Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.ru

практикум для студентів спеціальностей ldquo;Бурінняrdquo; ldquo;Видобування нафти і газуrdquo; ld

Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2015-07-10


Івано-Франківський національний технічний

університет нафти і газу

Кафедра буріння нафтових і газових свердловин

Васько І.С., Ковбасюк І.М., Марцинків О.Б., Васько А.І.

Механіка Гірських ПОРІД

Лабораторний  практикум

для студентів спеціальностей

“Буріння”

“Видобування нафти і газу”

“Проектування і спорудження нафтогазопроводів”

2003


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний

університет нафти і газу

Кафедра буріння нафтових і газових свердловин

Васько І.С., Ковбасюк І.М., Марцинків О.Б., Васько А.І.

Механіка Гірських ПОРІД

Лабораторний  практикум

для студентів спеціальностей

“Буріння”

“Видобування нафти і газу”

Газонафтопроводи та газонафтосховища”

МВ 02070855 –1031-2003

Рекомендовано навчально-методичним

об’єднанням спеціальності

“Буріння нафтових і газових свердловин”

Івано-Франківськ

2003

Васько І.С., Ковбасюк І.М., Марцинків О.Б., Васько А.І.

Механіка гірських порід: Лабораторний практикум. – Івано-Франківськ: Факел, 2003. – 40 с.

Лабораторний практикум складено згідно з програмою курсу “Механіка гірських порід” для студентів за напрямом підготовки – 0903 Гірництво, спеціальностей – Буріння, Видобування нафти і газу, Газонафтопроводи та газонафтосховища і призначений для надання допомоги при вивченні дисципліни і підготовки до лабораторних занять студентами денної і заочної форм навчання. Може бути корисним для слухачів ІПО.

Рецензент:  Тершак Б.А. - канд. техн. наук, доцент кафедри

буріння нафтових і газових свердловин  ІФНТУНГ

Дане видання – власність ІФНТУНГ. Забороняється тиражування та розповсюдження.


Васько І.С., Ковбасюк І.М., Марцинків О.Б., Васько А.І.

Механіка гірських порід: Лабораторний практикум. – Івано-Франківськ: Факел, 2003. – 40 с.

Лабораторний практикум складено згідно з програмою курсу “Механіка гірських порід” для студентів за напрямом підготовки – 0903 Гірництво, спеціальностей – Буріння, Видобування нафти і газу, Газонафтопроводи та газонафтосховища і призначений для надання допомоги при вивченні дисципліни і підготовки до лабораторних занять студентами денної і заочної форм навчання. Може бути корисним для слухачів ІПО.

Рецензент канд. техн. наук, доцент кафедри

буріння нафтових і газових свердловин

ІФНТУНГ         Б.А.Тершак

Голова навчально-методичного об’єднання

спеціальності “Буріння”    Я.С.Коцкулич

Завідувач кафедри буріння

нафтових  і газових свердловин     Я.С.Коцкулич

Член експертно-рецензійної

комісії університету     А.І.Волобуєв

Нормоконтролер      О.Г.Гургула

Коректор       Н.Ф.Будуйкевич

Дане видання – власність ІФНТУНГ. Забороняється тиражування та розповсюдження.


ЗМІСТ

Стор.

Вступ ..........................................................................................................

4

Перелік лабораторних робіт з дисципліни “Механіка гірських порід”

5

Вивчення густинних властивостей гірських порід ................................

6

Визначення механічних властивостей гірських порід при простих видах деформації ......................................................................................

11

Втискування клина в метал і гірську породу.........................................

17

Визначення мікротвердості мінералів і гірських порід приладом ПМТ-3 .

21

Вивчення механічних властивостей гірських порід методом втискування штампа ............................................................................................

25

Вивчення впливу кроку втискування індентора на ефективність руйнування гірської породи .....................................................................

31

Вивчення механізму втискування інденторів різної форми поляризаційно-оптичним методом ......................................................................

34

Визначення абразивності гірських порід ...............................................

38

Література ..................................................................................................

42


ВСТУП

Навчально-дослідні лабораторні роботи з дисципліни “Механіка гірських порід” виконуються у четвертому семестрі для спеціальності “Газонафтопроводи та газо нафтосховища” та у п’ятому семестрі для спеціальностей “Буріння”, “Видобування нафти і газу” в об’ємі 34 години.

Роботи виконуються паралельно із засвоєнням теоретичного курсу та практичними заняттями.

Основна мета лабораторних занять – закріпити на практиці теоретичний матеріал курсу. Для цього при виконанні робіт студенти вивчають прилади і методи визначення густинних, механічних і абразивних властивостей гірських порід, а також отримують певні навики дослідницької роботи.

Перш ніж приступити до виконання лабораторних робіт з “Механіки гірських порід” студент повинен вивчити основні відомості про гірські породи.

З метою підвищення якості знань виконанню кожної роботи передує контроль підготовки студентів, на основі якої викладач вирішує питання про допуск до роботи; неготові студенти до роботи не допускаються. Винятком є перше заняття, на якому викладач ознайомлює студентів з вимогами техніки безпеки,  технічним оснащенням лабораторій, коротким змістом робіт і їх значенням для вивченням курсу.

Звіти оформляються на кожну лабораторну роботу окремо і крім титульної сторінки повинні містити матеріали, перерелічені в методичних вказівках.

При оформленні звітів необхідно користуватися «Стандартом підприємства» [ 7 ].

Для самоконтролю підготовки до виконання лабораторної роботи та її захисту рекомендується користуватися контрольними запитаннями.


ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З ДИСЦИПЛІНИ

“МЕХАНІКА ГІРСЬКИХ ПОРІД”

№ п/п

Назва лабораторних робіт

Кількість годин

1

Вступне заняття. Вивчення питань, які пов’язані з технікою безпеки при роботі з приладами. Знайомство з технічним оснащенням лабораторій, коротким змістом робіт і їх значенням для вивчення дисципліни

2

2

Вивчення густинних властивостей гірських порід

6

3

Визначення механічних властивостей гірських порід при простих видах деформації

4

4

Втискування клина в метал і гірську породу

2

5

Визначення мікротвердості мінералів і гірських порід приладом ПМТ-3

2

6

Вивчення механічних властивостей гірських порід методом втискування штампа

4

7

Вивчення впливу кроку втискування індентора на ефективність руйнування гірської породи

4

8

Вивчення механізму втискування інденторів різної форми поляризаційно-оптичним методом

4

9

Визначення абразивності гірських порід

4

10

Заключне заняття

2

ВСЬОГО

34


Лабораторна робота №1

ВИЗНАЧЕННЯ ГУСТИННИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ГІРСЬКИХ ПОРІД

Мета роботи. Вивчення методики визначення відкритої та загальної пористості гірських порід, а також їх об'ємної та питомої маси.

1.1  Визначення загальної та відкритої пористості гірських порід

Пористість, поряд із шаруватістю, сланцюватістю і тріщинуватістю належить до текстурних ознак гірських порід.

Загальною (абсолютною) пористістю називають відношення сумарного об’єму пор v до загального об’єму зразка породи Vзр

   Пзаг= (v /Vзр) 100%    (1.1)

Відкрита пористість – це відношення об’єму пор, з’єднаних між собою v0, до загального об’єму зразка породи Vзр

   Пвідк= (v0 /Vзр) 100%    (1.2)

Відкрита пористість  менша за загальну тому, що в породі завжди є замкнуті (ізольовані) пори.

Пористість порід залежить від їх петрографічного складу, глибини залягання та інших факторів. Як правило, уламкові гірські породи мають більшу пористість, ніж кристалічні. Пористість магматичних і метаморфічних порід дуже мала (в межах 0,8 – 1.2%) і пов’язана в основному з тріщинуватістю.

Пористість гірських порід зменшується із зростанням глибини їх залягання, що пояснюється ущільненням під дією ваги розташованих вище порід.

