3.2.5. Методика определения динамической прочности, абразивности и категорий горных пород по буримости

Динамическая прочность горных пород, как следует из предыдущих глав, определяет сопротивляемость горных пород разрушению при динамическом внедрении породоразрушающих элементов. Динамическое внедрение может происходить при воздействии на индентор быстронарастающих по величине нагрузок, например, вследствие удара индентора или инструмента о породу.

Абразивность горных пород – способность горной породы, как в агрегатном, так и в разрушенном состоянии, вызванного её разрушением, изнашивать буровые инструменты в процессе трения.

Категория горных пород по буримости по ОСТ 41-89-74 определяется на основании значений коэффициента динамической прочности (F_д), коэффициента абразивности (К_аб) и объединенного (расчетного) показателя (ρ_м) 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.

Отбор образцов породы. Подготовка образцов осуществляется из керна, который разбивается на обломки изометрической формы размером 1,5-2,0 см в поперечнике, из которых набираются две пробы, каждая из которых содержит 25 обломков и разделяется на пять частей по пять обломков.

Проведение испытаний. Каждую часть пробы, состоящую из пяти обломков, помещают в стакан устройства ПОК и производят 10 сбрасываний гири массой 2,4 кг с высоты 0,6 м. Продукт разрушения всех пяти частей каждой пробы породы просеивают через сито с размером отверстий 0,5 мм. Просеянную фракцию ссыпают в специальный объемомер и определяют объем пробы в мм (h_о).

Коэффициент динамической прочности породы F_д определяют по формуле

(3.20)

Физический смысл коэффициента F_д состоит в определении относительной удельной работы дробления обломков породы в процессе динамического нагружения.

Коэффициент абразивности К_аб исследуемой породы определяют по формуле

(3.21)

где Q – потеря в результате абразивного износа об испытываемую породу массы свинцовой дроби, мг.

Потеря массы свинцовой дроби определяется на устройстве ПОАП – 2М в течение 20 минут. С этой целью в специальные керамические стаканы помещают по 1 см³ породы из полученной, при определении F_д, пробы в виде мелкой фракции и дробь № 4 (21 дробинка для одной пробы), № 5 (26 дробинок) или № 3 (14 дробинок). Массу дроби в пробе определяют перед проведением испытаний.

Помещенные в стаканы породу и дробь истирают в вибраторе ПОАП. После испытаний дробь промывают, протирают и вновь взвешивают. В результате определяют разницу массы дроби, определенной до испытаний и после испытаний (Q).

Коэффициенты динамической прочности и абразивности определяют по двум пробам, а результат испытаний считается приемлемым, если разница среднеарифметического отклонения двух значений не превышает 25%.

Категорию горных пород по буримости при вращательном бурении определяют на основании расчета объединенного показателя ρ_м:

(3.22)

Объединенный показатель и категорию по буримости определяют по специальным таблицам или номограмме.

Значение ρ_м соответствует определенной категории горных пород по буримости (табл. 3.7).

Таблица 3.7

Значения ρ_м и категории горных пород по буримости при вращательном бурении

Категория пород по буримости	Значение ρм	Категория пород по буримости	Значение ρм
V	4,5-6,8	IX	22,8-34,2
VI	6,8-10,1	X	34,2-51,2
VII	10,1-15,2	XI	51,2-76,8
VIII	15,2-22,8	XII	более 76,8

Для ударно-вращательного бурения получена иная формула для расчета объединенного показателя ρ_муд:

(3.23)

Данная зависимость отражает основное влияние на процесс буримости горных пород под действием ударных импульсов коэффициента динамической прочности, в то время как для вращательного бурения отмечается преимущественное влияние абразивности горных пород.

Повышенное влияние абразивности при вращательном бурении во многом определяется относительно постоянным контактом бурового инструмента с забоем буримой скважины, в том числе с отделяемыми от забоя кусочками породы и мелким шламом, который отличается значительным абразивным действием, особенно при наличии в составе породы твердых минералов.

Для ударно-вращательного бурения на основании показателя ρ_муд горные породы разделены по буримости на семь категорий (табл. 3.8).

Таблица 3.8

Значения ρ_муд и категории горных пород по буримости при ударно-вращательном бурении

Категория пород по буримости	Значение ρмуд	Категория пород по буримости	Значение ρмуд
I	5,0-7,5	V	25,3-37,9
II	7,5-11,2	VI	37,9-56,9
III	11,2-16,9	VII	56,9 и более
IV	16,9-25,3

Категории горных пород по буримости предназначены для определения затрат времени и средств на бурение, что позволяет на этапе проектирования геологоразведочных работ составить смету расходов и определить сроки производства работ. Показатели абразивности и динамической прочности могут также использоваться при обосновании способа бурения и выборе наиболее эффективного породоразрушающего инструмента.

В то же время, наряду с категорией по буримости объективными параметрами оценки буримости являются твердость, упругость, коэффициент пластичности и, конечно, трещиноватость горных пород. Именно эти параметры служат основой при выборе характеристик бурового инструмента, при обосновании параметров режима бурения.

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.

• Крепость породы, в данном случае, термин, используемый специалистами фирмы Atlas Copco, может характеризоваться как совокупный параметр свойств, определяющий сопротивляемость породы разрушению, который, вероятно, учитывает такие физико-механические характеристики породы как твердость, упругость, пластичность, т.е. основные параметры, определяющие буримость. Очевидно, что крепость горной породы, в данном случае, каким-либо объективным образом с использованием лабораторных методов не определяется и может сопоставляться с твердостью, определяемой по методике проф. Л.А.Шрейнера.

Специалисты компании Boart Longyear при оценке прочностных свойств горных пород применяют термин монолитность, что, очевидно, также тождественно твердости.

В горном деле крепость оценивается шкалой проф. М.М. Протодьяконова через коэффициент крепости f, который рассчитывается с использованием предельной величины прочности породы при сжатии σ_сж (f = σ_сж 10^-2), что крайне не точно позволяет оценивать буримость горной породы с помощью этого показателя.

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.