Фізичні явища при руйнуванні гірських порід

Руйнування гірських порід, відбувається або в результаті відриву (від нормальних розтягуючи напружень), або сколювання, зсуву, зрізу (від дотичних напружень). При розтягу порода руйнується переважно на відрив, при стискуванні – на сколювання.

Руйнування виникає послідовно і починається з того місця, де напруження досягає граничних значень.

При руйнуванні на відрив спостерігаються дві зони поверхні розриву – шорстка і дзеркальна, яким відповідають дві стадії розриву – повільна і швидка. На основі дослідів встановлено, що тріщини ростуть і при навантаженнях, менших за критичні, але не так швидко (повільна стадія розриву). Із збільшенням тріщин зростає швидкість розриву, і в момент, коли перенапруження коло вершини тріщини досягає граничної величини, процес набуває критичного характеру і переходить у швидку стадію, коли розрив відбувається зі швидкістю, близькою до швидкості звуку у матеріалі.

Послідовність руйнування при сколюванні, зсуві і зрізові, в принципі, така ж, як і при відриві.

Навантаження на долото можна розглядати умовно як параметр реалізованої енергії.

На рис. 10.2 - типовий графік залежності швидкості руйнування породи від навантаження на долото (при постійній швидкості обертання). Шрейнер Л.А. виділяє 3 області зміни осьового навантаження, в яких процес руйнування відбувається по-різному.

Рисунок 10.2 − Залежність швидкості руйнування породи від навантаження

І область. Швидкість руйнування гірської породи прямо пропорційна навантаженню і досить мала. Видимого руйнування на поверхні нема. Утворення виробки - зняття з поверхні найтонших шарів породи (стирання за рахунок сил тертя). Такий процес руйнування породи називають поверхневим стиранням. Цей вид руйнування при бурінні найменш вигідний. Механічна швидкість проходки при такому руйнуванні незначна, питома витрата енергії і питоме зношування інструменту найбільші.

ІІ область (перехідна). Пряма пропорційність при переході з 1 області в 2 порушується. На поверхнівидима тріщинуватість. Це пояснюється втомними явищами при багатократній дії породруйнуючого інструменту на породу. Спостерігається викришуванням значних об’ємів з поверхні породи. Такий процес руйнування породи називається втомним. Кількість ударів по одному й тому ж місцю, необхідне для руйнування породи, може бути різною. Із збільшенням сили удару вона зменшується, а при певному значенні контактної сили руйнування наступає після першого ж удару.

Для порід: мармур, вапняк, доломіт, кварцит число циклів навантаження складає 50¸110, а відношення межі міцності і втоми залежно від пластичності змінюється в межах 1/21 ¸1/29.

Руйнування гірських порід, зумовлене їх втомою, хоча і має об’ємний характер, але так як і поверхневе руйнування, малоефективне, і при бурінні орієнтуватися на такий режим недоцільно.

ІІІ область. Напруження в гірській породі досягло граничного значення. При цьому інтенсивно руйнується порода в області, що прилягає до поверхні контакту породи з породорйнуючим інструментом. Швидкість руйнування з ростом навантаження швидко зростає. Такий процес руйнування гірської породи називається об’ємним. При об’ємному руйнуванні породи можна виділити три основні фази напруженого стану породи під породорйнуючим елементом долота: фазу затухаючих деформацій (ущільнення), фазу розривів і зсувів (граничної рівноваги) і фазу руйнування. Перша фаза характерна тим, що швидкість деформації з часом зменшується. В пластичних глинистих породах перша фаза є фазою ущільнення за рахунок зменшення пористості. Характер руйнування на цій фазі відповідає поверхневому руйнуванню.

Друга фаза характерна тим, що швидкість деформації не затухає, а в момент досягнення певного навантаження набуває постійного значення деформації повзучості. Зовнішнім проявом другої фази деформації є сколювання породи по контуру тиску в крихких породах. Ця фаза є фазою об’ємного руйнування.

Третя фаза – фаза прогресивного зростання деформацій, завершальна фаза об’ємного руйнування. В скельних породах ця фаза триває малі частки секунди. Під індентором формується ядро зім’ятого матеріалу, яке діє подібно до ідеальної рідини, передаючи тиск в сторони поверхні, що обмежує зону руйнування. Піддією цього тиску і відбувається руйнування – розрив по поверхні найменшої міцності.

Поиск по сайту: