Физико-механические свойства горных пород

У
Ударно-вращательный способ бурения. Гидроударный способ
Разрушение породы происходит при одновременном воздействии ударных нагрузок
и вращении п.р.и.
Ударные импульсы обеспечивают большую глубину внедрения режущих элементов
в породу и вызывает появление остаточных деформаций виде трещин.
Разрушение породы происходит при вращении инструмента в результате
повышается механическая скорость бурения.
Применяют забойные, ударные машины, гидроударника.
Гидроударник приводится в действие энергией гидравлического удара,
создаваемого потоком п.ж.
Ударно-вращательное бурение применяется в породах средней твердости и твердых
породах.
По принципу действия подразделяют на Гидроударники прямого и обратного
действия.
Гидроударники прямого действия – во время спуска и подъема гидроударник
находится во взвешенном состоянии, его нижняя часть в местах шлицевых разъемов
опускается, в таком положении П..Ж.свободно проходит через гидроударник и колонковый
снаряд обеспечивая очистку забоя.
При постановке гидроударника на забой, шлицевые разъёмы смыкаются, клапан
перекрывает отверстие в поршне, перекрывая проход жидкости.
Под действием резкого увеличения Р-я клапан вместе с поршнем и утяжелителем
движутся вниз, когда упорная втулка клапана дойдет до ограничителя, клапан
останавливается и отрывается от поршня.
Поршень-боёк под действием приобретенной кинетической энергии движется вниз
и наносит удар на кавальне.
Ударный импульс распространяется по колонковой трубе на п.р.и., при этом
жидкость свободно проходит через гидроударник к забою.
После нанесения удара под действием разжатия пружины, клапан и утяжелитель с
поршнем возвращаются в исходное положение.
В гидроударниках обратного действия, разгон поршня бойка и удар по накавальне,
происходит за счет массы поршня и энергией сжатой пружины, а подъём, т.е.взвод поршня
бойка, с одновременным сжатием силовой пружины под действием гидравлического удара.
Такие гидроударники не получили широкого применения, т.к.для взвода поршня
бойка требуется большой расход п.ж.
По частотной характеристики гидроударники подразделяются на среднечастотные
1200-1500 ударов/мин, и высокочастотные 2000-3000 у/мин.
Среднечастотные Г7,Г9 имеют высокую энергию единичного удара,
предназначены для работы со специальным твердосплавным инструментом и шарошочным
долотом д=59-93 мм.
Высокочастотные ГВ5,ГВ6, имеют более низкую энергию единичного удара,
работают с обычными серийными твердосплавными и алмазными коронками. Д=59-76мм.
Ударно-механическое бурение
Ударно – канатное механическое бурение применяется при проходке
гидрогеологических, водозаборных, при разведке россыпных и вкрапленных руд, для
проходки взрывных скважин и скважин специального назначения.
Применяются для бурения практически всех типов пород включая крупнообломочные.
Разведочные скважины бурятся до 200мм и глубинной до 50-100 м.
Гидрогеологические и водозаборные д=150-250 до 1000 мм, глубинной до 200м.
Скважины специального назначения до 1000 мм, глубиной до 1400 м.
Ударно-канатное бурение производят без промывки, но на забое должна быть вода,
в которой породы находятся во взвешенном состоянии.
За один рейс проходятся от 40 до 100 см, после чего буровой снаряд взвешивают и
чистят скважину.
Достоинства: высокая скорость спускоподъема операций, высокое качество проб,
вертикальность ствола, бурение в особосложных условиях.
Недостатки: низкая производительность.
На месте выбранном для бурения скважины расчищают и выравнивают площадку,
для размещения стеллажей под обсадные трубы.
На площадке устанавливают станок, поднимают мачту и устанавливают ее по отвесу
так, чтобы желоб совпадал с устьем скважины.
Параметры режима ударного бурения это масса бурового снаряда, высота подъема
над забоем и частота ударов.
Масса рабочей части снаряда приходящаяся на один см лезвия долота называется
относительной массой.
Для мягких пород 22-25 кг/см
Средней крепости 30-40 кг/см
Для крепких 40-60 кг/см
Очень крепких 60-70 кг/см
Высота подъема снаряда над забоем в зависимости от крепости пород и глубины
скважины от 0,4 до 1,2 м.
Для мягких пород и пород средней твердости 0,5-0,8 м
В твердых и трещиноватых 0,9-1 м
В очень твердых 1,1-1,2 м
Число ударов бурового снаряда от 40 до 60
На небольшой глубине целесообразно бурить с мах частотой ударов.
С увеличением глубины частоту уменьшают.
При бурении крепких пород целесообразно увеличивать высоту сбрасывания,
уменьшая при этом кол-во ударов, и наоборот при бурении трещиноватых пород.
При бурении неустойчивые стенки скважины закрепляют обсадными трубами, после
окончания бурения, трубы обычно извлекают.
