Основы механики разрушения горных пород

Основы механики разрушения горных пород

(Лекция 3)

Основы механики горных пород  как науки закладывались во вто­рой подовике XIX века когда появились первые работы по определе­нию напряженного состояния горних пород и его перераспределению в окреностях горных выработок,  по расчету крепи в горных по определению горного давления и  использованию его величины в расчете крепи.

Наряду с накопленным фактическим материалом по свойствам горных пород развивались и теоретические основы механики горных пород. Они базируются на положениях физики твердого тела и меха­ники сплошных сред. Большой вклад в развитие этой науки внесли также крупные ученые  как ПН, Кузнецов, Н,А. Цытович, П.А. Ребиндер, КВ. Руппенейт и др.

В настоящее время механика горных пород достигла высокого уровня. Она включает разделы по изучению свойств горных пород, их изменения под воздействием различных факторов, по изучению де­формации горных пород и особенностей их разрушения, разделы по устойчивости горных пород в окрестностях и на стенках горных выра­боток, в том числе и скважин.

Проблемы механики разрушения горных пород разрабатывали М.М. Протодьяконов, Н.С. Успенский. В.С, Федоров, Л.A. Шрейнер и др. Трудами проф. Д.А. Шрейнера были заложены основы школы, которая ныне объединяет его учеников и продолжает углубленное исследование проблемы. Развитию механики горных по­род способствовали труды. Н.Н. Павловой, М.Р, Мавлютова, А.И. Спивака, Б.В. Байдюка, В.В. Симонова, Остроушко, Н.И. Люби­мова, B.C. Владиславлева, P.M. Эйгелеса, Б.И. Воздвиженского, Л.И. Барона и др.

Изучение физических свойств горных пород необходимо для ус­тановления оптимальных режимов эксплуатации производственных механизмов, для выбора режущих и истирающих материалов, а так же типов буровых установок.

 

Таблица 2.1

Показатели анизотропия механических свойств горных пород

По степени связности горные породы разделены на скальные, связные, рыхлые (сыпучие) и плывучие.

Горные породы обладают тем большей прочностью, чем тверже минеральные зерна, чем крепче между ними связь, чем плотнее они связаны цементом и чем большей твердостью обладает цементирую­щий материал.

Мелкозернистые породы прочнее крупнозернистых (при одном и том же минеральном составе). Более плотные, менее пористые и менее трещиноватые породы обладают большей прочностью.

Исследования и изучение физико-механических свойств пород необходимы для:

- выбора способа бурения и наиболее производительных типов породоразрушающих инструментов;

- разработки рациональной технологии бурения и крепления;

- расширения геологической изученности данного района.

Таблица 2.4

Р и с 2 .1.

Рис. 2.2

Схема прибора УМГП – 4 для определения механических свойств горных пород

Ходовой винт; 2- подвижная головка; 3,5 – детали рычага; 4- пружина;

Пружина; 7 - индикатор часового типа; 8 - ось; 9 - траверса; 10 - ось; 11 – нож;

Шток; 13 - измерительная ножка; 14 - штамп; 15 - образец; 16 - столик; 17 - маховик; 18 - редуктор; 19 - диск; 20,21 - ролик; 22 - рычаг двусторонний; 23 - электромагниты; 24 - электродвигатель; 25 - маховик; 26 - барабан; 31 - ходовой винт; 32 - ролик; 33 - лента; 34 - рычаг.

 

 

 



Рис. 2.3

Графики деформации упругой (а) и упругопластичной (б) горной породы под штамп

Прибор ТТА-1 (рис. 2.4) состоит из двух отдельных, динамомет­ров. В нижний торец вертикального динамометра запрессован сталь­ной упорный стержень, в качестве стержня используется стальная игла диаметром 0,6 мм. Вертикальное усилие на пластину передается через пружину. Отсчет нагрузки осуществляется по шкале корпуса и фикса­тора.

 

Рис. 2.4. Схема определения теста на твердость и абразивность 1 - порода; 2 — игольчатый видентер; 3 - направляющая втулка; 4 - стержень

Таблица 2.5

Порода Коэффициент Пуассона Порода Коэффициент Пуассона
Песчаник 0,09 Гравий 0,26-0,29
кварцевый      
Песчаник аркозовый 0,13 Известняк 0,28-0,33
Глинистые сланцы 0,10-0,20 Песчаник 0,30-0,35
Уголь 0,14-0,16 Глины пластичные 0,38-0,45
Порфирит 0,20-0,22 Мрамор 0,34-0,40
Глины плотные 0,25-0,35 Каменная соль 0,44

Коэффициент пластичности Кпл - характеризует отношение об­щей работы, затраченной для разрушения породы под штампом, к ра­боте упругих деформаций.

