На головну

На процес руйнування гірських порід

  1. B. C. Соловйов про право, державі і історичному процесі.
  2. Cинхронизация операцій технологічного процесу
  3. II. ПСИХОЛОГІЯ ПІЗНАВАЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ
  4. O можливість здійснення рекламного процесу з використанням усього комплексу засобів і методів реклами і їх органічного зв'язку в комерційному підприємстві;
  5. Process Control Block і контекст процесу
  6. RISC і CISC-архітектури процесорів. Переваги і недоліки. Приклади сучасних процесорів з RISC і CISC-архітектурою.
  7. XX з'їзд КПРС і початок процесу десталінізації

При вивченні процесів руйнування гірських порід розрізняють режими статичного і динамічного навантаження.

При статичному впровадженні різців або індентором діють повільно наростаючі і постійні за величиною навантаження. Динамічне впровадження породоразрушающих елементів відбувається при впливі на индентор швидко наростаючих за величиною навантажень.

Механізм руйнування гірських порід істотно залежить від характеру діючих навантажень.

Час навантаження при статичному додатку навантажень може змінюватися від кількох до десятків секунд. При динамічному навантаженні час дії зусиль спресований до миттєвостей - сотих і тисячних часток секунди.

Швидкість навантаження (vн) - Швидкість зростання навантаження і напруги в породі, при яких настає руйнування.

При ударному навантаженні породи швидкість навантаження дорівнює швидкості зіткнення інструменту з породою.

На рис. 2.27 наведені експериментальні залежності проф. Л. А. Шрейнер, що відображають зв'язок параметрів руйнування і міцності властивостей мармуру від швидкості додатка руйнівного навантаження, які показують, що механічні властивості гірських порід і відповідно параметри руйнування істотно залежать від швидкості деформування порід в момент їх навантаження [33].

 Як випливає з наведених графіків, при малих швидкостях завантаження від 0 до 5 м / c вплив цього фактора на процес руйнування не надто різниться від процесу руйнування при статичному впровадженні породоразрушающих елементів.

деформація породи ? і глибина лунки руйнування h досягають максимуму при певних значеннях швидкості навантаження, величина якої знаходиться в діапазоні 10-15 м / c.

Твердість мармуру і об'ємна питома робота руйнування з ростом швидкості навантаження різко зростають, а пластичність породи знижується. При швидкості навантаження близько 40 м / c мармур поводиться як тендітна гірська порода.

Таким чином, ефективне руйнування породи можливо за умови, що час контакту індентора з породою буде відповідати часу, протягом якого напруги в породі досягнуть критичної величини, сформуються і проростуть тріщини і настане її остаточне руйнування. Для конкретної гірської породи оптимальним може бути певне співвідношення швидкості і зусилля навантаження. При цьому ймовірно, що чим вище зусилля навантаження, тим менше потрібно часу для розвитку достатніх для руйнування породи напруг і руйнують породу тріщин.

В. П. Рожковим [27] проведено експеримент по втискуванню конуса Роквелла (кут приостренной 120?) В гірські породи з різною інтенсивністю осьового навантаження vн від 15 до 60 Н / c.

 На рис. 2.28 приведені експериментальних-ментальні залежності глибини впровадження індентора від зусилля при різних швидкостях завантаження индентора.

За результатами експериментальних робіт [27] встановлено, що для впровадження на певну глибину в породу потрібно значно менше зусилля, якщо швидкість навантаження індентора буде нижче. При цьому для впровадження, наприклад, на глибину 200 мкм, незалежно від швидкості прикладання зусилля, час до досягнення заданої глибини виявилося приблизно рівним і склало 15-18 с. У той же час зміна швидкості додатка зусилля призводить до зміни мікротвердості породи. Наприклад, мікротвердість мармуру при зростанні інтенсивності навантаження від 15 до 60 Н / c зросла від 1 до 4,5 кН / мм. Для більш твердих гірських порід показник зростання мікротвердості при підвищенні швидкості навантаження виявився ще вище.

