Вопрос №41. Твердость анизотропных горных пород.

Вопрос №3

По происхождению горные породы разделяются на осадочные, магматические и метаморфизованные.

Основные нефтяные и газовые месторождения сложены осадочными и измененными породами, такими как глины, песчаники, каменные соли, гипсы, доломиты, мергели, известняки, галечники, алевролиты и др.

Часть этих пород являются водо-, газо- и нефтенасыщенными коллекторами. Чаще всего коллекторами являются пористые песчаники, галечники или другие трещиноватые горные породы.

Более разнообразны геологические условия различных рудных месторождений. В данном случае более сложны, многочисленны и индивидуальны условия залегания, номенклатура и физико-механические свойства горных пород.

Для горных пород характерна неоднородность состава, распределения минеральных зерен, пористости и трещиноватости, плотности и механических свойств.

Таким образом, с точки зрения физического объекта, горная порода – неоднородная (гетерогенная – от греч. heterogenes – разнородный) система, состоящая из различных по физическим свойствам, химическому составу и агрегатному состоянию частей (фаз), которые взаимодействуют друг с другом по поверхностям раздела, при преодолении которых резко изменяется одно или несколько свойств (состав, плотность, упругость, теплопроводность, электрическая проницаемость и т.д.).

Вопрос №4

Проницаемость - способность горных пород фильтровать сквозь себя флюиды при наличии перепада давления.

Пористость горных пород определяет водо- и газопроницаемость горных пород. Слоистым породам присуща анизотропия водопроницаемости: водопроницаемость вдоль напластования больше, чем перпендикулярно к нему

Вопрос №5

Горные породы состоят из минеральных зерен, которые, в свою очередь, из кристаллов, составляющих «каркас» и структуру минерала, определяющие его деформируемость и прочность. Разновидность минералов, количественное их соотношение и структура распределения в породе определяют вид горной породы. Физическое и прочностное состояние горной породы будет зависеть еще и от её разупрочнения, которое чаще всего определено наличием трещин и жидкости в них. Трещины в породе, как правило, развиваются по плоскостям контакта минеральных зерен.

Вопрос №6

Текстура породы (лат. textura – ткань, строение) – характеристика степени и особенностей неоднородности горных пород, проявляющейся в форме, взаимном расположении и ориентировке минеральных зерен (слоистость, сланцеватость, полосчатость, флюидальность, пористость).

Анизотропия горных пород – (греч. – anios неравный + troposсвойство) - неодинаковость физических свойств (теплопроводность, скорость прохождения упругих волн, а также твердость и буримость) горных пород ( иных твердых тел) по различным направлениям внутри этого тела.

Анизотропия механических свойств горных пород проявляется в том, что способность к механическому разрушению, например, буримость у анизотропных пород будет различной в зависимости от направления приложения разрушающего усилия (направления бурения). Различие в буримости анизотропной горной породы в различных направлениях может быть очень значительной (до 2 и более раз).

Вопрос №7

Таким образом, с точки зрения физического объекта, горная порода – неоднородная (гетерогенная – от греч. heterogenes – разнородный) система, состоящая из различных по физическим свойствам, химическому составу и агрегатному состоянию частей (фаз), которые взаимодействуют друг с другом по поверхностям раздела, при преодолении которых резко изменяется одно или несколько свойств (состав, плотность, упругость, теплопроводность, электрическая проницаемость и т.д.).

Вопрос №8

Ионная и ковалентная связи в породе обусловлены электрическим взаимодействием между атомами.

Молекулярные силы, характерные для осадочных пород (органических включений в осадочную породу), напротив, не являясь значительными (0,4-12 Дж/моль), являются дальнодействующими – действуют на расстоянии несколько тысяч ангстрем.

Электростатические силы возникают вследствие появления на поверхности минералов (например, при образовании трещины) электрических зарядов, взаимодействующих между собой по закону Ш. Кулона.

Капиллярные силы вызываются капиллярным давлением, которое возникает на границе раздела жидкой и газообразной сред в породе и зависит от кривизны поверхности жидкости.

Магнитные силы возникают в породе, содержащей ферромагнетики. Влияние этих сил на прочность горных пород незначительно.

Перечисленные выше силы определяют прочность адгезионного соединения разнородных минералов в структуре породы и когезионную прочность однородных минералов.

