Горные породы. Механические свойства горных пород

ЛИТЕРАТУРА:

образовались в результате химико-физического преобразования ранее существующих пород с последующим их переносом и отложением в виде пластов (слоев). В эту группу также входят породы, образованные в результате жизнедеятельности организмов (органогенные осадочные породы).

образовались в результате преобразования магматических и осадочных пород под действием высоких давления и температуры.

Кристаллические хемогенного и органогенного происхождения
(24 %)

Вид связей

Связные
Сцементированные

Рыхлые
Сцементированные

Кристаллизационные

Глины
Аргиллиты, глинистые сланцы

Алевриты, пески
Алевролиты, песчаники

Известняки,
Доломиты,
ангидриты,
Гипсы,
каменная соль, калийная соль, бишофит

Описанием пород по составу занимается наука литология.

В скобках показано осредненное содержание рассматриваемых горных пород в разрезах нефтяных и газовых месторождений

строение

неоднородность

Строение горных пород описывается двумя основными признаками:

структурой

текстурой

обусловлена размером, формой и характером поверхностей слагающих породу обломков и кристаллитов

характеризует особенности сложения породы
(слоистость, сланцеватость, пористость, трещиноватость)

Важнейшими характеристиками строения горных пород являются их
пористость и проницаемость.

обусловлена наличием пустот в горной породе и характеризуется коэффициентом пористости

характеризует сообщаемость пор

Свойства горных пород, которые проявляются в механических процессах (при деформировании, разрушении и изнашивании) называются механическими.

Fmax

Классификация горных пород по показателю прочности
на одноосное сжатие

1 – штамп; 2 – горная порода; 3 – обломок горной породы; 4 - лунка
F - нагрузка на штамп; h - глубины внедрения штампа в породу

б - хрупкое разрушение горной породы в конце вдавливания;

4

Высокопластичная порода

2. Предел текучести горной породы по штампу
ро = F0 / S, МПа (Н/мм2),
где F0 – нагрузка на штамп, соответствующая переходу от упругого деформирования к неупругому

Показатели, характеризующие прочностные свойства породы

Показатель, характеризующий затраты энергии на разрушение породы

4. Энергоемкость разрушения породы
AV=AР / Vл, Дж/ см3
где АР – полная работа, совершаемая штампом при образовании лунки объемом VЛ.
VЛ – определяется методом заполнения лунки парафином или пластилином.

Классификация горных пород по твердости

Поэтому:

В качестве аргумента принята энергия удара штампа о горную породу Т.

динамическое вдавливание элементов вооружения породоразрушающих инструментов.

Р

Всего бывает до 4-х скачков разрушения при одном акте воздействия штампа на породу

Р

Р

Р

С увеличением энергии воздействия энергоемкость разрушения скачкообразно уменьшается, а объем лунки ступенчато растет.

Минимумы энергоемкости выделяют как скачки разрушения

Первый скачок разрушения породы -

За одно воздействие - один выкол

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа

Под действием нагрузки P на штамп 1 в породе 2 формируется область предельного состояния породы 3 (ядро всестороннего сжатия). Давление в ядре растет вместе с увеличением нагрузки P и передается на окружающую его породу.

3

1

2

При достижении в окружающей ядро породе предельных напряжений в ней образуются боковые трещины и происходит хрупкое разрушение окружающей ядро породы.

обломки

За одно воздействие - два последовательных выкола

Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа

За одно воздействие - три последовательных выкола породы

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа

Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т

За один акт воздействия -четыре последовательных выкола породы

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа

Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т

рс - рт = ру,

где р0з – предел текучести горной породы в забойных условиях;
а – коэффициент пропорциональности

Поломка – процесс изменения формы и размеров твердого тела в результате однократного взаимодействии с другим твердым телом.

обобщенным показателем - удельной мощностью трения Nуд:
Nуд = fpvt ,
где р - давление на поверхностях трения;
f - коэффициент трения;
vt - скорость относительного перемещения
изнашиваемых поверхностей.

Среда характеризуется
смазывающей и охлаждающей способностями.

Свойства трущихся поверхностей характеризуются
шероховатостью, соотношением твердостей поверхностей

По аэ классификация
Все горные породы делятся на
восемь классов от
весьма малоабразивных
до
в высшей степени абразивные

n

Измеряется:
МТР - момент трения на диске, Н·мм;
ΔR - потеря радиуса диска (мм), за время Δt, с.

1 – диск из долотной стали радиусом R и шириной рабочей поверхности b;
2 – образец горной породы;
3 – подвод охлаждающей жидкости

По результатам испытаний строятся зависимости а от Nуд,

Рабочая поверхность диска:

отсюда:

выделены три области изнашивания стали по существенному изменению характера зависимости а от Nуд.

Вторая область (от Nуд1 до Nуд2) - область теплового изнашивания

для обломочных горных пород

для кристаллических осадочных горных пород

Вторая область изнашивания
характерна для работы
элементов вооружения породоразрушающих инструментов -
шарошечных долот

где А и В - экспериментальные параметры
уравнения изнашивания,
зависящие от абразивности горной породы

где А и k - экспериментальные параметры,
зависящие от абразивности породы.

Скорость изнашивания твердого сплава
при разрушении горных пород в 80…120 раз меньше,
чем скорость изнашивания закаленной стали,
и прямо пропорциональна удельной мощности трения.
Однако при Nуд > 4 Вт/мм2 наблюдается резкое
увеличение скорости изнашивания твердого сплава,

В первой области в качестве показателя использован
угловой коэффициент А0 уравнения

при Nуд = 0,2…0,3 Вт/мм2

а11 = А0

первая цифра индекса показателя
- область изнашивания,
- вторая - условная удельная мощность

Все горные породы разделены на 12 категорий,
которые объединены в три группы
по четыре категории в каждой.

Классификация по абразивности осадочных горных пород
по отношению к закаленным сталям