мкм, средняя мощность– 1,6 кВт, максимальная пиковая мощность– 32 кВт, длительность импульса– 0,1-10 мс, частота повторения 25-800 имп/с, максимальная энергия100 Дж/ имп. Установлено, что режим работы лазера существенно 5 влияет на разрушение породы– длинные импульсы с высокой частотой повторения приводят к плавлению, а, короткие импульсы с малой частотой только к её растрескиванию. В 2001 г. Министерство Энергетики США объявило о продолжении работ по разрушению пород лазером. Предполагается, что энергия от лазера будет доставляться на забой с помощью пучка волоконно-оптических линий.Считается, что скорость бурения может возрасти в10-100 раз в сравнении с достигаемой механическим разрушением, что обещает мощный технологический прорыв в бурении. Колтюбинг– (анг. coiled tubing– катушка труба) – бурение скважин с использованием стальной длинномерной безмуфтовой гибкой трубы, навиваемой на катушку-барабан, взамен традиционной разъемной бурильной колонны. 6 Лекция №2 ВНУТРЕННИЕ СВЯЗИ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ИХ СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ 1. Иерархия связей и их природа в горных породах, как причина их разной прочности. Горные породы это особая, следующая после минералов система структурной организации вещества, где связи осуществляются уже между минералами или их агрегатами Связи в породе между минералами, как правило, физические и менее прочные, чем связи внутри кристалла, где они химические: ковалентные, ионные, ван-дер вальсовские. Однако, в зависимости от симметрии и внутри кристалла прочность связей между элементами кристаллической решетки по разным плоскостям может значительно различаться, что находит отражение в физических и в том числе механических свойствах, как способности оказывать сопротивление породоразрушающим нагрузкам. Классическим примером являются минералы со слоистой структурой, такие как графит, мусковит, биотит и другие, где прочность между слоями минимальная, поскольку расстояние между центрами решетки значительно больше чем внутри слоя. Такое явление называется анизотропией кристаллической решетки. Слоистые минералы это крайний её случай, имеются минералы кубической симметрии (сингонии), со с свойствами близким к изотропным. У минералов с промежуточной симметрией решетки вместо слоистости проявляется спайность сродни слоистости, но менее выраженной, при этом спайность может проявляться в разных плоскостях. Примером таких минералов являются полевые шпаты, амфиболы и многие другие. Но и на микроскопическом уровне в кристалле могут возникать нарушения симметрии (дефекты кристаллической решетки), приводящие также к анизотропии механических свойств. 2. Плавление и физические условия перехода горных пород в жидкое состояние Повышение температуры и снижение внешнего давления снижает прочность связей вплоть до плавления. Жидкости от твердых тел как раз и отличаются этим. Прочность связей снижается по мере увеличения расстояния между составными элементами физического тела. Поэтому газы и обладают минимальной плотностью. Горные породы имеют разную 7 температуру плавления. Но температура плавление породы зависит от минерального состава, так как лишь отдельно каждый минерал обладает постоянной величиной температуры плавления. Поэтому процесс плавления в горных породах растянутый, в первую очередь выплавляется так называемая эвтектика - наиболее легкоплавкая составляющая пород. Например, при плавлении базальта эвтектика будет иметь кислый (гранитный) состав. Породы различаются и по своему химическому составу. Их традиционно делят на кислые, средние, основные и ультраосновные. Наиболее легкоплавкие кислые, а тугоплавкие ультраосновные. Это связано с более глубинными условиями кристаллизации ультраосновных пород, где они получают больше внутренней энергии (высокая температура и давление).. Все минералы плавятся в диапазоне от нуля до 3600 оС (лед – графит).Наиболее распространенный в природе минерал – кварц имеет Т плавления 1710. Гранит в целом может начать плавится при температуре уже в 900. Существенно снижают Т плавления добавки так называемых флюсов: вода, карбонаты и др. вещества, которые образуют при нагревании летучие газовые компоненты, которые проникая в поры, микротрещины, увеличивают внутренне давление, тем самым снижают прочность связей. 3. Твердость анизотропной горной породы Горные породы отличаются существенным отклонением прочностных свойств от средних значений. В ряде случаев эти отклонения не имеют, на первый взгляд, каких либо явно установленных закономерностей и распределены в объеме образца или массива горной породы достаточно случайно. Этому есть свои причины и объяснения, связанные с процессами при образовании пород, их тектонической напряженностью и др. Для других горных пород, прежде всего отличающихся наличием слоистой или сланцеватой текстуры, закономерности изменения прочностных свойств и, прежде всего, твердости, а соответственно и буримости, связаны с ориентацией слоев, поверхностей отдельностей, направленной укладкой кристаллов минералов и др. Такие породы характеризуются ярко выраженной анизотропией прочностных свойств. Анизотропия горных пород существенно влияет на буримость, на формирование ствола скважины. Анизотропия горных пород приводит к неоправданному росту объема разрушенной породы из-за появления поперечных, дестабилизирующих работу бурового инструмента, сил, что 8 снижает ресурс инструмента. Формирование уступов в стенке скважины под влиянием поперечных сил может приводить к потерям действующей осевой нагрузки. Анизотропия горных пород создает проблемы при кернообразовании. Таким образом, анизотропия горных пород существенно влияет на эффективность бурения, а поэтому следует учитывать особенности распределения прочностных свойств горных пород. Как показывают исследования, показатели анизотропии различных горных пород могут варьировать в пределах от1,05 (слабая анизотропия) до1,25 (средняя) и1,8-2,0 (сильная анизотропия горных пород). Как следует из полученных данных, наибольшие твердость, упругость, коэффициент пластичности, удельная контактная работа разрушения получены при испытании горной породы вдоль слоев флюидальности, а наименьшие перпендикулярно им. Соответственно и буримость горной породы оказалась различной: наибольшие значения механической