Вопрос №9

Мерзлые породы относятся к упруго-вязкопластичным твердым телам, которые включают наряду с минералами и поровым пространством, заполненным тем или иным газом или водой различной минерализации, 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.

Вопрос №10

напряжения – средняя интенсивность силового воздействия, приходящаяся на единицу площади разрушаемого тела

Различают термические и фазовые (структурные) внутренние напряжения, которые возникают соответственно в результате термического сжатия или расширения и фазовых превращений в твердом состоянии при наличии в теле градиента температур.

Внутренние напряжения могут возникнуть практически при любой обработке, причем одна технологическая операция может привести к созданию разных по своему происхождению остаточных напряжений: термических, фазовых и напряжений от неоднородной пластической деформации.

Вопрос №11

Деформацией называется относительное смещение частиц материального тела (породы), при котором не нарушается сплошность тела.

Деформации могут быть упругими - обратимыми и необратимыми - пластическими или хрупкого разрушения. Пластические деформации определяются степенью пластичности. Разрушение же наступает при преодолении предела прочности на завершающей стадии необратимых деформаций.

Для характеристики деформационных свойств твердого тела в упругой области используются:

- модуль (деформации) упругостиЕ(модуль Юнга);

- коэффициент поперечного расширения μ (коэффициент Пуассона – изменяется в пределах 0,01-0,4);

- 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 ε_пр и поперечную ε_поп деформации зависимостью ε_поп = - μ × ε_пр.

Модуль сдвига G связывает касательные напряжения τ с деформацией сдвига ξ зависимостью τ = ξ × G.

Модуль объемного сжатияК – гидростатическое давление p₀с относительно объемной деформацией ε₀ связан зависимостью р₀ = - К × ε₀.

Показатели деформационных свойств в пределах действия закона Р. Гука связаны следующими зависимостями:

(1.4)

Горные породы вследствие их сложного строения относятся к анизотропным телам, поэтому упругие константы зависят от направления деформации.

Вопрос №12

Прочность твердых тел определяется в первую очередь силами взаимодействия между атомами или ионами, составляющими тело, и строением кристаллов. Анализируя силы взаимодействия, можно определить предел прочности материала, величину модуля упругости, энергию связи кристалла и коэффициент поверхностного натяжения.

Механизм упругого деформирования. При сжатии кристалла в пределах упругого деформирования наблюдается стремление к восстановлению прежнего размера и объема кристалла, поскольку при деформации сжатия преодолеваются силы отталкивания, и уменьшается расстояние r₀.

Механизм пластического деформирования. Силы отталкивания действуют до тех пор, пока разрушающие усилия и напряжения не станут критическими и не произойдет разрыв кристалла. После этого наступает этап разъединения частей кристалла породы, происходит увеличение расстояния между центрами атомов, что проявляется в сопротивлении разрушению, а значит, начинают работать силы притяжения между атомами. Разрыв, разделение частей уже практически разрушенного кристалла будет затруднен в той степени, каковы силы межатомного взаимодействия кристалла, и в какой степени произошло разрушение кристалла.

Вопрос №13

На практике разрушение твердого тела происходит при действующем внешнем напряжении, значительно меньшем, чем теоретическое значение предела прочности в 100-1000 , а часто и в большее количество раз. Такое расхождение объясняется, в первую очередь, различными неоднородностями структуры тела (наличие трещин, пор, посторонних включений и др.), которые приводят к неравномерному распределению нагрузки по его сечению.

В минералах дефекты могут быть точечными (примеси, вакансии и т.п.), линейными или объемными (поры, трещины). В горных породах, кроме дефектов, содержащихся в минералах, в качестве таковых можно рассматривать границы минеральных зерен, слоев, т.к. трещины, разделяющие целостность образца породы проходят преимущественно по границам зерен минералов по сложной траектории, образуя поверхность многомерной кривизны.

Таким образом, число дефектов в породе и влияние дефектов на прочность породы зависит от строения (размеров и формы минеральных зерен), внешних условий (внешних давлений) и режимов разрушения.

Влияние дефектов заключается в том, что они уменьшают действующую площадь сечения образца, подвергаемую, например, разрыву. Кроме этого, вблизи дефектов концентрируются напряжения, и эти места являются очагами процессов разрушения в твердом теле.

