МЕХАНИЧЕСКИЕ И АБРАЗИВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Совокупность объективных характеристик, описывающих поведение горных пород при воздействии на них внешнего механического поля (силы, давления, удара), связанное с изменением размеров, формы и целостности, принято называть механическими свойствами горных пород.

В механике разрушения используется целый ряд таких характеристик:

Прочность горных пород - это способность их в определенных условиях воспринимать силовые воздействия без разрушения, или…сопротивляться разрушению связей между частицами под нагрузкой.

Реальная (техническая) прочность отличается от теоретической, под которой понимается прочность связи между элементарными частицами, слагающими идеальную кристаллическую решетку. Например, одностороннее растяжение ионного кристалла составляет 3000 МПа. Для реальных тел отношения теоретической прочности к технической достигают больших значений: для железа - 4500, цинка - 2000, хлористого натрия - 600, кварца - 90. Основная причина – наличие большого количества дефектов от примесей, несовершенства структуры и проч.

Твердость пород - это их способность сопротивляться внедрению в них постороннего тела. Твердость – частный случай прочности – это «прочность на вдавливание».

Горные породы могут деформироваться в пределах упругости и претерпевать пластические (остаточные) деформации.

Способность горных пород изменять без разрушения форму и размеры в результате направленного на них силового воздействия называется деформируемостью.

Способность пород при деформации поглощать энергию, а, следовательно, не восстанавливать форму после снятия нагрузки, называется пластичностью.

Способность пород при деформации запасать энергию, а, следовательно, восстанавливать форму после снятия нагрузки, называется упругостью.

Горные породы при их нагружении характеризуются одновременным проявлением упругой и пластической деформаций, так как не являются идеально упругими или идеально пластическими телами.

Минералы в большинстве случаев деформируются как упруго-хрупкие тела: их разрушение характеризуется моментом, когда напряжения достигают предела упругости; деформации следуют закону Гука. Повышение температуры и всестороннего давления может привести к тому, что минералы будут деформироваться как упруго-пластические тела.

Горные породы деформируются зачастую, не следуя закону Гука; вследствие их дисперсного строения их связь между напряжением и деформацией носит сложный характер.

Упругое поведение тела, в том числе горных пород, может быть охарактеризовано модулем Юнга (упругости) Е, коэффициентом Пуассона μ или модулем сдвига G. Иногда необходимо знать модуль объемного сжатия k. Указанные константы изотропного тела взаимно связаны:

(2.1)

Модуль упругости горных пород по мере увеличения глубины их залегания возрастает. Наибольшее влияние на модуль упругости оказывают минералогический состав, структура, текстура, условия залегания, природа вещества, заполняющего поровые пространства, и др.

По Л.А. Шрейнеру, для целей бурения модуль упругости можно определить по формуле:

Е_{ш =} р(1- μ²) / 2 d_Ш ξ_{уп ,} (2.2)

где Е_ш - модуль упругости породы при вдавливании цилиндрического штампа, Па; р - нагрузка на штамп, соответствующая деформации, Н; μ - коэффициент Пуассона; d_Ш - диаметр штампа, м; ξ_уп - упругая деформация, м.

Хрупкость горных пород – это способность горных пород деформироваться вплоть до разрушения по закону Гука (упругому закону).

Горные породы по предложению Л.А. Шрейнера, - одного из ведущих специалистов по механике разрушения горных пород и способам количественной оценки их свойств, - принято делить на следующие разновидности:

· упруго-хрупкие;

· упруго-пластичные;

· пластичные.

Такое деление основано на экспериментальных деформационных кривых, полученных при вдавливании штампа в образцы горных пород (рис. 2.1.):

Рис. 2.1. Диаграмма деформации при вдавливании штампа, построенная в

координатах Р –нагрузка на породу,передаваемая через штамп и ξ– деформация породы:

а — в упруго-хрупкую породу; б — в упруго-пластичную породу

Пластичная горная порода типа глин вообще не имеет прямолинейного участка, т.е. у них отсутствует упругая деформация. Понятно таким образом, что хрупкие породы возможно считать абсолютно упругими, т.к. у них отсутствуют элементы пластических свойств.

Под мерой пластичности, исходя из рис. 2.1., понимают некоторый коэффициент К_п, получаемый как отношение общей работы, затраченной до разрушения (площадь ОАВСД), к работе упругих деформаций (площадь OEL). Точка С соответствует значению нагрузки Р, при которой наступает общее разрушение образца горной породы под штампом.

Для упруго-хрупких пород К_и принимается равным единице. Породы осадочной толщины к этой категории практически не относятся. Для этих пород К_и удовлетворяется неравенством 1 < К_п < 6. К ним относятся известняки, доломиты, песчаники и другие породы.

Породы, для которых К_и > 6, относят к классу пород, "не дающих общего хрупкого разрушения". К ним относятся глинистые сланцы; К_п, равный практически бесконечности, характеризует глины.

Зависимость свойств горных пород от условий их проявления:

Прочностные свойства горных пород (прочность, твердость) зависят от ряда факторов, главные из которых - минералогический состав, размер и форма зерен кристаллов породы, структура, текстура, тип цемента, количественное соотношение между цементом и материалом породы, пористость и слоистость, уплотненность, водонасыщенность и некоторые другие. Значительное влияние на прочность оказывают вид деформации, масштабный фактор, скорость приложения нагрузки и др. Рассмотрим некоторые из них:

1. Увлажнение горных пород приводит к снижению их прочности: для глинистых пород падение прочности весьма резкое; скальные породы снижают прочность значительно меньше - до 20 - 30%. Увлажнение до 16-18% повышает, а водонасыщение резко снижает прочность песков. Насыщение пород нефтью понижает их прочность.

2. Прочность при сжатии горных пород возрастает с увеличением уплотнения по линейному закону. Существенное влияние на прочность горных пород оказывает вид деформации. При прочих равных условиях пределы прочности при растяжении R_p, скалывании R_c, изгибе R _и и одноосном сжатии R_сж располагаются в следующем порядке:

R_p < Rс < R _и < R_сж

3. Прочностные характеристики зависят и от скорости приложения нагрузки. При этом «скоростной» эффект большее влияние оказывает на пластичные породы. Меньшее - на хрупкие. Горные породы разрушаются и при нагрузках, меньше критических, но действующих в течение продолжительного времени. Временная прочность пород зависит от наличия или отсутствия дефектов в образцах.

Способы количественной оценки механических свойств горных пород:

В последние годы получил распространение метод определения твердости горных пород, разработанный Л.А. Шрейнером и его сотрудниками, который удовлетворительно моделирует работу вооружения шарошечного породоразрушающего инструмента. Сущность метода заключается во вдавливании в плоскую, хорошо отшлифованную поверхность испытуемого тела, пуансона (штампа), имеющего плоское основание и известный диаметр, с замером нагрузок, деформации до разрушения, параметров зоны разрушения, а также в вычислении показателей механических свойств.

Деформацию измеряют с помощью индикатора с точностью отсчетов от 0,001 до 0,002 мм в зависимости от условий испытания. Нагрузка на пуансон прилагается ступенями, ее повышают через малые интервалы, внутри каждого из которых деформация должна пройти до конца.

Затем строят график зависимости деформаций от напряжений - кривую деформации при вдавливании штампа – «деформационную» кривую (см. рис. 2.1).

Несколько условно кривую деформации делят на участок ОА - область упругой деформации и участок АВ - область пластической деформации с последующим хрупким разрушением. При испытании хрупких пород участок АВ будет отсутствовать. Пластичные породы не имеют хрупкого разрушения. В этом случае за меру твердости принимается предел текучести, чему соответствует точка Р₀ на ординате Р.

Нагрузка Р₀, отнесенная к площади штампа S, представляет собой предел текучести (в Па):

Нв = P₀/S, (2.3)

Упругие свойства пород могут с некоторой степенью приближения характеризоваться наклоном прямой ОА к оси абсцисс. Приближенное значение модуля упругости горной породы при нагрузке, соответствующей любой точке прямой ОА, может быть определено из зависимости

Е = 0,94Р/2аξ, (2.4)

где ξ - деформация, соответствующая нагрузке Р; а - радиус штампа.

Методика Л.А. Шрейнера является весьма трудоемкой, поэтому используется только при научных исследованиях. Из-за сложности оборудования и требований высокой квалификации операторов и специалистов в производственных условиях она пока не применяется.

