СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД МЕХАНИЧЕСКОМУ РАЗРУШЕНИЮ
METHOD FOR DETERMINATION OF RESISTANCE OF ROCKS TO MECHANICAL DESTRUCTION

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.