скорости получены при угле встречи γ= 72º (максимальный по условиям эксперимента угол встречи), а минимальные при угле встречи12º Таким образом, интенсивность процессов разрушения горных пород задается часто не только параметрами режима бурения– прилагаемыми усилиями, контактными давлениями, формой и размерами породоразрушающих элементов, но и направлением приложения разрушающих усилий относительно расположения структурных и текстурных элементов горной породы 3. Механическая прочность горных пород как отражение их текстурных особенностей Кристаллическая решетка и её строение отражают микроструктурный уровень строения минералов. Второй и более высокий структурный уровень обусловлен составом, размерами кристаллов и их взаимным расположением. Третий уровень это текстурный (агрегатный). Обусловлен соотношением между собой относительно однородных частей породы. Например, порода по текстуре может быть слоистой. Прочность также как и в слоистых минералах, между слоями связь слабая, а внутри слоя она может быть более прочная. Все горные породы по своему агрегатному состоянию можно разделить на три группы: рыхлые, полурыхлые и связанные. Рыхлые лишены полностью связей между компонентами. В полурыхлых имеется цементирующая масса, но она сама рыхлая, например это глинистые пески, 9 галечники. В связанных цемент прочный, как правил, раскристаллизованный. Сопротивление разрушению растет от рыхлых к связным. Но физическая природа связей между компонентами горных пород различна, и в основном зависит от их происхождения. По генезису все связанные горные породы делятся на эндогенные: (магматические, метаморфические, гидротермальные), и экзогенные: (инфильтрационные, осадочно-обломочные и осадочно-хемогенные). Эндогенные, как правило, наиболее прочные, но это не исключает очень прочных и среди экзогенных. Таковыми, например, являются кварциты инфильтрационного происхождения, образующиеся при цементации кремнеземом песчаников. В разрезе осадочного чехла нашего региона такие песчаники встречаются в нижнем отделе меловой системы (аптский ярус) и палеогене. Они использовались традиционно широко и в быту и промышленности для изготовления мельничных жерновов, как строительный камень, для изготовления надгробных памятников, булыжных мостовых. Лекция № 3. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД Механические свойства горных пород - свойства, которые определяют поведение горных пород при их деформировании. Деформацией называется относительное смещение частиц материального тела (породы), при котором не нарушается его сплошность. Деформации развиваются вследствие действия напряжений. Понятие напряжений в теорию прочности ввел O. Коши, который дал определение, что напряжения это средняя интенсивность силового воздействия, приходящаяся на единицу площади разрушаемого тела. Исследованиями различных видов деформаций в зависимости от вызывающих их напряжений занимается реология. Реология (от греч. rheos– течение, поток) – наука о деформациях и текучести веществ. Реология охватывает весь спектр материалов между понятиями тела Р. Гука и ньютоновской жидкостью (ньютоновская жидкость продолжает течь, даже если внешние силы очень малы, лишь бы они не были строго нулевыми. Для ньютоновской жидкости вязкость, по определению, зависит только от температуры и давления (а также от химического состава, если жидкость не является беспримесной), и не зависит от сил, действующих на неё. Типичная ньютоновская жидкость — вода) Если с технологической и физической точек зрения различие между твердыми телами и жидкостями значительно, то реология не считает это различие существенным (её не интересует фактор времени). На основании её 10 положений бетон можно рассматривать как жидкость с периодом релаксации~10с, а воду– как твердое тело со временем релаксации 10с[26]. Релаксация(лат. relaxation– ослабление, уменьшение) – процесс изменения напряжений в теле при постоянном его деформировании под действием внешних сил. В случае быстрой деформации жидкости ведут себя как истинно упругие тела, подчиняясь законам теории упругости Р. Гука. Например, при быстрых воздействиях (прострел пулей) струя воды раскалывается хрупко, как стеклянная нить. При высокой скорости перемещения по воде можно скользить как по льду. И, наоборот, твердые тела ведут себя, как жидкости при медленной деформации – деформационное течение пород за длительный период времени. Основные теоретические реологические модели разных авторов, отражающие поведение горных пород при деформировании, приведены в табл. 1.4 . Но с точки зрения временного масштаба человеческой жизни, мы достаточно уверенно различаем пластичные и хрупкие физические тела, 11 обладающие разной вязкостью как способностью к сдвиговым деформациям без разрушения сплошности. 1. Пластические и упругие свойства горных пород Пластические свойства горных пород характеризуются коэффициентом пластичности (Кпл) и коэффициентом внутреннего трения в деформируемых слоях породы, определяемым таким показателем как тангенс угла внутреннего трения (tg φ) как отражение способности породы к деформации сдвига при вертикальных нагрузках. Это угол, который образует результирующий (равнодействующий) вектор силы между вертикальной и горизонтальной составляющей нагрузки на образец монолита при лабораторных испытаниях. Нет горизонтальной составляющей силы, способной придать движение частей образца относительно друг друга, значит нет и сдвиговых деформаций. Если движение горизонтальное и происходит самопроизвольно без вертикальной нагрузки, следовательно, отсутствуют силы сцепления (трения) между скользящими поверхностями) Изучение сдвиговых характеристик грунта в стабилометре Рис.1 12 Вектор силы трения нормален (перпендикулярен) поверхности скольжения Тангенс угла трения равняется коэффициенту трения, поэтому равен нулю при отсутствии вертикальной составляющей нагрузки. Реакция опоры это сила противодействия со стороны опоры приложенной к ней нагрузки (в частности, и силы тяжести) а Угол внутреннего трения в породах наиболее часто находится в пределах 20÷60 0 и уменьшается с увеличением содержания в породе мелких фракций и наименее вязких минералов, выполняющих роль смазки и способствующих взаимному скольжению одной части породы 13 относительно другой (например, присутствие глинистого минерала