Технология и техника бурения в 2 частях Часть Горные породы

Раздел 
II
СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ
ГОРНЫХ ПОРОД
ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН
3. Основные закономерности разрушения
горных пород
4. Разрушение горных пород при бурении
5. Использование лабораторных данных
в практике бурения
6. Способы разрушения горных пород при
бурении

---

3
3
 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ 
РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Процесс разрушения горных пород при бурении скважин лю-
бым породоразрушающим инструментом сводится к образованию 
продуктов разрушения (частиц разрушенной породы). Продукты 
разрушения обладают свободной поверхностной энергией, возни-
кающей за счет некомпенсированности в силовом отношении ато-
мов или молекул, распложенных на поверхности образовавшихся 
частиц. Поэтому с физической точки зрения полезной будет та 
часть работы, которая затрачивается на увеличение свободной по-
верхностной энергии. Эту работу аналитически можно выразить 
следующим уравнением:
А
S
= 
V'S,
(3.1) 
где 
V — поверхностная энергия; 'S — площадь вновь образовавшей-
ся поверхности разрушенной породы.
При разрушении твердых тел, в том числе и горных пород, рабо-
та до разрушения затрачивается (в зависимости от вида напряжен-
ного состояния) на преодоление упругих и пластических деформа-
ций, а также на преодоление трения, причем работа на преодоление 
сил трения может во много раз превосходить всю остальную рабо-
ту. Аналитически работу до разрушения можно выразить следую-
щим образом:
А
V
= k
'V,
(3.2)
где k — коэффициент пропорциональности, величина которого за-
висит от прочности тела при данных условиях напряженного со-
стояния и его упругих констант; 
'V — деформированный объем.
Отношение полезной работы к работе, затраченной до разруше-
ния, представляет физический к.п.д. разрушения:
K = V'S .
(3.3)
k
'V
Согласно экспериментальным данным, его значение не превы-
шает 0,01 %. Очень малая величина физического к.п.д. разрушения 
объясняется главным образом тем, что значительная часть аккуму-

---

3. Основные закономерности разрушения горных пород 
119
лированной до разрушения энергии расходуется непроизводитель-
но, рассеиваясь в виде тепла.
Была предпринята попытка исследовать энергетический баланс 
процесса разрушения горных пород в лабораторных условиях. Об-
разцы горных пород разбуривали двухшарошечными микродоло-
тами диаметром 32 мм в калориметрическом устройстве. При этом 
предполагалось, что при бурении шарошечными долотами энергия, 
затрачиваемая на трение, упругие и частично пластические дефор-
мации породы и элементов долота, выделяется в виде тепла. Ис-
ходя из этого полезно затраченная энергия на разрушение породы 
определялась как разность между энергией, подведенной к долоту 
W
д
, и энергией, выделявшейся в виде тепла W
т
, тогда к.п.д. процес-
са разрушения горной породы
K =
W
д
– W
т
.
(3.4)
W
д
В зависимости от свойств горных пород и параметров режима бу-
рения величина к.п.д. процесса разрушения изменялась от 2 до 15 %.
Следует учитывать, что при определении физического к.п.д. 
разрушения к полезной работе относилась только энергия, затра-
чиваемая на образование новой поверхности в процессе разруше-
ния твердого тела. Этим и некоторыми другими факторами в зна-
чительной степени и объясняется большая разница в величинах 
между физическим к.п.д. и опытным к.п.д. Однако и в том и в дру-
гом случае к.п.д. разрушения из-за больших потерь энергии в про-
цессах разрушения твердых тел имеет небольшую величину.
Расход энергии на измельчение (диспергирование) горных по-
род определяется энергетическими законами разрушения Риттин-
гера и Кирпичева. Эти законы сформулированы при условии, что 
при механическом разрушении физическая природа тела остается 
неизменной и разрушаемые тела структурно однородные.
Согласно закону Риттингера (1867) работа, затраченная при 
дроблении, пропорциональна вновь полученной (обнаженной) по-
верхности измельченного материала или степени измельчения.
По закону Кирпичева (1874) энергия, требуемая для одинаково-
го изменении формы геометрически подобных и однородных тел, 
изменяется как объемы или вес этих тел. Этот закон иногда назы-
вают законом подобия и формулируют следующим образом: энер-
гия, затрачиваемая на дробление геометрически подобных тел при 

---

120 
II. Способы разрушения горных пород при бурении скважин
одинаковом напряженном состоянии, пропорциональна объемам 
разрушаемых тел.
Многочисленными опытами было установлено, что при тонком 
измельчении минеральных тел закон Риттингера соблюдается с 
большей точностью, а закон Кирпичева (подобия) не подтвержда-
ется, хотя оба в физическом отношении обоснованы.
Это связано с тем, что площадь вновь образуемых поверхно-
стей при каждой последующей стадии дробления увеличивается 
по сравнению с предыдущей, а суммарная работа согласно закону 
Риттингера до заданной дисперсности
1
растет по степенному за-
кону. Если же исходить из закона подобия, то зависимость работы 
разрушения от дисперсности продуктов разрушения линейная, так 
как объем тела при каждой стадии дробления и работа разрушения 
будут постоянными, а суммарная работа разрушения до заданной 
дисперсности равна произведению постоянной величины работы 
на число стадий дробления.
В случае дробления тела на куски больших размеров, т.е. при 
малой дисперсности, затраты работы по закону подобия будут 
большими, чем по закону Риттингера (рис. 3.1; точка d пересечения 
кривых соответствует размеру частиц 0,5–1,0 мм). В связи с этим 
Шрейнер показал, что при использовании закона подобия необхо-
димо учитывать масштабный фактор, т.е. увеличение прочности 
тела при уменьшении его линейных размеров.
Работа
Дисперсность