Основні закономірності руйнування гірських порід
Руйнування гірських порід відбувається внаслідок відриву, зсуву, зрізу або сколювання. При розтягуванні, гірські породи руйнуються переважно на відрив, а при стисненні на сколювання. Руйнування гірської породи, в більшій мірі відбувається по контактних поверхонь між окремими мінеральними зернами. Цей процес відбувається поступово, і вимагає часу. Тривалість руйнування гірської породи залежить від температури, навантажень, активності середовища, напруженого стану та інших факторів.
Процес руйнування гірських порід при бурінні свердловини може бути поверхневим або об'ємним. Поверхневе руйнування зводиться до стирання, дроблення, виламування породи, і як правило, є неефективним. Зважаючи на неефективність поверхневого руйнування, зупинимося на більш докладному розгляді процесу об'ємного руйнування гірської породи.
Буріння долотом, можна розглядати як вдавлення в гірську породу штампа, з плоским і криволінійним підставами. Зі збільшенням ступеня навантаження на штамп, змінюється швидкість деформації. Існує три виду напруженого стану породи під штампом, це:
- ущільнення (1);
- гранична рівновага (2);
- руйнування (3).
Цикл руйнування гірських порід складається з цих трьох станів.
1.Под ущільненням мається на увазі загасання деформації, коли її швидкість зменшується до нуля. У процесі руйнування гірської породи, ущільнення характеризується поверхневим руйнуванням.
2. Під граничним рівновагою розуміють розриви і зсуви, коли не спостерігається загасання швидкості деформації, навпаки, при певному навантаженні вона стає постійною. Зі збільшенням напруги, в гірській породі збільшується кількість тріщин, і виникають такі друг за другом зрушення. Тривалість руйнування в цьому стані залежить від навантаження і умов, в яких проводиться процес руйнування. При цьому відбувається об'ємне руйнування гірської породи.
3. Під руйнуванням розуміють стан прогресивного збільшення деформацій, тривалістю в частках секунди, що характеризується об'ємним руйнуванням.
При ударному впливі, механічне пошкодження гірських порід відбувається при напрузі, які відповідають межі міцності, але менше критичних. При ударах з певною силою, що відповідає певному верхньої межі, руйнування гірської породи відбувається після одного удару. У разі зменшення значення сили до певного нижньої межі, для руйнування породи необхідно збільшення кількості ударів в одну і ту ж точку. При певному значенні сили, відповідному певній нижньої межі, руйнування породи не буде проводиться при будь-якій кількості ударів.
Фактор руйнування гірських порід при циклічних напруженнях обумовлений їх втомою. При напрузі, близьких до межі втоми породи, для її руйнування потрібен певний число циклів навантаження.
Досліджуючи різні способи руйнування гірської породи. було встановлено, що при вдавлення штампа із зануренням на 0,1 - 0,25 мм, тривалість циклу руйнування становить всього 0,002 секунди. Виходячи з цього, можна зробити висновок про те, що процес руйнування скельних порід відбувається без впровадження зубів долота. При тривалому контакті зубів з породою, вони занурюються в продукти її руйнування. Для досягнення максимального руйнівного ефекту, необхідно не миттєве вплив з великою силою, а тривалий вплив з меншою силою.