 

По величине Кпл все породы разделены на шесть категорий.

Категория      1     2     3     4     5 6

Кпл          1 >1-2   >2-3  >3-4 >4-6    >6-8

 

К 1-й категории относятся хрупкие породы, от 2-й по 5-ю - пла­стично - хрупкие, а к 6-й - высокопластичные и сильнопористые.

Пластичность уменьшается с увеличением содержания кварца, полевого шпата и других жестких минералов. Высокими пластически­ми свойствами обладают влажные глины и некоторые хемогенные по­роды.

Абразивность - способность пород изнашивать породоразру- шающие инструменты. От абразивности зависят расход и правильный выбор долот.

Абразивность зависит в основном от минералогического состава и строения горных пород и существует общая тенденция увеличения абразивности с ростом микротвердости породообразующих минера­лов.

Абразивность определяется с помощью прибора ПОАП-2М (рис. 2.5).

В рабочий орган (загрузочные цилиндры) загружают навеску дроби и 1 см3 электрокорундового поршня. Загрузочные цилиндры с дробью и порошком помещают в прибор ПОАП-2М и включают его на 20 минут. При этом электродвигатель должен совершить 28 тыс. обо­ротов, которые контролируется счетчиком прибора. Каждую навеску

после опыта помещают в со­суд с водой и после споласки- вания извлекают и начисто вытирают.

Промытую дробь взвеши­вают. Потеря массы дроби в каждой пробирке должна быть 200 ± 10 мг. В случае отклоне­ния массы дроби от указанно­го необходимо изменить коли­чество дробинок в навеске и работу повторить.

Рис. 2.5. Схема прибора ПОЛП-2М для оп­ределения абразивности горных пород 1 - электродвигатель; 2 - муфта; 3 - рабо­чий орган (загрузочный цилиндр); 4 - ско­ба; 5 - направляющая; 6 - маховик; 7 - вал; 8 - шатун; 9 - плита (основание прибора)

Обобщенная классифика­ционная шкала абразивности горных пород ВНИИБТ при­ведена в табл. 2.6.

 

Таблица 2.6

Классификационная таблица соответствия абразивных свойств горных пород их геолого-петрографическим характеристикам

Порода Содержание кварца или халцедона, % Категория твердости Абразивность по обобщен­ной шкале ВНИИБТ (категория)
Песчаник:          
кварцевый мономинеральный (крупно-.          
средне, мелко-, тонкозернистый) и анало­

95

4-10

 

9-11

 
гичный алевролит    
окварцованный сливной 58-95 7-10   10-11  
частично окварцованный с протяженны

85-95

5-7

  9-10  
ми контактами      
срастания кварцевых зерен с точечными

85-95

4   6  
контактами срастания кварцевых зерен        
кварцевый с известковым цементом

60-75

5-7

  7-8  
(25-40%)      
кварцевый в известковисто - глинистым

60-75

4-5

  7  
цементом      
кварцевый с глинистым цементом 60-75 3-5   6-7  
кварцевый с сульфатным цементом 60-75 3-4   6  
Песчаник:          
полевошпатово-кварцевый и аркозовый      

10

 
крупнозернистый        
полевошпатово-кварцевый и аркозовый       9  
средне-          
и мелкозернистый - -   8  

 

