Основні принципи і схеми вивчення динамічного деформування і руйнування гірських порід

Найширше використовуються установки двох типів: копрові і кулачкові. На копрових установках використовується удар вільно падаючого ударника, або ударника, який розганяється прикладеною силою, наприклад тиском повітря. На кулачкових установках задається закон руху породруйнуючого елемента відносно породи, що дає змогу повніше моделювати процес його взаємодії з породою.

Перший випадок. Кінетична енергія вантажу, що падає, на початок контактування з пружним тілом

Рисунок 11.1 − Розрахункова схема для вивчення взаємодії ударника з породою

Сила взаємодії при пружному деформуванні прямо про­порційна зміщенню поверхні d

, (11.2)

де К – коефіцієнт пропорційності, який залежить від пружних властивостей гірської породи і форми робочої поверхні ударника.

Максимальною сила взаємодії буде при максимальному зміщенні поверхні (d₀), тобто в момент, коли швидкість руху ударника зменшиться до нуля.

При цьому потенціальна енергія деформування складе

, (11.3)

або з урахуванням виразу (11.2)

. (11.4)

З умови U = U_к можна визначити максимальне зміщення поверхні

, (11.5)

і далі найбільшу силу взаємодії

. (11.6)

Другий випадок.

(11.8)

Враховуючи фізичний смисл процесу, приймаємо знак плюс. Підставивши значення d₀ у вираз (11.2), визначимо максимальну силу взаємодії

(11.9)

Якщо v₀=0, то F_{ma x}= 2P, тобто має місце так звана несподівана взаємодія (миттєве прикладення навантаження).

11.2Руйнування гірських порід при динамічному втискуванні

Величина кінетичної енергії удару для ударника, що вільно падає, дорівнює його потенціальній енергії в крайньому верхньому положенні

, (11.10)

Поч. швидкість удару v₀ штампа об гірську породу . (11.11)

Вивченням процесів деформування гірських порід при ударі займалися в лабораторії Уфимському нафтовому інституті під керівництвом Мавлютова М.Р.

Встановлено, що при збільшенні маси ударника збільшується опір проникненню ударника, тому при однаковій енергії удару глибина проникнення важкого ударника менша.

Ці результати наштовхують на висновок, що в процесі буріння доцільно забезпечувати великі швидкості взаємодії елементів озброєння долота з гірською породою. Швидкість удару елементів озброєння прямо пропорційна швидкості обертання долота. Енергія взаємодії елемента озброєння навпаки від швидкості обертання залежить мало, а, основним чином, залежить від осьового навантаження на долото.

При малих значеннях енергії удару на поверхні гірської породи утворюється зона тріщин, що оточують контур штампа (рис. 11.2, а).

а – поява залишкової деформації; б – перша форма крихкого руйнування; в – друга форма крихкого руйнування; г – третя форма крихкого руйнування Рисунок 11.2. − Схема розвитку руйнування породи при динамічному втискуванні

Якщо енергію удару збільшувати, за контуром породи з’являється зона кругового сколювання. Цю форму руйнування Мавлютов назвав першою формою крихкого руйнування.

Коли енергія удару досягає певної величини, спостерігається крихке руйнування породи під штампом (рис. 11.2, в), аналогічне тому руйнуванню, що має місце при статичному втискуванні.

Цю форму руйнування прийнято називати другою формою руйнування. Уламки породи, що при цьому утворюються, за результатами раніше названих дослідників мають сліди першої форми, тобто перша і друга форми руйнування процесі деформування утворюються послідовно.

Якщо енергія удару досягне критичного значення, з’явиться нова, стійка третя форма руйнування (рис. 11.2, г). Уламки породи, що при цьому утворюються також несуть на собі сліди попередньої форми руйнування.

Те, що форми руйнування породи розвиваються скачками, а об’єм зони руйнування та енергоємності руйнування породи із збільшенням сили удару зростають немонотонно, пояснюється так.

Як тільки наступає чергова форма руйнування, спостерігається стабілізація об’єму руйнування і мінімум на кривих залежності енергоємності руйнування від енергії удару. Після досягнення чергової форми руйнування на цих кривих спостерігається максимум енергоємності. При чому, кожен наступний мінімум і максимум менші за попередні.

Енергоємність руйнування породи прямо пропорційна енергії удару і обернено пропорційна об’єму руйнування: . (11.12)

Рис. 11.3. − Графіки залежності питомої об’ємної роботи руйнування і об’єму лунки від енергії удару

В цілому із збільшенням енергії удару спостерігається тенденція до зменшення енергоємності динамічного руйнування гірських порід.

Перший мінімум на кривій енергоємності відповідає утворенню другої форми руйнування. Другий мінімум відповідає утворенню третьої форми руйнування. Стабілізація об’єму руйнування після утворення другої і третьої форм руйнування спричинює появу максимумів на кривій енергоємності руйнування порід.

Поиск по сайту: