Определение абразивности горных пород в категориях. Косвенные методы оценки абразивности
В промысловой практике широкое применение находят показатели абра-зивности горных пород, выраженные в категориях. Исследования были начаты под руководством проф. Л . А. Шрейнера. Возможности прямого определения показателей абразивности весьма ограничены, т. к. сплошной отбор керна в скважинах, как правило, не проводится. В связи с этим широкое применение нашел косвенный метод оценки абразивности в категориях по шламу и другой геолого-геофизической информации (метод аналогий). Для этого определяют те же характеристики горной породы, что и для оценки твердости в категориях и находят аналог в тех же таблицах соответствия, т.к. эти таблицы включают две параллельные колонки: одна с данными о твердости породы в катего-риях, а другая с данными об ее абразивности в категориях (РД 39-252-78 Комплексная методика классификации горных пород геологического разреза… . Москва, ВНИИБТ, 1980).
Исследованиями в области абразивности горных пород, выполненными УГНТУ под руководством проф. А. И. Спивака, установлены зависимости между абразивностью пород в категориях и показателями абразивности по отношению к закаленной стали.
Рис. 4.38. Зависимости А от а21 (а) и а21 от А (б)
На рис. 4.38 приведены зависимости для случая, когда определены А и а21. Буквой А обозначена абразивность горной породы категориях. Из рисунка видно, что зависимости А от а21 и а21 от А существен-но нелинейные. Как и в случае твердости горных пород, величина А = 12 кат. принята в качестве асимптоты зависимостей А от а. Соответственно, формула для расчета величины абразивности по показателю а21 имеет вид
|
|
|
| А к = 12(1 –ехр(–1,146· а210,614)). | (4.79) |
При выборе шарошечных долот целесообразно проводить оценочный расчет стойкости стального вооружения шарошек. Для этого расчета необходимы данные о величинах а 21 и а 25. Такие данные можно получить, используя следующие эмпирические формулы:
а21 = 
; (4.80)
а25 = 
. (4.81)
Использование показателей абразивности горных пород в расчетах для других материалов или существенно отличающихся условий работы, например в случаях промывки скважин растворами на нефтяной основе или при продувке воздухом, возможно только после проведения дополнительных испытаний получения соответствующих исходных данных.
Механизмы разрушения горных пород
Механизмы разрушения горных пород при статическом вдавливании инденторов
При вдавливании инденторов с плоской рабочей поверхностью в силуособенностей распределения напряжений объективно можно достичь предельного состояния в двух экстремальных зонах: на контуре, где имеются условия чистого сдвига, и на оси симметрии на глубине zm (см. рис. 4.21). Именно эти два момента лежат в основе выделения Р. М. Эйгелесом двух механизмов разрушения горных пород. Схемы разрушения на примере вдавливания штампа показаны на рисунке 4.39.
|
|
|
| F |
| F |
Рис. 4.39. Схемы развития разрушения горных пород по первому (I) и второму (II) механизмам разрушения
Первый механизм разрушения.При некоторой нагрузке на штамп в первой экстремальной зоне образуется кольцевая трещина, уходящая вглубь в виде конуса (рис. 4.39 а). Жесткость штампа значительно выше жесткости горной породы, поэтому поперечная деформация породы, прилегающей к штампу, незначительна. Следовательно, возможны некоторое раскрытие трещины и отсутствие давления на стенку трещины со стороны конуса. С увеличением нагрузки увеличивается глубина развития трещины. По мере удаления от поверхности влияние штампа на поперечную деформацию конуса уменьшается, и на некоторой глуби-не раскрытие трещины оказывается невозможным. При дальнейшем нагружении штампа поперечная деформация конуса будет ограничиваться окружающей его породой и, следовательно, будет увеличиваться давление со стороны конуса на окружающую породу (матрицу) (рис. 4.39 б), которое стремится сдвинуть или оторвать матрицу. Известно, что сопротивление горных пород сдвигу и тем более отрыву весьма мало. При достижения некоторого критического давления со стороны конуса в матрице возникает боковая трещина отрыва–сдвига, и верхняя часть окружающей конус породы скалывается с образованием лунки (рис. 4.39 в). Отрыв матрицы сопровождается снижением бокового давления на конус и его разрушением. Штамп скачком погружается на значительную глубину.
|
|
|
Второй механизм разрушения.В начальной стадии нагружения развитиеобласти предельного состояния у контура штампа быстро затухает. Основную роль играет развитие области предельного состояния от оси симметрии штампа, т.е. от первой экстремальной зоны (рис. 4.39 г) в направлении к оси симметрии с образованием серповидной области предельного состояния (рис. 4.39 д). Развитие серповидной зоны обусловливает пластическую область деформирования горной породы.
