Визначення показників механічних властивостей гірських порід методом статичного втискування штампа

Вперше метод втискування для оцінки опору гірських порід руйнуванню при бурінні запропонував Є.Ф. Епштейн. За цією методикою в зразок породи втискувався різець формою двостороннього клина з кутом при вершині 60 °. Однак, як показала практика, цей метод можна застосовувати лише для сильно пластичних порід. Запропоновані іншими дослідниками методики також не знайшли широкого застосування.

Шрейнер Л.А., аналізуючи методи, запропоновані для вимірювання опору гірських порі втискуванню, і методи визначення твердості втискуванням прийшов до висновку про необхідність принципово змінити спосіб вимірювання.

Суть висновків Шрейнера Л.А. зводиться до наступного. Якщо для визначення твердості пластичних тіл (зокрема металів) задається навантаження, а вимірюється площа або глибина відбитку під індентором, отриманого при втискуванні, то для гірських порід, які в тій чи іншій мірі є крихкими тілами, слід задаватися площею контакту, а вимірювати навантаження на індентор в момент руйнування. Найзручнішою геометричною формою індентора є циліндричний штамп з плоскою основою, оскільки площа контакту залишається постійною за увесь час втискування.

а) б) а) – для м’яких і середніх порід; б) – для твердих порід   Рисунок 10.11 − Циліндричні штампи

Метод втискування штампа дає змогу не тільки визначати твердість гірських порід, але й оцінювати їх пружні і пластичні властивості. Цей метод став загальновизнаним і навіть затверджений стандартом ГОСТ 12288–66. При визначенні механічних властивостей гірських порід використовують циліндричні штампи з плоскою основою (рис. 10.11). При випробовуванні дуже твердих порід доцільно використовувати штампи у вигляді конуса з кутом при вершині до 60°, площею 1 мм² (рис. 10.11, б), які повністю виготовлені з твердого сплаву.

Для щільних і однорідно пористих порід слід використовувати циліндричні штампи площею 2 мм² (рис. 10.11, а). Штампи площею 3 – 10 мм² використовують для сильно пористих і неміцних гірських порід.

Всі гірські породи за характером поведінки при втискуванні штампу поділені на три класи: І –крихкі (рис. 10.12, а), ІІ – пластично-крихкі (рис. 10.12, б), ІІІ – сильно пластичні і

а) – крихка порода (кварцит); б) – пластично-крихка порода (ангідрит); в) – сильно пластична і дуже пориста порода (глина).   Рисунок 10.12 − Графіки "Навантаження – глибина втискування штампа"

дуже пористі (рис. 10.12, в).

Визначати показники механічних властивостей порід методом втискування штампа можна на гідравлічних пресах з граничним навантаженням не менше 10000 Н, або на спеціальних установках УМГП-3 і УМГП-4. Випробування проводяться при дуже малій швидкості навантаження штампа, через що в літературі широко використовується друга назва методу – метод статичного втискування штампа. Штамп втискується в зразок породи до того моменту, поки при деякому граничному навантаженні не станеться крихкого руйнування породи або не буде вичерпана глибина занурення штампа.

За отриманими даними будують графіки деформацій в координатах: по осі ординат – навантаження Р в Н, по осі абсцис – деформація e в мкм.

Користуючись кривою, отриманою при випробовуванні породи, визначають її механічні властивості.

Твердість. Твердість за штампом р_шт визначається як відношення навантаження в момент руйнування Р_р до контактної площі штампу f_{ш т} (рис.10.13):

(10.17)

де d_шт – діаметр штампа, м.

Рисунок 10.13 − Розрахункова схема для визначення механічних властивостей породи ІІ класу

Для порід ІІІ класу твердість за штампом не визначають, оскільки при втискуванні індентора в породи цього класу немає крихкого руйнування.

Межа пружності. Межа пружності р₀ визначається як відношення навантаження Р_о в точці переходу від чисто пружних деформацій до змішаних(точка А) до контактної площі штампу ¦_шт

(10.18)

Для порід І класу межу пружності не визначають, оскільки її значення дорівнює твердості за штампом.

Для порід ІІІ класу межа пружності є показником, за яким оцінюють твердість гірської породи.

Коефіцієнт пластичності. Коефіцієнт пластичності k_пл визначається співвідношенням загальної роботи, затраченої на руйнування А_{за г} до енергії пружних деформацій А_{п р}. Оскільки площа під кривою «навантаження-де­формація» пропорційна енергії, то коефіцієнт пластичності визначається співвідношенням площ S_{OABC O} і S_OMGO (рис. 10.13).

(10.19)

 

Модуль Юнга. Модуль Юнга можна розрахувати за формулою

, (10.20)

де Р¢^’ – довільно вибране навантаження, Н;

e ¢; _пр – пружна деформація, яка відповідає наван­таженню Р¢;, м.

Оскільки відношення Р/e_пр є тангенсом кута нахилу прямолінійної ділянки кривої до осі деформацій, можна брати будь-які співвідношення Р і e_пр. При цьо­му тільки слід дотримуватися їх відповідності. Наприклад, на графіку (рис. 10.13) можна взяти навантаження Р_о (ордината АD) і деформацію ОD, навантаження Р_р (ордината MG або ВС) і деформацію OG (деформація ОС – це загальна деформація; пружна OG і залишкова GC).

Об’ємна енергоємність руйнування. Об’ємна енергоємність руйнування А_v є питомою витратою енергії на одиницю об’єму зруйнованої породи і визначається як відношення загальної роботи А_{за г} до об’єму лунки V_л

, (10.21)

де V_л – об’єм лунки руйнування.

Визначення об’єму зруйнованої під індентором породи утруднене, оскільки зробити це розрахунковим шляхом неможливо – розміри лунки залежать не лише від механічних властивостей, але і від структурних особливостей порід.

Об’єм лунки можна визначити так: заповнити її пластиліном або парафіном, потім вийняти матеріал зліпка і зважити його. Об’єм лунки рівний:

, (10.22)

де Q – маса матеріалу зліпка лунки;

r – густина матеріалу зліпка лунки.

Для порід ІІІ класу загальна робота до руйнування розраховується умовно. В цьому випадку графік навантаження – переміщення продовжують до глибини втискування, яка дорівнює діаметру штампа. Таке припущення прийнято за результатами вивчення глибини руйнування найбільш пластичних порід.