Продолжение таблицы 2.6

Порода Содержание кварца или халцедона, % Категория твердости Абразивность по обобщен­ной шкале ВНИИБТ (категория)
Песчаник: тонкозернистый и аналогичный алевролит: с цементом 15-20% » 20-50% полимиктовый 25 10-15 5-10 4-6 4-6 7-8 7 6-7
Глина: мономинеральная алевритистая песчанистая кремнистая 10-20  10-30 - 3 - 3 2-4 5 3- 4 4- 5 5 6
Аргелиты: слабоалевритистый алевритистый и песчанистый 5-10 15-20 4-5 4-5 3- 4 6
Аспидный сланец 2-5 - 4
Углистый сланец 2-5 2-3 4
Мергель: глинистый карбонатный (50-75%) алевритовый песчанистый - 4-5 2 2 4 5
Известняк: без примеси твердых абразивных минера­лов глинистый песчанистый (5%) песчанистый (10%) песчанистый (до 20-30%) алевролитовый кремнистый (5%) кремнистый (10%) кремнистый (15%) кремнистый (20-30%) 1 3 5 10 20-30  15-20 5 10 15 20-30 5-6 4- 6 5- 6 5-6 4- 6 5- 6 5- 6 6- 7 7-  6-7 8 2-3 4 5 6 8-9 5 5 6 7 8
Доломит без примеси твердых абразивных минера­лов песчанистый 2-3 7-8 7-8 3-4 6-7
Кремень 75-95 11 11
Опока и трепел - 1-2 6
Ангидрит без примеси твердых абразивных минералов - 4-5 1
Гипс:      
без примесей опесчаненный глинистый 10-15  1 2-3 2-3 2-3 1 4 1

 

Динамическая прочность определяется методом толчения на при­боре ПОК (прибор определения крепости, рис. 2.6)

 

Рис. 2.6.Схема прибора для определения динамической прочности горных пород по методу толчения а; схема объемометра; б - труба; в - поршень: 1.- стакан; 2 - труба; 3 - груз (гиря); 4 - упор

 

Образец горной породы разбивается молотком на куски крупно­стью 1,5 - 2,0 см в поперечнике. Из разбитых кусков отбирают пять проб объемом 15-20 см3 каждая. Каждую пробу высыпают в трубча­тую ступку (рис. 2.6, а) и толкут путем сбрасывания гири массой 2,4 кг с высоты 0,6 м десять раз. После толчения все пять проб ссыпают в металлическое сито с отверстием 0,5 мм и просеивают. Частицы поро­ды, прошедшие через сито, высыпают в трубу (стакан объемометра) (рис. 2.6, б), после чего в стакан объемометра вставляется поршень. На поршне имеется шкала (от 0 вверху до 160 мм внизу), по которой дела­ется отсчет высоты столбика частиц породы в стакане. Динамическая прочность породы Fg вычисляется по формуле:

где 200 - эмпирический коэффициент, мм; I - высота столбика частиц породы в объемометре, мм.

 

Динамическая прочность безразмерная величина, по ее значениям все горные породы подразделяются на шесть групп (табл. 2.7.).

Таблица 2.7.

Динамическая прочность горных пород


 

Показатели

Группы пород

I II III IV V VI
Динамиче­ская проч­ 8 и менее 8-16 16-24 24-32 32-40 40 и более
ность Fg            
Степень ди­        

Очень прочная

Исключи­
намической Малая Умеренная Средняя Прочная тельная
прочности         прочность

Абсолютная (общая) пористость Па - это отношение полного объема пор (пустот) к объему всей породы. В табл. 2.8 приведены зна­чения коэффициента пористости пород, наиболее часто встречающих­ся при бурении нефтяных и газовых скважин.

Горная порода Па, % Горная порода Па, %
Глина 0-62 Песчаник 0-53
Аргиллит 0-25 Известняк 0-45
Алевролит 0-47 Доломит 0-27
Песок 2-55 Мергель 0-60

Проницаемость - способность пород пропускать под действием градиента давлений пластовые флюиды (жидкость, газ и ГЖС).

Гранулометрический состав породы - количественное содержа­ние в горной породе разных по размеру зерен (в % для каждой фрак­ции). Гранулометрический состав обломочных пород приведен в табл. 2.9.

Геостатическая температура пород Т, (С) - это температура в естественных условиях залегания пород в земной коре, т.е. до начала бурения или после весьма длительного простоя скважины без промывки.

С увеличением глубины залегания пород ниже нейтрального слоя (ближайший к дневной поверхности слой породы, температура кото­рого не изменяется при суточных и сезонных колебаниях температуры

 

 

атмосферного воздуха) она возрастает, причем интенсивность роста, как правило, изменяется чаще в сторону уменьшения.


