Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 5.
Физико-механические свойства горных пород
Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на бурение, являются: механическая прочность, упругость, пластичность, хрупкость, твёрдость, абразивность, плотность, пористость, водопроницаемость, плывучесть и устойчивость.
Механическая прочность - способность пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, разрыве и изгибе их. Для различных пород предел прочности на сжатие изменяется от 0,1 - 0,2 до 500 МПа (1МПа ≈ 10 кгс/см2).
Прочность горных пород на скалывание, разрыв и изгиб значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при одноосном сжатии за 1,0, то предел прочности её на скалывание будет равен 0,2 - 0,08; на растяжение - 0,07 - 0,04.
Прочность горных пород зависит от минералогического состава, структуры и пористости, характера связи между зернами, твердости и размера частиц и т. п. Например, мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые.
Плотность породы и средняя плотность. Плотность породы определяется как отношение массы к её объему или как степень заполнения некоторого объема минеральным веществом. Наименьшей плотностью обладают осадочные породы, наибольшей - изверженные. Плотность горных пород зависит от минералогического состава зёрен и связывающего их цемента. Отношение массы образца к его полному объему характеризует среднюю плотность породы, зависящую от вещественного состава и пористости.
Эти свойства играют важную роль в буровых процессах, так как определяют условия транспортировки частиц разрушенной породы на поверхность.
Пористость, характеризуемая наличием в горной породе пустот, имеет существенное значение, так как от нее непосредственно зависят: механическая прочность, абразивность, влагоёмкость и другие свойства горных пород. Пористость определяется отношением объема пор к объему породы. Пористость изверженных пород наименьшая и измеряется долями или небольшим количеством процентов от объема. Только некоторые излившиеся породы (трахиты, туфовые лавы и др.) обладают высокой пористостью (до 60%). Пористость осадочных пород различна; у доломитов и известняков она изменяется от нескольких до 30%, у песчаников - до 40%, у мела - от 5-7 до 40-45%, у песков - около 30-40%, у глинистых пород колеблется в значительных пределах и может достигать 50% и более.
В твердых породах выделяют пористость открытую и закрытую. В первом случае поры сообщаются друг с другом и с наружной поверхностью образца, во втором - поры изолированы друг от друга. Это влияет на водопоглощение и водопроницаемость горных пород.
В пористых твердых породах скорость бурения и износ резцов увеличиваются.
Трещиноватость, характеризуемая совокупностью систем трещин в горных породах, осложняет работу породоразрушающего инструмента на забое, увеличивает водопроницаемость, ведёт к снижению процента выхода керна, уменьшает устойчивость пород в стенках скважин, вызывает самозаклинивание керна и т. д.
Твёрдость - способность горной породы оказывать сопротивление проникновению в неё другого твердого тела, не получающего остаточных деформаций. Твердость можно считать частным случаем прочности на вдавливание. Это одно из наиболее важных свойств горных пород, определяющее величину внедрения резцов бурового инструмента и существенно влияющее на механическую скорость бурения скважины. Различают агрегатную твердость (твердость породы в целом) и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Скорость разрушения пород при бурении зависит в основном от агрегатной твердости. Относительная твердость минералов по шкале Мооса приведена в табл. 1.
Упругость - способность деформируемого тела восстанавливать первоначальную форму и объём после снятия нагрузки. Упругость также характеризуется отскакиванием ударяющего инструмента (долота) от породы. Упругие свойства в той или иной степени присущи всем породам.
Пластичность - способность пород изменять свою форму (деформироваться) под воздействием приложенных сил, без разрыва сплошности; при этом порода получает остаточную деформацию. Большинство минералов и твердых скальных пород практически не дает остаточной деформации, так как разрушение их происходит раньше, чем начинают проявляться пластичные свойства.
Хрупкость - способность породы разрушаться на отдельные куски при ударе, без заметной пластической деформации. Проявление хрупких свойств зависит от времени приложения нагрузки. При медленном приложении нагрузки в породе могут развиваться остаточные пластические деформации, и, наоборот, при весьма быстром приложении нагрузок даже вязкие тела могут проявлять себя как хрупкие.
Вязкость – свойство породы оказывать сопротивлению частиц этой породы относительно друг друга. Вязкость зависит от прочности и пластичности породы. В однородных породах вязкость равномерна во всех направлениях. Трудно разрушаются породы имеющие высокое значение прочности на сжатие и значительную пластичность. Предельное напряжение, при котором образец породы разрушается, называется пределом прочности.
Влагоемкость – количество воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы.
Водопроницаемость - способность горных пород пропускать воду. Водопроницаемость зависит от размеров и характера пор или трещин. Это свойство горных пород имеет большое значение при бурении с промывкой, так как часто определяет потерю промывочной жидкости.Устойчивость - поведение горных пород при обнажении их в массиве. Породы устойчивые при этом не обрушаются, стенки скважины не требуют закрепления. В породах неустойчивых или слабоустойчивых требуется проводить крепление стенок скважины. При бурении по таким породам часто разрушается керн, что снижает качество буровых работ. Устойчивость горных пород зависит целиком от характера связи между частицами, слагающими горную породу, от трещиноватости и степени выветрелости.
