Разрушение горных пород и упругие характеристики при динамическом вдавливании

При динамическом разрушении горных пород картина (зона разрушения) механизма разрушения аналогична статическому вдавливанию (см. рис.41).

Рис.41

В первоначальный период вдавливания на поверхности породы отмечается только след штампа, а далее появляется кольцевой скол. С увеличением энергии удара на штамп размер скола увеличивается незначительно. Основной прирост объема разрушения идет в результате постепенного погружения штампа.

Динамические характеристики горных пород можно определить следующим образом. Одна из таких характеристик - динамический модуль упругости (Е_д), которую можно определить по формуле:

,

где С - скорость распространения упругой продольной волны в образце породы, изготовленного в виде стержня (малые образцы);

 -плотность горной породы.

Для больших образцов породы возможно определить коэффициент Пуассона (_д) и модуль упругости (Е_д):

;

где - динамический коэффициент Пуассона;

- динамический модуль упругости,

- отношение скорости распространения поперечной волны к скорости распространения продольной волны в породе, вызванные в результате удара.

По величине скорости поперечной волны (С_n) можно определить модуль деформации при сдвиге:

,

где  - плотность породы.

Значение позволяют определить модуль объемной деформации (уже известный вам), т. е.:

только: .

Следует отметить, что динамический модуль Юнга значительно превышает статический (см. табл.):

№п/п	Горная порода	Статический модуль Юнга Е, кгс/мм^2	Динамический модуль Юнга Ед, кгс/мм^2
1	Ангидрит	1650	6050	3,66
2	Известняк	1360	4810	3,53
3	Доломит	690	3420	4,95

В процессе бурения скважин в значительной степени наблюдается усталостное разрушение. Установлено, что чем глубже ведется бурение, доля усталостного разрушения растет.

Усталостный процесс разрушения аналогичен схеме динамического разрушения, однако, необходимо, чтобы удельная нагрузка на породу была не менее ее предела усталости.

На графике (рис.42) показана зависимость разрушающих напряжений (у) от числа циклов нагружения N. На этом графике показана усталостная кривая, которая описывается уравнением: , где m - показатель степени усталостной кривой; Су - постоянная усталостной кривой.

Рис.42 Усталостная кривая

Лекция №10

Абразивные свойства горных пород Факторы, влияющие на износ металлов при трении

При износе трением обычно происходят как упругие, так и пластические деформации, сопровождающиеся хрупким выкрашиванием, скалыванием, смятием и срезанием частиц.

На величину износа влияют: свойства материала трущихся тел (их химический состав и структура); род и характер трения; форма и размер трущихся поверхностей; скорость трения; давление между телами; начальное состояние поверхностей; свойства и поведение продуктов износа; среда, в присутствии которой происходит трение и т. д.

По мере износа долота изменяется его геометрия, что приводит к изменению характера разрушения горной породы в отличие от первоначального, к снижению производительности долота и к увеличению расхода энергии на разрушение единицы объема породы.

На износ бурового инструмента влияют три группы факторов: природные, технологические, технические.

К числу природных факторов относятся абразивные свойства горных пород.

Абразивами обычно называют сыпучие и массивные твердые тела, служащие орудиями поверхностной обработки материалов при шлифовании, истирании, полировке и т. д. (алмаз, корунд, наждак - корундовая пыль с примесью пирита и др., граниты, кварцы и др.).

Нас же интересуют абразивные свойства горных пород с точки зрения выявления их свойств, влияющих на износ металлов и сплавов при трении).

Под абразивным износом понимается такой процесс, в котором поверхность работающей детали разрушается вследствие трения о нее небольших твердых частиц (которые носят название) - абразивных частиц.

Установлено, что при одинаковой твердости износостойкость металлов в 11,4 раза больше износостойкости минералов (это можно объяснить тем, что у металлов пластичность выше.

Абразивность горных пород определяется совокупностью физико-механических свойств и в первую очередь прочностных свойств трущихся тел. В связи с этим, понятию абразивность горных пород дается более широкое определение - способность горных пород изнашивать при трении о них металлы и твердые сплавы независимо от состояния твердости трущихся тел и состояния горной породы (монолитная или раздробленная горная порода).

Абразивность горных пород обычно оценивают по износу материала, контактирующего с горной породой.

Так, проф. Федоров за меру абразивной способности горной породы предлагает принять коэффициент , равный произведению:

 = Р,

где Р - твердость горной породы в кг/см² (10⁵ Н/м²),

 - коэффициент внешнего трения.

Наиболее приемлемой принципиальной схемой для определения абразивных свойств минералов и горных пород является износ при трении вращающегося кольца о поверхность твердого тела.

Здесь за меру абразивности принималось отношение объема изношенного металла кольца на единицу пути трения (в см³/м) к нагрузке на кольцо. Физически, это величина износа металла, пропорциональная работе трения на единицу пути при нормальной нагрузке в 1 кг.

Для практических целей более правильно абразивную способность горных пород оценивать по износу стали в единицу времени, относящемуся к единице рабочей поверхности изнашиваемого образца, так как эта величина характеризует скорость изнашивания металла.

Для изучения закономерностей абразивной способности горных пород рассматривается износ стали в зависимости от удельной мощности трения.

 = f(N_уд)

где  - износ металла в мг/мм²сек;

N_уд - удельная мощность трения, реализуемая единицей рабочей поверхности образца стали в кгм/мм²сек.

Например, удельная мощность, реализуемая рабочей поверхностью долота составляет около 0,5 кгм/мм²сек.