Таблица 2.9

Порода Размер обломков, мм Порода Размер обломков, мм
Валуны:   Песок  
крупные >500 очень крупный 2-1
средние 500-250 крупный 1-0,5
мелкие 250-100 средний 0,5-0,25
1 алька (щебень):   мелкий 0,25-0,10
крупная 100-50 тонкий 0,10-0,05
средняя 50-25 Алевролит крупный 0,10-0,25
мелкая 25-10 Алевролит мелкий 0,05-0,01
1 равий:   Глина 0-0,005
крупный 10-5    
мелкий 5-2    

В районах, где геотермический градиент с глубиной изменяется весьма незначительно, распределение геостатических температур при­ближенно можно рассчитать по формуле

Тг ~ Тпл - Г(Нпл - Н).                                      (2.12)

где Тпл - известная температура на глубине Нпл, °С; Г - геотермиче­ский градиент - прирост Т, на каждый метр глубины залегания поро­ды, °С/м (с глубиной несколько изменяется); Н - глубина скважины, м.

Многолетнемерзлые горные породы - зона земной коры, в пределах которой горные породы охлаждены ниже 0°С непрерывно от не­скольких лет до тысячелетий. Мощность их в северных и северо- восточных районах России измеряется сотнями метров, а температура достигает - 7 + - 12°С.

Обломочные водонасыщенные рыхлые и слабосцементированные горные породы при замерзании и оттаивании резко изменяют свои свойства: при замерзании цементируются льдом и отличаются высокой прочностью (σсж < 2,5 МПа) и непроницаемостью; при оттаивании они переходят в переувлажненное состояние. Прочность мерзлых песчаных пород значительно выше, чем прочность мерзлых глинистых пород.

Анизотропность свойств пород зависит от упругих свойств, плотность, структурных и ее текстурных особенностей. Этот показа- тель, как и степень наклона чередующихся по твердости и мощности пластов, оказывает наибольшее влияние (из геологических причин) на искривление скважин.

 

Крепость горной породы

Крепостью горной породы принято считать ее сопротивляемость разрушению. В 1926 г. профессором М.М. Протодъяконовым (стар­шим) все типичные горные породы были объединены в 10 категорий с подразделениями по крепости (табл.2.10).

 

Таблица 2.10

Категория Степень крепости Породы Коэффициент крепости
I В высшей сте­пени крепкие породы Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты. Исключительные по крепости другие породы 20-25
II Очень крепкие породы Очень крепкие гранатовые породы. Кварцевый порфир, очень крепкий гра­нит, кремнистый сланец. Менее крепкие, нежели указанные выше кварциты. Са­мые крепкие песчаники и известняки 15-18
Ш Крепкие породы Кранит (плотный) и гранитовые породы, очень крепкие песчаники и известняки, кварцевые рудные жилы, крепкий конг­ломерат, очень крепкие железные руды 10-12
IIIa То же Известняки (крепкие), некрепкий гра­нит, крепкие песчаники, крепкий мра­мор, доломит, колчеданы 8
IV Довольно крепкие поро­ды Обыкновенный песчаник, железные руды 6
IVa То же Песчанистые сланцы, сланцеватые песчаники 5
V Средние породы Крепкий глинистый сланец, некрепкий песчаник и известняк, мягкий конгло­мерат 4
Va То же Разнообразные сланцы (некрепкие), плотный мергель 3
VI Мягкие породы Мел, уголь, твердый грунт 2-1,6
VII Мягкие Глина плотная, мягкий каменный уголь, глинистый грунт 1
VIII Землистые Песчанистые, глинистые слабосвязан­ные породы 0,6
IX Сыпучие Пески 0,5
X Плывучие Плывуны 0,3

Эта классификация основана на положении, что сопротивляе­мость горной породы любым видам разрушения (бурению различными

способами, взрыванию и др.), а также степень ее устойчивости при проведении в ней горной выработки (в том числе и скважины) могут быть выражены определенным числом - коэффициентом крепости пород /. Крепость горной породы - комплексная характеристика по­роды, определяемая целым рядом ее физико-механических свойств, оказывающих влияние на процесс ее разрушения при бурении. Кре­пость горной породы есть величина постоянная, не зависимая от спо­соба бурения. Ориентировочно коэффициент крепости / может быть принят равным 0,01 от предела прочности породы при одноосном сжатии.

Буримость горной породы

Совокупность физико-механических свойств горных пород опре­деляет их буримость, т.е. способность горных пород сопротивляться проникновению в них породоразрушающего инструмента.

 

 

Для определения категории горной породы по литологическому признаку в бурении используется классификационный ряд типичных представителей горных пород (табл. 2.11).

