книги / Физико-механические свойства горных пород

В группу горных пород повышенной вязкости (умеренно хруп­ кие породы) входят диабаз, липарит, андезит и тешенит—эффу­ зивные породы, отличающиеся мелкозернистой либо порфировой структурой, где зерна размером 0,001—0,01 мм составляют от 40 до 70%, преобладающая форма зерен призматическая или игольча­ тая. В группу хрупких пород входят граниты, пегматит, лабрадо­ рит, габбро. Все перечисленные породы—интрузивные, крупнокри­ сталлические с призматическими, табличными и изометричными зернами.

Таким образом, существенное влияние на хрупко-пластические свойства горных пород оказывают их структурные особенности (размеры и форма зерен). Мелкозернистые породы с удлиненно­ призматической и игольчатой формой зерен обладают повышен­ ной вязкостью и пластичностью по сравнению с породами, отли-

111

чающимися крупнокристаллической структурой, сложенной изометричными и округлыми зернами.

Влияние минерального состава на хрупко-пластические свойст­ ва изучалось на примере малослюдяных гранитов и гранитов с со­ держанием слюды 12—15%. Для первых показатели хрупкости

ссж асж

колеблются от 0,24 до 0,31. Граниты с большим содержанием слю­ ды, являются более хрупкими.

Выводы

1. На хрупко-пластические свойства горных пород существен­ ное влияние оказывает их структура, связанная с генетическими особенностями пород, а именно: интрузивные породы с грубо- и крупнозернистой структурой являются более хрупкими по сравне­ нию с мелкозернистыми или порфировидными породами эффузив­ ного происхождения.

2.Повышенной вязкостью и пластичностью отличаются эффу­ зивные породы.с игольчатой и призматической формой зерен.

3.Гранитные породы с большим содержанием слюды обладают повышенной хрупкостью по сравнению с малослюдистыми грани­ тами.

ЛИТЕРАТУРА

■1. П р о т о д ь я к о н о в М. М. Опыт определения крепости углей и пород методом толчения. В сб.: «Механические свойства горных пород». Госгортехиздат, 1959.

2. К о й ф м а н М. И., К в а шн и н а О. И. Определение хрупко-пластических 'Свойств горных пород методом повторных микроударов. В сб.: «Механические свойства горных пород». Изд-во АН СССР, 1964.

Канд. техн. наук В. И. КАРПОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И АБРАЗИВНЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ВРАЩАТЕЛЬНОМ БУРЕНИИ ШПУРОВ

Эффективность разрушения горных пород при бурении тесно связана с их механическими свойствами, поэтому разработка ме­ тодов оценки этих свойств применительно к отдельным технологи­ ческим процессам добычи имеет большое значение.

Разработка классификации горных пород по физико-механиче­ ским свойствам для вращательного бурения должна осуществлять­ ся по следующим этапам:

1) создание простого прибора, позволяющего количественно оп­ ределять в условиях забоя прочностные и абразивные свойства бу­ римых пород;

2) классификация горных пород по определенным цифровым значениям твердости и абразивности;

113

3) определение для каждого класса пород оптимальных режи­ мов бурения.

Таким образом, определение оптимального режима бурения горной породы сводится к определению твердости и абразивности непосредственно в забое шахты с последующим определением ре­ жимов бурения по готовым таблицам.

Работы лаборатории исследования физико-механических свойств горных пород ИГД им. А. А. Скочинского показали, что на процесс вращательного бурения в наибольшей степени влияют твердость (сопротивление разрушению породы при бурении) и аб­ разивность торных пород.

Для определения механических и абразивных свойств горных пород предложен прибор ПТА (прибор для определения твердости и абразивности горных пород), ранее описанный в литературе [1, 2]. Прибор позволяет получать значения относительной твер­ дости и относительной абразивности горных пород непосредствен­ но в забое. Методика определения твердости и абразивности гор­ ных пород отрабатывалась на стенде вращательного бурения и описана в литературе [3].

В статье даются результаты испытаний ряда горных пород раз­ личных месторождений СССР прибором ПТА с последующим со­ поставлением результатов испытаний с прочностными, упругими и абразивными характеристиками горных пород, полученными дру­ гими методами.

Для испытаний были выбраны различные горные породы в ши­ роком диапазоне—от слабых неабразивных известняков до твер­ дых абразивных гранитов и песчаников. Всего была испытана 21 разновидность торных пород.

Из прочностных характеристик определялись: предел прочности на одноосное сжатие, предел прочности на разрыв, предел проч­ ности на срез. Кроме того, для шестнадцати пород были построены паспорта прочности.

Предел прочности на одноосное сжатие определялся на цилинд­ рических образцах диаметром от 32 до 70 мм, отношение высоты к диаметру было равно единице. Особое внимание обращалось на тщательность изготовления образцов.