Вопрос №14

Исследования по механике разрушения твердых тел берут свое начало с работы английского ученого А. Гриффитса «Явление разрушения и течение твердых тел», опубликованной в 1921 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 прочность 196 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.

Вопрос №15

В 1928 году академиком П.А. Ребиндером был установлен научный факт адсорбционного понижения прочности твердых тел вследствие уменьшения

поверхностной энергии, являющейся результатом физических или химических процессов на поверхности твердых тел (на поверхности трещин) [25, 37]. При этом происходит изменение механических свойств тела, приводящее к снижению прочности, возникновению хрупкости, уменьшению долговечности, понижению пластичности и т.д.

В зазоре трещины в породе жидкость образует адсорбционный слой, на который действует давление в направлении дальнейшего продвижения в глубину микротрещины, способствуя, таким образом, её развитию, а значит разрушению породы (рис. 2.3).

ü Адсорбция – (лат. ad– на, sorbeo – поглощаю) – поглощение веществ из растворов или газов на поверхности твердого тела или жидкости.

Вопрос №16

теория эффективных растягивающих нап-ряжений. Данная теория позволяет установить механизм формирования напряжений растяжения, касательных напряжений при нагружении породы усилием сжатия cо стороны внедряемого инструмента.

Интенсивность растягивающих напряжений во многом зависит от строения горной породы. В данном случае важными параметрами строения породы являются размер минеральных зерен и пористость.

Рассмотрим схемы (рис.2.5), на которых показан механизм возникновения растягивающих напряжений при внедрении твердого штампа в зернистую горную породу, смоделированную в виде набора шаров. Как следует из схем, центральные шары под внедряемым в породу штампом формируют область сжатия. Одновременно центральные шары, смещаясь вниз, вызывают перемещения боковых шаров в стороны и вверх. Эти, перемещаемые вверх, шары показывают направление развития растягивающих напряжений, под действием которых и происходит образование лунки разрушения породы при условии достаточной по величине нагрузке сжатия.

В данном случае большое значение на эффективность развития растягивающих напряжений оказывает размер зерен (шаров) и межзернового пространства.

При минимальном размере пора≈0 (рис. 2.5, б), смещения зерен породы ограничены, поэтому будут развиваться деформации самих зерен, а порода проявлять более выраженные упругие характеристики.

Если размер пор значителен, и между зернами породы имеется пространство для смещений, то такая повышенная пористость обусловит увеличенный эффект деформации сжатия с минимальным развитием напряжений растяжения, поскольку прежде всего будет происходить смыкание порового пространства.

Особые условия развития деформаций и напряжений могут возникать, если поровое пространство заполнено жидкостью. В данном случае, как это уже рассмотрено, влияние порового пространства будет определяться соотношением порового и внешнего давлений.

Вопрос №17

В соответствии с теорией упругости под действием сосре-доточенной силы в упругом полупространстве возникают напря-жения, значения которых определяют по теории Буссинеска. При решении данной теоретической задачи прини-маются следующие допущения:

- в качестве объекта рассматривается упругое полу-пространство – упругое тело бесконечно больших размеров, ограниченное с одной стороны бесконечно большой плоскостью;

- площадь контакта внедряемого в упругое полупространство твердого тела (индентора) мала по сравнению с размерами упругого полупространства;

- горная порода представляется как однородное упругое изотропное тело;

- на породу действует только внешняя сила.

Основные положения теории Буссинеска

1. Если к упругому полупространству в точке О приложить сосредоточенную силу Р, перпендикулярно поверхности, то в твердом теле возникает напряженное состояние в объеме сферы (рис. 2.6).

2. В любой точке сферы (А, М, N) напряженное состояние тела характеризуется вектором σ, направленным к месту приложения сосредоточенной силы Р в точке О. Возникающее напряжение в виде суммы векторов σ, может быть представлено в виде нормального – σ_z и касательного – τ_zx.

3. В любой точке этой сферы (А, М, N) нормальное напряжение σ_z, параллельное оси OZ, будет иметь значение:

(2.9)

где x, z - координаты точки, лежащей на окружности.

