Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Эффективность бурения скважин в скальных и полускальных грунтах зависит от механических свойств пород. Основные механичес­кие свойства, оказывающие влияние на разрушение, следующие: упругие свойства, временное сопротивление сжатию, твердость, аб­разивность, пластичность, хрупкость, трещиноватость и др.

Упругость — одно из основных механических свойств горных пород. Она характеризует способность сплошных сред сопротивляться изменению их объема и формы (твердые тела) или только объема (жидкость, газы) под воздействием напряжений. Для абсолютно упругих сред тела восстанавливают свой первоначальный объем и форму после прекращения действия сил, вызвавших их деформацию.

Горные породы не обладают идеальной упругостью, однако для них характерна частичная упругость, т. е. способность восстанавливать свою форму и объем не полностью. Для характеристики свойств упругих тел, в том числе горных пород, используют модуль упругости первого рода -(модуль Юнга) Е, коэффициент Пуассона р (коэффициент поперечного сжатря), константу Ляме к. модуль упругости второго рода G (модуль сдвига), скорость распространения продольных а и поперечных b волн.

Формулы связи различных параметров упругих сред представлены в табл. 2.42.

Значения модуля упругости некоторых горных пород даны в табл. 2.43, коэффициента Пуассона — в табл. 2.44.

Существенное влияние на разрушаемость горных пород при бурении оказывает такой показатель, как временное сопро. тивление сжатию. Данные об этой параметре для некоторых пород приведены в табл. 2.45.

: Таблица 2.42 ‘ Формулы связи упругих параметров горных пород

Параметр

Постоянная Ляме Дифференциальное уравне­ние распространения продо­льных волн Дифференциальное уравне­ние распространения попе­речных волн Скорость распространения продольных волн Скорость распространения поперечных волн Модуль упругости первого рода Коэффициент Пуассона Модуль объемного расши­рения Примечание, е… е… с.—относительные деформации массива в точке по трем ортогональным направлениям; ох, ov, стг — напряженйя по трем ортогональным направ­лениям; у—-плотность горной породы; и—проекция вектора смещения на ось х; х—-координата; w-—проекция вектора смещения на ось z; хХ2—касательное напряжение по площадке xz. Однако наибольшее влияние на процесс бурения оказывает твер­дость горных пород. Она характеризует способность горной породы сопротивляться внедрению в нее резца, пуансона или другого 53

Модуль всестороннего сжа­тия К Модуль упругости второго рода (модуль сдвига)

Относительная объемная деформация ‘ Закон Гука для линейного напряженного состояния Обобщенный закон Гука

Формула

0 — £Х + Еу-j — Ех CTx=exfc О (tTy + ГГ*)], hr

(2.10) (2-11) (2.12) (2-13) (2.14) (2-15) (2.16) (2.17) (2.18) (2-19) (2.20) (2-21) (2.22) (2.23) (2.24)

Е 3-(1-2р) Е

К=

2(l+|i) (1+р)(1-2р) д2и д<у. 82w 8х„

Х^

7 =

д!2

дх

(I-у)Е

(1 +й)(1 — 2|г)у b = y/Gjy ^ yb(3u2—461) 2(aJ-^) a2 —lb2 ^ 2{а2—Ь2) К—у(а2—4Ь213)

Порода	Е, 1010 Па	Породы	И
Доломит	2,1 — 16,5	Песчаник кварцевый	0,09
Г аббро-норит	11,72— 12,2	Кварцито-песчаник	0.1
Диабаз	12	Сланец глинистый	0,1—0,2
Кварцит	7,5- 10	Песчаник аркозовый	0,13
Базальт	9,7	Уголь	0,14—0,16
Мрамор	3,9- 9,2	Известняк	0,19—0,33
Известняк	1,3—8,5	Порфирит кислого и	0,2
Гнейсодиорит гиперсте-	8,4—8.42	среднего состава
новый		Порфирит метаморфизо-	0,22
Песчаник	7,3- 7,8	ванный
Гнейсогранит биотитовый	7—7,23	Г ранит	0,22—0,29
Гранит биотитовый	6,85 — 7,22	Песчаник	0,33
Г ранит	6—9,42	Мрамор	0,34—0,40
Биотитовый гнейс	5,66- 5,85	Каменная соль	0,44
Порфирит кислого сос­тава	5,71
Порфирит метаморфизо-	3,91
ванный

Модуль упругости рода Е для некоторых изверженных, метаморфических и осадочных пород

Коэффициент Пуассона р для векоторых осадочных, метаморфических и изверженных пород

индентора. В настоящее время твердость чаше всего определяется по| методу Л. А. Шрейнера путем внедрения в породу штампа с использо-Г ванием прибора УМПГ-3. Во время нагружепия штампа при определе-1 нии твердости породы самопишущий прибор регистрирует нагрузку! и вычерчивает диаграмму деформации. По диаграмме определяют! твердость рш, условный предел текучести стт, коэффициент пластично-| сти Агпл и удельную контактную работу разрушения А.