Определение предела прочности на разрыв производилось по методике ВУГИ [4] на образцах—пластинках круглой формы, изго­ товленных из кернов буровых скважин диаметром 70 мм, толщи­ ной 7—8 мм. Образцы подвергались изгибу кольцевым штампом и по разрушающей нагрузке расчетным путем .определялся предел прочности на разрыв.

Характеристика прочности горных пород при объемном напря­ женном состоянии показана графически в виде так называемого паспорта прочности или предельной огибающей кривой наиболь­ ших кругов напряжения Мора в осях сг=/(т). Для построения оги­ бающей наибольших кругов напряжений Мора достаточно иметь зависимость между величинами нормального и касательного ком­

114

понентов напряжения по площадке среза в момент появления хруп­ кого разрушения при нескольких напряженных состояниях. Для получения искомой зависимости был принят метод испытания гор­ ных пород на срез со сжатием, производимый по одной плоскости. В наших опытах для получения зависимости а=/(т) применена методика ВУГИ [4].

Предел прочности горных пород на срез определялся из паспор­ тов прочности в точке пересечения предельной огибающей кривой с осью х.

Из упругих характеристик определялись коэффициент Пуассо­ на по методике ВУГИ [4] и модуль упругости горных пород. Сле­ дует отметить, что для определения модуля упругости горных по­ род нами совместно с Н. А. Кудрей и В. С. Вобликовым был скон­ струирован и испытан прибор, позволяющий в процессе опытов при замере доводить образец горной породы до разрушения, что не удавалось сделать при прежних методах [5]. Произведены срав­ нительные эксперименты по определению модуля упругости по ме­ тодике ВУГИ на этом приборе с замерами деформации горной по­ роды вплоть до разрушения образца. Целью этих экспериментов было выяснить влияние трения на торцах образцов и влияние ба­ зы замера деформации на величину модуля упругости. Сравнитель­ ные эксперименты проводились на граните Дрезденского место­ рождения. Эксперименты показали, что модуль упругости практи­ чески не зависит от величины базы замера деформаций. В то же время влияние трения на торцах заметно сказывается на величине модуля упругости, так как у торцов образцов образуется неравно­ мерное напряженное состояние, которое влияет на величину де­ формации (в сторону ее уменьшения), увеличивая соответственно модуль упругости.

ч Значения полученных в работе прочностных и упругих характе­ ристик горных пород приведены в таблице.

Кроме того, у исследуемых пород определялись следующие ха­ рактеристики: контактная прочность, твердость (прибором А. Н. Кульбачиого) и абразивность (методом истирания).

Для оценки сопротивляемости горных пород при различных технологических процессах (бурение, резание и т. д.) докт. техн. наук Л. А. Шрейнером был предложен метод определения твер­ дости горных пород. Методика Л. А. Шрейнера предусматривает изготовление плоскопараллельных образцов со шлифованными по­ верхностями. Докт. техн. наук Л. И. Барон и канд. техн. наук

Л.Б. Глатман предложили несколько видоизменить методику ис­ пытаний, предложенную Л. А. Шрейнером, а именно: осуществлять вдавливание пуансона в необработанную поверхность испытуемого образца. Полученную прочностную характеристику Л. И. Барон и

Л.Б. Глатман, в отличие от твердости по штампу, назвали кон­ тактной прочностью. Методика определения контактной прочности

описана в инструкции [6].

115

116

117

Определение крепости горных пород по временному сопротив­ лению образцов одноосному сжатию требует сложного камнерез­ ного оборудования и прессового хозяйства, которым шахты в боль­ шинстве случаев не располагают. Для решения ряда практических задач инж. А. Н. Кульбачным и доц. А. М.Янчуром был предложен прибор для определения твердости горных пород методом сверле­ ния [7].

Исследование абразивных свойств горных пород осуществляет­ ся путем истирания образца горной породы о наждачную шкурку с последующим определением веса истертой породы за время исти­ рания. Методика определения абразивных свойств горных пород методом истирания описана в литературе [8].

Значения контактной прочности, твердости, определенной мето­ дом А. Н. Кульбачного, и абразивности, определенной методом истирания, приведены в таблице.

Исходя из данных таблицы, необходимо проверить наличие сле­ дующих -корреляционных зависимостей:

1)между твердостью для различных методов;

2)между абразивностью для различных методов;

3)показателей твердо­

сти с другими показателями механических свойств гор­ ных пород.

Для обработки опытных данных воспользуемся вари­ антом графического метода, предложенным докт. техннаук М. М. Протодьяконовым [9].

По оси абсцисс нанесем значение аргумента, напри­ мер величину твердости по­ роды, полученную прибором ПТА, а по оси ординат— твердость породы, опреде­ ленную на стенде (рис. 1).