монтмориллонита или графита в осадочных породах). В табл. 1.6 приведены значения силы сцепления и угла внутреннего трения некоторых горных пород. Угол внутреннего трения можно определить из нижеследующей зависимости на основании экспериментальных данных[26]: Особое положение занимают мерзлые породы. Мерзлые породы относятся к упруго-вязкопластичным твердым телам, которые включают наряду с минералами и поровым пространством, заполненным тем или иным газом или водой, лед. Наличие замерзшей воды, её количество и температура значительно влияет на прочность и энергоемкость разрушения горных пород. При промерзании породы формируется особая мерзлая текстура, которая может быть массивной, слоистой или сетчатой. Для скальных горных пород характерно заполнение льдом трещин. Твердомерзлые породы характеризуются практической несжимаемостью и хрупким разрушением. Пластично-мерзлые породы обладают пластичностью и способны сжиматься под нагрузкой. Мерзлые породы могут быть и сыпучими, если это крупнообломочные породы, находящиеся в состоянии незначительной влажности. Степень спаянности минеральных частиц льдом оценивается объемной льдистостью, т.е. содержанием в 14 породе замерзшей воды. Льдистость, температура и характер приложения нагрузок определяют способность мерзлой породы разрушаться как хрупкое или пластичное тело. Основной процесс, формирующий свойства мерзлой породы, – теплообмен с окружающим пространством. Например, нагревание породы в процессе разрушения и продувки подогретым сжатым воздухом при бурении, приводит к таянию льда и повышению вязкости породы в поверхностном слое. Особое значение на процессы разрушения мерзлых пород оказывает пористость. Чем меньше пористость породы, тем меньшее влияние оказывает промерзание на её прочностные характеристики, тем ближе эти характеристики к аналогичным показателям для немерзлой породы при той же влажности. 2. Реакции горных пород при разных видах деформации Основные виды деформации горных пород: сжатие, растяжение и изгиб. Деформации могут быть упругими - обратимыми и необратимымипластическими или хрупкого разрушения. Пластические деформации определяются степенью пластичности. Разрушение же наступает при преодолении предела прочности на завершающей стадии необратимых деформаций. Большое разнообразие горных пород, изменчивость их состава 15 и свойств вызывают различную реакцию со стороны породы на воздействующую силу. С точки зрения деформируемости диапазон поведения горных пород очень широк: от микрон до миллиметров. Физической причиной разнообразия деформируемости пород является различие внутренних связей, под которыми понимают совокупность сил Таблица1.4 взаимодействия между частицами и структурными агрегатами. Для характеристики деформационных свойств твердого тела в упругой области используются: - модуль упругости (деформации) Е (модуль Юнга); - коэффициент поперечного расширения μ( коэффициент Пуассона– изменяется в пределах(п0,01-0,4); - модуль сдвига G; - модуль объемного сжатия К. Модуль упругости E по закону Р. Гука связывает напряжение σ и деформацию ε зависимостью σ= ε× Е. Коэффициент Пуассона μ отражает продольную εпр и поперечную εпоп деформации зависимостью εпоп= - μ× εпр Модуль сдвига G связывает касательные напряжения τ с деформацией сдвига ξ зависимостью τ= ξ× G. Модуль объемного сжатия К– гидростатическое давление p0 с относительно объемной деформацией ε0 связан зависимостью р0 = - К× ε0. Показатели деформационных свойств в пределах действия закона Р. Гука связаны следующими зависимостями: Горные породы вследствие их сложного строения относятся к анизотропным телам, поэтому упругие константы зависят от направления деформации. 16 Полидисперсное строение горных пород обуславливает появление в них при нагружении необратимых деформаций даже при сохранении линейного характера деформаций. Это предопределено межкристаллическими сдвигами, уменьшением пористости пород. При некотором увеличении числа циклов нагружений остаточные деформации в породе снижаются, а упругие свойства возрастают. Поэтому различают: - модуль упругости при однократном нагружении Е; - модуль упругости, получаемый после исключения остаточных деформаций путем многократного нагружения Eн; - модуль упругости, получаемый при динамическом нагружении Ед. Экспериментально установлено, что Е= (0,7-0,8)Ен=(0,3-0,5)Е Величины модулей упругости, полученные при растяжении (Ер), изгибе (Еи) и сжатии (Ес), также будут различны: Еи=(0,25-0,35) Ес= (1,2-1,3) Ер. Модуль упругости при сжатии (в МПа) для некоторых пород: гранит– 60 000; базальт– 97 000; известняк– 85 000; песчаник– 45 000; глинистый сланец– 20 000; глина– 300. Прочность горной породы определяется значениями критических напряжений, которые приводят к её разрушению. Основными прочностными характеристиками горных пород являются: σсж- предел прочности на сжатие, Па; σи- предел прочности на изгиб, Па; σр - предел прочности на растяжение, Па. Для горных пород обычно выполняется условие σсж> σи> σр. Например, для горных пород отношение пределов на сжатие и растяжение может составлять10-20 раз: гранит– 141 МПа/11 МПа; порфирит224/18; известняк 28/3; песчаник164/7. Условие прочности твердого тела (горной породы) установлено Ш. Кулоном. Оно базируется на том, что разрушение горных пород при действии на них сжимающих нагрузок происходит или в результате сдвига одних частей относительно других, или вследствие отрыва этих частей друг от друга, т.к. предельные касательные напряжения и напряжения отрыва значительно меньше сжимающих. Теория Кулона развивает критерий прочности, введенный Трèски (1868 г.), согласно которому разрушение наступает при достижении касательными напряжениями некоторого максимального значения τmax. Эта теория хорошо согласуется с условиями разрушения в случае одноосного сжатия или растяжения, при которых τmax. = 0,5 σ, где σ– нормальное напряжение. Критерий Кулона устанавливает связь касательных 17 напряжений с внутренним трением, возникающем при разрыве связей в разрушаемом материале. При сдвиге на прочность породы оказывают значительное влияние силы внутреннего трения, которые возрастают от действия нормальных к плоскости сдвига напряжений сжатия. Условие прочности Кулона хорошо объясняет высокую прочность горной породы при вдавливании в неё резца при бурении, т.