CC BY
33
- периодический подъем бурового става с одновременным радиальным перемещением породоразрушающих элементов по забою скважины с разрушением его скалыванием;
- ударное взаимодействие породоразрушающих элементов с забоем скважины под действием массы всего бурового става и накопленной в нем упругой энергии;
- периодический поворот при падении бурового става с разрушением забоя скалыванием в окружном направлении.
Эксплуатация предложенного устройства возможна на серийной буровой технике - станках класса СБШ-200, СБШ-250. Устройство
Рис. 2. Блок 2 - вертикальное распределение прочностных свойств (Южный карьер, восточ ный борт, горизонт 92 м)
предусматривает заменяемость разрушающих элементов. Его использование снижает как стоимость производства самого инструмента, так и расходы на его эксплуатацию в силу, меньших по сравнению с чисто шарошечным способом бурения, энергозатрат на проходку при бурении скважин диаметром 200-400-450 мм.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Исследование механизма разрушения и установление влияния структурно-механических свойств массива на интенсивность процесса бурения.- Отчет/ Сухов Р.И., Болкисев B.C. и др. - ИГД УрО РАН, 2003, Екатеринбург, 39с.
2. Воронцов И.В. Многоволновая сейсмометрия при решении горно-геологичнеских задач. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1998. - 112 с.
3. Воронцов ИВ., Шеменев В.Г. Прогнозирование разрушающего действия волн напряжений на основе данных сейсмометрии.//Физические проблемы разрушения горных пород. Часть 1 - С-Петербург, 2001. - С. 9496. - (Записки горного института).
4. Торгашов А.В., Блинков О.Г, Мосеев Д.Ю. Разработки в области управления качеством изготовления шарошечных долот повышенной работоспособности. - Самара: - Самарский научный центр РАН, 2000. 69 с.
5. Сухов Р.И., Лебедкин Ю.М., Тымчур А.В. К вопросу исследования механизма разрушения при бурении взрывных скважин./Физические проблемы разрушения горных пород./ Часть 2. - С-Петербург: (Записки горного института), 2000. - с. 167-169.
6. Сухое Р.И. Воздушно-эмульсионный способ очистки взрывных скважин при бурении. - Екатеринбург: УрО РАН. 2001. 113 с.
__ Коротко об авторах
Сухов Р.И. - кандидат технических наук,
Болкисев В. С. - кандидат технических наук,
Тымчур А.В.,
ИГД УрО РАН.
Поланский Г.А. - ОАО «Урабурмаш».
--------------------------------------------------- © А. С. Курилко, В.И. Попов,
2004
УДК 551.341
А. С. Курилко, В.И. Попов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ПОРОД ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЦИКЛОВ ЗАМОРАЖИВАНИЯ -ОТТАИВАНИЯ
Семинар № 3
ТЖ зменение прочности горной породы относится и к вопросам устойчивости откосов
-КА. после воздействия циклов заморажи- бортов карьеров и поверхности подземных
вания - оттаивания влияет на долговечность горных выработок подвергающиеся знакопе-
различных геотехнических сооружений. Это ременным температурным воздействиям.
0 10 20 30 40
Количество циклов
-О—замораживание в воздушной среде -□—замораживание в водной среде
Нами проведены исследования морозостойкости горных пород из отвалов карьера рудника «Удачный». Из отобранных кусков изготовили образцы правильной кубической формы 30x30x30 мм в количестве 400 штук. По минералогическим признакам испытуемые образцы горных пород относятся к известнякам, в большинстве случаев содержат прослойки мергеля.
Проведено три серии испытаний. Образцы замораживали в воздушной среде в воздушносухом (1-я серия) и во влагонасыщенном состоянии (2я серия), а также в водной среде (3-я серия). Температура замораживания минус 20 °С, оттаивания плюс 20 °С. Для водонасыщенных образцов, определяли влагоемкость при насыщении и открытую пористость. Испытание на прочность проводили методом одноосного сжатия на машине иТБ-250.
Исследования показали, что воздушносухие образцы за первые 40-60 циклов замора-живантия - оттаивания снизили прочность на 20 %. После 150-200 циклов прочность была на 30-35 % ниже первоначальной. Следует отметить, что у образцов находящихся в воздушносухом состоянии, в ходе воздействия 200 циклов замораживания-оттаивания, не было отмечено потери целостности или образования крупных трещин.
На рис. 1 представлена зависимость прочности влагонасыщенных образцов после циклов замораживания-оттаивания от начальной пористости. Прочность образцов с пористостью меньше 1 % упала после воздействия 20 циклов на 30 %. Прочность образцов с порис-
Рис. 1. Зависимость прочности пород от пористости после воздействия различного числа циклов замораживания-оттаивания (водонасыщенные образцы)
тостью больше 2,5 % понизилась на 50 % и ниже.
На рис. 2 приведены результаты испытаний образцов породы замораживание которых происходило в водной среде. Часть образцов разрушилась уже после 5 циклов замораживания оттаивания на мелкие частицы имеющие чешуйчатую форму. У другой части даже после 20 циклов сохранилось достаточно прочное ядро округлой формы, напоминающее выветре-лые породы. Результаты испытаний показали, что все образцы с начальной пористостью больше 5 % после 15-20 циклов замораживания-оттаивания самопроизвольно разрушились. Остаточная прочность образцов с начальной пористостью меньше 1 % составляет 42 %. Для сравнения на этом же рисунке приведен график средней прочности влагонасыщенных образцов при замораживании в воздушной среде.