Загальну та відкриту пористість зразків гірських порід можна визначити за допомогою приладу СПВ-2. Пористість визначається за зміною тиску при стискуванні повітря в бюретці певного об’єму,  котру з’єднано з камерою із зразком. Прилад дає змогу оцінити густину гірських порід.

Опис приладу СПВ-2

Прилад складається з герметичної камери 3 (рис.1.1), в яку кладуть досліджуваний зразок породи.  Камера встановлюється на основі кернотримача 7, для чого потрібно відвести в сторону скобу 2, закріплену двома гвинтами 6.

До штуцера кернотримача в нижній його частині приєднана скляна бюретка 10, яка має розширення кулястої форми об’ємом близько 10 см3.

Бюретка гумовою трубкою з’єднана з посудиною 14 і сильфоном 15. Посудина та сильфон заповнені водою.

Бюретка має мітки, відповідно верхню – 11 і нижню – 12. Для забезпечення плавної зміни рівня води в бюретці у гумову трубку, яка приєднана до нижньої частини бюретки, вмонтовано капіляр 13. Кран 9 з’єднує систему з атмосферою, для чого його повертають до упору за годинниковою стрілкою. Система гумовою трубкою з’єднана з манометром 17, покази якого відповідають величині тиску стиснутого повітря всередині камери 3.

Порядок виконання роботи на приладі СПВ-2

1. Для визначення відкритої пористості беруть зразок породи об’ємом        10–20 см3 . При використанні зразків менших розмірів  зростають похибки вимірювань. Зразок породи  сушать в сушильній шафі протягом 1–1,5 год. при температурі 100–105оС, охолоджують і зважують на технічних вагах з точністю до 0,01 г.

Визначення загального об’єму зразка породи

а) При наявності зразка правильної форми визначення об’єму проводиться за його геометричними розмірами. Наприклад, для циліндричного зразка проводять вимір висоти і діаметра зразка. Їх значення визначають як середні з чотирьох вимірів.  Загальний об’єм зразка розраховують за формулою

        (1.3)

де d – середній діаметр зразка;

h – середня висота зразка.

б) При роботі з сипучими породами досліджуваний матеріал засипають доверху в склянку 4. В цьому випадку в розрахункову формулу (1.5) замість Vзр підставляють значення внутрішнього об’єму склянки Vст.

в) При роботі зі зразками неправильної форми їх об’єм визначають так.

В склянку 4 засипають шар дрібного, добре просіяного і просушеного піску. Дослідний зразок поміщають в склянку поверх піску, після чого вільний простір, що залишився, заповнюють доверху тим же піском. Постукавши легко по краю склянки, ставлять його на підставку електромагнітного вібратора, котрий вмикають на 20 с в мережу змінного струму з напругою 220 В. Після цього  склянку знову заповнюють   до верху піском. Надлишок піску над рівнем країв склянки зсувають металевою лінійкою. Потім пісок з породою висипають на сито. При цьому зразок породи залишається на ситі, а пісок висипається на підкладений листок паперу. Пісок засипають в мірну ємність, кладуть на підставку включеного вібратора і через 20с визначають його об'єм Vп . Загальний об’єм зразка визначають як різницю між внутрішнім об’ємом склянки і об’ємом піску

    Vзр=Vст – Vп.    (1.4)

2. Перевіряють прилад на герметичність. Для цього, помістивши в камеру певну кількість еталонів об’єму (кульок), ручкою 16 стискують повітря в камері 3 до 0.03 – 0.05 МПа. Якщо після 1–2 хв. тиск на манометрі не зменшується – прилад герметичний.

3. Кульки (об’ємом близько 5 см3) кладуть в склянку 4. Склянку ставлять в камеру 3 на підставку 8, яка має внизу пази для з’єднання камери з бюреткою. Гвинтом 1 герметизують камеру.

Після ущільнення камери ручкою 16 стискують сильфон 15 , підіймають рівень води в бюретці до нижньої мітки 12. При цьому кран 9 повинен бути відкритий – в системі зберігається атмосферний тиск.

Закривши кран 9, стискають сильфон , поки рівень води не досягне верхньої мітки 11. Через 10–15 с манометром 17 вимірюють тиск в системі. Швидкість стискання повинна бути по можливості постійною.

Далі, обертаючи  ручку 16, опускають рівень води нижче мітки 12, роблять запис в журналі, відкривають кран 9, знімають камеру 3 для заміни зразка.

При виконанні досліду не можна підіймати рівень води вище верхньої мітки 11, а також  допускати попадання повітря в систему.

4. Аналогічно п.3 повторюють досліди з еталонними кульками об’ємом близько 8см3, 11см3, 14см3, 17см3 .

5. Для визначення залежності між об’ємом та тиском в камері, на міліметровому папері будують калібрувальну криву. На осі абсцис відкладають об’єм еталонів, розрахований за їх геометричними розмірами, На осі ординат – значення тиску манометра.

6. Висушений  і охолоджений зразок кладуть в склянку 4 приладу і проводять з ним дослід аналогічно п.3.

7. За отриманим значенням тиску на манометрі на калібрувальній кривій знаходять об’єм зразка породи, непроникного для повітря Vзр.

8. Оскільки об’єм пор, які з’єднані між собою V0 = Vзр – Vзр, то згідно (1.2),  відкриту пористість знаходять за формулою

 Пвідк= [(Vзр  Vзр)/Vзр] 100% .    (1.5)

Загальну пористість визначають за формулою

   Пзаг= [(Vзр – Vск) /Vзр]100% ,   (1.6)

де Vск – об’єм скелету породи, який визначають аналогічно Vзр , попередньо  ретельно подрібнивши зразок.

1.2 Визначення об'ємної  та питомої маси гірських порід

 Об'ємна маса породи визначається за формулою

     = М / Vзр ,    (1.7)

де М – маса зразка породи, кг.

Питома маса (мінеральна густина) породи визначається за формулою

    ск =  М / Vск.    (1.8)

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. В чому різниця між загальною та відкритою пористістю порід ?

2. Від чого залежить пористість порід?

3. Пористість яких порід більша – осадових, магматичних чи метаморфічних ?

4. Як змінюється  пористість із глибиною залягання порід ?

5. Які властивості порід можна визначити за допомогою приладу СПВ-2?

6. З яких основних вузлів складається прилад СПВ-2?

7. Як побудувати калібрувальну криву?

8. Зразки якого мінімального об’єму рекомендується використовувати для вимірювання пористості? Чому?

9. Як визначити загальний об’єм зразка неправильної геометричної форми?

10. В чому різниця між об'ємною та питомою масою гірських порід ?

11. Як визначити  загальну пористість порід на приладі СПВ-2?

Література: [3], стор. 45–47


Лабораторна робота №2

ВИЗНАЧЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГІРСЬКИХ ПОРІД ПРИ ПРОСТИХ ВИДАХ ДЕФОРМАЦІЇ

Мета роботи. Вивчення методики визначення міцності на стиск, розтяг, зсув, згин і встановлення співвідношення між цими характеристиками для одного і того ж матеріалу.

Міцність – це здатність твердого тіла чинити опір руйнуванню.

Міцнісні характеристики гірських порід значно різняться залежно від виду навантаження. Найбільшу міцність гірські породи мають на стиск, найменшу – на розтяг. Це пояснюється тим, що при стиску "працює" весь об'єм зразка, а при розтягу – взаємозв’язки між мінеральними частинами, з яких складається порода,  в найбільш послаблених місцях. Міцність на зсув є другою після міцності на стиск, а міцність на поперечний згин близька до міцності на розтяг і навіть може дорівнювати їй, бо при поперечному згині в зовнішніх шарах зразка виникають напруження розтягу, а у внутрішніх – напруження стиску.  Визначальними  при руйнуванні є напруження розтягу, і руйнування починається, коли останні досягають критичної величини. При зсуві значну роль  відіграють сили  внутрішнього тертя, які  чинять опір руйнуванню.