к. в этом случае порода находится в напряженном состоянии, близком к всестороннему сжатию. Возникающие в этом случае высокие напряжения сжатия увеличивают силы внутреннего трения. О величине прочности горных пород при растяжении, сдвиге и изгибе, выраженной в долях от предела прочности на сжатие σсж, можно составить представление по данным табл. 1.5 [39]. Данные, приведенные в табл. 1.5, показывают, что сопротивление сдвигу сильнее и происходит это за счет трения. При изгибе одновременно имеет место растяжение и сжатие. При растяжении роль трения минимальная. Поэтому чем больше роль растягивающих напряжений, тем быстрее должно происходить её разрушение. При деформировании породы наблюдаются следующие стадии: I – стадия закрытия имеющихся трещин, порового пространства и дефектов, Объем образца существенно уменьшается за счет сжатия и смыкания имеющихся в породе трещин.; II – стадия упругого деформирования; III стадия зарождения и развития новых трещин; IV – стадия разветвления и слияния трещин, диспергирование материала, приводящее к окончательному разрушению.). В завершающей стадии деформирования образец увеличивается в объеме за счет разрыхления в зоне интенсивного трещинообразования. Таким образом на процесс разрушения горной породы значительное влияние оказывают пористость и трещиноватость. Так, например, у микроклиновых гранитов при увеличении пористости и трещиноватости с 0,6 до1% предел прочности на сжатие снижается с240 МПа до180 МПа, а при увеличении пористости до3% снижается и составляет110 МПа. С увеличением пористости снижается модуль упругости, а коэффициент Пуассона. Величина пористости тесно связана с 18 вещественным составом горных пород, с размерами, формой и упаковкой зёрен породы. В осадочных породах пористость может достигать 35% объема породы, в вулканогенно-осадочных (туфопесчаники, туффиты) и метаморфических породах– 5-20%, в магматических породах– не более 5%. Пористость горных пород определяет водо- и газопроницаемость горных пород. Слоистым породам присуща анизотропия водопроницаемости: водопроницаемость вдоль напластования больше, чем перпендикулярно к нему[26]. Таким образом, для анизотропных горных пород характерна и определенная ориентировка пористого пространства. Исследования по механике разрушения твердых тел берут свое начало с работы английского ученого А. Гриффитса «Явление разрушения и течение твердых тел», опубликованной в1921 году[37]. Эта работа является основополагающей, т.к. в ней процесс разрушения связывается с наличием в теле дефектов и трещин. До этого прочность тела связывали с некоторой константой материала, например, предельным значением прочности на разрыв. Основу для фундаментальных исследований А. Гриффитса по теории трещин составили результаты экспериментов по разрушению стеклянных стержней. В результате испытаний стеклянных стержней диаметром 1мм на разрыв была получена прочность196 МПа. Далее для испытаний были использованы образцы меньших диаметров, в частности 2,5 мкм. Испытания показали, что образцы такого диаметра имеют существенно бòльшую прочность на разрыв– 5886 МПа! Введя в анализ гипотезу о существовании в материале трещин, число которых связано с размерами образца, А. Гриффитс объяснил снижение теоретической прочности до реально наблюдаемых величин. Проведенные эксперименты показали, что если величина приложенной нагрузки превышает некоторое ее значение, то происходит развитие трещины. Исследования, проведенные А. Гриффитсом, позволили ему построить теорию, которая объясняла катастрофический характер хрупкого разрушения, огромные ускорения при движении трещин, а также невозможность остановки процесса роста трещины, если он уже прошел критическую точку.. Условие развития трещины А. Гриффитс сформулировал в виде уравнения энергетического баланса 19 где Е– модуль упругости; y– удельная поверхностная энергия разрушения; l – половина длины трещины. Тело с трещиной находится в состоянии равновесия в том случае, если в любом элементарном объеме тела соблюдаются условия равновесия. Это означает, что величина нагрузки не меняется, элементы объема не движутся, и, как следствие, не происходит распространения трещины. Такое состояние тела с трещиной называют устойчивым. Если нарушаются условия механического равновесия, трещина распространяется далее. Для начала роста трещины необходимо увеличить нагрузку. При медленном росте нагрузки происходит медленный рост трещины. Малому приращению нагрузки соответствует малое приращение длины трещины. Начальное направление распространения трещины будет зависеть от окружающего вершину трещины поля напряжений и углового распределения соответствующих механических характеристик материала. В то же время признано, что трещина растет в направлении простирания вершины (точка концентрации напряжений) и в направлении перпендикулярном к направлению наибольших растягивающих напряжений. В теории А. Гриффитса поверхностная энергия вновь образованных при разрушении поверхностей рассматривается как«константа материала». Однако более поздние исследования показали, что окружающая среда существенно влияет на величину поверхностной энергии и прочность твердых тел[37]. В табл. 2.1 приведены значения удельной энергии разрушения для некоторых материалов в следующем виде: γ=γ0+γп, (2.5) где γ0 – удельная поверхностная энергия разрушения; γп– удельная работа пластических деформаций у вершины трещины. 20 Из приведенных данных следует, что затраты энергии на пластические деформации существенно более значительны и связаны, прежде всего, с высокой концентрацией напряжений у вершины трещины. Для снижения величины γ следует оказывать физическое и химическое воздействие на разрушаемое твердое тело с целью снижение работы пластических деформаций у вершины трещины. 