В ряде недавних работ отечественных исследователей был предложен для рассмотрения научной общественности новый количественный критерий объективной оценки сопротивляемости разрушению горных пород в процессе их резания инструментом режуще-скалывающего действия R_h.. Вместо статической характеристики прочности (твердости) горных пород на вдавливание H_в по Л.А. Шрейнеру, предлагается использование динамического показателя «твердости (прочности) пород» для условий процесса резания.

Формализованное представление предлагаемого показателя фактически не отличается от зависимости (2.3). Однако величина P₀ фиксируется в процессе, очень близко моделирующем работу породоразрушающего элемента инструментов режуще-скалывающего действия:

R_h = P₀/S, (2.5)

Здесь S – площадь контакта резцастандартной формы и размеров, используемого в предлагаемой методике.

Показатель R_h, определяемый на специальном технологическом стенде, моделирующем установившееся динамическое резание горных пород, имеет целый ряд объективных положительных характеристик, показывающих целесообразность его статистического накопления и широкого использования для оценки сопротивляемости практически всех классов горных пород:

- количественная величина показателя определяется по методике, которая наиболее полно и точно моделирует работу ПРИ РСД;

- с помощью данного показателя стала возможной оценка «динамической прочности» мягких пластичных горных пород, чего другие методики не позволяли в принципе;

- конкретные значения показателя возможно с достаточной для расчетов точностью использовать в различных формализованных моделях для получения показателей работы конкретных типоразмеров ПРИ РСД, чего другие показатели не позволяли, вследствие их другой физической природы.

По мнению ряда ученых предлагаемая динамическая характеристика процесса разрушения горных пород при резании более полно и научно обоснованно, а главное, более точно воспроизводит реальное силовое и энергетическое взаимодействие пород и разрушающих их режущих элементов.

Абразивная способность горных пород - это способность изнашивать разрушающий их инструмент. Абразивность пород связана с понятием о внешнем трении и износе. Абразивная способность горных пород и механизм ее проявления пока еще недостаточно изучены.

Главная причина абразивного износа твердых тел - неровности на соприкасающихся поверхностях. Поверхности касаются только в точках контакта. В случае не очень больших давлений на соприкасающихся поверхностях площадь истинного контакта составляет лишь 2-10^-5 - 2-10^-4 части полной площади поверхности, т.е. весьма малую ее часть.

Соприкасающиеся поверхности находятся под действием точечных нагружений. Число мест контакта значительно, но площадь их соприкосновения мала. В точках контакта поверхность подвергается одновременному действию усилий, направленных вдоль и нормально к поверхности. Тогда процесс абразивного износа определяется большим числом отдельных царапаний и сколов, вызывающих непрерывное соскабливание с рабочих поверхностей разрушающего инструмента стружек и соскобов.

В общем случае абразивный износ - процесс весьма сложный. В одних участках обеспечивается механическое сцепление (царапание), и здесь сопротивление трения обусловливается прочностью на срез - взаимно внедрявшихся элементов поверхности. В других участках обеспечивается молекулярное сцепление и сопротивление разрушению связано с преодолением молекулярных сил.

Коэффициент трения о породу тем больше, чем выше ее твердость при одинаковом минералогическом и зерновом составе, что объясняется затрудненным «выламыванием» зерен из породы повышенной твердости, а также тем, что разрушающий инструмент царапается более интенсивно.

По тем же причинам он выше при трении о мелкозернистые породы с остроконечными и ребристыми зернами, чем при трении о крупнозернистые породы с окатанными зернами.

При трении инструмента о породу (нешлифованную) коэффициент трения является возрастающей функцией нормального давления вплоть до момента, когда это давление не станет равным твердости породы. В дальнейшем он остается примерно постоянным.

Для расчетов при бурении в реальных породах коэффициент трения следует определять при нормальных давлениях на трущихся поверхностях. Установлено, что при росте скорости скольжения коэффициент трения изменяется, имея максимум; при увеличении нормального давления его максимум смещается в сторону меньших скростей. При сухой чистой поверхности горных пород коэффициент трения имеет наивысшие значения для данной пары. Смоченная водой порода для той же пары имеет более низкие значения коэффициента трения, которые еще более снижаются при покрытии поверхности горной породы буровым раствором.

Температура выше 200°С способствует повышению коэффициента трения. В случае применения твердосплавных разрушающих инструментов влияние температуры начинает проявляться при более высоких ее значениях.