В табл. 2.46 приведена классификация горных пород по твердости. |

В табл. 2.47 и 2.48 представлены данные о механических свойствах, горных пород, определенных по методу Л. А. Шрейнера.

Большое влияние на процесс изнашиваемости породоразруша-1 ющего инструмента при бурении оказывает абразивность горной! породы. Абразивные свойства горной породы зависят от твердости! отдельных породообразующих минералов, формы и размеров послед-Г них, степени неоднородности горной породы, ее трещиноватости| и степени разрушенности. Разделение горных пород по абразивны! свойствам представлено в табл. 2.49.

Применение методики Л. А. Шрейнера для подразделения горных! пород на группы по буримости для производственных условий не| рекомендуется. Более приемлема методика, разработанная в ЦНИГРИ Н. И. Любимовым и др. По этой методике буримость горных поро;1 определяют по объединенному расчетному показателю рм, которым учитывает динамическую прочность породы Fp и ее абразивность Л’абр!

рм = 3 ПЧС*.. (2-251

! Предел прочности о„ некоторых горных пород на одноосное сжатие

Породы	103 Па
Весьма крепкие и вязкие	2940—4900
кварциты
Габбро	1200—3600
Кварцевые	3000
Диорит	1300—3000
Порфирит	1000—3000
Гранит	800—2700
Базальт плотный	2350
Известняки, доломиты	1000—2000
Песчаник с кремнистым	2000
цементом
Сиенит	1500—2000
Ангидрит	1200
Глинистые сланцы плот­	1000
ные
Песчаник с известковым	200—1000
цементом
Сидерит	980
Мрамор	980
Гипс	490
Каменная соль	200—400
Песчаный сланец	390

Таблица 2.46 Классификационная шкала горных пород по твердости (по Л. А. Шрейнеру) Категория пород по буримости Твердость по 107 штампу рш, Па минимальная максимальная 1 0 10 11 10 25 III 25 50 IV 50 100 V 100 150 VI 150 200 VII 200 300 VIII 300 400 IX 400 500 X 500 600 XI 600 700 XII 700 800

. Динамическую прочность определяют по методу К. И. Сыскова и М. М. Протодьяконова с помощью прибора, который включает в себя трубный копер и объемометр. Коэффициент абразивности рассчитывают путем установления потери массы дроби из свинца при истирании ее раздробленной горной породой. Для этой цели применяют прибор ПОАП-2.

Подразделение горных пород по показателю рм дано в табл. 2.50. В табл. 2.51 представлены данные о пределах текучести горных пород.

В заключение настоящего раздела приведем некоторые понятия о буримости горных пород. Буримость пород представляет собой комплексную характеристику, зависящую от твердости, абразивности, трещиноватости, пластичности, плотности, влажности, сцепления, угла внутреннего трения (последние три показателя для рыхлых горных пород), способа бурения, применяемого породоразрушающего инст­румента, режимов бурения и других факторов. В качестве количест­венного показателя буримости используют механическую скорость бурения или обратную ей величину—чистое время бурения 1 м скважины.

В соответствии с буримостью все горные породы подразделяют на группы. Такое подразделение носит название классификации горных

Механические свойства некоторых горных пород— скальных и полускальных грантов (данные Л. А. Шрейнера и др.) Породы Твердость рт, 107Па Условный предел текучести от, I07 Па Коэффи­циент пластич­ности Кс„ Модуль уп­ругости пер­вого рода (модуль Юн­га) Е, 107 Па Удельная Кон­тактная ра­бота разруше­ния А„ }05 Дж/м2 Гипс Аргиллит и глинистые сланцы Алевролит с карбонат­ным базальным цемен­том Мрамор Ангидрит Известняк плотный Песчаник среднезернис­тый с карбонатным ба­зальным цементом Доломит плотный Гранит уральский Базальт Диорит кварцевый (Урал) Сиенит (Урал, Н. Тагил) Диабаз (Кольский полу­остров) Кварцит (Караганда) Роговик эгириновый (Кривой Рог) Джеспилит (Курская магнитная аномалии) 25—40 20—75 70—90 95—130 105—140 110—200 170—300 250—320 300—370 390 410 570 630 580—630 800 810 15—35 15—40 40—50 65—70 40—95 50—110 140—210 150—220 220 —300 140 340 480 560 580 1.8—3,7 1.3— 3,3 2.2— 3,3 2.2— 3 2,1—4,3 1.7— 2,8 1.7— 2,8 2,5—4,5 1.4— 1,9 4.2 1.4 2.2 1.5 1 2.5 1 0,6—1,4 0,5—0,9 0,4—1,2 3.5 1.8— 5,4 2—5 1.8— 2,5 5—8 4,1—5 3,3 4.5 8,8 10 6.9— 7,3 10 10 0,2—0,5 0,3—0,1 0,8—1,3 1,3 0,5—1,2 0,7—2,8 2,2—2,8 1,7—3,4 2 16,9 2.5 14,6 5,1 4—6 8.5 3.6

Твердость и пластичность некоторых горных пород по JI. А. Шрейнеру

Породы	Твердость п. . I07 Па	Коэффициент Плас­тичности К! а1
Песчаник олигомиктовый мелкозер­нистый	115	2,4
Песчаник мелкозернистый	70—95	1,3—2,4
Известняк пористый	85—115	7
Известняк плотный	110—200	2—5
Доломит плотный загипсованный	120—140	3—5
Доломит окремнелый	410	3)
Чистый кремень	600—700	1
Кремень с примесью глинистых и карбо­натных частиц/	360—410	1,8
Гранит украинский	400—500	1
Кварцевый диорит	410	1,4
Пироксенит Кольский	360	2
Роговик эгириновый криворожский	800	2,5
Сиенит-порфир	315	2
Габбро	220	2,4

Таблица 2.48

Примерное распределение горных пород по абразивным свойствам и буримости применительно к бурению алмазным породоразрущаннцим инструментом (данные Н. И. Корнилова и др.)

Г руппа твердости

Категория пород по буримости

Породы

VII—IX IX X XI—XII VII IX IX—X XI—XII

Средней твердости Твердые Очень твердые Средней твердости Твердые Очень твердые

Малоабразивные Слегка затронутые выветриванием базальты, ди­абазы, лабрадориты, габбро, сиениты, пегматиты, пироксениты, диориты, андезиты, порфириты, ам­фиболиты, гранаты, гранитогнейсы, слабоквар — цованные плотные известняки, окремнелыс глинис­тые сланцы

Наиболее твердые разновидности, базальтов, ди­абазов, сиенитов, гранитов, пегматитов, габбро, гранодиоритов. Микрограниты, гнейсы, альбито — фиры. кератофиры и др.

Крепкие, плотные, мелкозернистые, сильноокрем — ненные, окварцованные сливные породы—рогови­ки, кварциты, яшмы, кремни, нефриты и др.

Абразивные

Аркозовые песчаники, сильновыветрелые трещи­новатые граниты, порфириты, гранодиориты, пег­матиты, кварцевые породы^ альбитофиры, по­рфиры и др.

Твердые кварцевые песчаники, плотные магнети — товые и гематитовые руды, гранатовые скарны, пористые кварциты, джеспилиты и др. Сильноокремненные или окварцованные поро­ды—роговики, кварциты, джеспилиты: скарниро — ванные породы; твердые корундовые породы, магнетито-гематитовые руды и др.

Показатель рм	Категория пород по буримости	Показатель рм	Категория пород по буримости
2—3	III	15,2—22,7	VIII
3,1 —4,5	IV	22,8—34,1	IX
4,6 -6,7	V	34,2—51,2	X
6,8 — 10,1	VI	51,3—76,8	XI
10,2—15,1 t.	VII	76,9 115,2	XII

Таблица 2.50

Шкала определения категории буримости пород по объединенному. расчетному показателю абразивности и динамической прочности (по методике ЦНИГРИ)

пород по буримости. Классификации пород по буримости устанав­ливают для основных способов бурения, поскольку сопротивляемость горных пород внедрению в них породоразрушающих инструментов

Условные пределы текучести некоторых горных пород (данные Р. А. Ганджумяпа)

Породы	Предел текучести. 107 Па
Аргиллиты и глинистые сланцы	15—40
Песчаники	60—160
Алевролиты	40—100
Известняки:
пористые	15—35
плотные	50—110
Доломиты	50—220
Каменная соль	20
Гипс	15—35
Ангидриты	40—95
Кремнистые породы	330 500
Изверженные горные породы	220 — 560
Кристаллические сланцы, скарны	330—630 … г

во многом зависит от способа бурения. Классификации горных пород по буримости приводятся в многочисленных справочных пособиях по бурению, в том числе в [20. 23].

Комментарии запрещены.