4. Основные параметры процесса разрушения горных пород Прочность– совокупность свойств твердых тел, определяющая их способность сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимого изменения формы под действием внешних нагрузок. Под действием нагрузки на индентор (индентор (англ. indentor, от лат in– в, внутрь и dens(dentis)– зуб, dent – выемка) – твердое тело (алмаз, закаленная сталь) определенной геометрической формы) в горной породе происходят деформации, скорость и характер которых меняется в зависимости от различных факторов. Деформации породы напрямую определяют скорость разрушения горных пород, поскольку задают напряжения и процесс трещинообразования в породе. Напряжения и деформации в породе связаны с величиной контактного давления на породу со стороны инструмента: рk= P/Sk Контактное давление – отношение осевой нагрузки Р к площади опорной или контактной поверхности (Sк), внедряемого в породу инструмента. В результате в горной породе возникают контактные напряжения. Распределение напряжений на площадке контакта и в её окрестностях неравномерно и зависимо от формы торца внедряемого индентора. При этом максимальные значения контактных напряжений возникают на некотором удалении от площадки контакта, например, на некоторой глубине под центральной частью торца резца. Концентрация напряжений - это увеличение напряжений в малых областях, примыкающих к местам с резким изменением формы поверхности тела, его сечения. Факторами, обуславливающими концентрацию напряжений (концентраторы напряжений), могут быть 21 надрезы, трещины и др. Концентраторы напряжений могут быть причиной разрушения тел, так как они снижают сопротивление тел разрушающим нагрузкам. Масштаб разрушения- оценивается объемом разрушаемой породы или размером лунки разрушения. Энергоемкость разрушения оценивается количеством затраченной энергии на процесс разрушения горной породы. При разрушении горной породы энергия расходуется: - на упругие и пластические деформации в породе; - на преодоление сил трения; - на преодоление сил связи в породе и сил внутреннего трения; - деформацию и нагрев самого инструмента. В связи с потерями энергии на сопутствующие процессу разрушения явления оценивают полезную энергию разрушения и общую энергию разрушения. 5. Влияние формы внедряемого индентора на процессы деформирования и разрушения горной породы Применяемые инденторы могут иметь различную форму торца: цилиндрическая, коническая, плоская коническая, сферическая, клиновидная. Оптимальной для разрушения горной породы формой индентора, очевидно, будет такая, при которой сопротивление породы внедрению будет минимально, а индентор будет сохранять свою работоспособность, то есть не разрушаться. Минимальное сопротивление порода окажет индентору в форме тонкой иглы, создающей максимальные контактные напряжения, но индентор такой формы будет слабым и не выдержит минимально требуемых для разрушения породы усилий. Противоположностью тонкой игле будет плоский круговой штамп, создающий контактные напряжения, обратно пропорциональные площади торца. Такой индентор будет максимально прочным и эффективным для разрушения твердой горной породы смятием и раздавливанием (без скалывания). 22 5.1 Механизм разрушения В первый период вдавливания под индентором образуется полусферический объем породы (рис.2.15), в пределах которого действуют максимальные касательные напряжения. В пределах этой сферы порода максимально уплотняется и формируется ядро уплотнения 3, ограниченное плоскостью контакта индентора и полусферой максимальных касательных напряжений. В этот период происходит образование конической кольцевой выемки 1 вследствие скалывания породы по контуру штампа за счет растягивающих напряжений или пластической деформации сдвига кольцевого микрообъема за счет действия касательных напряжений (для пластичных пород). При дальнейшем увеличении нагрузки максимальные касательные напряжения достигают предельного значения и в точке А полусферы создается критическое напряженное состояние, превышающее предел прочности породы. Касательные напряжения должны распространяться по линии I-I (45) , но из-за уплотнения породы в зоне сжатия3 этого не происходит. Наблюдается пластическое деформирование в интервале от точки А и выше по контуру полусферы, а в результате при некотором повышении нагрузки на индентор касательные напряжения 23 достигают предельных значений в плоскостях II-II (60º). Это приводит к распространению пластических сдвигов в плоскости касательной к полусфере. В этот момент, когда деформации достигают точек С, происходит мгновенное высвобождение энергии упругого сжатия и наблюдается мгновенный выкол породы по конусу САС со звуковым эффектом микровзрыва. Формируется лунка глубиной Zm , размер которой связан с возникновением точки с максимальными касательными напряжениями. После этого наступает состояние одноосного сжатия изза снятия бокового противодавления. Вследствие этого порода под штампом мгновенно разрушается, превращаясь в порошок. Рассмотренная на рис. 2.15 схема соответствует случаю внедрения индентора в изотропную, т.е. идеально равнопрочную во всех направлениях, горную породу. Форма ядра сжатия породы, отличающаяся от шарообразной, будет в случае если воздействие напороду со стороны индентора будет производиться не под прямым углом. В этом случае ядро сжатия в первый момент будет более активно развиваться под краем торца с внутренней стороны угла наклона индентора(рис. 2.17, а). В момент, когда напряжения в этой зоне достигнут критических значений, произойдет смятие и скалывание породы по линии АВ, напряжения под торцом индентора выровняются, а ядро сжатия примет форму более близкую к 24 шаровой(рис. 2.17, б). В последующем скалывание породы произойдет по линии А I В I. В результате лунка разрушения будет иметь несимметричный профиль. Рис. 2.17. Схемы для анализа процессаразрушения породы при вдавливании штампапод углом к поверхности породы 25 При вдавливании заостренных наконечников в пластичные тела происходит вытеснение материала из-под индентора, а затем скачкообразное погружение при сколе породы. На графике рис. 2.22 выделяются следующие участки: 1 – пластического деформирования, глубина погружения пропорциональна нагрузке до величины ξ0; 2 – хрупкого разрушения; 3-5 циклы повторяются. Хрупкое разрушение происходит при нагрузках практически равных нагрузкам деформирования ξ0. При дальнейшем вдавливании вследствие упругой и пластической деформации глубина погружения растет медленновплоть до нового скачка. Порода скалывается под углом большим, чем 120º. Этот угол является углом естественного скалывания. 5.2. Разрушение горной породы при вдавливании индентора сферической формы Сферическая форма внедряемых инденторов достаточно характерна для породоразрушающих вставок буровых инструментов. Анализ напряженного состояния породы при вдавливании сферы основывается на теории Г.