Цель работы: Определения предела прочности горных пород.

Прочность – это способность пород сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Критические значения напряжений, при которых происходит разрушение породы, называют пределом прочности. Различают пределы прочности пород на одноосное сжатие , растяжение , изгиб , сдвиг (срез) . При бурении глубоких скважин разрушение горных пород на забое происходит в условиях всестороннего сжатия, поэтому рассматривается также понятие «предел прочности при всестороннем сжатии» [1, 2, 5, 6, 7].

Наиболее простым видом определения прочности является одноосное сжатию, так как она проводится при простом напряженном состоянии, то есть < 0; - = 0.

 

Определение предела прочности при одноосном сжатии

Производится на образцах цилиндрической (керн) или призматической формы. В настоящее время разработан и действует ГОСТ 21153.2-84, в соответствии с которым определение прочности пород при одноосном сжатии производится на образцах размеры, которого 42 3 мм при отношении высоты h к диаметру d (ширине, длине), равном единице. Торцовые поверхности образцов шлифуют, их выпуклость (вогнутость) после шлифования не должна быть более 0,05 мм. Они также должны быть параллельны друг к другу (отклонение не более 0,1 мм) и перпендикулярны к образующим цилиндра (отклонение 1,0 мм).

Этот метод является стандартным. Определение прочности проводят на гидропрессах. Схема проведения опыта приведена на рисунке 1.

 

 

 

 

1 – образец породы; 2 – плиты пресса; 3 – стол гидропресса

 

Рисунок 1 – Установка для определения предела прочности на

одноосное сжатие

 

Образец породы 1 размещается на столе 3 гидропресса, нагружается давильной плитой 2 до разрушения.

В опыте фиксируется максимальная нагрузка Р_max, соответствующая моменту разрушения образца породы. Предел прочности на одноосное сжатие рассчитывается как отношение разрушающей нагрузки Р_max к площади поперечного сечения образца F

 

. (5)

 

В опытах с хрупкими породами возможно определение таких упругих свойств как модуль продольной упругости при одноосном сжатии (модуль Юнга) и коэффициент Пуассона . При изменении размеров образцов в продольном и поперечном направлении [1, 7]: предположим длина образца l уменьшилась на величину Δl, а поперечный размер d увеличился на Δd. Коэффициент Пуассона определяется

 

(6)

 

Модуль Юнга Е_сж -

 

(7)

 

В таблице 3 приведена классификация горных пород по прочности на одноосное сжатие, разработанная в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) [1].

 

Таблица 3 – Классификация горных пород по прочности на

одноосное сжатие

 

Группы	Категории	, МПа	Группы	Категории	, МПа
Весьма слабые		< 4 4-6 6-10	Средней прочности		35-52 52-80 80-120
Слабые		10-15 15-23 23-35	Прочные   Очень прочные		120-180 180-270 < 270

 

Наибольшей прочностью обладают породы, содержащие кварц. Кварц имеет предел прочности при одноосном сжатии равный 5·10⁸ ПА. Полевые шпаты, входящие в некоторые осадочные породы, обуславливают их малую прочность.

 

Определение прочности при растяжении

Цилиндрические образцы пород стандартных размеров (диаметром 40-50 мм с отношением высоты к диаметру, равным 0,9 – 1,1) могут быть использованы для определения предела прочности при растяжении s_р. Определение производят методом диаметрального сжатия (рисунок 2), в результате чего в образцах возникают растягивающие напряжения.

Рисунок 2 – Схема испытания на растяжение цилиндрического

образца методом раздавливания

 

Расчет предела прочности (s_р, МПа) производят по формуле Герца

 

s_р = , (8)

 

где Р – разрушающее усилие, кгс;

d - диаметр образца см.

Результаты испытаний этим методом, как показывает опыт, отличаются высокой стабильностью.

 

Определение прочности при сдвиге G_сд

Прочность на сдвиг (срез) определяют в специальных стальных матрицах (рисунок 3, ГОСТ 21153.5-88). Образец находится в условиях среза со сжатием. При испытаниях важно обеспечить равномерное распределение усилия пресса по сечению испытуемого образца. Испытания проводят на цилиндрических образцах диаметром 42 0,1 мм, высотой 42 2,5 мм. Допуски на параллельность, выпуклость торцов, а также перпендикулярность их к образующей цилиндра ± 0,05 мм.

Углы наклона матриц 30⁰, 45⁰ и 60⁰, клиньев 5⁰, что позволяет менять угол наклона среза в пределах от 25⁰ до 65⁰ через каждые 5⁰. Зазор между разъемными половинами матрицы при вложенном в нее образце должен иметь постоянную ширину не более 2 мм.

 

 

1 – матрицы; 2 – вкладыши; 3 – клинья; 4 – плиты; 5 – ролики;

6 - образец породы

 

Рисунок 3 – Определение прочности пород при сдвиге

 

Нормальное давление на плоскость среза t и предел прочности при срезе G_ср вычисляют по формулам

 

; (9)

 

, (10)

 

где Р – вертикальная максимальная разрушающая сила, кгс;

a - угол между плоскостью среза и направлением действия силы Р,

градус;

d – диаметр образца, см;

h – высота образца, см.