Суть лабораторної роботи полягає в тому, що зразки одного і того ж матеріалу випробовують на стиск, розтяг, зсув і згин, а одержані значення міцності порівнюють.

Для  визначення міцності на стиск і розтяг потрібні циліндричні зразки діаметром 40–45 мм. Відношення довжини зразка l до його діаметра dзр :

,

Для випробування на згин і зріз використовують зразки призматичної форми з такими геометричними розмірами bxhxL = 2x2x6 см.

Міцність на стиск ст визначається при одноосьовому розтискуванні циліндричного зразка за поздовжньою віссю (рис.2.1, а).

 ,    (2.1)

де   P – руйнівне навантаження, Н; 

F – площа поперечного перерізу зразка, м2;

У матеріалознавстві найбільш розповсюдженим методом визначення міцності на розтяг р є метод розриву зразків. Однак, виготовити зразки з гірської породи  для випробовування таким методом складно.

Для випробовування гірських порід  на розтяг застосовують метод розколювання стискуючим зосередженим навантаженням (“бразильський” метод).

Суть його полягає в тому, що навантаження на зразок передається через клини, розташовані на одній осі. В цьому випадку, як відомо з теорії пружності і підтверджено поляризаційно-оптичним методом, зразок руйнується від напружень розтягу, які виникають на поверхні, по котрій відбувається руйнування. Достатнє наближення до цієї схеми дає навантаження циліндричного зразка по його твірних (рис.2.1, б). При цьому руйнування відбувається по діаметральній площині. Тоді міцність на розтяг р визначається як

        (2.2)

де  d – діаметр циліндричного зразка, м;

 h – висота циліндра, м.

Оскільки навантаження не є зосередженим і передається не по лінії, а по деякій прямокутній площині, значення міцності на розтяг, одержані таким чином, будуть трохи завищеними порівняно з істинними значеннями, одержаними шляхом безпосереднього розриву зразків.

Міцність гірських порід на зсув звичайно визначають при випробовуваннях на зріз (рис.2.2). При такому навантаженні відбувається зрізання зразка по деякій поверхні. Міцність на зсув визначається як відношення руйнівного зусилля P до площі цієї поверхні F:

зс = P/F.      (2.3)

Для  зразка прямокутного перерізу

F = 2bh,      (2.4)

де  b – ширина перерізу, м;

h – висота перерізу, м.

При випробовуванні на поперечний згин зразок призматичної форми встановлюють на дві опори і навантажують посередині зосередженим зусиллям (рис.2.3). Міцність на поперечний згин визначається як відношення максимального згинаючого моменту М до моменту опору перерізу зразка згину W.

зг = М/W,      (2.5)

М = PL/4,      (2.6)

W = bh2/6,      (2.7)

де  b – ширина перерізу, м;

h – висота перерізу, м.

При виконанні роботи використовується гідравлічний прес (рис.2.4).

1 – корпус; 2 – плунжер преса; 3 – столик плунжера; 4, 12 – крани;        5 – манометр; 6 – вісь; 7 – ручка; 8 – плунжер насоса; 9 – малий циліндр; 10 – всмоктувальний клапан; 11 – бачок для масла; 13 – великий циліндр; 14 – плита.

Рисунок 2.4 – Схема гідравлічного преса

Дія преса базується на тому, що в порожнину великого циліндра 13 нагнітається масло, яке спричиняє переміщення плунжера 2. Зусилля P, яке створює плунжер, визначається добутком тиску p в циліндрі на площу поперечного перерізу плунжера

,     (2.8)

де  dпл – діаметр плунжера, м.

Для визначення міцності на згин можна використовувати також прилад МИИ-100, який дає змогу одразу визначити зг для зразка призматичної форми з таким співвідношенням розмірів bxhxL = 4x4x10см. При визначенні зг на приладі МИИ-100 для зразка з іншими розмірами, потрібно визначити поправочний коефіцієнт, значення якого знаходиться з формул (2.5 ) – (2.7).

Порядок виконання роботи

1. Підбирають зразки для досліджень (по 3 – 4 зразки на кожний вид випробування), слідкуючи за тим, щоб вони не мали тріщин, каверн чи інших дефектів. У зразків, які готують для визначення ст особливо ретельно контролюють паралельність торців циліндра  і перпендикулярність їх  до поздовжньої осі, бо від цього залежить точність експериментів.

2. Вимірюють розміри зразків і результати заносять до журналу.

3. Зразки встановлюють  в пресі за схемами навантаження, як показано на рис. 2.1,а , рис.2.1,б, рис. 2.2, рис. 2.3,  і руйнують їх. В момент руйнування фіксують покази манометра, заносячи їх значення до журналу.

4.  За формулою (2.8), розраховують величину руйнуючого навантаження і визначають значення ст , р , зс , зг .

5. Отримані результати заносять у таблицю 2.1.

Таблиця 2.1 –  Результати визначення межі міцності при простих видах навантажень

Вид

навантаження

досліду

Розміри зразка

Тиск на манометрі

Руйнівне навантаження

Площа руйнування

Напруження

d, м

L, м

b, м

h, м

p, Па

P, Н

F, м2

, Па

Виконуючи лабораторну роботу потрібно виконувати такі правила техніки безпеки:

1. Починати стискування преса дозволяється тільки при повній впевненості, що люди знаходяться на безпечній відстані від преса .

2. Під час навантаження зразка забороняється притримувати його руками, а також наближати обличчя до преса на відстань  меншу за 0,7м.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що буде при визначенні міцності на стиск, якщо торці зразка непаралельні?

2. Якщо один із торців буде мати випуклу форму, то як це вплине на результати визначення міцності на стиск?

3. Як визначати міцність на розтяг, маючи зразок кубічної форми?

4. Чи можна визначити методом розколювання міцність на розтяг, маючи зразок у вигляді тонкої пластини?

5. У чому переваги і недоліки бразильського методу визначення міцності на розтяг?

6. Як зміняться результати визначення міцності на розтяг, якщо створювати навантаження через клини, розташовані на одній осі?

7. Як в цій роботі визначається величина руйнівного навантаження?

8. Чому для гірських порід характерна нерівність ст > зс >зг >р ?

9. Як визначити зг , використовуючи  гідравлічний прес?

10. Визначте поправочний коефіцієнт для визначення зг  на приладі     МИИ-100 для зразка призматичної форми з такими геометричними розмірами bxhxL=2x2x6см.

Література: [ 4 ],  с.72, 80, 86.


Лабораторна робота № 3

ВТИСКУВАННЯ КЛИНА В МЕТАЛ І ГІРСЬКУ ПОРОДУ

Мета роботи. Вивчення характеру деформування твердих тіл при втискуванні в них загостреного індентора.

При втискуванні конуса з кутом при вершині 60 в метали (пластичні тіла) безпосередній контакт між конусом і металом зберігається по всій глибині при будь-якому навантаженні, оскільки в цьому випадку немає крихкого руйнування, а утворення лунки відбувається за рахунок пластичного витіснення металу    (рис.3.1  а).

При втискуванні конуса в гірські породи  спочатку також відбувається пластичне деформування (рис. 3.2, а). Цьому відповідає початкова ділянка на графіку (рис. 3.1, б), на якій глибина втискування пропорційна навантаженню до значення h0 (початкова ділянка на графіку). При подальшому збільшенні навантаження глибина втискування зростає різко, скачками за рахунок крихкого руйнування під конусом (рис. 3.2 б); занурення конуса відбувається при навантаженні, не дуже більшому від Р0.

При подальшому втискуванні за рахунок пружної та пластичної деформацій глибина занурення зростає дуже повільно, а потім наступає другий скачок  руйнування і т.д. Порода під конічним наконечником сколюється під кутом, більшим за 120о. Цей кут називають природним кутом сколювання.

Таким чином, процес руйнування гірських порід при втискуванні загострених відбувається скачками, причому кожен наступний скачок при занурюванні більший за попередній. Це пояснюється тим, що із збільшенням глибини втискування площа контактної поверхні також зростає.