Касательное напряжение в этой точке соответственно определяется выражением

. (2.10)

Полное напряжение σ, направленное из точки к месту приложения силы Р, будет иметь значение:

(2.11)

где φ_с - угол между направлением действия силы Р и вектором полного напряжения;

l = ОА - расстояние от точки А до точки приложения силы Р.

Из треугольника ОАВ, вписанного в окружность, определим:

. (2.12)

После этого получим выражение для расчета полного напряжения:

. (2.13)

Выводы:

1. Из выражения (2.13) следует, что полное напряжение в любой точке сферы σ прямо пропорционально силе Р и обратно пропорционально расстоянию l и зависит от угла φ_с.

2. На любой горизонтальной площадке, расположенной в пределах поверхности сферы, имеющей диаметр d, полные напряжения σ одинаковы и имеют значения, вычисляемые по формуле (2.13).

Из формулы (2.13) также следует, что чем меньше диаметр сферы d, тем больше полное напряжение на ее поверхности. При бесконечно малом диаметре полное напряжение становится максимальным. Такие сферические напряжения называются сферами равных напряжений.

3. Максимальным будет напряжение непосредственно в точке приложения вектора усилия Р.

4. Анализ полученных зависимостей показывает, что по оси симметрии Z действуют сжимающие напряжения, а на поверхности полупространства имеет место чистый сдвиг.

При d →0 , напряжение σ_z→∞. Следовательно, сжимающие напряжения на поверхности из вышеприведенных формул определить нельзя.

Согласно принципу Б. Сен-Венана, сосредоточенную силу Р можно заменить эквивалентной ей распределенной нагрузкой Р_р по кругу радиуса а. В этом случае нормальные напряжения определяются на любом расстоянии от поверхности следующей формулой:

(2.14)

Действительно, при z=0 σ_z=P_p; при z→∞ σ_z→0.

Иллюстрацией линий равных напряжений могут служить круги на воде, расходящиеся от брошенного в воду камня, сферы равных напряжений, зафиксированные при внедрении резца в твердое тело (рис. 2.7) или линии деформации в породе, полученные Е.И. Быченковым (рис. 2.8)

В том случае, если сила Р будет приложена к поверхности породы под углом, то напряжения в массиве распространяются в виде деформированных сфер, форма которых близка к овалу или эллипсу. Разрушение же породы (выкалывание лунки) произойдет в направлении ближайшей свободной поверхности (по направлению действующей силы), что приведет к формированию асимметричной лунки разрушения (рис. 2.9).

Вопрос №18

Прочность – совокупность свойств твердых тел, определяющая их способность сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимого изменения формы под действием внешних нагрузок.

Контактное давление – отношение осевой нагрузки Р к площади опорной или контактной поверхности (S_к), внедряемого в породу инструмента.

В результате контактного давления в горной породе возникают контактные напряжения. Распределение контактных напряжений на площадке контакта и в её окрестностях неравномерно и зависимо от формы торца внедряемого индентора, а максимальные значения контактных напряжений возникают на некотором удалении от площадки контакта, например, на некоторой глубине под центральной частью торца резца.

Концентрация напряжений - увеличение напряжений в малых областях, примыкающих к местам с резким изменением формы поверхности тела, его сечения. Факторами, обуславливающими концентрацию напряжений (концентраторы напряжений), могут быть надрезы, трещины и др. Концентраторы напряжений могут быть причиной разрушения тел, так как они снижают сопротивление тел разрушающим нагрузкам.

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.

Вопрос №19

Механическое разрушение горных пород, работу по разрушению породы единичным резцом обычно моделируют внедрением специальных штампов – инденторов .

ü Индентор (англ. indentor, от лат in – в, внутрь и dens (dentis)– зуб, dent – выемка) – твердое тело (алмаз, закаленная сталь) определенной геометрической формы (шар, пирамида, конус), вдавливаемое в поверхность образца при определении твердости материала.

Применяемыеинденторы могут иметь различную форму торца. Это, прежде всего, плоская цилиндрическая, коническая, плоская коническая, сферическая, клиновидная формы.

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 под действием соответствующих условиям разрушения нагрузок.

