Особенности разрушения горных пород при динамическом вдавливании инденторов.

Энергоемкость разрушения

Для бурения скважин характерны только динамические процессы вдавливания. Если для описания статических процессов достаточна система уравнений равновесия сил и моментов, то для динамических процессов необходимо дополнительно иметь уравнение баланса энергии.

Исследования, выполненные Н. М. Филимоновым и К. И . Вдовиным, показали, что при динамическом вдавливании скачкообразность разрушения ха-рактерна для хрупких и пластично -хрупких горных пород независимо от вида индентора. Некоторые результаты на примере вдавливания цилиндрического штампа рассматриваются ниже.

Схема стенда приведена на рисунке 4.42. Стенд создан на базе копра. Индентор (штамп) 1 закреплен в ударной штанге 2, на которой наклеены тензодатчики 3 для измереня силы удара. Штанга соединена с грузом 4. На станине копра устанавливается блок или керн горной породы 5.

Аргументом в экспериментах была кинетическая энергия удара Т к индентора о горную породу. Кинетическая энергия задавалась массой груза с присоединенными к нему элементами и высотой сбрасывания Н:

Т _к = U = mgH,

(4.82)

где U – потенциальная энергия штампа с присоединенной к нему массой;

– суммарная масса груза штанги и штампа; g – ускорение силы тяжести;

– высота сбрасывания штампа.

Рис. 4.42. Схема динамического вдавливания инденторов в горную породу

На осциллографе записывались изменения силы Fz и глубины погружения штампа h во времени. После опыта измерялся объем лунки разрушения на поверхности горной породы. При обработке результатов экспериментов осциллограммы престраивались в графики зависимости Fz от h.

Характерные зависимости Fz от h при ударе о мрамор приведены на рисунке 4.43. Из рисунка 4.43 видно, что по мере увеличения энергии удара изменя-ется характер зависимостей Fz от h. При малых значениях Тк зависимость Fz от h представляет собой узкую петлю(кривая 1),напоминающую петлю упругогогистерезиса. По мере увеличения энергии удара наблюдается более существен-ное расширение петли, чем рост ее в высоту. При этом уменьшается угол на-клона кривой нагружения к оси абсцисс. После того, как Fz достигнет наибольшего значения, при дальнейшем росте Т к образуется выступ на участке раз-грузки, который при нарастании энергии удара увеличивается и преобразуется во вторую ветвь нагружения (кривая 3). В этом случае наблюдается стабилизация или некоторое снижение максимальной нагрузки на первой ветви нагружения. Далее по мере роста энергии удара сила Fz вновь достигает наибольшего значения (второго максимума), и на участке разгрузки вновь формируется третья ветвь нагружения (кривая 4). Второй максимум нагрузки выше первого на 30–40 %. Следовательно, график Fz от h при динамическом вдавливании представляет собой кривую с чередующими максимумами и минимумами.

Рис. 4.43. Зависимости F_z от h при динамическом вдавливании штампа при разных значениях Т_к

Кинетика развития разрушения породы по мере увеличения энергии удара проиллюстрирована рис. 4.44 (а, б, в, г). Здесь 1 – поверхность контакта штампа с породой; 2 – лунка; 3 – сечение обломка горной породы.

При малой энергии удара на поверхности горной породы виден лишь след штампа (остаточная деформация) и зона трещин, окружающих контур штампа (рис. 4.44 а). При этом зависимость Fz от h соответствует кривой 1 на рисунке 4.43. При дальнейшем увеличении энергии удара появляется круговой скол породы за контуром штампа (рис. 4.44 б). Этот вид разрушения назван первой формой хрупкого разрушения,а величина силы Fz,при которой появляется круговой скол, нагрузкой первого скачка разрушения породы.

