Методика испытания горных пород вдавливанием штампа

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы – овладеть методикой определения показателей механических свойств горных пород методом статического вдавливания штампа (методом Л.А. Шрейнера).

Метод статического вдавливания штампа позволяет определить прочностные, упругие, пластические показатели механических свойств породы и ее энергоемкость разрушения в стандартных условиях.

Для определения показателей механических свойств горных пород методом вдавливания штампа необходимы образцы пород (керны) высотой 30-50 мм и диаметром не менее 40 мм, которые должны иметь две плоскопараллельные шлифованные поверхности.

При испытании горных пород в качестве инденторов используются штампы с плоским основанием (рисунок 1).

 

 

Рисунок 1 – Конструкции штампов

 

 

Штампы изготавливают или из инструментальной стали с последующей закалкой (рисунок 1, а) или из стали со вставкой из твердого сплава (рисунок 1, б). Штампы со вставкой из твердого сплава используют для испытания очень твердых пород, в которых возможно разрушение штампа. Поэтому вставку выполняют в виде усеченного конуса. Основной геометрической характеристикой штампов является диаметр d рабочей поверхности.

При испытании плотных и однородно-пористых пород можно использовать штампы с площадью рабочей поверхности до 2 мм², а для пород с размером зерен больше 0,25 мм лучше использовать штампы с площадью рабочей поверхности 3 мм². Для испытания сильнопористых и малопрочных пород необходимы штампы с площадью рабочей поверхности 5 мм² и более.

 

Методика испытания горных пород вдавливанием штампа

 

В настоящее время испытания горных пород проводятся на установках УМГП-3 и УМГП-4 с автоматической записью зависимости нагрузки на штамп от глубины его внедрения. Установка УМГП-3 рассчитана на нагрузку 0 − 0,98; 0 − 2,45; 0 – 4,9 и 0 – 9,81 кН с предельной величиной внедрения штампа в породу 0,75 мм. Испытание ведется при весьма малой скорости нагружения штампа, поэтому в литературе широко используется другое название метода – метод статического вдавливания штампа.

На рисунке 2 приведены схемы взаимодействия штампа с горной породой при вдавливании.

а б

а - упругое вдавливание; б - хрупкое разрушение горной породы в конце вдавливания

Рисунок 2 - Схемы вдавливания штампа в поверхность породы

 

Цилиндрический штамп 1 диаметром d вдавливается в подготовленную поверхность образца горной породы 2 силой F, которая медленно увеличивается от 0 до F_тах и при которой происходит либо хрупкий выкол породы вокруг штампа с образованием лунки, либо глубина вдавливания штампа достигает предельного значения 0,75 мм, если ранее хрупкого разрушения не было.

В процессе испытания установка УМГП-3 автоматически записывает график зависимости F от h. Пример графикаприведен на рисунке 3.

Прямая ОА характеризует упругое деформирование (прогиб) поверхности горной породы. Кривая АВ характеризует одновременное и упругое, и пластическое деформирование породы под штампом. Правее т. Вначинается, а в т. F заканчивается хрупкое разрушение поверхности горной породы с отколом обломков 3 и с образованием лунки разрушения 4 (см. рисунок 2, б).

Рисунок 3 – Вид зависимости F от h при вдавливании штампа

Различных классов

В нормативной документации по технологии бурения широко используется оценка твердости пород в категориях. Наиболее просто задача определения твердости Н в категориях решается, если известны твердость или предел текучести по штампу:

 

Н = 12(1 – ехр(-0,00487 ·р_ш ^0,666)), кат.; (15)

 

Н = 12(1 – ехр(-0,0349 ·р₀ ^0,433)), кат. (16)

 

Зависимости (15) и (16) получены при условии, что величина Н, равная 12 кат.,является их горизонтальной асимптотой. Формула (16) используется для расчета твердости в категориях пород 3-го класса.

Категория 1 2 3 4

С· 10^-2, МПА < 25 25-50 50-100 100-250

Категория 5 6 7 8

С· 10^-2, МПА 250-500 500-750 750-1000 >1000

 

По коэффициенту пластичности при вдавливании все горные породы разделены на шесть категорий:

Категория 1 2 3 4 5 6

К 1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-∞

К первой категории относятся хрупкие горные породы (первого класса), к категориям со второй по пятую – пластично-хрупкие (второго класса), а к шестой – высокопластичные и сильнопористые породы (третьего класса).

СОДЕРЖАНИЕ

		с.
	ВВЕДЕНИЕ Методика испытания горных пород вдавливанием штампа………………………………………….…………………………... Подготовка графика зависимости F от h для определения показателей механических свойств горных пород …………………….. Методика расчета показателей механических свойств горных пород …………………………………………………………….. 3.1 Твердость горной породы по штампу ……………………………….. 3.2 Предел текучести горной породы по штампу ………………………. 3.3 Определение показателя упругих свойств горной породы ………... 3.4 Определение показателя пластических свойств горной породы………………………………………………………… 3.5 Определение энергетического показателя разрушения горной породы ………………………………………………………… Определение глубины (лунки) разрушения горной породы …………... Определение класса и категории твердости горной породы ………….. Классификации горных пород по механическим свойствам..................

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы – овладеть методикой определения показателей механических свойств горных пород методом статического вдавливания штампа (методом Л.А. Шрейнера).

Метод статического вдавливания штампа позволяет определить прочностные, упругие, пластические показатели механических свойств породы и ее энергоемкость разрушения в стандартных условиях.

Для определения показателей механических свойств горных пород методом вдавливания штампа необходимы образцы пород (керны) высотой 30-50 мм и диаметром не менее 40 мм, которые должны иметь две плоскопараллельные шлифованные поверхности.

При испытании горных пород в качестве инденторов используются штампы с плоским основанием (рисунок 1).

 

 

Рисунок 1 – Конструкции штампов

 

 

Штампы изготавливают или из инструментальной стали с последующей закалкой (рисунок 1, а) или из стали со вставкой из твердого сплава (рисунок 1, б). Штампы со вставкой из твердого сплава используют для испытания очень твердых пород, в которых возможно разрушение штампа. Поэтому вставку выполняют в виде усеченного конуса. Основной геометрической характеристикой штампов является диаметр d рабочей поверхности.

При испытании плотных и однородно-пористых пород можно использовать штампы с площадью рабочей поверхности до 2 мм², а для пород с размером зерен больше 0,25 мм лучше использовать штампы с площадью рабочей поверхности 3 мм². Для испытания сильнопористых и малопрочных пород необходимы штампы с площадью рабочей поверхности 5 мм² и более.

 

Методика испытания горных пород вдавливанием штампа

 

В настоящее время испытания горных пород проводятся на установках УМГП-3 и УМГП-4 с автоматической записью зависимости нагрузки на штамп от глубины его внедрения. Установка УМГП-3 рассчитана на нагрузку 0 − 0,98; 0 − 2,45; 0 – 4,9 и 0 – 9,81 кН с предельной величиной внедрения штампа в породу 0,75 мм. Испытание ведется при весьма малой скорости нагружения штампа, поэтому в литературе широко используется другое название метода – метод статического вдавливания штампа.

На рисунке 2 приведены схемы взаимодействия штампа с горной породой при вдавливании.

а б

а - упругое вдавливание; б - хрупкое разрушение горной породы в конце вдавливания

Рисунок 2 - Схемы вдавливания штампа в поверхность породы

 

Цилиндрический штамп 1 диаметром d вдавливается в подготовленную поверхность образца горной породы 2 силой F, которая медленно увеличивается от 0 до F_тах и при которой происходит либо хрупкий выкол породы вокруг штампа с образованием лунки, либо глубина вдавливания штампа достигает предельного значения 0,75 мм, если ранее хрупкого разрушения не было.

В процессе испытания установка УМГП-3 автоматически записывает график зависимости F от h. Пример графикаприведен на рисунке 3.

Прямая ОА характеризует упругое деформирование (прогиб) поверхности горной породы. Кривая АВ характеризует одновременное и упругое, и пластическое деформирование породы под штампом. Правее т. Вначинается, а в т. F заканчивается хрупкое разрушение поверхности горной породы с отколом обломков 3 и с образованием лунки разрушения 4 (см. рисунок 2, б).

Рисунок 3 – Вид зависимости F от h при вдавливании штампа