Объем воды за один рейс 20-30 литр.
Ф
Физические и комбинированные способы бурения
1.
Гидродинамическое
бурение
разрушение
породы
производится:
осуществляется высоконапорной струёй жидкости, путем разрушения или растворения
породы:
1)струя полностью разрушает забой и формирует ствол скважины, в зависимости от
твердости пород, создается давление жидкости от 20 до 200 МПа. Для эффективности
разрушения в струю добавляют абразивный материал, стольную дродь, или кварцевый
песок.
2)струя частично разрушает и размягчает породу, ствол скважины формируется
п.р.и.имеющим гидромониторные насадки. Применяют в мягких и рыхлых породах.
2. Термическое или огневое – разрешение породы происходит при
высокотемпературном воздействии. Высокая температура создается при сгорании струи
керосина в струе кислорода. Горелка опускается на трубах и охлаждается водой.
Свободному расширению нагретых участков породы препятствует противодействие
ненагретых.
В породе возникают термические напряжения, приводящие к отслаиванию чешуек
от массива.
Применяют для бурения взрывных скважин д=160-250 мм, глубинной 8-50 м.
Отличается высокой производительностью 30 м в смену по сравнению с ударноканатным 3,5 за смену.
3.Термомеханическое бурение при нагреве происходит ослабление прочности
пород, последующее разрушение производится с помощью инструмента
вращательного типа.
4.Электротермическое бурение применяют для расплавления льда, с помощью
электротермобура, бурятся скважины до 1000м, д=до 300 мм с выходом керна 100 %.
5. Взрывное бурение при ампульном взрывном бурении, пластмассовые ампулы
заполняются взрывчатым веществом, подаются в потоке жидкости по трубам через равные
промежутки времени, при ударе о забой срабатывает взрыватель, за счет взрыва порода
разрушается. Пробурена скважина 2800 м в осадочных породах, с подачей зарядов 300 штук
в час.
Физико-механические свойства горных пород
Состояние окружающего породного массива характеризуют определенными физикомеханическими свойствами.
Достоверные сведения о физико-механических свойствах горных пород позволяют
заблаговременно составить представление о характере возможных деформаций и степени
устойчивости обнажений массива, а также служат основанием для разработки и внедрения
наиболее эффективных методов разрушения горных пород при ведении горных работ,
креплении и поддержании горных выработок.
Под механическими свойствами горных пород понимают характеристики, определяющие
способность пород противодействовать деформированию и разрушению в сочетании со
способностью упруго или пластически деформироваться под действием внешних механических
сил. Механические свойства пород можно подразделить на прочностные, упругие и др.
Прочность характеризует сопротивляемость породы раздавливающим, разрывающим и
скалывающим нагрузкам.
Пределом прочности называют напряжение, при котором образец породы разрушается.
Большинство горных пород имеет зернистую структуру (например, песчаники), причем
межкристаллическое сцепление значительно меньше прочности самих зерен. Такие горные
породы являются хрупкими и разрушаются без предварительной пластической деформации.
Глины и некоторые виды известняков обладают пластическими свойствами. Горные породы
обладают достаточно высокой прочностью только на сжатие, сопротивление же их растяжению,
сдвигу и изгибу очень мало и составляет десятые и сотые доли сопротивления сжатию.
При сложных процессах механического разрушения горных пород (бурение шпуров,
применение проходческих комбайнов и т.д.) чаще находит применение термин «крепость
горной породы».
Крепость —величина, приближенно характеризующая относительную сопротивляемость
породы разрушению при добыче.
Данные о физико-механических свойствах горных пород получают путем испытания их
образцов на сопротивление сжатию, разрыву, изгибу и сдвигу.
К свойствам горных пород относят также обобщающие характеристики разрушаемости
механическими способами: дробимость, абразивность и контактную прочность.
Дробимость —относительная сопротивляемость породы измельчению при воздействии
ударной нагрузки.
Абразивность горных пород и угля — способность истирать металлы, твердые сплавы и др.
Поэтому абразивность горной породы обычно оценивают по износу материала,
контактирующего с нею.
Контактная прочность —сопротивляемость породы разрушению в приповерхностном слое
при местных контактных воздействиях.
По величине контактной прочности все горные породы делят на 12 классов. Первый класс
составляют слабые породы с контактной прочностью менее 300 МПа, к двенадцатому классу
относят крепчайшие породы с пределом прочности более 5650 МПа.
Хрупкость — свойство горных пород разрушаться без пластических деформаций.
Пластичность — свойство породы под воздействием сил претерпевать остаточную
деформацию без микроскопических нарушений сплошности. Она растет с увеличением
температуры и давления. Наиболее пластичны, например, глины.
Между хрупкими и пластичными породами нельзя провести резкой грани, так как одна и та же
порода в зависимости от рода и скорости приложения нагрузки может быть хрупкой или
пластичной.
Твердость — сопротивляемость породы при местных контактных воздействиях пластической
деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое.