Вимірювати опір втискуванню можна лише в межах початкової ділянки до h0. Опір втискуванню рвт визначають як відношення навантаження Р до площі поверхні відбитку F

.      (3.1)

При значеннях, більших за h0,  визначити величину опору не можна, бо невідома площа істинного контакту між конусом і породою (контактування відбувається не по всій глибині втискування – рис. 3.2. б). Наявність початкового пластичного деформування гірських порід при втискуванні клину, дає змогу при малих навантаженнях отримувати чіткі малі відбитки і вимірювати їх площу, що і використовується при визначенні мікротвердості.

У цій роботі треба визначити характер деформування металу і гірської породи при втискуванні конуса з кутом при вершині 60

Лабораторна робота виконується на гідравлічному пресі з індикатором деформації (рис.3.3).

1 – корпус; 2 – плунжер преса; 3 – столик плунжера; 4, 12 – крани; 5 – манометр; 6 – вісь; 7 – ручка; 8 – плунжер насоса; 9 – малий циліндр;  10 – всмоктувальний клапан; 11 – бачок для масла; 13 – великий циліндр; 14 – зразок; 15 – конус; 16 – упор; 17 – індикатор деформації

Рисунок 3.3 – Схема гідравлічного преса з індикатором деформації

Порядок виконання роботи

1. Згідно з рис.3.3,  на столику плунжера 3 встановлюють дослідний зразок 14 (алюміній), а на нього ставлять конус 15 всередині направляючої втулки.

2. Підіймають плунжер із зразком до торкання верхньої основи конуса з упором 16 та, стежачи за манометром, зупиняють хід плунжера при відхиленні стрілки манометра на 2 поділки (0,2 МПа). Це те значення тиску, яке потрібне для підняття столика із зразком і усунення всіх зазорів і люфтів.

3. Опускаючи індикатор деформації 17, встановлюють його ніжку на поверхні зразка. Продовжують повільно опускати індикатор, поки стрілка на його шкалі  не повернеться на один–два оберти, щоб також усунути всі люфти. Після цього закріплюють індикатор.

4. Встановлюють шкалу індикатора так, щоб його стрілка показувала  “0”.

5. Збільшують тиск на одну поділку манометра (рахуючи від “умовного нуля”), беруть відлік по шкалі індикатора і записують в робочий журнал.

6. Продовжують дослід в тій же послідовності, тобто створюють навантаження ступенями, через кожну поділку манометра, по шкалі індикатора визначають деформацію, і всі отримані дані записують в робочий журнал. Граничний тиск вказує викладач.

7. Зареєстровані тиски перераховують у навантаження за формулою (2.8).

8. Аналогічно п.п.1 – 7 втискують конус у гірську породу.

9. Результати експериментів записують в робочий журнал за формою, яка наведена в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 – Результати експериментів

п/п

Тиск (р),

Па

Навантаження (Р),

Н

Деформація (глибина занурення

конуса), мкм .

метал

гірська порода

10. На міліметровому папері будують графіки втискування конуса в алюміній і гірську породу в координатах: по осі ординат – глибина занурення конуса h в мкм, по осі абсцис – навантаження Р в Н. Графіки  слід будувати на одному координатному полі.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. За рахунок чого утворюється лунка при втискуванні конуса в метал (пластичні тіла)?

2. Яка залежність між глибиною занурення та навантаженням при втискуванні конуса в гірські породи?

3. Чому неможливо визначити величину опору втискуванню в гірські породи при зануренні конуса, більшому за ho?

4. Як усунути вплив люфтів та зазорів при вимірюванні навантаження?

5. Як усунути вплив люфтів та зазорів при вимірюванні деформації?

6. За якою формулою розраховують площу отриманого відбитку при відомому h0 та куті при вершині конуса.

Література [ 2], стор. 104–105.


Лабораторна робота №4

ВИЗНАЧЕННЯ МІКРОТВЕРДОСТІ МІНЕРАЛІВ І ГІРСЬКИХ ПОРІД ПРИЛАДОМ  ПМТ-3

Мета роботи. Опанування методики визначення мікротвердості на приладі ПМТ-3 і вивчення взаємозв’язку між твердістю гірської породи і мікротвердістю породоутворюючих мінералів.

Поняття твердості вперше було запроваджено в мінералогії. У 1882 році Моос склав шкалу твердості, в якій за еталон було вибрано десять мінералів: тальк, гіпс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз. Твердість талька прийнято за одиницю, твердість алмазу умовно дорівнює десяти. Моос розумів під твердістю здатність одного тіла чинити опір проникненню в нього іншого тіла. Це тлумачення твердості, хоча і не є вичерпним, залишається головним і сьогодні.

Твердість, визначена при малих розмірах індентора і малих навантаженнях, отримала назву мікротвердості.

Прилад ПМТ-3 (прилад мікротвердості, 3 модель) призначений для випробування матеріалів на твердість втискуванням при навантаженні від 0,02 до 2 Н. Для втискування використовують алмазні піраміди Віккерса і Кнуппа  [ 2 ]. Піраміда Віккерса має квадратне січення і кут при вершині між протилежними гранями 136. Піраміда Кнуппа має ромбічний переріз з кутами 130 та 172,5.

Втискуючи алмазну піраміду при малих навантаженнях (0,2 – 0,5 Н), на поверхні гірської породи можна отримати пластичний відбиток. За допомогою приладу ПМТ-3  визначають мікротвердість породоутворюючих мінералів і дрібнозернистих порід з розмірами зерен до 0,01 мм. Для середньо- і крупнозернистих порід через малі розміри відбитку (десяті частки міліметра) можна визначити тільки твердість мінералів, з яких складається гірська порода, але не твердість самої породи.

Опис приладу і  порядок виконання роботи

1 – окулярний мікрометр;  2 – тубус;  3 – центрування; 4 – об’єктив;

5 – алмазна піраміда; 6 – столик;  7 – макроподача; 8 – мікроподача;

9 – стійка; 10 – механізм навантаження;  11 – зразок;  12 – станина.

Рисунок 4.1 –  Прилад ПМТ-3

На рис. 4.1 зображено прилад ПМТ-3. Тубус мікроскопа 2 несе на собі окрім окулярного мікрометра 1, об’єктива 4 і освітлювача, ще й механізм навантаження 10, який прикріплений до нього на спеціальному кронштейні. Тубус пересувається в направляючих кронштейна, закріпленого на стійці станини, за допомогою рейки і зубчатого колеса – для здійснення  “грубих” переміщень (“макроподача” 7) і за допомогою особливого багатоступеневого шестерінчастого механізму – для здійснення малих переміщень  (“мікроподача” 8).

Знизу розташований предметний столик 6, верхня частина якого за допомогою мікрометричних гвинтів може рухатися у горизонтальній площині в двох взаємно перпендикулярних напрямах. Крім того, весь столик повертається довкола своєї вертикальної осі на 180, від упору до упору.

Зразок 11 встановлюють на столику 6, і, вибравши на ньому під мікроскопом місце для нанесення відбитку, підводять його під вістря алмазної піраміди 5, повертаючи увесь столик на 180. Після цього виконують операцію втискування: повертають на півоберта (зліва – направо) ручку навантажувального пристрою; при цьому навантажений зусиллям Р шток, на нижньому кінці якого закріплена алмазна піраміда, опускається до дотику піраміди із зразком. Тривалість витримки під навантаженням ~ 10 с.

При зворотному повороті ручки навантажувального пристрою шток разом з вантажем і пірамідою підіймається у вихідне положення. Предметний столик повертають в зворотному напрямі до упору. Відбиток опиняється під мікроскопом, після чого вимірюють його розміри.

Вимірювання діагоналі відбитку

Для вимірювання діагоналі відбитку (рис.4.2а), який спостерігається в полі зору мікроскопа, використовується гвинтовий окулярний мікрометр.

