9.3 Енергоємність руйнування гірських порід при динамічному втискуванні

Рисунок 29 – Графіки залежності питомої об’ємної роботи руйнування і об’єму лунки від енергії удару

Скачкоподібність розвитку форм руйнування породи зумовлює немонотонне збільшення об’єму зони руйнування та енергоємності руйнування породи із збільшенням енергії удару. З рис. 29 видно, при переході від першої форми руйнування до другої (Т₁–Т₂) спостерігається суттєве зростання зони руйнування. Подальше збільшення енергії від Т₂ до Т₂^’ не дає відчутної зміни об’єму лунки, і лише при Т₁ > Т₂^’ знову спостерігається зростання об’єму руйнування, пов’язане із появою проміжних форм руйнування в області Т₂^’–Т₃ . Формування третьої форми руйнування зумовлює стабілізацію об’єму руйнування (область Т₃^’–Т₄ ) і т.д.

Енергоємність руйнування породи прямо пропорційна енергії удару і обернено пропорційна об’єму руйнування, тобто

. (112)

Залежність A_V від Т_к також показана на рис. 29, з якого видно, немонотонна зміна об’єму лунки зумовлює наявність мінімумів і максимумів на кривій енергоємності. Із зростанням енергії удару кожен наступний мінімум максимум нижчий за попередні, тобто 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.

Характерну зміну енергоємності руйнування порід можна пояснити з точки зору енергетичних законів Ріттінгера і Кірпічева. Спостереження показали, що по мірі розвитку тієї чи іншої форми руйнування (області Т₁–Т₂ , Т₂^’–Т₃ , Т₃^’–Т₄ ) збільшується розмір уламків і зменшується відношення об’ємів дрібно роздробленої породи і великих уламків, тобто спостерігається зменшення дисперсності зруйнованої породи, що і є причиною зменшення енергоємності її руйнування. В областях стабілізації об’єму руйнування ( області(область Т₂ –Т₂^’ , Т₃–Т₃^’ ) із збільшенням енергії удару додаткова енергія витрачається на підвищення дисперсності зруйнованої породи без суттєвого збільшення загального об’єму руйнування. В цих областях енергоємність руйнування породи зростає. В цілому ж по мірі збільшення енергії удару має місце тенденція до зменшення дисперсності зруйнованої породи, що і є причиною загального зменшення енергоємності.

Вивчення енергоємності руйнування гірських порід показує, що при бурінні слід намагатися збільшити енергію кожного одиничного контакту елементів озброєння долота з породою. Цей напрям оптимізації процесу руйнування порід реалізується шляхом збільшенням підведеної до долота енергії і удосконаленням породоруйнуючих інструментів.

9.4 Взаємозв’язок характеристик порід, що визначаються при статичному і динамічному втискуванні

Встановлення взаємозв’язку між характеристиками динамічного руйнування порід з показниками статичного втискування має велике практичне значення. Однак специфіка динамічних випробувань порід не дозволяє безпосередньо порівнювати отримані результати. Річ у тім, що при динамічному втискуванні залежно від енергії удару можна послідовно отримати ряд форм руйнування, а порівняння можна провадити лише за останньою формою руйнування. При статичному втискуванні випробування проводяться лише до отримання однієї форми руйнування. Аналіз форм руйнування при статичному втискуванні показав, що в процесі стандартних випробувань отримують, здебільшого форму руйнування, аналогічну другій формі динамічного руйнування, хоча можливий розвиток і таких форм руйнування, що відповідають першій формі динамічного руйнування.

Статичні випробування можна розглядати лише як окремий випадок динамічного втискування. Аналогія механізму і форм руйнування при динамічному і статичному втискуванні дає підстави шукати методи оцінки динамічного руйнування за результатами статичних випробувань, які є стандартними. Результати динамічних випробувань доцільно представляти у відносних величинах як відношення визначеної характеристики до відповідного показника, отриманому при статичному втискуванні. На рис. 29 наведено графіки залежностей відносних величин об’єму зруйнованої породи, питомої роботи руйнування і найбільшого опору проникнення штампа при динамічному руйнуванні мармуру, побудованих за даними досліджень Вдовіна, Мавлютова і Філімонов.

Величини p_ш, V, і А₀ визначені за методикою стандартних випробувань при статичному втискуванні штампа. З рис. 29 видно, що в межах існування другої ф

Рисунок 29 – Графіки залежності відносних величин енергоємності від: 1 – об’єму руйнування, 2 – опору руйнуванню, 3 – відносної енергії удару.

орми руйнування відносний об’єм руйнування близький до одиниці, а при формуванні третьої форми руйнування він швидко збільшується. Для реалізації другої форми руйнування потрібно дещо більше енергії (Т₂ 1,6 А₀), чим при статичному втискуванні. Це зумовлює і вищу енергоємність руйнування породи в процесі динамічного втискування. Зростання енергоємності в свою чергу пов’язане з більшим опором породи проникненню штампа при динамічному втискуванні, чим при статичному. Найбільший опір проникненню поступово зростає із збільшенням енергії удару, і при досягненні третьої форми руйнування приблизно на 30% більший, ніж при другій формі.

В процесі статичного втискування можна досягнути і вищих за другу форм руйнування. Цей процес також відбувається скачкоподібно. Енергоємність руйнування гірських порід як при динамічному, так і при статичному втискуванні зменшується від скачка до скачка, причому енергоємність при динамічному втискуванні дещо більша, ніж при статичному.

Ц

а б

Рисунок 30 – Схема дії і контури зон руйнування при втискуванні трьох штампів

ікавими є випадки одночасного і послідовного втискування кількох інденторів, бо саме такі процеси відбуваються при руйнуванні породи долотом у свердловині. У випадку одночасного втискування кількох інденторів напруження сумуються ( згадаймо задачу Буссінеска), в результаті чого ефективність руйнування породи зростає. На рис. 30 показано форми руйнування породи, отримані при одночасному і послідовному втискуванні трьох штампів у мармур.

При одночасному втискуванні отримано загальну форму руйнування з плоским дном (рис 30, а), а при послідовному форма руйнування утворилася в результаті перетину і злиття одиничних форм (рис. 30, б). В першому випадку об’єм руйнування в 1,4 рази більший, чим в другому. При втискуванні кількох інденторів велике значення має вибір оптимального