Механизм разрушения горных пород при вдавливании штампа

ЭНЕРГЕТИКА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ И СТАТИЧЕСКОМ ВДАВЛИВАНИИ.

ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Основной вид деформации, под действием которой породы в процессе бурения разрушаются, – вдавливание. Рассмотрим явления, происходящие в породе при действии постепенно возрастающей местной нагрузки, передающейся через штамп. Первоначально порода уплотняется в непосредственной близости от площадки контакта. Затем, когда нагрузка достигает некоторого критического значения, в породе образуется конусообразная трещина, вершина которой обращена к вдавливаемому телу. При дальнейшем увеличении нагрузки трещина продолжает развиваться в глубину; при этом образуется система хаотически расположенных трещин, порода в вершине конуса раздавливается в порошок, передающий давление во все стороны.

Под влиянием этого давления порода продолжает разрушаться до образования лунки. Описанный процесс внедрения штампа составляет один полный цикл разрушения. При дальнейшем нагружении штампа процесс во всех трех фазах повторяется. Такая цикличность разрушения свойственна хрупким, прочным горным породам. В хрупких, но менее прочных горных породах разрушение также носит цикличный, но менее скачкообразный характер. Разрушение малопрочных пород носит плавный характер.

Рассмотрим действие динамического вдавливания (ударов) на породу. Исследованиями установлено, что в результате ударов горные породы могут разрушаться при напряжениях, меньших, чем критические, соответствующих пределу прочности. Сам механизм разрушения аналогичен описанному выше. Число ударов по одному и тому же месту может быть значительным. С увеличением силы удара число их уменьшается, и при некотором значении силы разрушение наступает после первого же удара. Таким образом, горная порода может разрушаться как при действии статических, так и динамических нагрузок. Сила удара в процессе динамического разрушения зависит от нагрузки и скорости ее приложения. Эффект разрушения в значительной мере зависит от формы твердого тела, которым разрушают горную породу. Все эти и некоторые другие факторы оказывают влияние на объемную работу разрушения.

Напряженное состояние в реальных горных породах значительно сложней,

чем в идеально упругом теле, что связано с анизотропией упругих свойств

и дискретным сложением пород. Однако следует ожидать, что и в реальных породах напряженное состояние качественно будет аналогичным, если размеры обломков или кристаллитов будут значительно меньше, чем размеры контакта вдавливаемого элемента.

С увеличением нагрузки на вдавливаемый элемент напряжения в горной

породе возрастают и, в конечном счете, достигают предельного значения.

Дальнейшее увеличение нагрузки приведет либо к появлению пластической

деформации либо к разрушению породы. Сложность напряженного состояния и зависимость предельной характеристики пород от вида и величины напряженного состояния не позволяют четко выделить границы перехода от упругого деформирования к пластическому и далее к разрушению. В настоящее время эти вопросы усиленно изучаются, так как именно они лежат в основе процессов разрушения горных пород механическими способами.

При вдавливании штампа, в силу особенностей распределения напряжений,

объективно возможно достижение предельного состояния в двух экстремальных зонах: на контуре, где имеют место условия чистого сдвига, и на оси симметрии.Именно эти два момента лежат в основе выделения Р.М Эйгелесом двух механизмов разрушения горных пород.

В соответствии с первым механизмом разрушения пород при некоторой

нагрузке на штамп в экстремальной зоне, примыкающей снаружи к контуру

штампа, образуется кольцевая трещина, уходящая вглубь в виде конуса. Жесткость штампа значительно выше, чем горной породы, а поэтому поперечная деформация породы, прилегающей к штампу незначительна. Следовательно, возможно некоторое раскрытие и отсутствия давления на стенку трещины со стороны конуса. С увеличением нагрузки увеличивается глубина раскрытия трещины. По мере удаления от поверхности влияние штампа на поперечную Деформацию конуса уменьшается, и на некоторой глубине раскрытие трещины оказывается невозможным. При дальнейшем нагружении штампа поперечная Деформация конуса будет ограничиваться окружающей его породой и, следовательно, будет увеличиваться давление со стороны конуса на окружающую породу. Давление со стороны конуса стремится сдвинуть или оторвать матрицу. Ранее было показано, что сопротивление пород сдвигу и тем более отрыву весьма мало. При достижении некоторого критического давления происходит отрыв матрицы с образованием лунки . Отрыв матрицы_сопровождается снижением бокового давления на конус и его разрушением.

Штамп скачком погружается на значительную глубину.

Рис. 16 - Схемы хрупкого разрушения пород по Р.М. Энгельсу 1,

по Н.Н. Павловой и Л.А. Шрейнеру 11:

а - образование кольцевой трещины и сдвигов за контуром штампа;

б - развитие зон предельного состояния; в - хрупкое разрушение

В соответствии со вторым механизмом разрушения развитие области

предельного состояния у контура штампа быстро затухает. Основную роль играет развитие области предельного состояния от оси симметрии штампа, т.е. от первой экстремальной зоны в направлении к контуру с образованием серповидной области предельного состояния. По мере увеличения нагрузки на штамп растут объем предельной области и давление в ней. Следовательно, растет и нагрузка, действующая со стороны серповидной области на окружающую породу (матрицу). Далее процесс разрушения ничем не отличается от описанного по первому механизму разрушения.

В пористых горных породах большое влияние на механизм деформирования

и разрушения оказывает уплотнение пород, которое сопровождается большим погружением штампа. Последнее, в свою очередь, затрудняет развитие трещин отрыва, в результате чего большинство горных пород, хрупких при плотном сложении, будучи сильно пористыми, не дают хрупкого разрушения.

При вдавливании сферы механизм разрушения горных пород имеет некоторые особенности, связанные с иным, чем при вдавливании штампа, распределением напряжений и с непрерывным увеличение площади погружения.

Наблюдения показывают, что у большинства горных пород при вдавливании

сферы предельное состояние возникает за контуром давления

в зоне, где имеют место условия чистого сдвига._

При деформировании горных пород с низким модулем упругости и особенно

пористых пород имеет место быстрое увеличение площади давления

вследствие деформирования и уплотнения породы и медленный рост напряжений.

Последнее обусловливает малый объем зоны хрупкого разрушения или ее

полное отсутствие.