Результаты экспериментов показали, что степень морозостойкости породы зависит от пористости и степени заполнения пор водой. Наибольшее воздействие происходит при замерзании образцов в водной среде при полном насыщении пор водой. Для объяснения механизма снижения прочности нами предложена простая физическая модель, позволяющая прогнозировать знакопеременное температурное воздействие на образцы горных пород с позиций роста их повреждаемости.
Будем рассматривать горную породу как монодисперсную среду с радиусом пор Я. При замораживаниии водонасыщенной породы в результате фазового перехода происходит увеличение первоначального объема воды в поре
Пористость, %
о без циклов з/о " " □ 3-5 циклов з/о
- ■ 10 циклов з/о —..о 20-40 циклов з/о
20 40 60 80
Количество циклов -Я=0.0005, фор-ла (4) -*-Я=0,00001, фор-ла (5) -Я=0.0005, фор-ла (5)
на величину пропорциональную коэффициенту объемного фазового расширения - Д Это увеличение вызывает перемещение дЯ поверхности поры в радиальном направлении.
(1)
Величину перемещения дЯ можно разделить на две составляющих - обратимую упругую и необратимую пластическую части дЯ . Примем последнюю пропорциональной дЯ
дЯп = кдЯ
После подстановки в уравнение (1) получим прирост радиуса поры в результате воздействия одного цикла замораживания оттаивания.
8Я = к@Я /3 (2)
Прирост радиуса поры после N циклов обеспечивается суммарным вкладом конечных приращений дЯ2 на каждом цикле. Ввиду малости дЯ2 заменим суммирование интегрированием. После интегрирования уравнения (2) получим прогнозный рост поры в результате воздействия N циклов замораживания оттаивания.
Я = Я0 ехр(к@Ч/3) (3)
где Я0 радиус пор до воздействия циклов.
Из условия определенности первоначальной пористости т0 найдем количество пор Л в единице объема модельной монопористой среды.
л = т/4^3
По условиям модели считаем Л постоянным на весь период действия циклов. Происходит
только наращивание радиуса пор в соответствии с уравнением (3).
Будем характеризовать реальную прочность породы экспериментально определяемым напряжением разрушения до воздействия циклов о0 Тогда получим для текущей прочности а - ст0(1 - т) (4)
где т = Л,4яЯ3 / 3
Зависимость (4) отражает факт понижения прочности породы как результат ее прогрессирующей дефектности - радиального роста пор в результате циклов замораживания оттаивания.
В процентном выражении понижение прочности при воздействии циклов замораживания - оттаивания представлено на рис. 3 график а, при значениях параметров модели Я0 =
0,0005 м., к = 0,5; т0 = 0,1; Ь = 25.
Характер этой кривой отражает монотонное накопление дефектов и потерю прочности образцов при одноосном сжатии. Однако при проведении экспериментов по определению прочности образцов при одноосном сжатии было отмечено значительное понижение прочности при начальных циклах замораживания -оттаивания.
В этой связи авторы сочли возможным сочетать полученный результат с механизмом хрупкого разрушения пористого материала (пористость менее 10 %) предложенного в работе [1].
Приведенная там зависимость прочности от пористости для хрупких материалов в наших обозначениях имеет вид:
0 = 0^ ехр(-Ьт)
После подстановки этого выражения в (4) получим
а = Са0(а ехр(-Ьт) + (1 - а)(1 - т)) (5)
где С - нормирующий множитель связанный с начальной пористостью т0; а - весовой множитель учета вклада хрупкого разрушения.
На рис. 3 представлены расчетные данные по формуле (5) для различных значений параметров - б при Я0 = 0,00001 м; к = 0,5; т0 = 0,02; Ь = 40: в - при Я0 = 0,0005 м; к = 0,5; т0 = 0,1; Ь = 25; а = 0,6.
Качественно эти данные соответствуют полученным экспериментальным результатам, и позволяют утверждать, что характер изменения
0
прочности при знакопеременном температурном воздействии связан прежде всего С проис- Рис. 3. Расчетные графики относительной прочно-
ХОДЯЩИМ при ЭТОМ ростом дефектности П0р0- сти горных пород при воздействии циклов заморажи-
вания-оттаивания.
ДЫ.
----------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сб. Разрушение. / Под ред. Г. Либовица, т 7, часть 1, стр. 221-299.
Коротко об авторак __________________________________________________________
Курилко Александр Сардокович — кандидат технических наук, заведующий лабораторией горной теплофизики Института горного дела Севера СО РАН, г. Якутск.
Попов Владимир Иванович - научный сотрудник ИГДС СО РАН, г. Якутск.
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ Д Ш ^ ^ & Г 1 А Ц И И
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ДЖАББАРОВ Мурод Наркомбилович Исследование рационального использования георесурсов мраморных месторождений при внедрении малоотходной технологии 05.15.01 к.т.н.