По мере увеличения нагрузки на штамп растут объем предельной области и давление в ней, следовательно, растет и нагрузка, действующая со стороны серповидной области на окружающую породу (матрицу). Далее процесс разрушения ничем не отличается от описанного по первому механизму разрушения, т.е. про-исходит хрупкое разрушение горной породы с образованием лунки (рис. 4.39 е).
|
|
|
В пористых горных породах большое влияние на механизм деформирования и разрушения оказывает уплотнение пород, которое сопровождается большим погружением штампа. Последнее затрудняет развитие трещин отрыва, в результате чего большинство горных пород, хрупких при плотном сложении, будучи сильно пористыми, не дают хрупкого разрушения, а деформируются как пластичные твердые тела.
При вдавливании сферы и других инденторов со скругленной рабочейповерхностью механизм разрушения горных пород имеет некоторые особенности, связанные с иным, чем при вдавливании штампа, распределением напряжений (см. рис. 4.22 б) и с непрерывным увеличением площади контакта по мере увеличения нагрузки.
Наблюдения показывают, что у большинства горных пород в процессе вдавливания сферы предельное состояние возникает за контуром давления (рис. 4.40 а), где и образуется кольцевая трещина. Однако развитие этой трещины в глубину незначительно. При достижении предельного состояния в зоне на оси симметрии наблюдается быстрый рост области предельного состояния во всех направлениях. Кольцевая трещина ограничивает рост области предельного состояния у поверхности в радиальном направлении. Увеличивающееся по мере роста нагрузки давление со стороны области предельного состояния на поверхность трещины вызывает скол породы, прилегающей к сфере за контуром давления (рис. 4.40 б). Однако существенной разгрузки в силу особенностей распределения давления по площадке контакта в зоне предельного состоя-ния не происходит, как не происходит и разрушения предельно нагруженной породы, прилегающей к поверхности сферы.
F
Рис. 4.40. Схема развития разрушения горной породы при вдавливании сферы
С дальнейшим увеличением нагрузки процесс деформирования и разрушения в значительной степени аналогичен процессу при вдавливании штампа. Наличие кругового скола резко снижает темп прироста площади давления с ростом нагрузки. При этом быстро развивается область предельного состояния, растет давление на вмещающую не разрушенную породу (матрицу). Под действием давления происходит скол или отрыв матрицы с разгрузкой и разрушением области предельного состояния (ядра) и с образованием значительной зоны хрупкого разрушения (рис. 4.40 в).
При деформировании горных пород с низким модулем упругости, особенно пористых пород, быстро увеличивается площадь контакта вследствие деформирования и уплотнения зоны предельного состояния и медленно растут напряжения. Последнее обусловливает малый объем лунки хрупкого разрушения или ее полное отсутствие.
Острые инденторы (конус,клин,пирамиду)можно рассматривать как инструменты, радиусы кривизны вершин которых близки к нулю. На рис. 4.41 а показана схема вдавливания клина с углом при вершине 60°. Предельное состояние под острым индентором возникает при весьма малых нагрузках. Далее формируется уравновешивающая нагрузку поверхность деформируемого тела, прилегающая к граням клина или к поверхности конуса.
а б
Рис. 4.41. Схема вдавливания острого клина (а) и зависимость h от F (б)
При вдавливании заостренных инденторов в хрупкие и пластично-хрупкие горные породы процесс разрушения последних протекает скачкообразно. На рисунке 4.41 б показана зависимость глубины погружения h от на-грузки F при вдавливании клина в хрупкую горную породу. В начальный пе-риод до величины силы F1 происходит пластическое деформирование , и на этом участке глубина погружения прямо пропорциональна нагрузке на величину h1. Затем глубина погружения скачкообразно возрастает вследствие хрупкого разрушения на глубину h1', причем погружение на эту глубину происходит при небольшом увеличении нагрузки. При дальнейшем вдавливании вследствие упругой и пластической деформаций глубина погружения замедленно растет вплоть до нового скачка погружения при F = F2 и т.д.
В процессе вдавливания острых инденторов в пластичные тела монотонно увеличивается уравновешивающая поверхность. Лунка в этом случае образуется вследствие пластического вытеснения материала вдавливаемым индентором в виде валика вокруг индентора.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 689; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!