Механизм разру-шения. В первый период вдавливания под инден-тором образуется полу-сферический объем породы (рис.2.15), в пределах которого действуют макси-мальные касательные напряжения. В пределах этой сферы порода макси-мально уплотняется и формируется ядро уплот-нения 3, ограниченное плоскостью контакта инден-тора и полусферой макси-мальных касательных напряжений, диаметр которой равен диаметру индентора. 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.

Вопрос №20

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 двух соприкасающихся 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).

Радиус поверхности давления при вдавливании сферы c усилием Р определиться по формуле

(2.25)

где μ₁, Е₁, μ₂, Е₂ – коэффициенты Пуассона и модули упругости для индентора и породы, соответственно;

r – радиус сферы индентора.

Давление на поверхности контакта сферы с породой можно описать уравнением

P(x) = (2.26)

При х=0, давление Р(х) максимально и равно (рис. 2.19).

Наибольшее перемещение индентора в породу, при упругом взаимодействии с породой, будет в центре контакта и определится формулой

.

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).

Вопрос №21

Предельное состояние породы при вдавливании пирамиды или клина наступает при малых значениях осевой нагрузки, поскольку вследствие малости площади контакта развиваются высокие значения контактных напряжений в породе и происходит погружение индентора. Далее нагрузка уравновешивается поверхностью деформируемого тела, прилегающего к граням клина или пирамиды. При этом по мере погружения поверхность соприкосновения индентора и породы возрастает, а для дальнейшего внедрения требуются все более высокие осевые нагрузки (рис. 2.22).

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 деформи-рования, 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 медленно вплоть до нового скачка. Порода скалывается под углом большим, чем 120^º . Этот угол является углом естественного скалывания.

Одноименные участки на графике 1, 3, 5 увеличиваются из-за роста площади контакта, а скачок в погружении (участки 2 и 4) может быть больше чем предыдущий. Это также связано с увеличением контактной поверхности.

При рассмотрении про-цесса вдавливания (рис. 2.23) в породу клиновидного инден-тора с длиной клина l_к, углом приострения2ψ и пира-мидальногоиндентора с углом приострения вершины 2ψ, в соответствии со схемой, рассмотренной при внедрении в породу шарообразного индентора (см. рис. 2.19), получим значения глубин внедрения:

для пирамиды и клина

У клиновидного индентора экстремальные значения напряжений при вдавливании наблюдаются на острой вершине грани, что приводит к разрушению наконечника вследствие высоких напряжений в материале и овализации наконечника.

Анализ эффективности инденторов со сферической и клиновидной формой торца [33] показывает, что при значительной твердости пород эффективнее оказывается сферический индентор.

Вопрос №22

Таким образом, представленные результаты позволяют утверждать, что роль тангенциального усилия в разрушении породы, её величина, а также скорость приложения играют очень значительную роль в процессе разрушения горных пород.

Важным итогом проведенного исследования и анализа напряженного состояния горной породы под действием нормальной и тангенциальной нагрузок является подтверждение того обстоятельства, что тангенциальная нагрузка усиливает разрушающие напряжения в породе. Это позволяет снизить необходимые осевые усилия вдавливания резцов в породу для достижения предельного состояния на начальном этапе внедрения резца.

В то же время перемещение экстремальной зоны к поверхности образца указывает на возможное снижение глубины разрушения породы при повышении тангенциального усилия, если при этом не будет обеспечен адекватный рост осевого усилия.

Рост скорости приложения тангенциального усилия при резании-скалывании породы приводит к снижению глубины борозды разрушения вследствие возрастающего сопротивления породы.

Снижение коэффициента трения на контакте резец – порода позволяет повысить возможные предельные значения осевого усилия и эффективность разрушения твердых горных пород за счет повышения возможной скорости приложения тангенциального усилия.

В то же время снижение коэффициента трения, как показывают эксперименты, снижает напряжения и глубину формируемой борозды разрушения в породе.

Вопрос №23

При изучении процессов разрушения горных пород различают режимы статического и динамического нагружения.

При статическом внедрении резцов или инденторов действуют медленно нарастающие и постоянные по величине нагрузки. Динамическое внедрение породоразрушающих элементов происходит при воздействии на индентор быстро нарастающих по величине нагрузок.

Механизм разрушения горных пород существенно зависит от характера действующих нагрузок.

Время нагружения при статическом приложении нагрузок может изменяться от нескольких до десятков секунд. При динамическомнагружении время действия усилий спрессовано до мгновений – сотых и тысячных долей секунды.