Масштаб выбираем та­ ким образом, чтобы разме­ ры диаграммы по горизон­ тали и вертикали были бы

примерно одинаковы. В этом случае корреляционная связь между величинами выступает наиболее наглядно.

Опытные точки располагаются в виде некоторого пучка. После этого на глаз проводим границы разброса точек и среднюю линию данного пучка точек; вдоль средней линии нанесем примерно рав­ ные отрезки и через точки деления проведем линии, перпендику­ лярные средней кривой. В результате все поле разброса опытных точек делят на ряд участков. Для каждого участка графическим

118

путем находим центр тяжести всех входящих в него точек, для чего смежные точки соединяют попарно и находят середины соединяю­ щих отрезков. Затем этот прием повторяют для вновь полученных средних точек и т. д., пока не будет получен общий центр тяжести.

По полученным средним точкам для всех участков на глаз про­ ведем кривую данной зависимости. Проверка показала, что эта кривая весьма мало отличается от кривой, вычисленной по методу наименьших квадратов. Трудоемкость же построения этой кривой во много раз меньше, чем при использовании метода наименьших квадратов. Поэтому в дальнейшем мы будем пользоваться графи­ ческим методом обработки опытных данных.

Для характеристики разброса опытных данных относительно усредняющей кривой вычислим отклонения опытных значений функций от средних значений, определенных по найденной кривой в процентах. Тогда среднее квадратичное отклонение для всех опытных точек будет представлять собой коэффициент вариации всего поля точек.

Сначала нанесем на корреляционный график данные твердости, определенные прибором ПТА, и данные, полученные при враща­ тельном бурении (см. рис. 1). Анализируя график, можно видеть, что твердость, определенная в процессе вращательного бурения на стенде, довольно хорошо коррелирует с твердостью, определенной прибором ПТА. Этого надо было ожидать, так как процесс разру­ шения горной породы в первом и втором случае практически оди­ наков и отличается только диаметром шпура, материалом режу­ щего инструмента и параметрами бурения (величина подачи, ско­ рость вращения инструмента).

Уравнение корреляционной связи для твердости, определенной в процессе вращательного бурения и прибором ПТА, может быть записано в следующем виде:

РП^ 0 ,1 5 Р С.

Коэффициент вариации, характеризующий разброс опытных данных относительно усредняющей прямой, равен 19%. Так как исследованию подвергались породы с самыми разнообразными прочностными и абразивными свойствами, то этот коэффициент вариации вполне приемлем.

Нанося на корреляционный график значения твердости, полу­ ченной прибором ПТА и прибором А. Н. Кульбачного (рис. 2), по­ лучим так же прямолинейную зависимость. Причем в данном слу­ чае наблюдается более тесная связь по сравнению с предыдущим графиком. Коэффициент вариации равен всего лишь 11%.

Уравнение корреляционной связи может быть записано в сле­ дующем виде:

Р '« 7 ,5 Р И.

Попытаемся установить корреляционные связи между показа­ телем абразивности, определенной прибором ПТА, с показателями

119

абразивности, определенными в процессе вращательного бурения шпуров и методом истирания.

Следует заметить, что все три показателя абразивности явля­ ются родственными друг другу. При методе сверления, так же как и при.методе истирания, горная порода разрушается соответствен­ но сверлом и карборундовыми зернами шлифовальной шкурки. При этом происходит одновременное истирание как породы, так и шкурки и сверла, в результате чего интенсивность процесса раз-

рушения породы во времени Рп.хГ замедляется. Поэтому можно ожидать хорошей сопоставимо­ сти показателей абразивности, определенных этими методами.

Нанося на график корреля­ ционной зависимости значения абразивности, полученные при вращательном бурении на стен­ де и прибором ПТА (рис. 3), получим прямую зависимость. Уравнение корреляционных связей может быть записано в следующем виде:

ЛС^ 2 1 ,2 5 Л П.

Разброс опытных данных относительно усредняющей пря­ мой характеризуется коэффи­ циентом вариации, равным 19%.

График корреляционной за­ висимости между показателями абразивности, определенными при­ бором ПТА и методом истирания, показан на рис. 4.

Уравнение зависимости между показателем абразивности, по­ лученным прибором ПТА, и показателем абразивности, получен­ ным по методу истирания, следующее:

0,7 Ли.

. Далее, произведем сопоставление прочностных и упругих харак­ теристикиспытанных горных пород с твердостью, полученной при­ бором ПТА.

Сравнивая предел прочности на одноосное сжатие <тсж с твер­ достью по прибору ПТА, можно отметить, что с ростом асж имеет­

ся тенденция к увеличению твердости, но корреляционная связь получилась с довольно большим разбросом данных. Для практи­ ческого употребления эта зависимость не годится.

120