Свойства горных пород по отношению к бурению

Горные породы обладают массой различных свойств, изучение и определение которых оказывают влияние на выбор типоразмера применяемого бурового оборудования или на проектные и конструкторские решения при разработке буровой и другой горной техники, на определение и выполнение норм выработки и, следовательно, на экономическую эффективность процесса.
Существуют различия в свойствах горных пород, определяющих эффективность процессов бурения и взрывания, что можно объяснить различиями в масштабах охвата зон воздействия бурового (разрушающего) инструмента. При бурении разрушающий наконечник в виде коронки или долота соприкасается с породой на длине, исчисляемой от мм до см, а например, взрывной импульс передается на метры. Таким образом, в первом случае следует учитывать микросвойства пород такие как: твердость, прочность, абразивность, вязкость, зерновой состав, в то время как во втором случае, кроме прочностных характеристик, учитываются и структурные показатели массива в виде трещиноватости, пористости и др.
При бурении, резании или скалывании массив характеризуется контактной прочностью, т.е. способностью проникать в породу металлического пуансона под определенным усилием с образованием лунки.
Особенностью процесса бурения является местный характер разрушения горной породы. Поэтому для оценки буримости пород важно знать их прочностные свойства в зоне контакта с разрушающим инструментом - зубками, резцами, коронками.
Для определения агрегатной твердости горных пород используют метод вдавливания штампа в виде цилиндрического пуансона в шлифованную поверхность образца, тогда:

где P - нагрузка в момент разрушения, Н; S - площадь опорной поверхности штампа, см2.
Метод Л.И. Барона, аналогичен первому, но пуансон вдавливается в неотшлифованную поверхность, как бы имитируется один из производственных процессов, например, при работе проходческого комбайна. В этом случае разрушение наступает раньше, и тогда мы имеем дело с так называемой контактной прочностью:

По ее величине также можно классифицировать горные породы. Например, породы, имеющие Pк =600-900 МН/м2, относятся к средним по прочности, а крепчайшие имеют контактную прочность в пределах 4500-5500 МН/м2.
Абразивность - это способность породы изнашивать при трении металл, твердые сплавы, которыми армирован буровой инструмент, за счет истирания. Она определяется путем истирания необработанной поверхности образца вращающегося стержня диаметром
8 мм из незакаленной стали и последующего определения весового износа стержня в мг. Для этого используется сверлильный станок при осевом давлении 147,15Н и частоте 6,67 с-1. По абразивности горные породы делят на 8 классов, при этом к малоабразивным относят те, у которых износ стержня составляет 5-10 мг, для пород с высшей степенью абразивности - износ более 90 мг.
В процессе бурения горная порода дробится не только при откалывании от забоя скважины или шпура, но и при выносе отделенного от массива материала по стволу при соприкосновении со штангой при недостаточном зазоре между ней и стенками скважины (шпура). Дробимость горных пород оценивается методом, в основу которого положен принцип разрушения однократным ударом падающего груза и последующим ситовым анализом. Дробимость оценивается двумя показателями:
- суммарным объемным выходом фракций Vmax (см3), прошедших через сито диаметром 7 мм;
- показателем:

где Vmin и dmin - объем фракций, прошедших через сито диаметром 0,25 мм.
Классификация по дробимости относит к легкодробимым породы с Vmax=6,0-9,0, а к весьма труднодробимым - породы с Vmax=1,8-2,7.
Перечислим другие важные свойства пород, оказывающие влияние на процесс бурения.
Под твердостью понимается способность противостоять проникновению в горную породу другого тела без остаточных деформаций.
Пластичность - это способность необратимо изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры под воздействием внешних сил.
Хрупкость - свойство пород разрушаться без пластических деформаций.
Вязкость - сопротивление отделению от массива части породы.
Указанные свойства пород скорее относятся к образцам, которые мы условно считаем однородными и, как правило, не имеющими заметных дефектов. Вместе с тем, массив пород имеет слоистость, т.е. структурное свойство относительно легко отделяться по плоскостям наслоения. Другой структурной характеристикой массива является трещиноватость. Она покрывает массив в различных направлениях, образуя системы трещин, тем самым, разделяя его на отдельности. Трещиноватость может быть естественной и техногенной, например, от взрывных работ. Трещиноватость массива характеризуется удельной трещиноватостью, т.е. числом открытых трещин всех систем, приходящихся на единицу длины, т.е. шт./м, обратная ее величина -есть средний размер отдельности в массиве.
По степени трещиноватости (по удельной величине) массивы разделяются на 5 категорий:
- сильно трещиноватые (мелкоблочные) - > 10,
- среднеблочные - 2-10,
- крупноблочные - 1-2,
- мало трещиноватые - 1,0-0,65.
- монолитные - < 0,65.
Трещиноватость может быть установлена планиметрическим способом, непосредственным подсчетом числа трещин на определенной базе:

Можно определить число трещин по фото, когда перед фотоаппаратом установлен шаблон с масштабной сеткой, тогда число трещин вычисляется:

где n - число отдельностей, шт.; S - площадь измерений, м2.
В том случае, когда непосредственно трещины наблюдать не возможно, используется акустический метод по отношению скорости продольных волн в массиве и в отдельности:

где Срм и Cpo - соответственно скорости продольных волн в массиве и в отдельности.
Классификации горных пород являются методической и юридической основой для выбора бурового оборудования, методов и средств взрывных работ, установления норм выработки и расхода любых материалов. Известно большое число классификаций пород, в том числе и по отношению к производственным процессам (бурению, взрыванию, экскавации, устойчивости и др.)
Наиболее распространена классификация пород по крепости проф. М.М. Протодьяконова, в основу которой положен коэффициент крепости, характеризующий поведение пород во всех производственных процессах. Классификация имеет 10 категорий от самых крепких к слабым, где дается также описание и название горных пород. С общенаучной точки зрения классификация используется повсеместно, но для целей нормирования она непригодна.
В основу единой классификации по буримости положена классификация А.Ф. Суханова, по которой буримость оценивается чистой скоростью бурения шпура при стандартных условиях, одним молотком типа ПР-19 при давлении в пневматической сети 4,5 ати, диаметре коронки 45 мм, длине штанги 1 м. Если условия не стандартные, то нужно ввести поправочные коэффициенты на массу перфоратора, число ударов и т.п.
На этом принципе отдельные ведомства и даже отдельные предприятия разрабатывают свои классификации применительно к местным условиям.
Классификация по буримости может быть построена по показателю удельной энергоемкости бурения для определенных типов станков. Этот способ более информативен, так как кроме буримости, можно оценивать и эффективность применяемого разрушающего инструмента, режима бурения, удаления продуктов разрушения из забоя скважины и т.п.

---