 

 

Таблица 2.11

Классификация типичных горных пород по буримости для вращательного меха­нического бурения

Категория буримости

Физико- механические свойства

Примерная механиче­ская ско- гшсть. м/ч

Породы

Твердость р * , Н/мм2 р **
1 2 3 4 5
I 100 - 30-23 Торф и растительный слой без корней. Рыхлые: лёсс, пески (не плывуны), супеси без гальки и щебня. Ил и иловатые грунты. Суглинки лессо­видные. Трепел. Мел слабый.
II 100-250 - 11-15 Торф и растительный слой с корнями или с небольшой примесью мелкой гальки и щебня. Супеси и суглинки с примесью до 20% мелкой гальки или щебня. Пески плотные. Суглинок плотный. Лёсс. Мергель рыхлый. Плывун без напора. Лед. Глины средней плотности. Мел. Диатомит. Каменная соль (галит). Железная руда охристая

· * Твердость по ДА. Шрейнеру.

· ** Объединенный показатель

 

 

Продолжение таблицы 2.11

1 2 3 4 5
III 250 2-3 5,7-10 Суглинки и супеси с примесью свыше 20% мел­кой кальки или щебня. Лёсс плотный. Плывун напорный. Глины. Алевролиты глинистые. Алевролиты глинистые, слабо сцементирован­ные. Песчаники слабо сцементированные глини­стым, известковистым цементом. Мергель. Из- вестняк-ракушечник. Мел плотный. Гипс. Ка­менный уголь слабый. Бурый уголь. Сланцы: тальковые, разрушенные, всех разновидностей. Марганцевая руда. Бокситы глинистые.
IV 500-1000 3,0-4,5 3,5-5,0 Галечник, состоящий из мелких галек осадочных пород. Мерзлые водоносные пески, ил, торф. Алевролиты плотные, глинистые. Песчаники глинистые. Мергель плотный. Неплотные из­вестняки и доломиты. Магнезит плотный. По­ристые известняки и туфы. Гипс кристалличе­ский. Ангидрит. Калийные соли. Каменный уголь средней плотности. Каолин. Сланцы: гли­нистые, песчано-глинистые, горючие, углистые, апевролитовые. Серпентиниты сильно выветре- лые, оталькованные. Апатит кристаллический. Железная руда мягкая. Бокситы.
V 1000-1500 4,5-6,75 2,5-3,5 Галечно-щебенистые грунты. Галечник мерзлый, связанный глинистым или песчано-глинистым материалом с ледяными прослойками. Мерзлые: песок крупнозернистый, дресва, ил плотный, глины песчанистые. Песчаники на известкови- стом и железистом цементе. Алевролиты, Ар­гиллиты. Известняки плотные. Мрамор. Доло­миты мергелистые. Ангидрит плотный. Камен­ный уголь твердый. Антрацит. Сланцы: клинбисто-слюдяные, слюдистые, хлоритовые, серицитовые. Филлиты. Дуниты, затронутые выветриванием
VI 1500-2000 6,75-10,1 1,5-2,5 Ангидриты плотные. Глины плотные мерзлые. Конгломерат осадочных пород на известковом цементе. Песчаники :полевош-патовые, кварце- во-известковистые. Известняки плотные, доло- митизированные, скарнированные. Доломиты плотные. Сланцы кварцево-серицитовые, квар- цево-слюдяные, кварцево-хлоритовые. Аргилли­ты слабо окремненные. Дуниты. Перидотиты. Амфиболиты. Тальково-карбонатные породы. Апатиты. Скарны. Гематито-мартитовые руды. Бурые железняки. Сидериты
VII 2000 10,0-15,2 1,9-2,0 Галечник изверженных и метаморфических пород. Щебень мелкий. Конгломераты с галькой (до 50%) изверженных пород на песчано- глинистом цементе. Песчаники кварцевые. До­ломиты весьма плотные. Окварцованные извест­няки. Фосфоритовая плита. Каолин ангальмато- лмтопый Опоки крепкие, плотные.

