Классификация горных пород по механическим свойствам

В результате испытания горных пород методом вдавливания штампа появляется возможность составить несколько различных квалифицированных шкал, таких как: по твердости, по модулю Юнга, по пластичности и по пределу текучести.

Большой популярностью пользуется шкала твердости Мооса.

Шкала Мооса - это случайные 10 минералов, которые царапают предыдущий минерал, т. е. расстановка этих минералов осуществлена по взаимному царапанью:

1. Тальк 4. Флюорит 7. Кварц

2. Гипс 5. Апатит 8.Топаз 10. Алмаз

3. Кальцит 6. Полевой шпат 9. Корунд

Между ними неравномерно распределяется величина твердости. Более равномерная шкала, в которой последующий минерал в два раза прочнее, выглядит так:

1. --------- 10 6. Апатит 320

2. Гипс 20 7. Кварц 640

3. --------- 40 8. Корунд 1280 - относительная

4. Кальцит 80 9. ----------- 2560 твердость

5. Флюорит 160 10. Алмаз 5120

Наиболее распространенные шкалы, основанные на методе вдавливания штампа следующие:

1.Шкала по твердости. Все породы разделены на три группы: мягкие, средние и твердые. Каждая из этих групп делится на четыре категории, т. е. всего 12 категорий.

К I группе относятся высокопластичные и сильно пористые породы (глины, песчаники, известняки).

Ко II группе относятся пластично-хрупкие породы (известняки, доломиты, песчаники).

К III группе относятся преимущественно хрупкие породы (кремни, кварциты и др.).

Твердость пород (Р_ш кг/мм²) в группах колеблется:

I -  10-100

II - 100-400

III - 400-  700

2. Шкала по пластичности. По пластичности горные породы разделены на шесть категорий:

Категория	1	2	3	4	5	6
Коэффициент пластичности	1	 1-2	2-3	3-4	4-6	6-

К первой категории относятся хрупкие горные породы, от 2^йдо 5^й - пластично-хрупкие, а к 6^й категории - относятся высокопластичные и сильно пористые.

Размеры зон разрушения штампа в различных

горных породах

При вдавливании штампа в горные породы различных групп по твердости получаются различные зоны разрушения (см. рис.40).

Рис.40

Здесь: h - глубина зоны разрушения;

- деформация.

На рисунке видно, что по мере увеличения пластичности горных пород, отношение глубины зоны разрушения (h) к деформации до момента разрушения для пород высокопластичных становится равным единице:

.

Практическое использование данных механических свойств горных пород

Условия разрушения горных пород на забое далеки от условий проведения экспериментов. (Н₀), учитывая то, что определение твердости горных пород методами вдавливания штампов представляют собой модель процесса, определяющего разрушение, имеет большую практическую ценность.

Кроме этого, методами вдавливания штампа определяется совокупность механических характеристик, с помощью которых можно осуществить энергетическую оценку процессов разрушения при бурении.

Располагая материалами по механическим характеристикам горных пород можно производить качественную оценку процессов разрушения горных пород, анализировать применяемые и устанавливать необходимые режимы бурения для осуществления наиболее эффективного разрушения горных пород.

На основании данных исследования различных форм штампов, можно выбрать наиболее рациональную геометрию породоразрушающего инструмента.

Изучение механических свойств горных пород позволяет более отчетливо определить пути дальнейшего совершенствования технологии и техники бурения, создания новых способов разрушения горных пород и т. д.