Герца о сжатии двухсоприкасающихся криволинейных тел. При отсутствии нагрузки сфера контактирует с поверхностью твердого тела в точке. По мере увеличения нагрузки на сферу формируется круговая площадка контакта (рис. 2.18). 26 При вдавливании сферы в плоскую поверхность образца упруго-хрупкой породы в момент достижения некоторого критического значения по контуру контакта сферы с породой образуется круговая трещина за счет растягивающих напряжений, действующих на поверхности образца. Эта трещина развивается вглубь, огибая область сжатия породы под сферой(ядро сжатия). С глубины, равной 0,5ρ, трещина выходит на поверхность образца(рис. 2.19) и формируется лунка разрушения с образованием крупных фракций породы(отделенная круговая консоль) и раздавленной в порошок породы(материал ядра сжатия и прилегающий к ядру материал). Механизм разрушения породы при внедрении сферического индентора существенно зависит от свойств породы. При разрушении упруго-хрупких пород характерно раздавливание и скалывание, для упруго-пластичных– смятие и образование трещин. Общим в механизме разрушения будет образование кольцевой трещины, устремленной по конусу в глубину породы, 27 и последующее скалывание породы по периметру в виде консоли. Образующееся при этом ядро уплотнения породы является как бы продолжением, увеличенного вглубь породы индентора. Эффективное разрушение породы возможно при условии, что время контакта индентора с породой будет соответствовать времени, в течение которого напряжения в породе достигнут критической величины, сформируются и прорастут трещины и наступит её окончательное разрушение. Для конкретной горной породы оптимальным может быть определенноесоотношение скорости и усилия нагружения. При этом вероятно, что чем вышеусилие нагружения, тем меньше требуется времени для развития достаточных для разрушения породы напряжений и разрушающих породу трещин. В.П. Рожковым[27] проведен эксперимент по вдавливанию конуса Роквелла(угол приострения120º) в горные породы с различной интенсивностью осевого нагруженияvн от15 до60 Н/c. По результатам экспериментальных работ[27] установлено, что для внедрения на определенную глубину в породу требуется значительно меньшее усилие, если скорость нагружения индентора будет ниже. При этом для внедрения, например, наглубину200 мкм, независимо от скоростиприложения усилия, время до достижения заданной глубины оказалось примерно равным и составило15-18 с. В то же время изменение скорости приложения усилия приводит к изменению микротвердости породы. Например, микротвердость мрамора при росте интенсивности нагружения от15 до60 Н/c возросла от1 до4,5 кН/мм. Для более твердых горных пород показатель роста микротвердости при повышении скорости нагружения оказался еще выше. В процессе экспериментальных работ по резанию-скалыванию пород алмазными резцами установлено, что при различных формах резцов и в разнообразных горных породах с 28 повышением скорости движения резца глубина и ширина борозды разрушения уменьшаются[14]. Таким образом, процесс разрыва связей в горной породе зависит от времени взаимодействия между частицами. Эта зависимость описывается в кинетической теории прочности твердых тел. Увеличение температуры тела приводит к снижению его прочности. При этом следует учесть, что при повышении температуры повышается и коэффициент теплового расширения α, что увеличивает степень влияния температуры на разрушение твердых тел, особенно если тело содержит вещества(минералы) с различными коэффициентамитеплового расширения. Различная величина расширения входящих в состав тела веществ приводит к его растрескиванию и образованию новых трещин вследствие термофлуктуационного фактора. Увеличение времени приложения нагрузки приводит к снижению предела прочности.Таким образом, для снижения энергоемкости разрушения горных пород целесообразно применять статическую нагрузку(скорость приложения нагрузки не более5 м/c), т.е. нагрузка должна быть приложена длительное время. В то же время при приложении нагрузок, не превышающих предела прочности породы, но вызывающих их упругое деформирование, может наблюдаться некоторое упрочнение породы за счет уплотнения и некоторого деформирования кристаллической решетки минералов. Соответственно при повышении нагрузки до критического, по условиям прочности породы, значения время до разрушения значительно сократится и составит значения от десятых долей секунды до секунды. Предельное значение деформации ε растяжения, после которого наступает разрыв сплошности, составляет для полиминеральных горных пород величину менее 0,1% в сравнении с 0,2% для иных твердых тел. Причина этого в очень значительном числе дефектов, в качестве которых выступают не только многочисленные трещины и поры, но и границы зерен минералов, слоистость и др.[23]. Рассмотренные процессы разрушения породы как результат роста трещин позволяют объяснить механизм повышения прочности трещиноватой породы при её растяжении. Для растущей трещины, встречающиеся на её пути дефекты в виде трещин или границы зерен минералов, поверхность которых перпендикулярна по отношению к поверхности растущей трещины, являются разгружающими и снимающими концентрации напряжений в конце трещины, что приводит к остановке роста трещины или к изменению траектории её роста. Возможно также ветвление трещины, что приводит к потере энергии её роста. Эти явления в результате приводят к увеличению разрушающей нагрузки и предела прочности при растяжении. Наличием многих трещин различной 29 ориентации частично объясняется повышенная прочность трещиноватых и полиминеральных горных пород. В полиминеральных, а также в поликристаллических породах роль сетки трещин могут выполнять границы минеральных зерен и кристаллов. Сетка трещин может изменить весь механизм разрушения породы. Например, вместо растяжения возможны сдвиговые деформации, для которых характерно ветвление трещин, что приводит к потере энергии разрушения, и в результате к значительному повышению прочности породы. Повышенная прочность разрушения при сдвиге объясняется наличием сил внутреннего и внешнего трения(зависимость1.5) . Силы внешнего трения, действуя на поверхности разрушения, повышают затраты энергии, косвенным признаком которого является образование мелкой пыли. Известно, что предел