 

 

Продолжение таблицы 2.11

1 2 3 4 5
VII 2000-3000 10,1-15,2 1,9-2,0 Сланцы слабоокремненные: амфибол- магнетитовые, роговообманковые, хлорито- роговообманковые. Слаборассланцованные альбитофиры, кератофиры, порфиры, порфири­та, диабазовые туфы. Затронутые выветривани­ем порфириты. Крупно- и средне- зернистые затронутые выветриванием граниты, сиениты, диориты, габбро и другие изверженные породы. Пироксениты, пироксениты рудные. Кимберли­ты базальтовые. Скарны кальцитеодержащие авгито-гранатовые. Кварцы пористые (трещино­ватые, ноздреватые, охристые). Бурые железня­ки ноздеватые, пористые. Хромиты. Сульфид­ные руды. Мартито-сидеритовые и гематитовые руды. Амфибол-магнетитовые руды. Аргиллиты кремнистые.
VIII 3000-4000 15,2-22,8 1,3-1,9 Конгломераты изверженных пород на известко- вистом цементе, доломиты окварцованные. Ок- ремненные: известняки доломиты. Фосфориты плотные, пластовые. Сланцы окремненные: кварцево-хлоритовые, кварцево-серицитовые, слюдяные, кварцево-хлорито-эпидотовые. Гней­сы. Среднезернистые альбитофиры и кератофи­ры. Базальты выветрелые. Диабазы. Порфиры и порфириты. Андезиты. Диориты, не затронутые выветриванием. Лабрадориты, перидотиты. Мелкозернистые, затронутые выветриванием граниты, сиениты, габбро. Затронутые выветри­ванием гранито-гнейсы, пегматиты, кварц- и среднезернистые кристаллические: авгито- гранатовые, авгито-эпидотовые. Эпидозиты. Кварцево-карбонатные и кварцево-баритовые породы. Бурые железняки пористые. Гидромаги- ститовые руды плотные. Кварциты: гематито­вые, магнетитовые. Колчедан плотный. Бокситы диаспоровые.
IX 4000-5000 22,8-34,2 0,75- 1,2 Базальты, не затронутые выветриванием. Конг­ломераты изверженных пород на кремнистом цементе. Известняки карстовые. Кремнистые песчаники, известняки. Доломиты кремнистые. Фосфориты пластовые окремненные. Сланцы кремнистые. Кварциты: магнетитовые и гематитовые топкополосчатые, плотные марито- магнетитовые. Роговики амфибол-магнетитовые Альбитофиры и кератофиры. Трахиты. Порфиры

 

Продолжение таблицы 2.11

1 2 3 4 5
IX 4000-5000 22,8-34,2 0,75-1,2 Туфы окремненные, ороговикованные. Затрону­тые вывериванием: липариты, микрограниты. Крупно- и среднезернистые граниты, гранито- гнейсы, грано-диориты. Сиениты. Габбро- нориты, Пегматиты, Березиты. Скарны мелко­кристаллические: авгито-эпидото-гранатовые, датолито-гранато-геденбергитовые. Скарно крупнозернистые гранатовые. Окварцован- ные:амфиболит, колчедан. Кварцево- турмалиновые породы, не затронутые выветри­ванием. Бурые железняки плотные. Кварцы со значительным количеством колчедана. Бариты плотные.
X 5000-6000 34,2-51,2 0,5-0,75 Песчаники кварцевые сливные. Джеспилиты, затронутые выветриванием, фосфорито- кремнистые породы. Кварциты неравномерно- зернистые. Роговики с вкрапленностью сульфи­дов. Кварцевые: альбитофиры и кератофиры. Липириты. Мелкозернистые: граниты, кранито- гнейсы, гранодиорит. Микрограниты. Пегматиты плотные, сильно кварцевые. Скарны мелкозернистые: гранато­вые, датолито-гранатовые. Магнетитовые и мартитовые руды, плотные, с прослойками рого­виков. Бурые железняки окремненные. Кварц жильный. Порфириты сильно окварцованные и ороговико­ванные.
XI 6000-7000 51,2- 76-8 0,3-0,5 Альбитофиры тонкозернистые, ороговикован­ные. Джеспилиты, не затронутые выветривани­ем. Сланцы яшмовидные, кремнистые. Кварци­ты. Роговики железистые очень твердые. Кварц плотный. Корундовые породы. Джеспи­литы гематито-мартитовые и гематито- магнетитовые.
XII 7000 76,8- 115,2 0,15- 0,25 Совершенно не затронутые выветриванием мо- нолитносливные: джеспилиты, кремень. Яшмы, роговики, кварциты, эгириновые и корундовые породы.

 

Буримость породы - это величина углубления скважины за еди­ницу времени чистого бурения (механическая скорость бурения). Она оценивается в м/ч, см/мин или мм/мин, Буримость пород устанавлива­ется опытным путем для определенных горных пород и породоразру- шающих инструментов при рациональных режимах бурения. Так как при различных способах бурения механизм разрушения горных пород различен, то и буримость одной и той же породы при различных спо­собах бурения будет также различной.

