Способ испытания горных пород Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

СП

с

Использование: определение механических свойств горных пород на целике в полевых условиях. Сущность изобретения: к керну горной породы цилиндрической формы с центральным отверстием без отрыва его от забоя скважины по его боковым поверхностям в диаметрально противоположных участках с помощью гидравлических подушек прикладывают полосовую нагрузку по всей высоте керна. Нагрузку доводят до разрушения керна и по данным измерений определяют механические свойства горной породы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам испытаний горных пород, связанных с определением трещино- стойкости в массиве,

Известен способ испытания полученного керна, включающий его изгиб и объемное сжатие.

Недостатком данного способа является невозможность оценить трещиностойкость (вязкость разрушения) пород в массиве.

Известен также способ испытаний горных пород, при котором обуривают керн с центральным отверстием, прикладывают к нему разрушающие усилия без предварительного отрыва от забоя скважины и расчет параметров по результатам измерений.

Недостатками способа являются невозможность оценить трещиностойкость (вязкость разрушения) горных пород в массиве.

а также трудоемкость подготовительных операций и низкая точность испытаний.

Целью изобретения является определение трещиностойкости горных пород в массиве, снижение трудоемкости подготовительных операций и повышение точности испытаний.

Цель достигается тем, что согласно способу испытаний горных пород, включающему обуривание керна с центральным отверстием и приложение к нему разрушающих усилий без предварительного отрыва от забоя скважины, расчет параметров горной породы по результатам измерений, разрушающие усилия к керну прикладывают на его внешних боковых диаметрально противоположных поверхностях по всей длине керна при его длине, равной или большей 2 VRJ ( На - RI ) , где Ra - радиус керна, Ri 0,1-0,3 R2 - радиус отверстия, а усилия

М

ГО 4 00

о

vj

прикладывают в виде нагрузок, равномерно распределяемых по полосам шириной RI, и по полученным результатам испытаний оценивают трещиностойкость.

Для снижения трудоемкости подготови- тельных операций разрушающие усилия со- здают с помощью гидроподушек, размещаемых на диаметрально противоположных участках между стенками скважины и внешней поверхностью керна.

На фиг. 1 представлена схема испытаний; на фиг. 2 - то же, вид сбоку.

В проходческом забое выбирают участок поверхности 1, разгруженный от горного давления и не содержащий видимых нарушений: трещин, шелушек, резких неровностей и других макродефектов. Обуривают, например, колонковым перфоратором керн 2 алмазной коронкой диаметром 30+1 мм; 42 ± 1 мм; 60+1 мм на глубину 2 А 2 VR2 (R2 - Ri ) .

В табл. 1 приведены значения глубины обуривания и поправочной функции F для трех вышеперечисленных стандартных диаметров алмазных буровых коро- нок, применяемых в добывающей промышленности.

Для повышения точности испытаний нужно иметь рабочую поверхность керна, свободную от влияния реакций заделки и равную из соображений представительности пробы породы радиусу керна R2. Поэтому глубина обуривания керна, например, диаметром 42 мм с диаметром отверстия 10,0 мм будет равна t (2 Я + R2 ) 57,7 мм, а керна диаметром 30 мм с диаметром отверстия 8,0 мм - t 40,7 мм и т.д.

Далее в обуренном керне сверлят, например, электросверлом отверстие 3 на глу- бину обуренного керна, строго соблюдая при этом соосность. Радиус отверстия RI выбирают в пределах 0,1-0,3 радиуса керна Ra. Верхняя граница размеров отверстия соответствует предельному значению, при ко- тором еще не проявляется влияние краевых эффектов для толстостенной оболочки - обуренного керна с отверстием. Нижняя граница определяется возможностями буровой техники и испытательного оборудова- ния, имеющегося на вооружении в горнодобывающей промышленности.