прочности пород при сдвиге в1,5-3 раза выше, чем при растяжении. По мере роста трещины под действием нагрузки скорость её роста увеличивается, стремясь к скорости звука С в данной горной породе, если длина трещины l растет до бесконечности. Наблюдения показали, что при достижении трещиной максимальной скорости роста она начинает ветвиться и её скорость резко падает или становится равна нулю. Ветвление и замедление роста трещины происходит в том случае, если трещина пересекает под прямили близким к нему углом материнскую трещину или поры, натыкается на раздел минеральных образований. При попадании трещины в зону неупругого и податливого минерала рост трещины может остановиться. Ускорение роста трещины связано с ситуацией, когда направление роста трещины совпадает с направлением первичных дефектов( материнских трещин и пор, поверхностей раздела минеральных зерен). В слоистых породах преимущественное развитие трещин может совпадать с направлениями слоев. Большое значение для развития трещин разрушения имеет также распространение порового пространства, соответствующее, как правило, внешней анизотропии кристаллов. То есть, это пористость, ориентированная в направлении слоистости, сланцеватости, флюидальности и др. Ориентировка пористости вдоль текстурных элементов породыопределяет её повышенную деформируемость в направлении, перпендикулярном слоистости, сланцеватости и, таким образом, может влиять на процессы разрушения породы, определяя степень неравномерности и симметрию объемов деформации и скалывания. Развитие трещин в направлении ориентированного вдоль слоев породы порового пространства существенно влияет на эффективность разрушения 30 породы, определяя некоторую зависимость, задающую асимметрию породоразрушающего действия бурового инструмента при бурении [21]. Как правило, анизотропные горные породы– слоистые, сланцеватые или обладающие флюидальностью имеют более высокие значения упругости и твердости в направлении сформировавшихся слоев. В то же время при разрушении анизотропных пород более интенсивно развитие трещин и скалывание происходит в направлении плоскостей слоев. Поскольку модуль упругости анизотропной породы вдоль слоистости или сланцеватости значительно превышаетмодуль упругости породы в перпендикулярном направлении, то для получения напряжения в породе равного σ, анизотропная порода должна получить различную деформацию в различных направлениях относительно перпен-дикулярно слоистости или сланцеватости. Таким образом, ядро сжатия для анизотропной породы может формироваться виде эллипсоида(рис. 2.32). При этом форма ядра будет более вытянута в направлении, перпендикулярном слоистости или сланцеватости, и сжата в направлении слоев. Подобная форма ядра сжатия приводит в выколу лунки. асимметричной формы по линиям АБ и ВГ. Асимметрия лунки существенно зависит от направления приложения разрушающего усилия по отношению кслоистости или сланцеватости, что можно видеть на схемах рис. 2.31. Как следствие, подобная неравномерность деформации и разрушения породы приводит в первую очередь к искривлению ствола скважины при бурении 31 На рис. 2.33 дана схема для анализа процесса деформирования и разрушения анизотропной породы шаровым индентором. Область сжатия породы под индентором будет отличаться от симметричной шарообразной и получит вытянутость в направлении, перпендикулярно слоям породы(линия1), аналогично схемы, показанной на рис. 2.32. 6. Динамическое разрушение горных пород 6.1. Основные принципы и закономерности динамического разрушения горных пород В процессе динамического разрушения горных пород удары наносятся по поверхности забоя буримой скважины. Динамический процесс разрушения в данном случае можно описать уравнениями кинетической энергии Эк инструмента и потенциальной энергии деформирования породы Пд. Не учитывая потерь части энергии Эк на рассеивание при деформировании породы, можно записать уравнениями кинетической энергии Экинструмента и потенциальной энергии деформирования породы Пд. Не учитывая потерь части энергии Эк на рассеивание при деформировании породы, 32 6.2. Механизм и энергоемкость разрушения горных пород при динамическом нагружении Исследования процесса разрушения горных пород под действием удара показывают[16, 30], что при малой энергии удара на поверхности породы виден лишь след индентора в виде зоны трещин. При этом зависимость деформации породы от динамической нагрузки имеет вид узкой петли (кривая1 на рис. 2.36). При дальнейшем увеличении энергии удара появляется круговой скол породы (рис. 2.37, б). Этот этап разрушения назван первой формой хрупкого разрушения. Характер зависимости деформации от усилия мало изменился в сравнении с кривой1 на рис. 2.36. Повышение энергии удара приводит к разрушению породы с образованием лунки 33 (рис. 2.37, в). Этот этап разрушения назван второй формой разрушения породы. Данной форме разрушения соответствует кривая 2 на рис. 2.36. Дальнейшее увеличение энергии удара до определенной величины не приводит к изменению формы разрушения. На графике3 рис. 2.36 появление первого, а затем второго скачка свидетельствует об избытке энергии для образования второй формы разрушения, но, в то же время, о недостатке энергии для перехода к следующей форме разрушения. Избыток энергии приводит к некоторому незначительному увеличению глубины внедрения Скачкообразность развития форм разрушения горных пород связана срезким увеличением объема отделяемой при ударе породы V. На рис. 2.38 видно, что при переходе от первой формы разрушения ко второй 34 наблюдается существенный(в1,7 раза) объем разрушения, но для этого потребовалось двойное повышение энергии удара[30]. Дальнейшее увеличение энергии сразу не приводит к росту объема отделяемой породы, и только превышение энергии удара, достигнутой на втором этапе разрушения породы более чем в2 раза, привело к реализации нового этапа разрушения породы. При этом объем разрушенной породы возрос в1,4 раза. Если сравнивать первый этап разрушения и третий, то при повышении энергии удара в 4,5 раза удалось повысить объем разрушения породы в2,4 раза. Кривая энергоемкости на рис. 2.38 имеет максимумы и минимумы, которые соответствуют формам разрушения, – максимумы достижению новой формы разрушения, минимумы – этапам ударного нагружения, недостаточного для реализации формы