ТВЕРДОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

Твердость горных пород определяет сопротивляемость пород внедрению в них острого инструмента, т. е. разрушению при точечном (контактном) нагружении. Твердость минералов принято оценивать по известной шкале Мооса. Так как породы состоят из многих минералов и их твердость является агрегатной, для ее определения используют методы, основанные на вдавливании особых штампов в породу.

В зависимости от того, вдавливается ли инструмент в породу при постепенно увеличивающейся нагрузке или ударе, различают статическую Н_ст и динамическую Н_д твердость, причем Нст≠Нд.

Для большинства горных пород применяется метод определения статической твердости р_т, основанный на хрупком выколе лунки в шлифованной поверхности породы под действием приложенной к специальному штампу нагрузки. Метод этот разработан Л. А. Шрейнером.

Если во время опыта фиксируется деформация, то попутно может быть определен модуль упругости породы.

Так называемый метод контактной прочности, разработанный Л. И. Бароном и Л. Б. Глатманом в ИГД им Л. А. Скочинского, является более простым вариантом метода JI. А. Шрейнера. По этому методу производится вдавливание цилиндрического штампа с плоским основанием и диаметром 2 - 3 мм в нешлифованную поверхность образца. Контактная прочность р_к (твердость) образца определяется по величине нагрузки в момент хрупкого разрушения (выкола лунки под штампом), отнесенной к площади штампа.

Связь между р_к и р_ш приблизительно равна следующему соотношению:

р_ш ≈ (2,5-3,0) р_к. (4.8)

С увеличением пластичности пород твердость их уменьшается.

Твердость пород всегда выше предела прочности при одноосном сжатии, так как она соответствует прочности породы при сложном всестороннем сжатии, причем характер объемного сжатия в значительной степени зависит от упругих и пластических свойств породы.

В общем виде можно написать

Рш = k σ_сж (4.9)

Отмечено, что с ростом пластичности породы величина коэффициента k уменьшается с 20 до 5, т. е. численные значения твердости приближаются к значениям σ_сж. Так, установлено, что для изверженных пород Армении k ≈ 8,8-10, для глин и глинистых сланцев k≈3-18, для песчаников k≈2-20, для карбонатных пород k ≈ 5-12. Поэтому для вывода показателя р'_к> близкого по своей сущности к р_к в уравнении (4.9) можно принять k обратно пропорциональным коэффициенту пластичности k_пл

Тогда р_к' можно вычислять по формуле

(4.10)

Динамическая твердость может быть определена методом Шора. Его сущность заключается в том, что на поверхность испытуемой породы с определенной высоты сбрасывается боек сферическим алмазным наконечником. За показатель твердости принимается высота отскока бойка.

Твердость пород указывает на их сопротивляемость разрушении при воздействии бурового инструмента и поэтому определяет производительность буровых установок