Абразивность - способность горных пород влиять на износ забойного инструмента при бурении скважин. Абразивными свойствами обладают породы, сложенные зернами твердых минералов, сцементированными менее прочным материалом. Наиболее высокими абразивными свойствами обладают кварцевые песчаники. В меньшей степени абразивность зависит от окатанности зерен.
С увеличением частоты вращения бурового снаряда износ породоразрушающего инструмента обычно растет быстрее, чем скорость бурения.
Технологические свойства углей
Первая группа технологических свойств каменных углей характеризует их как объект добывания со следующими дополнительными параметрами:
метаноносность - объем метана, содержащийся в свободном и связанном состояниях в единице массы угля. Наличие метана влияет на выбор технологии подземной разработки угля;
сопротивляемость резанию - способность угля противостоять механическому воздействию горного инструмента при резании;
выбросоопасность - газодинамическое явление в угольных шахтах, проявляющееся в виде внезапных выбросов угля и газа, вызванных концентрацией давления горных пород и энергией сжатого и свободного газа.
самовозгораемость способность углей к самовозгоранию. Определяется скоростью реакций окисления и критической температурой самовозгорание углей.
Вторая группа технологических свойств каменных углей характеризует их как объект обогащения:
обогатимость — возможность полноты извлечения органической части каменного угля из горной массы или разделение его на продукты с повышенной концептрацией составных компонентов путем применения различных методов обогащения. Обогатимость угля - способность к разделению на продукты обогащения по заданным показателя качества.
При обогащении получают три продукта: концентрат, в котором содержание горючей массы более высокое, чем в исходном угле; промежуточный продукт - смесь частиц угля и породы, попавшей в него в результате несовершенства методов обогащения; отходы обогащения с более высоким содержанием негорючих компонентов, чем в исходной горной массе.
Методы обогащения углей: гравитационный, центробежный, флотационный, химический, электрический и магнитный.
Третья группа технологических свойств углей, характеризующих их как возможность использования в народном хозяйстве по технологическим параметрам:
термическая стойкость - механическая прочность угля в кусках после термической обработки - изучается для углей, предназначенных для сжигания в топках транспортных средств, полукоксования и гидрирования. Устанавливается путем нагревания антрацита при температуре 900°С и испытания в барабане на дробимость;
спекаемость - свойство углей размягчаться при нагревании без доступа воздуха до температуры 470-550°С, проходя стадию пластического состояния, переходить в твердое состояние и образовывать прочный пористый продукт;
коксуемость - способность углей некоторых марок или их смесей давать в промышленных установках при определенном температурном режиме прочный крупнокусковой кокс. Пригодность углей для коксования характеризуется показателями, определенными лабораторным способом: характером спекаемости, степенью вязкости в пластическом состоянии, температурными границами пластичности, порядком газовыделения, составом примесей. Подобранную смесь углей различных марок, идущую на коксование, называют коксовой шихтой;
термохимическая стойкость - свойство углей сопротивляться химическому разложению при нагревании. С увеличением степени метаморфизма углей термохимическая стойкость возрастает;
выход летучих веществ - количество выделяющегося вещества из ископаемых углей при нагревании без доступа воздуха. В состав летучих веществ входят влага, летучие органические части угля и частично продукты разложения некоторых минералов;
теплота сгорания угля - важнейшая характеристика, используемая для сопоставления теплотехнических свойств углей различных месторождений. Определение теплоты сгорания производится замером количества тепла, выделенного единицей массы угля при полном сгорании его в калориметрической бомбе в среде сжатого кислорода.
Для сравнения теплового эффекта от сжигания разных видов топлива и углей различного качества используется понятие об условном топливе. За условное принимается топливо с низшей теплотой сгорания 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг). Одна тонна условного топлива (1 т у.т.) равна 1 т каменного угля, или 0,7 т нефти, или 770м3 природного газа.
Каменные угли делят на марки, исходя из показателя выхода летучих веществ, толщины пластического слоя, образующегося в результате спекания и теплоты сгорания угля.
Усредненные значения теплоты сгорания угля и некоторых других показателей качества угля различной степени метаморфизма
|
Марка угля |
Стадия метамор-физма |
Выход летучих веществ |
Толщина пластического слоя, мм |
Q, МДж/кг |
|
Длиннопламенный Д |
I |
>35 |
<6 |
21,98-24,91 |
|
Газовый Г |
II |
>35 |
11-25 |
23,44-25,9 |
|
Газово-жирный ГЖ |
II-III |
27-35 |
6-10 |
24,70-26,37 |
|
Жирный Ж |
III |
27-35 |
17-20 |
25,33-26,58 |
|
Коксово-жирный КЖ |
III-IV |
27-35 |
>21 |
25,95-27,21 |
|
Коксовый К |
IV |
18-27 |
>21 |
26,37-28,47 |
|
Отощенно-спекающийся ОС |
V |
14-22 |
6-13 |
26,58-27,84 |
|
Тощий Т |
VI |
8-17 |
— |
25,95-27,63 |
|
Антрацит А |
VII-VIII |
<8 |
— |
23,86-31,00 |
Таблица. 1. Относительная твердость минералов по шкале Мооса.