разрушения более высокого порядка. Cуществование скачков разрушения обнаружено и при проведении опытов по динамическому внедрению твердосплавного(кривые1 и2 на рис. 2.39) и алмазного (кривые3 и4 на рис. 2.39) инденторов в различные горные породы [12]. Результаты экспериментов показали, что при приложении определенного количества энергии происходит скачкообразное увеличение объема и 35 глубины лунки разрушения. После достижения скачка разрушения масштаб разрушения увеличивается незначительно. С последующим увеличением энергии удара энергоемкость снижается, резко возрастает объем разрушения породы. Пределом повышения энергии удара является ограниченная прочность инденторов, поэтому резерв повышения эффективности разрушения горных пород ударным воздействием заключается в увеличении ударной стойкости резцов бурового инструмента. Изучение энергоемкости разрушения горных пород показывает, что следует стремиться к увеличению энергии взаимодействия элементов вооружения бурового инструмента с горной породой. Это направление интенсификации процесса разрушения реализуется повышением подводимой к забою мощности. Данный вывод полностью подтверждается опытом пневмоударного бурения. В ПГО«Сосновгеология» при бурении забойными пневмоударниками типа П-105 c давлением воздуха0,5 МПа и максимальной глубине до100 м при бурении фельзитов VIII-IX категории по буримости достигнуты механические скорости бурения6-8 м/ч. При бурении гранитов IX-X категории по буримости– 5,0 м/ч. Переход на бурение скважин теми же пневмоударниками, но с давлением воздуха1,2 МПа, глубина буримых скважин возросла до300-400 м, амеханические скорости бурения до10-15 м/ч в фельзитах и до8 м/ч в гранитах. Ресурс долот также возрос в2-2,5 раза. То есть, при повышении энергии удара в2,4 раза (пропорционально росту давления) механическая скорость бурения возросла в1,5-2 раза при увеличении глубины скважины в3-4 раза. Повышение же глубины буримых скважин, как известно, приводит к некоторому снижению механической скорости бурения при прочих равных условиях. Показатели гидроударного бурения с увеличением удельной энергии единичного удара также резко возрастают[12]. Так, при увеличении энергии удара от75 до200 Дж скорость бурения возросла в 3,5 раза, а проходка за рейс – в7,4 раза. Таким образом, с повышением энергии удара растет не только скоростьбурения, но и возрастает стойкость инструмента, что указывает на определенные изменения в механизме разрушения горных пород. Опыт в разработке и эксплуатации пневмоударников компанией Atlas Copco (Швеция) показал, что повышение давление воздуха при бурении дает практически прямо пропорциональный рост механической скорости бурения. Пневмоударниками типа Cop в твердых горных породах при повышенном давлении воздуха достигаются механические скорости бурения 15-25 м/ч. 36 Механизм разрушения горных пород и энергоемкость разрушенияударной нагрузкой во многом определяются тем, какую форму имеет индентор. Определено, что при применении инденторов с площадками притупления возрастает объем разрушения породы в сравнении с лунками разрушения, полученными острыми клиновидными инденторами. 7. Классификационные признаки горных пород для бурения Для вращательного бурения категории определяется на основании значений коэффициента динамической прочности (Fд), коэффициента абразивности (Каб) и объединенного (расчетного) показателя(ρм) горных пород[17]. Метод определения категории по буримости распространяется на горные породы V-XII категорий буримости для вращательного бурения, т.к. осадочные и другие нетвердые горные породы не позволяют определить динамическую прочность из-за высокой пластической деформируемости или дробимости. Для ударно-вращательного бурения на основании показателя ρм горные породы разделены по буримости на семь категорий(табл. 3.8) 7.1 Классификация пород по абразивностти 37 В соответствии с рекомендациями зарубежных компаний каждый тип горной породы рассматривается как неизведанная область с несколькими переменными, оказывающими влияние на буримость породы. Наибольшее влияние, по оценкам специалистов компании Atlas Copco, оказывают такие параметры, как размер зерен горной породы, крепость породы, выветрелость и трещиноватость. Бóльший размер зерен и трещиноватость, отмечают специалисты компании Atlas Copco, делают породу более абразивной, в то время как мелкозернистая порода менее абразивна, но более крепка. Выветрелость снижает крепость породы. В соответствии с рекомендациями по выбору инструмента и технологии бурения компании Atlas Copco, породы сгруппированы и разбиты на пять категорий. К первой группе относятся крупнозернистые, сильнотрещиноватые и сверхабразивные породы типа сланец, аргиллит и известняк. Вторая группа пород, характеризуется как трещиноватые и абразивные породы типа песчаник, доломит, туф, кремнистый сланец. Третья группа пород, характеризуется как среднеабразивная, типа андезит, базальт, пегматит, диабаз, габбро, диорит. Четвертая группа пород– это крепкие слабоабразивные породы типа гнейс, диорит, гранит, кварцит, порфир. Пятая группа горных пород– очень крепкие и неабразивные породы (кварц, риолит, кремнистый известняк, таконит, лимонит, яшма). Представленные группы пород используются при выборе буровых коронок непосредственно в производственных условиях. При создании бурового инструмента ведущими зарубежными и отечественными компаниями практикуется подбор параметров инструмента для конкретных горных пород и горно-геологических условий. С этой целью проводится большой объем лабораторных исследований и испытаний инструмента, позволяющих достаточно тонко варьировать параметрами буровых коронок с целью поиска оптимальных их значений. 7.2 Классификация горных пород по трещинноватости Другим важным физическим свойством горной породы, оказывающим влияние на её механическую прочность, устойчивость и буримость, является трещиноватость. Трещиноватость даже очень твердых горных пород значительно влияет на выход керна– основное назначение разведочного бурения. Классификация горных пород по трещиноватости произведена наосновании оценки трех параметров[31]: - удельной кусковатости керна Ку, шт. / метр; 38 - выхода керна Вк, % ; - показателю трещиноватости W, ед./ образец. На основании этих параметров показатель рассчитывается по формуле: 39 трещиноватости