Способ определения сопротивляемости горных пород механическому разрушению
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения сопротивляемости горных пород механическому разрушению. В предлагаемом способе, включающем воздействие на горную породу твердосплавным индентором, при котором его ось направляется параллельно образующей цилиндрической поверхности скважины, с последующей фиксацией усилия в момент хрупкого разрушения (выкола). При этом длина полосы контакта, образующейся при взаимодействии индентора с горной породой, обеспечивается постоянной за счет использования индентора в форме прямого кругового цилиндра диаметром, равным его длине. Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в повышении точности определения сопротивляемости горных пород механическому разрушению. 1 ил.
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения сопротивляемости горных пород механическому разрушению.
Известна группа методов определения сопротивляемости горных пород механическому разрушению, реализуемая посредством вдавливания различных по форме инденторов в нешлифованную (естественную) поверхность породного образца с фиксацией усилия, необходимого для достижения хрупкого разрушения (выкола) горной породы под индентором. Это метод Института горного дела АН УССР, метод Новочеркасского политехнического института, метод Хуштадта, метод, предложенный Л.И. Бароном и Л.Б. Глатманом, а также способ определения сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению.
Известный метод Института горного дела АН УССР основан на вдавливании в забой неравносторонней четырехгранной пирамиды. Число твердости при этом определяется как отношение величины нагрузки, воздействующей на индентор, к площади боковой поверхности его внедренной части [Барон, Л.И. Определение свойств горных пород [Текст] / Л.И. Барон, Б.М. Логунцов, Е.З. Позин. - М.: Госгортехиздат, 1962. - 332 с., стр. 171].
Известный метод Новочеркасского политехнического института реализуется посредством вдавливания в уголь пики на заданную глубину с дальнейшим вычислением числа твердости как отношения максимального усилия внедрения к площади поперечного сечения пики [Барон, Л.И. Определение свойств горных пород [Текст] / Л.И. Барон, Б.М. Логунцов, Е.З. Позин. - М.: Госгортехиздат, 1962. - 332 с., стр. 175].
Известный метод, предложенный Хуштадтом, осуществляется вдавливанием конического индентора диаметром 30 мм с углом приострения 30° в стенку скважины диаметром 105 мм, пробуренной в массиве. Оценка твердости при этом производится по величине усилия, необходимого для внедрения индентора на глубину 22 мм [Барон, Л.И. Определение свойств горных пород [Текст] / Л.И. Барон, Б.М. Логунцов, Е.З. Позин. - М.: Госгортехиздат, 1962. - 332 с., стр. 177].
Известный метод, предложенный Л.И. Бароном и Л.Б. Глатманом, реализуется посредством вдавливания цилиндрического штампа с плоским основанием в нешлифованную (естественную) поверхность породного образца с фиксацией усилия, необходимого для достижения хрупкого разрушения (выкола) горной породы под индентором. Контактная прочность горной породы при этом определяется как отношение величины нагрузки, воздействующей на индентор в момент хрупкого разрушения (выкола), к площади контактной поверхности индентора [Барон, Л.И. Определение свойств горных пород [Текст] / Л.И. Барон, Б.М. Логунцов, Е.З. Позин. - М.: Госгортехиздат, 1962. - 332 с., стр. 167].
Общим недостатком части выше приведенных методов (метод Института горного дела АН УССР, метод Новочеркасского политехнического института, метод Хуштадта) является использование заостренных инденторов, в результате чего снижается точность определения сопротивляемости горных пород механическому разрушению, так как взаимодействие индентора и горной породы осуществляется по слагающим ее зернам.
Недостатком известного метода, предложенного Л.И. Бароном и Л.Б. Глатманом, является отсутствие возможности проведения измерений в условиях скважины, так как в этом случае взаимодействие индентора с горной породой будет осуществляться лишь по концентратору напряжений, образованному цилиндрической поверхностью и основанием индентора, что приведет к искажению результатов измерения. Таким образом, этот метод не позволяет производить исследования в различных точках массива горных пород, что значительно сужает область его применения.
Наиболее близким к предлагаемому, является способ определения сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению [Патент №2686783, от 30.04.19]. Он реализуется посредством вдавливания в горную породу индентора, представляющего собой прямой круговой цилиндр диаметром равным его длине, торцы которого имеют закругления радиусом равным радиусу цилиндра. Таким образом, форма индентора представляет собой комбинацию трех геометрических фигур: двух шаровых слоев, между которыми расположен прямой круговой цилиндр диаметром равным его длине. При этом шаровые слои образованы в результате сечения шара, построенного радиусом, равным радиусу прямого кругового цилиндра, плоскостями, одна из которых проходит через центр шара.
Шаровым слоем называют часть шара, заключенную между двумя пересекающими шар параллельными плоскостями [Советский энциклопедический словарь [Текст]. - М.: Советская энциклопедия, 1980. - 1600 с., стр. 1517].