У процесі експериментальних робіт з різання-сколювання порід алмазними різцями встановлено, що при різних формах різців і в різноманітних гірських породах з підвищенням швидкості руху різця глибина і ширина борозни руйнування зменшуються [14].

Таким чином, процес розриву зв'язків в гірській породі залежить від часу взаємодії між частинками. Ця залежність описується в кінетичної теорії міцності твердих тіл.

В роботі [23] Ю. І. Протасовим розглянуто рівняння наступного виду

 (2.37)

де d? - Зміна довговічності ?;

?1 - Енергетичний коефіцієнт;

dU - Зміна енергії іона (або іншої частинки, що становить тверде тіло).

З рівняння (2.37) випливає вираз [23] для визначення часу, протягом якого тверде тіло витримує певну напругу:

 . (2.38)

де ?0 - Час, що дорівнює періоду коливань атомів в твердому тілі.

величина Uс включає дві складові

 (2.39)

де U0 - Енергія міжатомних (межіонних) зв'язків, що збігається за величиною з енергією сублімації речовини;

?р - Напруга розтягування в твердому тілі;

?1 - Структурний коефіцієнт.

u сублімація - (Лат. sublimate - Піднесення, піднесення) - перехід речовини при нагріванні з твердого стану в газоподібний.

З виразу (2.39) випливає, що розтягують напруги зменшують енергію зв'язку іонів в твердому тілі і в найбільшій мірі викликають руйнування твердих тіл.

Енергетичний коефіцієнт обернено пропорційний енергії, що припадає на одну частинку твердого тіла (іон або атом) при температурі тіла t:

де k - Постійна Больцмана;

t - Температура тіла.

Таким чином, з урахуванням значень U0 і ?1, З виразу (2.38) запишемо

 (2.40)

Вираз (2.40) визначає час, протягом якого тверде тіло витримує напругу ?р при температурі t до руйнування.

Досліди показали [23], що ?0 одно періоду коливань атомів в твердому тілі, тобто ?0 = 10-12 -10-13 с. Вираз (2.40) описує процес розриву зв'язків іонів (атомів) внаслідок термічних флуктуацій.

u флуктуація (Лат. fluctuatio - Коливання) - відхилення в стані речовини від середнього рівномірного розподілу молекул в речовині внаслідок, наприклад, нагрівання.

Розрив зв'язків призводить до утворення зародкових тріщин, які і обумовлюють руйнування твердого тіла внаслідок їх росту.

Теоретичну міцність твердого тіла можна представити у вигляді двох складових [23]:

.

Перша складова включає наступні параметри:

[?]1  , (2.41)

де Е - модуль пружності;

? - Відносне подовження, при якому відбувається руйнування твердого тіла в процесі його деформації;

Dk - Коефіцієнт концентрації напружень.

Таким чином, при малому часу навантаження твердого тіла ? температура тіла для руйнування значення не має, а слідуючи висловом (2.41), залежить від його пружності, подовження при розтягуванні і концентрації напружень. Граничне можливе подовження тіла при деформації ? дорівнює 0,2 [23], що дозволяє по залежності (2.41) визначити можливу теоретичну міцність тіла, яка прагне до величини рівної 0,2Е.

Дефекти знижують міцність тіла і їх вплив можна врахувати через коефіцієнт концентрації напружень.

Друга складова міцності визначає вплив наступних факторів

[?]2 (2.42)

де ? - Коефіцієнт теплового лінійного розширення.

З урахуванням обох складових граничні напруги руйнування можна визначити з залежності:

 (2.43)

З формули (2.43) випливає, що збільшення температури тіла призводить до зниження його міцності. При цьому слід врахувати, що при підвищенні температури підвищується і коефіцієнт теплового розширення ?, що збільшує ступінь впливу температури на руйнування твердих тіл, особливо якщо тіло містить речовини (мінерали) з різними коефіцієнтами теплового розширення. Різна величина розширення входять до складу тіла речовин призводить до його розтріскування і утворення нових тріщин внаслідок термофлуктуаціонного фактора.