Буримость характеризуется следующими показателями: механи­ческой скоростью бурения, величиной проходки до допустимого изно­са породоразрушающего инструмента и затрат времени на проходку одного метра скважины. Эти величины зависят не только от свойств пород, но и от вида и конструкции породоразрушающего инструмента и параметров режима бурения.

Критерием отнесения породы к той или иной категории по бури­мости является углубления скважины за 1 час чистого бурения при определенных условиях (типы и диаметры буровой коронки или доло­та, глубина скважин и др.). При отклонении от стандартных условий вводятся поправочные коэффициенты.

Определение буримости - необходимое условие правильного вы­бора способа бурения, породоразрушающего инструмента, нормативов трудовых и материальных затрат.

Современная технологическая практика бурения использует клас­сификации горных пород по буримости различными способами.

Устойчивость горных пород

В глубоких скважинах, разрезы которых представлены мощными толщами глинистых формаций (глины, аргиллиты, алевролиты, мерге­ли и глинистые сланцы), важное значение приобретает устойчивость пород. Бурение таких пород сопровождается образованием каверн, сужением ствола скважины, прихватами и сложностью сохранения керна.

Классификация пород по степени устойчивости приведена в табл. 2.12

 

Таблица 2.12

Степень устойчивости Горные породы Связь между зернами
Весьма неустойчивые Рыхлые (пески, гравий, галечник) Отсутствует
(' изменяющейся устойчивостью Плотные невысокой прочности, рас­творяемые или размываемые буро­вым раствором (глинистые породы, каменная соль) Сложная (исче­зающая при на­сыщении водой)
( лабоустойчивые Скальные, но раздробленные; сбрек- чированные (сцементированные брекчией или конгломератом, сла­бые песчаники, сланцы и угли Недостаточно прочная
Устойчивые Породы высокой или средней твер­дости, монолитные или слаботрещи­новатые, не размываемые буровым раствором (граниты, диориты, ба­зальты, кварциты, песчаники и т.д) Прочная

Контрольные вопросы к разделу 2.

1. Назовите основоположников механики разрушения горных пород.

2. Основные понятия механики разрушения горных пород.

3.Основные физико-механические свойства горных пород.

4. Классификация горных пород по крепости и буримости.

5. Физическое понятие о давлениях в горных породах и продуктив­ных пластах.

6. Об устойчивости горных пород.

 

Основы механики разрушения горных пород

(Лекция 3)

Основы механики горных пород  как науки закладывались во вто­рой подовике XIX века когда появились первые работы по определе­нию напряженного состояния горних пород и его перераспределению в окреностях горных выработок,  по расчету крепи в горных по определению горного давления и  использованию его величины в расчете крепи.

Наряду с накопленным фактическим материалом по свойствам горных пород развивались и теоретические основы механики горных пород. Они базируются на положениях физики твердого тела и меха­ники сплошных сред. Большой вклад в развитие этой науки внесли также крупные ученые  как ПН, Кузнецов, Н,А. Цытович, П.А. Ребиндер, КВ. Руппенейт и др.

В настоящее время механика горных пород достигла высокого уровня. Она включает разделы по изучению свойств горных пород, их изменения под воздействием различных факторов, по изучению де­формации горных пород и особенностей их разрушения, разделы по устойчивости горных пород в окрестностях и на стенках горных выра­боток, в том числе и скважин.

Проблемы механики разрушения горных пород разрабатывали М.М. Протодьяконов, Н.С. Успенский. В.С, Федоров, Л.A. Шрейнер и др. Трудами проф. Д.А. Шрейнера были заложены основы школы, которая ныне объединяет его учеников и продолжает углубленное исследование проблемы. Развитию механики горных по­род способствовали труды. Н.Н. Павловой, М.Р, Мавлютова, А.И. Спивака, Б.В. Байдюка, В.В. Симонова, Остроушко, Н.И. Люби­мова, B.C. Владиславлева, P.M. Эйгелеса, Б.И. Воздвиженского, Л.И. Барона и др.

Изучение физических свойств горных пород необходимо для ус­тановления оптимальных режимов эксплуатации производственных механизмов, для выбора режущих и истирающих материалов, а так же типов буровых установок.

 

Дата: 2019-02-19, просмотров: 263.