В процессе проведения измерений в соответствии со способом определения сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению [Патент №2686783, от 30.04.19] индентор располагается таким образом, что его ось направляется параллельно поверхности образца горной породы или образующей цилиндрической поверхности скважины, пробуренной в горной породе.
У способа определения сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению [Патент №2686783, от 30.04.19] имеется несколько существенных недостатков.
1. Значительное влияние чистоты поверхности образца горной породы на размеры контактной области между индентором и породой, а следовательно и на усилие, необходимое для хрупкого разрушения (выкола). Так, в случае испытания образца горной породы с поверхностью, близкой к шлифованной, контакт будет происходить только по цилиндрической части индентора. В случае испытания образца с поверхностью, имеющей неровности, взаимодействие, в отличие от первого случая, будет осуществляться и по цилиндрической части индентора и по шаровым слоям. В результате этого, для одной и той же горной породы могут быть получены различные значения усилия, необходимого для хрупкого разрушения (выкола) породы под индентором, что в конечном итоге приведет к снижению точности определения показателя сопротивляемости механическому разрушению.
2. Сложность в воспроизводимости способа, обусловленная отсутствием указаний на соотношение между размерами высоты шаровых слоев и диаметром (длиной) цилиндрической части индентора. Под высотой шарового слоя здесь понимается кратчайшее расстояние между его плоскими поверхностями. В результате этого становится возможным использование при проведении измерений инденторов с неодинаковой геометрией, что приводит к снижению точности определения показателя сопротивляемости горных пород механическому разрушению.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении точности определения сопротивляемости горных пород механическому разрушению.
Техническая проблема решается тем, что в предлагаемом способе, включающем воздействие на горную породу твердосплавным индентором, при котором его ось направляется параллельно образующей цилиндрической поверхности скважины, с последующей фиксацией усилия в момент хрупкого разрушения (выкола), согласно изобретению, длина полосы контакта, образующейся при взаимодействии индентора с горной породой, обеспечивается постоянной, за счет использования индентора в форме прямого кругового цилиндра, диаметром равным его длине.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в повышении точности определения сопротивляемости горных пород механическому разрушению.
Указанный технический результат достигается тем, что при проведении измерений в соответствии с заявляемым способом длина полосы контакта между индентором и породой обеспечивается постоянной вне зависимости от чистоты поверхности образца горной породы за счет использования индентора в форме прямого кругового цилиндра диаметром равным его длине.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется схемой, где обозначено: 1 - индентор, выполненный в форме прямого кругового цилиндра диаметром D, равным его длине L, 2 - исследуемая горная порода, 3 - скважина, пробуренная в ней, Р - усилие, приложенное к индентору, XX - ось индентора, В - ширина полосы контакта между индентором и горной породой.
В процессе проведения исследований индентор 1 воздействует на горную породу 2 под действием усилия Р таким образом, что его ось XX направляется параллельно поверхности образца горной породы или образующей цилиндрической поверхности скважины, пробуренной в горной породе.
Процесс определения сопротивляемости горной породы механическому разрушению посредством заявляемого способа осуществляется в следующей последовательности. Индентор 1 располагается таким образом, что его ось XX направляется параллельно поверхности образца горной породы 2 или образующей цилиндрической поверхности скважины 3, пробуренной в нем. Далее, на индентор 1 осуществляется нарастающее во времени силовое воздействие Р. В процессе взаимодействия индентора 1 и горной породы 2 между ними образуется контактная полоса длиной L и шириной В. Длина контактной полосы L при этом остается постоянной вне зависимости от чистоты поверхности образца горной породы 2, и определяется лишь длиной индентора 1.
Нарастающее во времени силовое воздействие Р на индентор 1 осуществляется до момента достижения хрупкого разрушения (выкола) горной породы 2 под ним. Величина усилия, необходимого для разрушения горной породы 2 под индентором 1 фиксируется в момент хрупкого разрушения (выкола). Она является мерой сопротивляемости горной породы механическому разрушению.
Таким образом, в соответствие с предлагаемым способом, становится возможным определение сопротивляемости горных пород механическому разрушению.
Использование при этом индентора в форме прямого кругового цилиндра диаметром равным его длине обеспечивает постоянство длины полосы контакта между индентором и горной породой вне зависимости от степени чистоты поверхности образца породы, за счет чего повышается точность определения усилия, необходимого для хрупкого разрушения (выкола) горной породы под индентором. В результате этого повышается точность определения сопротивляемости горных пород механическому разрушению.
Способ определения сопротивляемости горных пород механическому разрушению путем воздействия на горную породу твердосплавным индентором, при котором его ось направляется параллельно образующей цилиндрической поверхности скважины, с последующей фиксацией усилия в момент хрупкого разрушения (выкола), отличающийся тем, что длина полосы контакта, образующейся при взаимодействии индентора с горной породой, обеспечивается постоянной за счет использования индентора в форме прямого кругового цилиндра диаметром, равным его длине.
