Метод статического вдавливания штампа

⇐ ПредыдущаяСтр 19 из 97Следующая ⇒

Л. А . Шрейнер, анализируя методы , предложенные для измерения сопротивления горных пород вдавливанию, и методы измерения твердости вдавливанием, пришел к выводу о необходимости принципиально изменить способ измерения.

При определении твердости металлов задается нагрузка, а измеряется площадь или глубина полученного под индентором пластического отпечатка. Но большинство горных пород разрушалось под индентором хрупко. Поэтому Л. А. Шрейнер предложил задать площадь контакта и измерять нагрузку на индентор, под действием которой происходят деформирование и разрушение породы.

Наиболее удобной геометрической формой индентора является круглый штамп с плоским основанием (рис. 4.25). Для испытания плотных и однородно-пористых пород используются штампы диаметром 1.5–2 мм, а для пород с размером зерна больше 0,25 мм лучше использовать диаметром 3 мм. Для сильно-пористых и малопрочных пород необходимы штампы диаметром 5 мм и более. Штампы изготавливаются из инструментальной стали с последующей закалкой (рис. 4.25 а) или из твердого сплава (рис. 4.25 б). Штампы из твердого сплава используются для испытания очень твердых пород. Предпочтительна цилиндрическая форма штампа, но для избежания скалывания штампа при испытании твердых и крепких пород возможна коническая форма.

Метод вдавливания штампа позволяет не только определять твердость горных пород, но и оценивать их упругие и пластические характеристики на небольших образцах и на кернах, извлекаемых в процессе бурения скважин с различных глубин залегания.

Для определения механических свойств горных пород методом вдавливания штампа необходимы образцы пород высотой и диаметром не менее 40 мм. Эти образцы должны иметь две плоскопараллельные шлифованные поверхности.

а б

Рис. 4.25. Штамп стальной цилиндрический (а) и с твердосплавной конической вставкой (б)

Для определения механических свойств горных пород методом вдавли-вания штампа необходимы образцы пород высотой и диаметром не менее 40 мм. Эти образцы должны иметь две плоскопараллельные шлифованные поверхности.

В настоящее время испытания горных пород проводятся на установках УМГП-3 и УМГП-4 с автоматической записью зависимости нагрузки на штамп от глубины его внедрения. Установка УМГП-3 рассчитана на нагрузку 0–0,98; 0–2,45; 0–4,9 и 0–9,81 кН с предельной величиной внедрения 750 мкм. При испытаниях на одной ленте записывается несколько графиков, снятых в различных местах образца, что позволяет судить об однородности образца и наблюдать за разбросом значений. Последнее определяет необходимое количество опытов на одном образце.

Испытания ведутся при весьма малой скорости нагружения штампа, п-этому в литературе широко используется другое название метода – метод статического вдавливания штампа.

Штамп в образец породы вдавливается до тех пор, пока при некоторой нагрузке не произойдет хрупкое разрушение породы под штампом или не будет достигнута предельная величина внедрения.

Обработка результатов испытаний.Горные породы по характеру зависимости нагрузки на штамп от глубины его внедрения делятся на три класса: I – хрупкие, II – пластично-хрупкие, III – высокопластичные и сильнопористые.

На рис. 4.26 а приведена характерная зависимость нагрузки от погружения штампа для хрупких горных пород. Из рисунка видно, что при деформировании вплоть до момента хрупкого разрушения соблюдается закон Гука. По наиболь-шей нагрузке F_max определяется твердость породы по штампу р_ш:

_p _ш ₌ ^Fmax _,	(4.56 )
S

где S – площадь штампа (S= 0,785d ²); d – диаметр штампа.

Для пластично-хрупких пород (рис. 4.25 б) помимо твердости определяется предел текучести породы по штампу p ₀:

р ₀ = F ₀ /S.	(4.57)
В качестве показателя пластичности пород принято отношении
k = A _P / A _у,	(4.58)

где A P – работа деформирования до момента начала разрушения(h = h p); А у – работа упругого деформирования(h = h у).

Рис. 4.24. Типовые зависимости F от h для горных пород различных классов:

– хрупкие(первый класс); б – пластично-хрупкие(второй класс);

– высокопластичные(третий класс)горные породы

Для пород первого класса h y = h p.Следовательно, k = 1. Величины работ А р и Ау определяют,как правило,графически путем измерения площадейОАВС и ОDE (рис. 4.26 б), т.е.

А _Р = (пл.ОАВС) m; А _y = (пл.ОDE) m,

где т – масштаб графика нагрузка–глубина вдавливания штампа в размерности работы.

При вдавливании штампа в высокопластичные и сильнопористые горные породы хрупкого разрушения не происходит. Характерная зависимость нагрузки от глубины вдавливания штампа в такие породы приведена на рис. 4.26 в, из которого видно, что в этом случае нельзя определить ни твердость по штампу, ни коэффициент пластичности. Зная нагрузку F0, по формуле (4.57) вычисляется предел текучести породы. Коэффициент пластичности условно принимается равным бесконечности.

По начальному участку графиков, где имеется прямая пропорциональность между нагрузкой и глубиной погружения штампа, определяется модуль деформации С при вдавливании:

С = . (4.59)

Важной характеристикой механических свойств горных пород является удельная объемная работа разрушения АV, которая определяется делением общей работы АР, затраченной до начала разрушения, на объем лунки V, образовавшейся при разрушении, т.е. АV = АР /V.

Для пород третьего класса общую работу до разрушения вычисляют условно. В этом случае график нагрузка –перемещение продолжают до глубины вдавливания, равной диаметру штампа.

По изложенной выше методике Л. А. Шрейнера в случае определения удельной объемной работы разрушения учитывается только работа внедерения штампа до момента хрупкого разрушения (рис. 4.26 а, б). Однако, если в точке В или D прекратить нагружение и снять нагрузку,то никакого разрушения непроизойдет. Для того чтобы произошел скол с образованием лунки, необходимо совершить работу на всем интервале деформирования и разрушения породы. Величина работы прямо пропорциональна площади OABFL:

А = (пл. ОАВFL) m,

где т –масштаб графика.

Тогда формула для расчета удельной объемной работы разрушения принимает вид

А_V = А /V.

(4.60)

Этот показатель более объективно характеризует энергоемкость разрушения горных пород при вдавливании.

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1458; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 14 15 16 17 181920 21 22 23 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!