Рисунок  4.2 – Вимірювання діагоналі відбитку

В окулярі мікроскопа є нерухома шкала, яка має 8 поділок. Спостерігач повинен бачити і шкалу і перехрещення ниток з двома штрихами. Останнє пересовується точним гвинтом окулярного мікрометра. Гвинт має на кінці барабан, розділений на 100 поділок для відрахування дробових часток його повороту.

При заданому збільшенні мікроскопа приладу ПМТ-3 найменша поділка на барабані відповідає переміщенню перехрестя на 0,3 мкм, а повний оберт барабана – на 30 мкм, або одній поділці на нерухомій шкалі.

Отриманий відбиток (рис.4.2 а) за допомогою мікрометричних гвинтів на столику підводять до перехрещення ниток і суміщають його з центром перетину діагоналей відбитку (рис.4.2б). Перехрещення ниток підводять барабаном праворуч від відбитка – до його правого кута (рис.4.2 в) таким чином, щоб товщина ниток завжди залишалася праворуч від контуру відбитка – і беруть перший відлік по шкалі.

Після цього перехрещення ниток підводять до лівого кута відбитка і  знову беруть відлік ( рис.4.2 г).

Знаходять різницю показів в поділках шкали. Знаючи ціну поділки шкали – 0,3 мкм – визначають довжину діагоналі.

Визначення мікротвердості

Величина мікротвердості Hм [Па] визначається як частка від ділення навантаження P на площу відбитка F :

  (4.1)

,    (4.2)

де  – кут при вершині піраміди, =136;

    d діагональ відбитку,  

Із урахуванням нахилу граней відбитка до горизонтальної площини, на яку він проектується, формула для розрахунку мікротвердості матиме вигляд:

 (4.3)

Знаючи навантаження і розміри діагоналі, визначають мікротвердість. Результати записують в таблицю 4.1.

Таблиця 4.1 – Результати визначення мікротвердості

Зразок

досліду

Навантаження Р, Н

Початковий відлік

Кінцевий відлік

Довжина діагоналі d, мкм

Мікротвердість Нм, Па

Примітки: 

1. Зразки для випробувань і рекомендації що до вибору величини навантаження і типу об’єктива даються викладачем.

2. Робота з приладом без нагляду викладача забороняється.

3. Формула (4.3) вірна при використанні квадратної піраміди Віккерса.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. В чому переваги методу мікротвердості?

2.  Значення якої площі входить у формулу для визначення мікротвердості: істинної площі відбитку чи її проекції?

3. Як вплине на результати досліду недотримання часу навантаження?

4. Як вплине на результати досліду анізотропія досліджуваного мінералу?

5. Яку піраміду доцільніше застосовувати при дослідженні анізотропних матеріалів: Кнуппа чи Віккерса?

6.Від чого залежить мікротвердість мінералів?

7.Чи можна за  величиною мікротвердості породоутворюючих мінералів робити висновки про твердість всієї породи в цілому?

Література: [2],  с.54.


Лабораторна робота №5

ВИЗНАЧЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГІРСЬКИХ ПОРІД МЕТОДОМ ВТИСКУВАННЯ ШТАМПУ

Мета роботи. Ознайомлення з характерними особливостями руйнування гірських порід і засвоєння методики визначення механічних властивостей методом втискування циліндричного штампу.

Метод втискування циліндричного штампу з плоскою основою є основним при визначенні механічних властивостей гірських порід стосовно буріння свердловин. Це пояснюється тим, що втискування штампу найреальніше моделює процес дії породоруйнівних елементів долота на породу при її руйнуванні на вибої.

  а )                               б)

а) – для м’яких і середніх порід;

б) – для твердих порід.

Рисунок 5.1 – Циліндричні штампи

При визначенні механічних властивостей гірських порід використовують циліндричні штампи з плоскою основою (рис. 5.1). При випробовуванні дуже твердих порід доцільно використовувати штампи у вигляді конуса з кутом при вершині до 60, площею 1 мм2
(рис.5.1, б), які повністю виготовлені з твердого сплаву. Для щільних і однорідно пористих порід слід використовувати циліндричні штампи площею 2мм2   (рис. 5.1, а). Штампи площею 3 – 10 мм2 використовують для дослідження сильно пористих і неміцних гірських порід.

Всі гірські породи за характером поведінки при втискуванні штампу поділені на три класи: І – пружно-крихкі (рис.5.2, а), ІІ – пружно-пластичні  (рис.5.2, б), ІІІ – сильно пластичні і дуже пористі (рис.5.2, в) [ 1 ].

а)   б)    в)

а) – породи І класу; б) – породи ІІ класу; в) – породи ІІІ класу

Рисунок 5.2 – Діаграми “навантаження – деформації”  втискування штампу для різних класів порід

Суть методики полягає в тому, що у підготований зразок втискують штамп до моменту утворення лунки. В процесі втискування реєструють навантаження і деформацію, що відповідає цьому навантаженню.  

За кривою “навантаження–деформація” оцінюють механічні властивості досліджуваної гірської породи.

Порядок виконання роботи

Лабораторна робота виконується на гідравлічному пресі з індикатором деформації (рис.3.3). Порядок виконання роботи аналогічний п.1–7 лабораторної роботи №3.

Характерні особливості цієї роботи:

1. Замість конуса використовують циліндричний штамп.

2. Штамп  почергово втискують у зразки порід трьох класів.

3. При втискуванні штампу в породу І класу відліки по індикатору беруть без витримки навантаження, оскільки в пружній області величина деформації для кожної ступені навантаження встановлюється відразу і з часом не змінюється. Навантаження збільшують до моменту загального руйнування під штампом, що можна визначити як візуально, так і за різким падінням тиску на манометрі.

4. При втискуванні штампу в породу ІІ класу навантаження збільшують також ступенями, але при переході в пластичну область треба досягати повної деформації при кожному ступені навантаження. В цій області через пластичні деформації навантаження частково зменшується, і його необхідно постійно підтримувати на одному рівні до моменту, поки не буде досягнута пластична деформація, яка відповідає цьому ступеню навантаження. При певному граничному навантаженні відбувається загальне руйнування під штампом, яке також фіксується за падінням тиску на манометрі.

5. При втискуванні штампу в породу, яка не дає крихкого руйнування (ІІІ клас), випробовування проводять аналогічно, як і для породи ІІ класу. При втискуванні в ці породи загального руйнування під штампом не відбувається, тому глибину втискування штампу приймають рівною його діаметру.

6. Результати вимірювань записують у таблицю 5.1.

Таблиця 5.1– Результати експериментів

п/п

Тиск (р),

Па

Навантаження (Р),

Н

Деформація (h), мкм.

Порода

І класу

Порода

ІІ класу

Порода

ІІІ класу

Обробка отриманих результатів

1. За отриманими даними будують графіки деформацій в координатах: по осі ординат – навантаження (Р) в Н, по осі абсцис – деформація (h) в мкм.

2. Користуючись кривою, отриманою при випробовуванні породи ІІ класу, визначають механічні властивості.

2.1. Твердість. Твердість по штампу ршт визначається відношенням навантаження в момент руйнування (Рр)   до контактної площі штампу (fшт) (рис.5.3)

       (5.1)

де dшт – діаметр штампу, м.

2.2. Межа пружності.  Межа пружності р0 визначається відношенням навантаження Ро в точці переходу від чисто пружних деформацій до змішаних (точка А) до контактної площі штампу шт

      (5.2)

2.3. Коефіцієнт пластичності. Коефіцієнт пластичності kпл визначається співвідношенням загальної роботи, затраченої на руйнування Азаг до енергії пружних деформацій Апр. Оскільки площа під кривою “навантаження – деформація” пропорційна витраченій на деформування енергії, то коефіцієнт пластичності визначається співвідношенням площ SOABCO і SOMGO (рис.5.3)

   (5.3)

2.4. Модуль Юнга. Модуль Юнга можна розрахувати за формулою

Рисунок 5.3 – Розрахункова схема для визначення механічних властивостей породи ІІ класу

,      (5.4)

де Рдовільно вибране наванта-

ження, Н;

hпр – пружна деформація, яка відповідає навантаженню Р’, м.