После этого в щели и между керном и стенками скважины строго по оси размещают нагрузочные устройства 5 в виде гидро- подушки с металлической обоймой, сечение которой соответствует сегменту кольцевой щели 4. При этом внутренняя поверхность нагрузочных устройств 6 полностью контактирует с внешней поверхностью 7 керна по

всей его длине t (2 Я + R2). Ширину зоны их контакта 6 выбирают из условия равенства ее радиусу отверстия RL Применение распределенной в плане по сегменту нагрузки 8 позволяет при практически неизменной точности испытаний достичь по сравнению с приложением точечной в плане нагрузки повышения стабильности инициируемой из отверстия трещины. Это происходит вследствие возникновения вдоль оси ZZ нагруже- ния области 9 растягивающих напряжений, препятствующей искривлению фронта инициируемой трещины 10 при ее прорастании из отверстия 3.

При помощи нагнетательной гидросистемы, позволяющей задавать образцу напряжения до 50,0-100,0 МПа, производят механические испытания, фиксируют величину предельной нагрузки, при которой происходит раскалывание керна. При этом эксперимент считают удавшимся в случае, если фронт инициируемой трещины 10 отрыва не выходит за пределы зоны 9, а образец разрушается практически на две равные половины. В противном случае эксперимент отбраковывают.

Расчетную зависимость для оценки вязкости разрушения получают из решения теоретической задачи нагружения кольца с внутренним надрезом сжимающими нагрузками, параллельными оси надрезов:

d3

K,c () F

Я Ra t

где Kic - критический коэффициент интенсивности напряжений, силовой параметр вязкости разрушения, МПа;

da -диаметр зерна горной породы, м;

F - поправочная функция, зависящая от соотношения диаметров керна и отверстия (см. табл. 1);

Р - разрушающая нагрузка, Н;

т- глубина обуривания керна и сверления отверстия, м.

Предлагаемый способ был опробован на трех типах крепких горных пород: мраморе (предел прочности при одноосном сжатии ,7 МПа), кварците № 34 (R«x0 86,0 МПа), кварците № 38 (РСж° 91,0 МПа).

С целью проверки работоспособности способа испытания проводились в лабораторных условиях на моделях обуренных кернов. Модель обуренного керна получалась следующим образом. Из кернов длиной 80 мм и диаметром 60 мм алмазной коронкой на радиально-сверлильном станке выбуривались керны диаметром 30 ± 1 мм на глубину 41 мм, определяемую из выражения t (2 А + R2) 41 мм. Затем алмазным сверлом диаметром 8 мм в кернах переменного сечения со стороны меньшего диаметра высверливалось отверстие на глубину также 41 мм. Таким образом получились модели обуренных кернов, у которых роль заделки выполняли утолщенные части, диаметр которых был равен первоначальному - 60 мм, а их длина равнялась половине длины кернов 40 мм. Далее строго соосно по внешнему диаметру кернов размещались специальные металлические накладки, имеющие радиус закругления, равный 15 мм, ширину 4 мм и длину 41 мм.

Вся конструкция размещалась между плитами 10-тонного механического испытательного пресса и производилось нагруже- ние до разрушения образцов.

В табл. 2-приведены результаты экспериментов, показано их сопоставление с ис- пытанием на трещиностойкость по предложенной методике дисков такого же диаметра, изготовленных из этих пород.

Анализ результатов табл. 2 показывает, что величины Kic. определенные предложенным методом, имеют незначительный разброс и по сравнению с аналогичными величинами, оцененными чисто лабораторным методом, всегда несколько ниже последних. Это имеет свое объяснение. При отборе (выбуривании) кернов для лабораторных испытаний происходит искусственный отбор, так как керны, содержащие природные нарушения, зачастую не удается без поломки отделить от массива.

При натурных же испытаниях более слабые керны удается испытать.

Предлагаемый способ в отличие от способа лабораторных испытаний дисков гор0

5

0

5

0

5

ных пород имеет следующие преимущества: испытания проводятся при естественной влажности и температуре; обуренный керн полностью содержит природную трещино- ватость, а через заделку продолжают осуществляться природные процессы фильтрации жидкости и газа. В методике обуренного керна полностью учитываются условия естественного залегания горных пород.

Формула изобретения

-j

КЗ

-Ь. 00

сг -J

Таблица 2