Дальнейшее увеличение энергии удара до нагрузки второго скачка разрушения приводит лишь к незначительному увеличению объема разрушения. При превышении ее объем разрушения вновь возрастает скачком в результате хрупкого разрушения породы, аналогичного разрушению при статическом вдавливании штампа. Этот вид разрушения назван второй формой разрушения породы (рис. 4.44 в). Этой форме разрушения соответствует кривая 2 на рисунке 4.43. Обломки породы, полученные при образовании второй формы разрушения, несут на себе следы первой формы (см. сечение обломков 3), т.е. первая и вторая формы разрушения образуются последовательно.

Рис. 4.44. Развитие разрушения горной породы (а, б, в, г) и зависимости А_v и V от Т_к (д)

Дальнейшее увеличение энергии удара до нагрузки третьего скачка разрушения также не приводит к качественному изменению формы разрушения.

Появление выступа и второй ветви нагружения (на зависимости Fz от h, рис. 4.43, кривая 3) свидетельствует о развитии второй формы разрушения, которое заканчивается третьим скачком разрушения и образованием третьей формы разрушения (рис. 4.44 г),которой соответствует зависимость 4 на рис. 4.43,и т.д.

Энергоемкость разрушения горной породы AV при динамическом вдавливании определялась по формуле

A_V = T_к /V, (4.83)

где Tк – энергия единичного удара; V – объем лунки разрушения.

Зависимость A_V от T_к приведена на рис. 4.44 д, из которого видно, что немонотонное изменение объема разрушения по мере увеличения энергии удара обуславливает наличие минимумов и максимумов на кривой энергоемкости. По мере увеличения Tк каждый последующий минимум и максимум ниже предыдущих, т.е. в целом по мере увеличения Tк наблюдается тенденция к уменьшению энергоемкости динамического разрушения породы.

Первый минимум на кривой энергоемкости при величине энергии удара Т2 соответствует образованию второй формы разрушения, второй минимум при Т3 – образованию третьей формы разрушения и т. д. Стабилизация объема разрушения после образования второй в интервале энергий от Т2 до T2' и третьей в интервале энергий от Т3 до Т3' форм разрушения обусловливает появление максимумов на кривой энергоемкости разрушения пород.

Сопоставим результаты динамических и статических испытаний горных пород на примере вдавливания штампа в мрамор (по данным Н. М. Филимонова). Выше было отмечено, что вторая область разрушения при динамическом вдавливании соответствует второй форме разрушения при статическом вдавливании. Первая форма разрушения при статическом вдавливании неустойчива, поэтому в стандартных испытаниях не фиксируется, а в качестве стандартного показателя энергоемкости горной породы при вдавливании штампа принята величина, соответствующая второй форме разрушения. Стандартные испытания ведутся только до получения второй формы разрушения, но если и далее продолжить нагружение штампа, то можно получить и последующие формы разрушения. Сопоставление выполним в относительных величинах энергоемкости:

А_о = ^AV ,

^A Vcт

где Ао – относительная энергоемкость горной породы; АV – измеренная энергоемкость; АVст – стандартный показатель энергоемкости , рассчитанный по формуле (4.60). Результаты расчета приведены в таблице 4.14.

Из таблицы 4.14 видно , что энергоемкость разрушения горной породы как при статическом, так и при динамическом вдавливании уменьшается от скачка к скачку, причем при динамическом вдавливании энергоемкость несколько выше, чем при статическом.

Таблица4.14 Относительная энергоемкость разрушения мрамора, %

Энергоемкость		Форма разрушения
	первая	вторая	третья
Статическая	–	100	36
Динамическая	179	133	46

Таким образом, процесс разрушения хрупких и пластично-хрупких горных пород при вдавливании инденторов носит скачкообразный характер, причем каждый последующий скачок происходит при существенно большей нагрузке на инденторы, чем предыдущий, но при этом имеет место снижение энергоемкости разрушения горных пород. Изучение энергоемкости разрушения горных пород показывает, что при бурении следует стремиться к увеличению энергии каждого единичного взаимодействия элемента вооружения долота c горной породой.

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 533; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 22 23 24 25 262728 29 30 31 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!