Оскільки відношення Р/hпр є тангенсом кута нахилу прямолінійної ділянки кривої до осі деформацій, можна брати будь-які співвідношення Р і hпр. При цьому тільки слід дотримуватися їх відповідності. Наприклад, на графіку (рис.5.3) можна взяти навантаження Ро (ордината АD) і деформацію ОD, навантаження Рр (ордината EG або ВС) і деформацію OG (деформація ОС  – це загальна деформація;  пружна OG і залишкова GC).

2.5. Об’ємна енергоємність руйнування. Об’ємна енергоємність руйнування Аv є питомою витратою енергії на одиницю об’єму зруйнованої породи і визначається  як відношення загальної роботи Азаг до об’єму лунки Vл

     (5.5)

Деформація самого штампу не враховується, аналогічно як і при розрахунку коефіцієнта пластичності.

3. Визначення механічних властивостей порід за кривими І і ІІІ класу проводиться після засвоєння методики визначення властивостей порід ІІ класу.

Для породи І класу не визначають межу пружності, оскільки в цьому випадку р0 = ршт. Також немає потреби визначати коефіцієнт пластичності, тому що для породи І класу Азаг = Апр і kпл = 1.

Оскільки при втискуванні штампу в породу ІІІ класу загального руйнування під штампом не відбувається, тому мірою твердості для таких порід є межа пружності ( ршт = р0), а коефіцієнт пластичності визначають умовно за методикою [ 6 ].

4. Результати розрахунків записують у таблицю 5.2.

Таблиця 5.2 Результати визначення механічних властивостей порід

Назва породи

dшт, м

Рр , Н

ршт , Па

Р0, Н

р0 , Па

Sзаг, мм2

Sпр, мм2

kпл

Е,

Па

Азаг ,  Дж

Vл ,

м3

Аv , Дж/м3

5. За результатами розрахунків визначають  категорії твердості, пластичності та модуля Юнга  досліджуваної породи (табл.5.3 – 5.5) [ 5 ].

Таблиця 5.3 – Класифікація гірських порід за твердістю

Група

І (м’які)

ІІ (середні)

ІІІ (тверді)

Категорія

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Твердість за штампом, МПа

<100

100 -250

250-500

500-1000

1000-1500

1500-2000

2000-3000

3000-4000

4000-5000

5000-6000

6000-7000

>7000

Клас порід

сильно пластичні і дуже пористі

пружно-пластичні

пружно-крихкі

Таблиця 5.4 – Класифікація гірських порід за пластичністю

Категорія

1

2

3

4

5

6

Коефіцієнт пластичності

1

1-2

2-3

3-4

4-6

6

Клас порід

пружно-крихкі

пружно-пластичні

сильно пластичні і дуже пористі

Таблиця 5.5 – Класифікація гірських порід за модулем Юнга

Категорія

1

2

3

4

5

6

7

8

Модуль Юнга, МПа

<2500

2500-

5000

5000-

10000

10000-

25000

25000-

50000

50000-

75000

75000-

100000

>100000

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Від чого залежить діаметр штампу для випробування?

2. Як вплине на результати випробування недостатньо чиста обробка поверхні зразка?

3. Чи впливають розміри зразка на результати випробування?

4. В чому умовність поняття “коефіцієнт пластичності”?

5. Чи може коефіцієнт пластичності бути меншим  за одиницю?

6. Чому для розрахунку  Апр беруть площу SOMGO, а не SOADO?

7. Чим відрізняються і чим подібні твердість і межа пружності?

9. Як оцінити твердість гірських порід ІІІ класу?

10. Чи може порода з більшою твердістю потребувати менших енергетичних витрат на руйнування, ніж порода з меншою твердістю?

11. Як визначити об’ємну енергоємність руйнування порід ІІІ класу?

12. Втискування припиняється при навантаженні Р, більшому, ніж Р0 і меншому, ніж Рр. Показати на графіку загальну hзаг, пружну hпр і залишкову hзал деформації?

13. Зобразити в координатах “навантаження–деформація” результати випробування двох гірських порід при умові:

а) Ршт1шт2,, hзаг1=2hзаг2 , Ро1= Ро2;

б) Ршт1=2Ршт2 , Е12 , hзаг1=hзаг2 ;

в) Е1=2Е2 , hпр1=hпр2 , hзаг1=hзаг2 , Ро1= Ро2 ;

г) Ршт1шт2 , Е12 , hзаг1=hзаг2 , кпл1 кпл .

Література: [1], с.70;  [ 5 ], с.45;   [6 ], с. 11.


Лабораторна робота № 6

ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ КРОКУ ВТИСКУВАННЯ ІНДЕНТОРА НА ЕФЕКТИВНІСТЬ РУЙНУВАННЯ ГІРСЬКОЇ ПОРОДИ

Мета роботи. Визначити оптимальне значення кроку при втискуванні індентора в породу.

При роботі шарошкових доліт у гірську породу втискується не один, а декілька породоруйнівних інденторів (клин, зубець, штамп). Втискування групи інденторів по радіусу вибою здійснюється одночасно, а по дузі кола – послідовно. Ефективність процесу руйнування гірських порід залежить від взаємного розташування групи інденторів.

1 –одночасне втискування ;   2 – послідовне втискування

Рисунок 6.1 Залежність об’єму зруйнованої породи від кроку втискування

Дослідженнями встановлено, що при втискуванні групи інденторів по прямій лінії при різних відстанях один від одного послідовно і одночасно ефективність процесу руйнування має екстремальні значення (рис.6.1).

При послідовному втискуванні, якщо поступово зменшувати відстань між точками ураження, деякий час лунки будуть утворюватися незалежно одна від одної, без взаємного впливу. Але на якійсь критичній відстані відбудеться злиття попередньої і наступної лунок. При цьому об’єм зони руйнування буде найбільшим, а об’ємна енергоємність – найменшою. При подальшому зменшенні відстані руйнуюче навантаження теж зменшується, але енергоємність може  збільшитись за рахунок зменшення  сумарного об’єму зони руйнування. Максимальна відстань, при якій лунки зіллються, називається оптимальним кроком втискування. Його величина залежить від властивостей гірської породи, розмірів контактної поверхні індентора та інших факторів.

Все викладене вище має місце і при одночасному втискуванні кількох інденторів. Крім того, при одночасному втискуванні інденторів, між ними в будь-якій точці пружного півпростору, згідно з теорією Буссінеска, виникає загальна реакція, яка буде геометричною сумою реакцій від кожної сили окремо. І якщо тангенціальні реакції можуть бути спрямовані в протилежні сторони, то нормальні реакції складаються, збільшуючи силу відриву. Тому при одночасному втискуванні зона руйнування довкола кожного індентора збільшується. Тому ефективність процесу руйнування і величина оптимального кроку більші, ніж при послідовному.

Суть цієї роботи полягає в тому, що проводять серію послідовних втискувань індентора у досліджуваний зразок гірської породи, причому відстані між суміжними точками втискування поступово зменшують до мінімуму. Після обробки отриманих кривих “навантаження–деформація” будують графіки Vсер=f(t), Ршт.сер=f(t), Ро сер=f(t), Аv сер=f(t) і роблять висновок про оптимальне значення кроку втискування. Такі ж графіки будують і за результатами одночасного втискування кількох інденторів.

Порядок виконання роботи

Дослідження процесу руйнування при різних значеннях кроку втискування проводять на гідравлічному пресі з індикатором деформації (рис.3.3).

1. На зразку гірської породи олівцем відзначають по 4–6 точок втискування з різними значеннями кроку, які задаються викладачем.