Сопротивляемость горной породы внедрению инструмента или вдавливанию при статическом
воздействии называют статической твердостью.
Вязкость — свойство, характеризующее сопротивляемость усилиям, стремящимся отделить
часть породы от массива. Вязкость часто выражают через работу деформации — работу,
необходимую для разрушения породы. Вязкость зависит от прочности и пластичности породы.
В однородных породах вязкость равномерна во всех направлениях. В неоднородных породах
вязкость вдоль слоев меньше, чем в направлении, перпендикулярном к ним.
Плотность горной породы — масса единицы ее объема в естественном состоянии со всеми
содержащимися в ее порах жидкостями и газами.
Различают среднюю и минералогическую плотности.
Пористость — суммарный относительный объем пор, содержащихся в горной породе. Наличие
в породе пор и трещин уменьшает силы сцепления и облегчает разрушение породы под
действием бурового инструмента. Чем больше объем пор, тем меньше ее плотность.
Пористость горных пород колеблется в широких пределах и зависит от размеров и формы зерен,
слагающих породу, а также от минералогического состава, однородности, плотности ее
сложения. Пористые горные породы обладают сжимаемостью, т.е. их объем уменьшается после
сжатия. Однако практически сжимаемость горных пород незначительна.
Упругость — свойство тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения
действия на него силы.
Деформация горных пород — изменение относительного положения частиц массива горных
пород под действием сил.
Ползучестью горной породы называют медленное нарастание во времени пластической
деформации породы при силовых воздействиях, меньших, чем те, которые могут вызвать
остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности. Величина ползучести горных
пород имеет большое значение при поддержании горных выработок, так как от нее зависит
смещение горных пород на контуре выработок и, следовательно, нагрузка на крепь.
Ползучесть горных пород в большей мере проявляется на больших глубинах от поверхности.
Разрыхляемость —свойство горной породы занимать в разрыхленном состоянии больший
объем по сравнению с тем, который она занимала в массиве.
Отношение объемов горной породы в разрыхленном состоянии и в массиве называют
коэффициентом разрыхления. Величина этого коэффициента зависит от крепости породы, ее
строения и сложения, степени разрыхления, способа добычи, наличия воды. Наиболее
разрыхляемы твердые и прочные породы, наименьшей разрыхляемостыо обладают
малосвязанные и рыхлые.
Трещиноватость — нарушенность монолитности пород трещинами. Трещиноватость горных
пород значительно ослабляет устойчивость массива, существенно влияет на параметры
буровзрывных работ, способы проведения и крепления горных выработок.
Влажностью горных пород называют количество воды, содержащейся в их порах, трещинах и
других полостях.
Количество воды, содержащейся в породе в естественных условиях, называют естественной
влажностью.
Предельно возможная влажность соответствует полной влагоемкости породы.
Влагоемкость — свойство горных пород удерживать воду (в порах и трещинах). Влагоемкость
определяют по количеству оставшейся воды после свободного стекания ее избытка из образца,
который предварительно был погружен в воду. По влагоемкости горные породы делят на
влагоемкие (глины, торф и др.), слабовлагоемкие (пески, мел, мергели и др.), невлагоемкие
(гравий, галечник, каменистые породы).
Водопроницаемость — способность горных пород пропускать через себя воду при некотором
перепаде давления. Водопроницаемость зависит от скорости фильтрации, равной количеству
воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения фильтрующей породы.
Водопроницаемость характеризуют коэффициентом фильтрации, т.е. скоростью фильтрации
при напорном градиенте, равном единице.
Способность поглощать и проводить воду у различных пород различна. Лишенные полостей
кристаллические изверженные породы, большинство метаморфических пород (например,
мрамор и кварцит) практически не поглощают и не проводят воду. Пластичная глина обладает
значительным водопоглощением, но лишена водопроводящей способности. Обломочные
породы с крупностью частиц больше 0,1—0,2 мм быстро поглощают и проводят большое
количество воды.
Водоотдачу горной породы характеризуют количеством воды, которое может быть от нее
отобрано путем свободного стекания под влиянием силы тяжести.
Газонасыщенность пород — степень заполнения пустот (пор, каверн, трещин) в породах
природными газами. Она обусловлена сорбционной способностью горных пород, пористостью,
трещиноватостью и давлением газов. Ее оценку осуществляют по коэффициенту
газонасыщения, равному отношению объема газа, заполняющего породу, к объему открытых
пор и пустот. Газонасыщенность определяют как объемное количество свободных и
сорбированных газов, содержащихся в единице объема или массы породы, извлекаемых путем
откачки, вакуумирования или вытеснения жидкостью.
Газопроницаемость — способность горной породы (угля) при некотором перепаде давления
пропускать через себя газ. Газопроницаемость является основным свойством горной породы,
проявляющимся при фильтрации газа, и зависит в основном от свойств породы и частично от
свойств самого газа.