Логотип
специальность 130203
На главную Карта сайта Написать письмо
Специальность 130203 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых»

Специализация «Технология бурения геологоразведочных скважин»
info@mosgeonet.ru

Библиотека

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Как указывалось в предыдущих разделах, горную породу нельзя однозначно охарактеризовать неким абсолютным показателем твердости - способности сопротивляться внедрению индентора. Главная методическая проблема оценки твердости горных пород состоит в следующем: универсальные предельно обобщенные характеристики твердости не учитывают специфики конкретных условий бурения и их применение малоэффективно, а частные специфические характеристики, учитывающие все нюансы реального внедрения резцов различного типа в горную породу при бурении создают немалые сложности в применимости методик (горная порода при этом характеризуется таким большим числом показателей, имеющих смысл при использовании одних видов инструмента и не имеющих смысла при использовании других, что сами характеристики твердости лишаются своего практического значения).

Используемые в металлообработке методы Бриннеля и Роквелла для оценки твердости поверхности металлических деталей непригодны для оценки твердости горных пород, так как в большинстве случаев вследствие хрупкости и сложного агрегатного строения горных пород невозможно точно замерить площадь и глубину внедрения индентора.

Многолетняя технологическая практика бурения позволила выделить несколько методов оценки твердости горных пород из большого числа методов, предложенных исследователями в разное время.

Метод Е.Ф. Эпштейна заключается в следующем. В плоскопараллельный образец (куб с размерами граней 6x6 см) с помощью гидравлического пресса вдавливают односторонний или двусторонний клин, изготовленный из твердого сплава с длиной лезвия b и углами приострения а соответственно 45 и 60°. Клин может иметь площадку затупления шириной Δх. Клин вдавливают нагрузкой Р, не приводящей к разрушению образца и после ее снятия измеряют глубину канавки hk (в см), образовавшейся в образце породы. По формулам подсчитывают агрегатную твердость, измеряемую в единицах силы, отнесенных к площади:

1) при одностороннем клине

     (3.8)

 

2) при двустороннем остром клине

     (3.9)

 

3) при двустороннем притуплённом клине

     (3.10)

 

Метод Е.Ф. Эпштейна применим только для оценки твердости вязких, пластичных горных пород. Аналогичные методы были разработаны и используются в различных странах, в частности в Германии (Г. Фрасен, 1954 г.).

Метод вдавливания штампа с плоским основанием был предложен Л.А. Шрейнером еще в 1942 г. и с тех пор подтвердил свою высокую эффективность. Метод заключается в следующем. В шлифованную поверхность образца породы с плоскопараллельными гранями с помощью гидравлического пресса или специальной установки УМГП-3 вдавливается цилиндрический или конический штамп с плоским основанием.

Штампы изготавливают их стали с последующей закалкой до твердости HRC 10-62, а для испытания особо прочных пород применяют штампы из твердого сплава. Площадь основания штампа зависит от исследуемых горных пород. При испытании мелкозернистых и умеренно пористых пород площадь основания штампа составляет 1-2 мм 2 , а для исследования мягких и сильнопористых пород применяют штампы площадью 5 мм 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В процессе испытаний записывается диаграмма нагрузка -деформация (рис. 3.1).

С диаграммы снимаются параметры, через которые вычисляются следующие характеристики свойств горной породы:

1) твердость (по штампу или по Шрейнеру)

     (3.11)

 

где Р0 - максимальное значение нагрузки, фиксируемой диаграммой; Sш - площадь основания штампа;

2) условный предел текучести

     (3.12)

 

где Р1 - нагрузка, соответствующая на диаграмме усилие -деформация моменту перехода от прямолинейного участка к криволинейному;

3) удельная объемная работа разрушения

     (3.13)

 

где Aоб и Aш - работа, затрачиваемая соответственно на разрушение образца горной породы и деформации штампа; Vл -объем лунки;

4) удельная контактная работа разрушения

     (3.14)

 

 

а также некоторые другие характеристики деформационных свойств породы.

Модификацией метода Л.А. Шрейнера является метод Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана (1966 г.). При этом методе образец горной породы любой конфигурации должен иметь объем не менее 250 см3 и высоту не менее 120 мм. Штамп вдавливают в естественную не обработанную поверхность образца до момента разрушения породы. Значение контактной прочности (твердости) вычисляется по обычной формуле

     (3.15)

 

Площадь основания штампа выбирается в пределах от 5 мм2 (крепкие породы) до 10 мм2 (мягкие породы). Для очень мягких пород (рк < 1 кН/мм2 ) испытания рекомендуется проводить двумя штампами с соотношением площадей оснований 3:4. В этом случае контактную прочность вычисляют по формуле

     (3.16)

 

где Р1 и Р2 - разрушающая нагрузка при вдавливании штампов с основаниями меньшей S1 и большей S2 площади.

"Разведочное бурение" / А.Г. Калинин, О.В. Ошкордин, В.М. Питерский, Н.В. Соловьев, "Недра" М 2000

Вернуться в списку статей