2. Проводять втискування індентора в місця, відзначені точками, починаючи з найбільших значень кроку, і будують для кожного втискування залежність “навантаження–деформація”.

3. Аналогічно проводять одночасне втискування трьох інденторів.

4. Розраховують середні арифметичні значення твердості за штампом (Ршт сер) і межі пружності (Ро сер) для кожного кроку втискування.

5. Вимірюють об’єм зони руйнування, знаходять його середнє значення (Vз.сер) та розраховують середнє значення об’ємної енергоємності (Аv сер) для всіх кроків втискування.

6. Результати вимірювань і розрахунків заносять в таблицю 6.1 і будують графіки  Vсер=f(t), Ршт сер=f(t), Ро сер=f(t), Аv сер=f(t).

Таблиця 6.1 – Результати розрахунків

Показники

Крок втискування, мм

п/п

4

6

8

10

1

2

3

4

Твердість за штампом Ршт.сер, Па

Межа пружності Ро сер, Па

Об’єм зони руйнування V.сер, м3

Об’ємна енергоємність Аv сер, Дж/м3

7. Аналізують ефективність руйнування гірських порід при різних значеннях кроку втискування та роблять висновок про оптимальне значення кроку втискування.

КОНТРОЛЬНІ  ЗАПИТАННЯ

1. В чому полягає суть цієї роботи?

2. Що називається оптимальним кроком втискування інденторів?

3. Чим пояснити наявність оптимальної величини кроку втискування?

4. Від чого залежить величина оптимального кроку втискування?

5. Чому ефективність руйнування гірських порід при одночасному втискуванні групи інденторів вища, ніж при послідовному?

6. Як, на Вашу думку, можна виміряти об’єм зони руйнування?

Література: [ 2], стор. 135, 36


Лабораторна робота № 7

ВИВЧЕННЯ МЕХАНІЗМУ ВТИСКУВАННЯ ІНДЕНТОРІВ РІЗНОЇ ФОРМИ ПОЛЯРИЗАЦІЙНО-ОПТИЧНИМ МЕТОДОМ

Мета роботи: ознайомлення з поляризаційно-оптичним методом визначення напружень в масивах порід і визначення розподілу напружень при втискуванні в масив інденторів різної форми.

Поляризаційно-оптичний, або просто оптичний метод моделювання дає змогу визначати розподіл і значення напружень в масивах порід і елементах гірничих виробок при пружних і пластичних деформаціях в умовах, коли деформації відбуваються без розриву суцільності. Метод ґрунтується на явищі оптичної анізотропії, котре призводить до подвійного заломлення променів при прикладенні механічного навантаження. Така анізотропія характерна ряду прозорих матеріалів (різним видам скла, бакеліту, целулоїду, затверділим епоксидним смолам тощо).

Властивість подвійного заломлення світла в таких матеріалах, які ще називають оптично чутливими, виникає при їх деформуванні під навантаженням і зникає при знятті останнього. Цю властивість виявив відомий англійський фізик Д. Брюстер в 1816 році, що і відкрило можливість моделювання методом фотопружності.

Основним приладом для вивчення напружень у моделях із оптично чутливих матеріалів є полярископ (рис.7.1). Промінь світла від джерела 1, проходить через поляроїд 2, який називають поляризатором, і плоско поляризується. Поляризоване світло, пройшовши далі через напружену модель 3, переломлюється вдруге. Це переломлення різне в різних точках моделі і залежить від значень і напряму головних напружень в цих точках.

Далі обидва промені, що утворилися в розглядуваній точці моделі в результаті подвійного переломлення, проходять через поляроїд 4, який називають аналізатором, приводячись  при цьому в одну площину.

Після проходження через аналізатор відбувається інтерференція плоско  поляризованих променів при певній оптичній різниці ходу, котра пропорційна різниці головних напружень у відповідній точці моделі.

Залежність оптичної різниці ходу і різниці головних напружень у розглядуваній точці  моделі має вигляд:

   (7.1)

де Г – оптична різниця ходу, м;

С – константа, яку називають оптичним коефіцієнтом напруження, м2/Н;

d – товщина моделі, м;

1 і 2 – головні нормальні напруження, Па.

Якщо джерело 1 випромінює біле світло, то після проходження променів через поляризатор, модель і аналізатор на екрані 5 отримують зображення, забарвлене у різні кольори спектра. При цьому кожна кольорова смуга є геометричним місцем точок з однаковою оптичною різницею ходу Г і , відповідно з однаковою різницею головних напружень . Піврізниця головних нормальних напружень, як відомо, є максимальним дотичним напруженням:

.     (7.2)

Таким чином, кольорові смуги на екрані полярископа є лініями рівних дотичних напружень досліджуваної моделі. Ці лінії називають ізохромами.

Картину ізохром можна візуально спостерігати, стоячи перед аналізатором. В деяких точках досліджуваної моделі площина коливання променя співпадає з напрямом якогось головного нормального напруження. В таких точках подвійного переломлення променя не відбувається. Якщо площини поляризатора і аналізатора взаємно перпендикулярні, тобто якщо вони схрещені, то промені у вказаних вище точках моделі через аналізатор не проходять. В результаті на екрані з’являються чорні криві лінії, які перетинають кольорову картину ізохром. Ці лінії є геометричним місцем точок, в яких напрями головних нормальних напружень 1 і 2 паралельні. Такі лінії називають ізоклінами.

Суть лабораторної роботи полягає в тому, щоб зарисувати лінії і картину розподілу напружень при втискуванні в модель інденторів різної форми та зробити висновки.

Порядок виконання роботи

1. Розставляють складові частини поляризаційної установки згідно  зі схемою (рис.7.1).

2. Вмикають в електричну мережу лампу.

3. У модель породи втискують циліндричний штамп з навантаженням, яке задає викладач. Зарисовують отримані лінії рівних дотичних напружень.

4. Аналогічно п.3 проводять втискування сферичного індентора.

5. Виконують одночасне втискування декількох  циліндричних інденторів, змінюючи крок втискування згідно вказівки викладача. Зарисовують отримані лінії рівних дотичних напружень.

6. Аналогічно п.5 проводять втискування декількох сферичних інденторів.

8. Роблять висновок про характер розподілу напружень при втискуванні в масив різних інденторів.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. В чому суть поляризаційно-оптичного методу?

2. З яких основних частин складається поляризаційна установка?

3. Назвіть види матеріалів, які називають оптично чутливими.

4. Від чого залежить подвійне заломлення світла в полярископі при прикладанні механічного навантаження?

5. Які лінії називають ізохромами, а які – ізоклінами?

6. Яка залежність між оптичною різницею ходу і різницею головних напружень?

7. Який характер розподілу напружень в масиві при втискуванні в нього циліндричного штампу з плоскою основою?

8. Який характер розподілу напружень в масиві при втискуванні в нього сферичного індентора?

Література: [ 7 ], стор. 161 – 168.


Лабораторна робота № 8

ВИЗНАЧЕННЯ АБРАЗИВНОСТІ ГІРСЬКИХ ПОРІД

Мета роботи: засвоїти визначення абразивності гірських порід за методикою ІГД ім. А.А .Скочинського.

Під абразивністю гірської породи при бурінні свердловин розуміють її здатність зношувати породоруйнівний інструмент, що знаходиться в контакті з породою і переміщується відносно неї.

Рисунок 8.1 – Еталонний стержень

Серед існуючих методів визначення абразивності [ 1, 3, 4 ] метод ІГД ім. А.А. Скочинського відрізняється тим, що не потребує застосування складного обладнання і дає змогу з достатньою для практики точністю встановити абразивні властивості досліджуваних порід. Це зумовило його широке розповсюдження. Суть методу полягає в тому, що досліджуваний зразок породи “свердлиться” еталонним стержнем при строго заданому режимі: навантаження, частота обертання і час “свердління”. Мірою абразивності породи є ваговий знос еталонного стержня.

