СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ
METHOD FOR DETERMINING ROCK RESILIENCE TO BRITTLE FRACTURE

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению.
Известна группа методов определения сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению, реализуемая посредством вдавливания различных инденторов в нешлифованную (естественную) поверхность породного образца с фиксацией хрупкого разрушения под индентором (выкола) - это метод, предложенный Л.И. Бароном и Л.Б. Глатманом, метод Института горного дела АН УССР, метод Новочеркасского политехнического института, метод Хуштадта. Под термином «выкол» понимается локальное хрупкое разрушение горной породы под индентором с образованием лунки.
Известный метод Института горного дела АН УССР реализуется вдавливанием 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 основан на вдавливании 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, реализуется вдавливанием конического индентора диаметром 30 мм с углом приострения 30° в стенку скважины диаметром 105 мм, пробуренной в массиве. Оценка твердости при этом осуществляется 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].
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 хрупкому разрушению, так как взаимодействие индентора и горной породы осуществляется по слагающим ее зернам.
Наиболее близким к предлагаемому, является метод Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана, согласно которому определение свойств горной породы осуществляется посредством вдавливания цилиндрического штампа с плоским основанием в нешлифованную (естественную) поверхность породного образца с фиксацией усилия в момент хрупкого разрушения (выкола) горной породы [Барон, Л.И. Определение свойств горных пород [Текст] / Л.И. Барон, Б.М. Логунцов, Е.З. Позин. - М.: Госгортехиздат, 1962. - 332 с., стр. 167].
Недостатком этого метода является потребность обеспечить значительные усилия для вдавливания индентора в связи с тем, что его контактная поверхность выполнена плоской. В результате этого, использование метода в производственных условиях достаточно затруднительно, так как требует специального оборудования, способного создать значительное воздействие на индентор. Кроме того, описываемый метод не может быть адаптирован к измерениям 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. Отсутствие возможности адаптации метода Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана к измерениям в скважинах не позволяет производить исследования в различных точках массива горных пород, что значительно сужает область применения метода.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении трудоемкости проведения исследований, а также обеспечении возможности осуществления измерений в скважинных условиях.
Техническая проблема решается тем, что в предлагаемом способе, включающем воздействие на горную породу твердосплавным индентором с последующей фиксацией усилия в момент хрупкого разрушения породы (выкола), согласно изобретению, индентор представляет собой прямой круговой цилиндр диаметром равным его длине, взаимодействующий с породой по образующей цилиндра, при этом торцы цилиндра имеют закругления радиусом равным радиусу цилиндра.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в обеспечении возможности осуществления измерений в скважинных условиях и в снижении трудоемкости проведения исследований.
Указанный технический результат достигается тем, что индентор представляет собой прямой круговой цилиндр диаметром, равным его длине, а взаимодействие с породой осуществляют по образующей цилиндра, при этом торцы цилиндра имеют закругления радиусом равным радиусу цилиндра.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется схемой, где изображен индентор с прилагаемым к нему усилием воздействия.
Индентор, используемый для реализации заявляемого способа определения сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению, имеет: тело 1 индентора, выполненное в виде прямого кругового цилиндра диаметром D, равным его длине L; торцы 2 индентора, имеющие закругления радиусом R, равным радиусу прямого кругового цилиндра, составляющего тело 1 индентора (т.е. D=2⋅R).
Воздействие индентора на разрушаемую породу 3 осуществляется по образующей прямого кругового цилиндра, составляющего тело 1 индентора с приложением усилия Р.
Процесс определения сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению посредством предлагаемого способа осуществляется следующим образом. Индентор располагается относительно исследуемой горной породы 3 таким образом, что его взаимодействие с ней осуществляется по образующей цилиндра, составляющего тело 1 индентора. Далее на индентор осуществляется силовое воздействие с усилием Р до момента хрупкого разрушения (выкола) горной породы 3, расположенной под ним.
Величина усилия, необходимого для разрушения (выкола) горной породы 3 под индентором, фиксируется в момент хрупкого разрушения (выкола) породы. Она и является мерой сопротивляемости породы хрупкому разрушению.
Таким образом, в соответствие с предлагаемым способом, становится возможным определение сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению. При этом выполнение торцов индентора закругленными радиусом равным радиусу прямого кругового цилиндра, образующего тело индентора, позволяет исключить наличие концентратора напряжений. В результате этого становится возможным получать приемлемые результаты измерения без основательного обеспечения параллельности образующей цилиндра и горной породы.
Взаимодействие индентора с испытуемой горной породой на начальном этапе проведения измерения осуществляется лишь по образующей прямого кругового цилиндра, составляющего тело 1 индентора. В результате этого становится возможным производить внедрение индентора в испытуемую горную породу при меньшем усилии в сравнении с прототипом, что снижает трудоемкость проведения исследований.
Заявляемый способ определения сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению может быть адаптирован к скважинным измерениям в случае расположения индентора таким образом, что образующая цилиндра, составляющего тело индентора, направляется параллельно образующей цилиндрической поверхности скважины.