Скорость нагружения (v_н) – скорость роста нагрузки и напряжений в породе, при которых наступает разрушение.

При ударномнагружении породы скорость нагружения равна скорости соударения инструмента с породой.

Таким образом, 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.

В процессе экспериментальных работ по резанию-скалыванию пород алмазными резцами установлено, что при различных формах резцов и в разнообразных горных породах с 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.

Вопрос №24

Основные особенности механизма разрушения анизотропных горных пород определены неравнопрочностью в различных направлениях [21, 22]. 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, что наглядно видно из схем на рис.2.30 и 2.31.

Вопрос №25

В процессе динамического разрушения горных пород удары наносятся по поверхности забоя буримой скважины. Динамический процесс разрушения в данном случае можно описать уравнениями кинетической энергииЭ_кинструмента и потенциальной энергии деформирования породы П_д. Не учитывая потерь части энергииЭ_к на рассеивание при деформировании породы, можно записать

(2.54)

где m – масса ударного инструмента, кг;

v₀ – скорость в момент соударения инструмента с породой, м/с;

Р – усилие взаимодействия инструмента с породой, Н;

δ – деформация породы, м.

Из уравнения (2.54) в общем виде можно определить усилие Р, вызывающее заданное деформирование породы:

(2.55)

В случае если используются для разрушения горной породы забойные машины ударного действия – гидро- или пневмоударники, энергия удара ударником по наковальне забойной машины определяется уравнением

где р_с – давление над ударником в момент нанесения удара, Па;

F_п – площадь торцевой части ударника, м²;

l_п – ход ударника, м.

Усилие удара Р в этом случае будет равно

(2.56)

гдеg – ускорение силы тяжести, м/c².

Сопоставление формул (2.55) и (2.56) позволяет определить скорость воздействия ударника на инструмент при бурении забойной машиной ударного действия

(2.57)

где m_у – масса ударника забойной машины ударного действия,кг.

Вопрос №26

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 (рис. 2.37, а). При этом зависимость деформации породы от динамической нагрузки имеет вид узкой петли (кривая 1 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 кривой 1 на рис. 2.36.

Повышение энергии удара приводит к разрушению породы с образованием лунки (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 графике 3 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 индентора и появлению трещин и сколов в породе.

Дальнейшее повышение энергии удара до определенного и достаточного уровня приводит к реализации новой – третьей формы разрушения, которой соответствует кривая 4 на рис. 2.36.

Для перехода к четвертой форме разрушения потребуется новый и уже более значительный приток энергии удара.

Таким образом, при динамичес-ком внедрении индентора в породу наблюдается определенная периодич-ность и ступенчатость процесса, во многом схожая с процессом статического внедрения в породу клиновидного индентора, отраженного в виде графика на рис. 2.22.

Вопрос №27

Определено, что при применении инденторов с площадками притупления возрастает объем разрушения породы в сравнении с лунками разрушения, полученными острыми клиновидными инденторами.

Глубина внедрения острого индентораh_o мало отличается от глубины лунок разрушения h_ло (рис. 2.41, а).

При разрушении породы индентором с площадкой притупления глубина внедрения индентораh_п в 10-15 раз меньше глубины лунки разрушения h_лп, и эта разница возрастает с увеличением энергии удара А_уд (рис. 2.41, б, рис. 2.42).

В процессе ударногонагружения острые инденторы достаточно быстро затуплялись и теряли острые грани.

Энергоемкость ударного разрушениятакже существенно зависит от формы и размеров, внедряемых в породу инденторов.

Результаты экспериментальных исследо-ваний по изучению влияния формы и размеров инденторов на процесс разрушения, представленные в работе [16], показали следующие результаты:

- увеличение удельной энергии удара приводит к резкому снижению энергоемкости разрушения различных пород (рис. 2.43) до определенного предела, после которого этот показатель снижается незначительно;

- оптимальные значения удельной энергии удара для острого и притупленного клиновидных инденторов отличаются примерно в 1,5 раза, при этом меньшее значение этого показателя у острого индентора, который неспособен, вероятно, воспринимать значительные ударные нагрузки по условию прочности;

- при повышении удельной энергии удара очевидное преимуще