Еталонний стержень виготовляють із м’якої сталі – “сріблянки” – рис. 8.1.

Для обертання стержня використовують лабораторну установку, створену на базі настільного свердлильного верстата (рис. 8.2).

Зразок 1 закріплюють в спеціальному пристрої 2. Еталонний  стержень 3 кріпиться в затискному патроні 4. Навантаження на стержень створюється вантажем 5.

Випробування виконується при такому режимі:

– навантаження на еталонний стержень 150 Н (маса вантажу 15 кг);

– частота обертання шпинделя 400 об/хв;

– час “свердління” одним кінцем стержня – 10 хв.

Примітка: “свердління” виконується двома кінцями стержня.

1 – зразок гірської породи; 2 – пристрій для закріплення зразка; 3 – еталонний стержень;  4 –  затискний патрон;  5 – вантаж

Рисунок 8.2 – Схема установки для визначення абразивності гірських порід

Перед початком випробувань перевіряють еталонний стержень, котрий повинен мати плоскі торці, перпендикулярні поздовжній осі. На торцях не повинно бути фасок, задирок, що має особливе значення, бо може призвести до спотворення результатів дослідження. Упевнитися в тому, що торці мають плоску форму можна, приклавши до них ребро лінійки. При виконанні цієї вимоги по всьому контакту лінійки з торцем відсутні просвіти.

Перпендикулярність торців поздовжньої осі перевіряється або з допомогою слюсарного трикутника, або шляхом встановлення стержня на рівній поверхні (наприклад, на склі). Необхідно також упевнитися в чистоті стержня, особливо всередині висвердленого заглиблення.

Слід  також пам’ятати, що за цією методикою свердлять необроблену поверхню зразка.

Порядок виконання роботи

1. . Еталонний стержень зважують на аналітичній вазі в грамах з точністю до 4-го знаку і закріплюють в затискному патроні.

2. Закріплюють зразок породи так, щоб поверхня контакту з торцем стержня була горизонтальною.

3. Перевіряють, а при необхідності регулюють положення шпинделя відносно зразка по висоті. Після встановлення стержня на поверхню зразка запас вільного ходу шпинделя вниз повинен бути не меншим за 15–20мм.

4. Вибирають на поверхні зразка місце для випробування і роблять пробне встановлення стержня: стержень повинен контактувати з породою всією поверхнею торця.

5. Піднімають стержень, вмикають прилад і опускають стержень на зразок, одночасно ввімкнувши секундомір. Це треба робити  швидко, але  і без удару.

6.Через десять хвилин піднімають шпиндель і одночасно вимикають секундомір, вимикають установку і переставляють  стержень в патроні другим кінцем, після чого випробування повторюють. (Слід пам’ятати, що стержень від тертя нагрівається).

8. По закінченні свердління стержень ретельно очищують і зважують.

9. Результати заносять в таблицю 8.1, після чого виконують статистичну обробку даних. Кількість одиничних дослідів залежить від розсіювання даних і складає приблизно 3–5.

 

Таблиця 8.1 – Результати експериментів

№ п/п

Початкова маса стержня, г

Кінцева маса стержня, г

Втрата маси G, г

Абразивність а визначається, як середня втрата ваги стержня при свердлінні одним кінцем:

     (8.1)

де n – кількість стержнів.

Випробувану породу зараховують до тої чи іншої категорії абразивності у відповідності з приведеною класифікацією (таблиця 8.2).

Таблиця 8.2

Категорія

Абразивність, мг

Категорія

Абразивність, мг

1

2

3

4

5

5-10

10-18

18-30

5

6

7

8

30-45

45-65

65-90

90

Виконуючи роботу,  слід дотримуватися таких правил техніки безпеки:

1. Перед початком роботи перевіряють надійність заземлення установки.

2. Виконання роботи починають лише з дозволу викладача.

3. Вмикають установку тільки у випадку, що ніхто не в контактує з тими частинами установки, котрі обертаються.

4. Під час роботи установки не  можна  нахилятися над зразком.

5. Забороняється залишати працюючу установку без нагляду.

6. Після виконання роботи необхідно, перш ніж забирати еталонний стержень, переконатися, що він не спричинить опіків.

8. Після закінчення роботи виключити загальний рубильник.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Як зміняться результати досліду, якщо торці еталонного стержня будуть не плоскими, а випуклими або ввігнутими?

2. Який стержень зноситься швидше: з випуклим торцем чи з ввігнутим?

3. Як вплине  на результати досліду те, що торець не перпендикулярний до поздовжньої осі стержня?

4. Який розмір еталонного стержня важливіший: його довжина чи діаметр?

5. Чому за цією методикою еталонний стержень не виготовляють з твердого сплаву, яким армують бурові долота?

6. Як  потрібно змінити режим “свердління”, якщо фактична частота обертання шпинделя  410 об/хв?

7. Чи можна  за цією методикою використовувати установку, частота обертання якої 800 об/хв?

8. Як зміняться результати дослідів, якщо в процесі їх проведення еталонний стержень омивати безперервним струменем води?

9. Як зміняться результати досліду, якщо на контакті еталонного стержня з породою виявиться невелика кількість машинного масла?

10. Чим Ви пояснюєте розсіювання даних при проведенні цієї роботи?

11. Який пісковик має більшу абразивність: крупно - чи дрібнозернистий?

12. Як впливає шорсткість поверхні зразка породи на її абразивність?

13. Як впливає твердість по штампу на її абразивність?

Література: [1], с.106 або [3], с.123; [4], с.192.   
ЛІТЕРАТУРА

1. Спивак А.И., Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. – М.: Недра, 1986.– 207с.

2. Спивак А.И., Попов А.Н. Механика горных пород. М.: Недра, 1975.

3. Голубинцев О.Н. Механические и абразивные свойства горных пород и их буримость. – М.: Недра, 1968.– 200с.

4. Ильницкая Е.Н. и др. Свойства горных пород и методы их определения. – М.: Недра, 1969.– 392с.

5. Коцкулич Я.С., Кочкодан Я.С. Буріння нафтових і газових свердловин: Підручник. – Коломия ВПТ “Вік”, 1999.– 504с.

6. Курсова робота. Методичні вказівки з дисципліни “Механіка гірських порід” для студентів спеціальності 09.09.– Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 1994. – 25с.

7.Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьянц Е.В. Основы механики горных пород. – Ленинград.: Недра, 1977.– 488с.

8. Яремійчук Р., Возний В. Основи гірничого виробництва. – Київ.: Українська книга 2000.– 360 с.

9. СТП 02070855-03-99. Стандарт підприємства. Курсовий і дипломний проект. 

PAGE  1




1. Химия Дисциплина- ФилософияГруппа- 2 химияДата тестирования- 07
2. Організація і функції адвокатури України
3. Утверждаю Министр молодежной политики физической культуры и спорта Рязанской област
4.  Солнце это отец и царь нашей Солнечной системы вокруг которого вращаются все планеты1
5. на тему- Американская помощь голодающему населению Южного Урала в 19211923 гг
6. Реферат- Социально-политическая элита гражданского общества
7. Измерительный контроль в оптической микроскопии.html
8. Реферат- Филиппины
9. Что Где Когда Цель- Проверка знаний умений и навыков по основам курса информатики начальной школы
10. на тему- Некоммерческий маркетинг
11. Узнав об этом Светоний Бур предъявил к покупателю Антонию Пию иск о возврате вещи
12. полезной деятельности удовлетворению информационных потребностей
13. Вариант
14. Пак Чон Хи
15. Брет Истон Эллис
16. Процессуальные особенности рассмотрения дел о несостоятельности (банкротстве)
17. Технические средства таможенного контроля
18. етнос Розкрийте зміст понять
19. Православна церква в Україні наприкінці ХVII у XVIII-му ст.- історіографія
20. Notes Counterblnce уравновешивать равновесие Globl wrming is no longer politiclly correct term most people nowdys prefer to use ldquo;Climte chngerdquo; Rev