Як випливає з формули (2.43), збільшення часу прикладання навантаження призводить до зниження межі міцності, що наочно видно з графіків на рис. 2.23.

Таким чином, для зниження енергоємності руйнування гірських порід доцільно застосовувати статичне навантаження (швидкість програми навантаження не більше 5 м / c), тобто навантаження повинна бути додана тривалий час.

Наприклад, це підтверджують експерименти, виконані в ТПУ В. Д. Євсєєвим по руйнуванню порід зусиллями що не перевищують межі міцності породи [8]. Так, при тривалій дії навантаження, що створює напруження, які в 1,38 рази менше межі текучості і відповідно істотно менші, ніж твердість гірської породи, руйнування породи, проте, сталося, але з затримкою на 182 секунди.

У той же час при додатку навантажень, які перевищують межі міцності породи, але викликають їх пружне деформування, може спостерігатися деякий зміцнення породи за рахунок ущільнення і деякого деформування кристалічної решітки мінералів.

Відповідно при підвищенні навантаження до критичного, за умовами міцності породи, значення час до руйнування значно скоротиться і складе значення від десятих часток секунди до секунди.

Для тріщини, існуючої в породі в якості дефекту, величину Dk - Коефіцієнт концентрації напружень, можна виразити у вигляді формули [23]

де 2l - Довжина тріщини (див. Рис. 2.2);

а - Постійна кристалічної решітки.

З урахуванням наведеного виразу залежність (2.43) буде виглядати наступним чином:

 (2.44)

З виразу (2.44) випливає, що при збільшенні довжини тріщини (тріщини в породі у вигляді дефектів будови) межа міцності твердого тіла зменшується. Тріщини створюють концентрацію напружень, а наявні в породі тріщини у вигляді дефектів зростають за рахунок температурних флуктуацій. Для зниження руйнівних напружень при бурінні доцільно здійснювати нагрівання гірської породи, що власне і реалізується при термомеханічному бурінні.

Для підвищення же міцності самого бурового інструменту його слід в процесі роботи ефективно охолоджувати і прагнути підвищувати міцність зниженням числа і розмірів дефектів матеріалу.

Як уже відзначено, зниження швидкості докладання зусиль призводить до зниження граничних значень напруг і енергоємності руйнування твердих тіл.

Розглянуті закономірності руйнування твердих тіл, безумовно, підходять і для гірських порід, з урахуванням того, що гірські породи більш крихкі і значно легше піддаються руйнуванню розтягуванням. Наприклад, граничне значення деформації ? розтягування, після якого настає розрив суцільності, становить величину менше 0,1% в порівнянні з 0,2% для інших твердих тіл. Причина цього в дуже значній кількості дефектів, в якості яких виступають не тільки численні тріщини і пори, але і межі зерен мінералів, шаруватість і ін. [23].

Розглянуті процеси руйнування породи як результат зростання тріщин дозволяють пояснити механізм підвищення міцності тріщинуватої породи при її розтягуванні. Для зростаючої тріщини зустрічаються на її шляху дефекти у вигляді тріщин або кордону зерен мінералів, поверхня яких перпендикулярна по відношенню до поверхні зростаючої тріщини, є розвантажувальними і знімають концентрації напружень в кінці тріщини, що призводить до зупинки росту тріщини або до зміни траєкторії її зростання. Можливо також розгалуження тріщини, що призводить до втрати енергії її зростання. Ці явища в результаті призводять до збільшення руйнівного навантаження та межі міцності на розрив.

Наявністю багатьох тріщин різної орієнтації частково пояснюється підвищена міцність тріщинуватих і полімінеральних гірських порід. У полімінеральних, а також в полікристалічних породах роль сітки тріщин можуть виконувати кордону мінеральних зерен і кристалів. Сітка тріщин може змінити весь механізм руйнування породи. Наприклад, замість розтягування можливі зсувні деформації, при яких характерно розгалуження тріщин, що призводить до втрати енергії руйнування, а в результаті до значного підвищення міцності породи.

Підвищена міцність руйнування при зсуві пояснюється наявністю сил внутрішнього і зовнішнього тертя (залежність 1.5). Сили зовнішнього тертя, діючи на поверхні руйнування, підвищують витрати енергії, непрямою ознакою якого є утворення дрібного пилу. Відомо, що межа міцності порід при зсуві в 1,5-3 рази вище, ніж при розтягуванні.

У міру зростання тріщини під дією навантаження швидкість її зростання збільшується, прагнучи до швидкості звуку С в даній гірській породі, якщо довжина тріщини l росте до нескінченності [23]

 (2.45)

де Е, q - Модуль пружності (Па) і щільність гірської породи (кг / м3).

l0, l - Напівдовгими тріщин початкової у вигляді дефекту і зростаючої, внаслідок прикладення навантаження, відповідно, м.

Спостереження показали, що при досягненні тріщиною максимальної швидкості росту вона починає гілки і її швидкість різко падає або стає дорівнює нулю. Розгалуження і уповільнення зростання тріщини відбувається в тому випадку, якщо тріщина перетинає під прямим або близьким до нього кутом материнську тріщину або пори, натикається на розділ мінеральних утворень. При попаданні тріщини в зону непружного і податливого мінералу зростання тріщини може зупинитися (рис. 2.29).

 Прискорення зростання тріщини пов'язано з ситуацією, коли напрямок росту тріщини збігається з напрямком первинних дефектів (материнських тріщин і пір, поверхонь розділу мінеральних зерен). У шаруватих породах переважне розвиток тріщин може збігатися з напрямками шарів (рис. 2.30).

Велике значення для розвитку тріщин руйнування має також поширення порового простору, відповідне, як правило, зовнішньої анізотропії кристалів. Тобто, це пористість, орієнтована в напрямку шаруватості, сланцеватості, флюїдальниє і ін. (Див. Рис. 1.7)

Орієнтування пористості уздовж текстурних елементів породи визначає її підвищену деформованість в напрямку, перпендикулярному шаруватості, сланцеватості і, таким чином, може впливати на процеси руйнування породи, визначаючи ступінь нерівномірності і асиметрію обсягів деформації і сколювання. Розвиток тріщин в напрямку орієнтованого уздовж шарів породи порового простору суттєво впливає на ефективність руйнування породи, визначаючи деяку залежність, задану асиметрію породоразрушающего дії бурового інструменту при бурінні [21].

На рис. 2.31 представлені деякі форми лунок руйнування анізотропних порід при різних кутах зустрічі циліндричного індентора

 діаметром 1,5 мм і сланцеватості. На дні лунок видно роздавлені елементи ядра стиснення породи. Борти лунок мають різний кут нахилу, часто збігаються з площинами шарів, а розмір лунок визначається глибиною проникнення ядра стиснення і зменшується при зниженні кута зустрічі ? [21].

 



Вплив дотичного навантаження на напружений стан гірської породи при осьовому впровадженні індентора | Особливості руйнування індентора анізотропних гірських порід

Теорія руйнування твердих тіл А. Гриффитса | Зниження міцності твердих тіл фізико-хімічними методами | Теорія ефективних напруг, що розтягують | Напруга в гірських породах під дією зосередженої сили | Основні положення теорії Буссінеска | Основні параметри процесу руйнування гірських порід | Вплив форми впроваджуваного индентора на процеси деформування і руйнування гірської породи | Руйнування гірської породи при вдавливании плоского циліндричного індентора | Руйнування гірської породи при вдавливании индентора сферичної форми | І клиновидного індентором |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати