2.2 Визначення твердості гірських порід

Руйнування гірської породи відбувається в умовах складного напруженого стану. Об’єм породи, який підлягає розбурюванню, зазнає дії всестороннього нерівномірного стиску. Породоруйнуючий інструмент контактує з породою лише на обмежених площинах. На породу створюється додатковий локальний тиск, під дією якого вона деформується і руйнується. Основними видами деформації при такому локальному накладанні додаткових стискуючих сил є втискування і сколювання.

При втискуванні індентора долота в породу, в останній виникає місцевий нерівномірний стиск. В умовах складного напруженого стану міцність породи, вимірена класичними методами виявляється недостатньою для характеристики опору породи руйнуванню У гірничій промисловості опір породи руйнуванню прийнято характеризувати, перш за все, твердістю.

Для визначення твердості порід найбільшого поширення одержав спосіб, розроблений професором Л.А.Шрейнером. Суть цього способу полягає в тому, що деформаційна характеристика породи знімається при втискуванні циліндричного штампу з плоскою основою. Так як гірська порода складається із зерен, зв’язаних між собою силами взаємодії, то її руйнування відбувається, як правило, на межах контакту мінеральних зерен, або на цементі. Тому діаметр штампа повинен бути достатньо великим, щоб під його плоскою основою розміщалась значна кількість зерен породи. Для визначення механічних властивостей гірської породи діаметр плоскої основи штапма повинен дорівнювати 6,7 середнього діаметра зерна досліджуваної породи, але не менше 1,6 мм. Для визначення механічних властивостей грубозернистих, маломіцних і дуже пористих порід застосовують штампи діаметром більшим, ніж 2,5 мм. Їх виготовляють із загартованої сталі, а для високоміцних порід з твердістю більше, ніж 2500 МПа – з твердого сплаву. В останньому випадку пуансони можуть мати форму як циліндра з плоскою основою, так і зрізаного конуса з кутом при вершині 45⁰. Для визначення механічних властивостей при витискуванні штампа використовують зразок породи з двома плоскопаралельними шліфовальними поверхнями, який висушений до постійної маси при температурі не вище 100⁰С і охолоджений до кімнатної температури на повітрі. Діаметр і висота зразка повинні не менше як в 15-20 разів перевищувати діаметр Пуансона.

Для проведення досліджень у даний час застосовують прилади УМГП-3 і УМГП-4, з допомогою яких автоматично записується крива залежності деформації породи від навантаження під час випробування. Типові криві для трьох класів порід показані на рисунок 2.1.

Рисунок 2.1 – Діаграми “навантаження – деформації” втискування штампу для різних класів порід

За цими кривими визначають деформаційні властивості гірських порід.

^{Діаграма пружно-крихких порід рис. 2.1, а) має тільки пружну область. При досягненні границі пружності (точка А) відбувається крихке руйнування породи. За твердість пружно-крихкої породи беруть величину напруження під основою пуансона в момент її руйнування.}

(2.1)

де р_ш – твердість породи за штампом, Па;

Р_ш – навантаження на породу в момент крихкого руйнування, Н;

F_ш – площа основи штампа, м².

Пружні властивості породи наближено можна оцінити за нахилом пружної вітки кривої до осі абсцис, а орієнтовано величину модуля пружності визначають за формулою

(2.2)

де d_ш – діаметр пуансона, м;

 – величина пружної деформації при даному навантаженні, м.