Определение твердости горных пород в категориях. Классификации горных пород по твердости, упругости и пластичности
В горном деле широкое применение находит определение показателей механических свойств в условных единицах – категориях. В бурении эти показатели используются при нормировании буровых работ и при выборе породоразрушающих инструментов. Рассмотрим порядок определения категорий пород на примере их твердости. Твердость в категориях обозначим буквой Н.
Все горные породы по их твердости и пределу текучести по штампу Л. А. Шрейнером разделены на 12 категорий. Первоначально были выделены три группы горных пород – мягкие, средней твердости и твердые, по четыре ка-тегории в каждой группе. Позднее было предложено выделять пять групп. Классификация Л. А. Шрейнера по рш и р0 приведена в таблице 4.4.
| Классификация горных пород по рш и р0 | Таблица 4.6 | ||
| Группа | Категория | р ш,МПа | р 0,Мпа |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Мягкие | 1 | < 100 | < 40 |
| 2 | 100–250 | 40–110 | |
| 3 | 250–500 | 110–250 | |
| Средней твердости | 4 | 500–1000 | 250–550 |
| 5 | 1000–1500 | 550–850 | |
| Твердые | 6 | 1500–2000 | 850–1200 |
| 7 | 2000–3000 | 1200–1900 | |
| Крепкие | 8 | 3000–4000 | 1900–2500 |
| 9 | 4000–5000 | 250–3500 | |
| Очень крепкие | 10 | 5000–6000 | 3500–4200 |
| 11 | 6000–7000 | 4200–5100 | |
| 12 | > 7000 | > 5100 | |
Возможности прямого определения твердости горных пород весьма огра-ниченны, т.к. большие интервалы бурятся без отбора керна. В БашНИПИнефти и ВНИИБТ разработаны методики оценки категорий твердости горных пород по их геолого-петрографическому описанию шлама и геолого-геофизическим характеристикам методом аналогий. Выделяемые при этом категории идентичны категориям твердости, выделяемым по показателям твердости и предела текучести по штампу. Определение категорий твердости проводится с использованием таблиц соответствия. Таблица 4.7 представляет собой пример выборки таких данных.
|
|
|
Метод аналогий. При определении категории твердости горной породыметодом аналогий необходимо определить ее литологию, наличие и состав твердых примесей, состав и строение цемента, например по шламу, и порис-тость по геофизическим данным, выбрать из таблиц соответствия ближай-ший аналог и присвоить рассматриваемой горной породе твердость аналога. Таблицы соответствия содержатся в руководящих документах по технологии бурения. Прямое использование в расчетах характеристик твердости горных пород невозможно. Необходим перевод категорий в общепринятые показатели механических свойств горных пород. Такая работа была выполнена в УГНТУ.
| Характеристики категорий твердости осадочных горных пород Таблица 4.7 | |||||
| Кате- | Наличие | ||||
| Горная порода
| рассеянного | Текстура | |||
| гория | кремнистого | ||||
| материала | |||||
| 1 | Мел | Нет | Плотный | ||
| 2 | Глина | Нет | Плотная и пористая | ||
| Известняк | Нет | Пористо-кавернозный | |||
| 3 | Аргиллит | Нет | Плотный | ||
| Галит | Нет | Плотный | |||
| Гипс | Нет | Плотный | |||
| Мергель | Нет | Пористый | |||
| 4 | Известняк | Да | Пористо-кавернозный | ||
| Известняк глинистый | Нет | Плотный | |||
| Известняк доломитизированный | Нет | Пористо-кавернозный | |||
| Доломит глинистый | Нет | Плотный | |||
| Аргиллит карбонатный | Да и нет | Плотный | |||
| Ангидрит | Да и нет | Плотный | |||
| Галит с примесями карбонатов | Нет | Плотный | |||
| Мергель | Да | Плотный | |||
| Песчаник с карбонатно- | Да | Пористый | |||
| глинистым цементом | |||||
| 5 | Алевролит с карбонатно- | Да | Плотный | ||
| глинистым цементом | |||||
| Аргиллит кремнистый | Да | Плотный | |||
| Доломит известковый | Да нет | Пористо-кавернозный | |||
| Песчаник с карбонатным | Да | Пористый | |||
| цементом | |||||
| 6 | Алевролит с карбонатным | Да | Плотный | ||
| цементом | |||||
| Песчаник с карбонатным | Да | Плотный | |||
| цементом | |||||
| Песчаник с кремнистым | Да
| Плотный | |||
| цементом | |||||
| 7 | Алевролит с карбонатным | Да | Плотный | ||
| цементом | |||||
| Песчаник с карбонатным | Да | Плотный | |||
| цементом | |||||
| Песчаник с кремнистым | Да | Пористый | |||
| цементом | |||||
| Доломит | Да | Плотный | |||
| 8 | Алевролит с кремнистым | Да | Плотный | ||
| цементом | |||||
| Песчаник с кремнистым | Да | Плотный | |||
| цементом | |||||
| Известняк доломитизированный | Да | Плотный | |||
| 9 | Доломит | Да | Плотный | ||
| Кремень* | – | Плотный | |||
* Кремень может быть от 9 до 11 категории
| На рис. 4.27 приведена зависимость твердости горных пород в категориях | ||||||||||
| Н от твердости по штампу р ш,построенная по данным М.Г.Абрамзона и др. | ||||||||||
| Из рисунка видно, что зависимость Н от р ш нелинейная. Величина Н = 12 кат. | ||||||||||
| принята в качестве асимптоты зависимости Н от р ш. Тогда зависимость Н от р ш | ||||||||||
| Описывается уравнением | ||||||||||
| Н = 12(1 –ехр(–0,00487·р ш0,666)),кат., | (4.61) | |||||||||
| где р ш – твердость горной породы в МПа. Линия графика соответствует урав | ||||||||||
| нению (4.61), а точки – исходным данным. Из рис. 4.27 видно, что уравне | ||||||||||
| ние (4.61) хорошо согласуется с исходными данными. | ||||||||||
| 14 | ||||||||||
| 12 | ||||||||||
| ,кат
| 10 | |||||||||
| 8 | ||||||||||
|
| ||||||||||
| 6 | ||||||||||
| 4 | ||||||||||
| 2 | ||||||||||
| 0 | ||||||||||
| 0 | 1000 | 2000 | 3000 | 4000 | 5000 | 6000 | ||||
| Твердость по штампу, МПа | ||||||||||
Рис. 4.27. Зависимость твердости горной породы в категориях от твердости по штампу
Аналогично были рассмотрены данные о величинах предела текучести горных пород по штампу и величинах прочности на одноосное сжатие и соответствующих им твердостей в категориях и были получены следующие уравнения:
| Н = 12(1 –ехр(–0,0349·р00,433)),кат.; | (4.62) |
| Н = 12(1 –ехр(–0,02377σсж0,687)),кат., | (4.63) |
где р0 иσсж–предел текучести по штампу и предел прочности на одноосноесжатие в МПа соответственно.
Для перевода твердости горных пород, полученных методом аналогий, в стандартные прочностные показатели получены следующие формулы:
рш = 
, МПа. (4.64)
р0 = 
, МПА. (4.65)
σсж = 
, МПа (4.66)
На основе расчетов по согласованию категорий твердости, полученных методом аналогий, и результатов измерений твердости и предела текучести по штампу на кернах горных пород выполнено уточнение классификации горных пород (табл. 4.8). Классификация ограничена 10-ю категориями, так как осадочные горные породы относятся к первым девяти категориям. Окремнение горных пород может повысить их твердость до десятой категории.
Таблица 4.8
Уточненная классификация осадочных горных пород по показателям твердости и предела текучести по штампу
| Категории | Твердость по штампу, | Предел текучести | ||||||
| Группы | МПа | по штампу, МПа | ||||||
| твердости | ||||||||
| средняя | от | до | средний | от | до | |||
| 1 | 75 | 25 | 145 | 15 | 5 | 30 | ||
| Мягкие | ||||||||
| 2 | 230 | 145 | 335 | 60 | 30 | 100 | ||
| 3 | 460 | 335 | 600 | 160 | 100 | 230 | ||
| Средней | 4 | 765 | 600 | 960 | 320 | 230 | 440 | |
| твер- | ||||||||
| 5 | 1175 | 960 | 1430 | 590 | 440 | 770 | ||
| дости | ||||||||
| Твердые | 6 | 1720 | 1430 | 2050 | 1000 | 770 | 1280 | |
| 7 | 2440 | 2050 | 2890 | 1630 | 1280 | 2070 | ||
| Крепкие | 8 | 3420 | 2890 | 4070 | 2620 | 2070 | 3340 | |
| 9 | 4860 | 4070 | 5850 | 4280 | 3340 | 5550 | ||
| Очень | 10 | 7140 | 5850 | 8930 | 7140 | 5550 | 8930 | |
| крепкие | ||||||||
В соответствии с группами горных пород в нашей стране изготавливаются типы долот по вооружению. За рубежом породоразрушающие инструменты изготавливают в соответствии с группами горных пород, выделяемых по величине прочности на одноосное сжатие.
По модулю деформации (упругости) по штампу все горные породы разделены на восемь категорий:
| Категория | 1 | 2 | 3 | 4 |
| С·10-2,МПА | < 25 | 25–50 | 50–100 | 100–250 |
| Категория | 5 | 6 | 7 | 8 |
| С·10-2,МПА | 250–500 | 500–750 | 750–1000 | > 1000 |
По коэффициенту пластичности по штампу все горные породы разделены на шесть категорий:
| Категория | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| К | 1 | 1–2 | 2–3 | 3–4 | 4–6 | 6–∞ |
К первой категории относятся хрупкие горные породы (первого класса), к категориям со второй по пятую – пластично-хрупкие (второго класса), а к шестой – высокопластичные и сильнопористые породы (третьего класса).
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 3749; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!